基于Zigbee的无线测温传感器网络

论文摘要

随着传感器技术、微机电系统、无线通信等技术的发展,无线传感器网络技术也日益成熟和完善,并有望在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、反恐、危险区域远程控制等诸多领域获得广泛应用。本文是以工业自动化领域的无线传感器网络应用为背景,设计一种实现生产流水线上炉温测量的无线传感器网络。本文首先介绍了课题研究的背景、意义及内容,详细阐述了无线传感器网络的研究进展、组织结构及其特点。并着重介绍了Zigbee通信协议的概念、特点及其协议架构。其次,针对无线传感器网络在工业自动化领域的应用特点,为了使能量损耗最小,延长网络寿命,提高网络传输效率,本文提出了一种新的传感器网络模型和基于地址划分的高能效路由协议(Addr协议),并在新模型下对LEACH协议和基于地址划分的高能效路由协议进行了仿真,验证了该模型下Addr协议的高能效性。然后,课题基于CC2430通信模块,建立了无线测温传感器网络的软硬件平台。并提出了通信模块、传感器采集电路、Addr组网技术以及节点软件和PC机软件的设计方案。最后,通过以数据传输和炉温采集为主要任务的实验,验证了所设计传感器网络的可靠性和有效性以及炉温测量方案的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 无线传感器网络的研究进展
• 1.1.2 无线传感器网络的组织结构
• 1.1.3 无线传感器网络的特点
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 课题研究内容
• 第二章 Zigbee 通信协议介绍
• 2.1 Zigbee 协议概述
• 2.2 Zigbee 设备类型及其网络拓扑结构
• 2.2.1 Zigbee 的设备类型
• 2.2.2 Zigbee 的网络拓扑结构
• 2.3 Zigbee 协议栈架构
• 2.3.1 物理层
• 2.3.2 介质接入控制子层
• 2.3.3 Zigbee 网络层
• 2.3.4 Zigbee 应用层
• 2.4 Zigbee 的技术特点
• 2.5 Zigbee 的应用前景
• 2.6 本章小结
• 第三章 一种基于地址划分的无线传感网络高能效协议
• 3.1 无线传感器网络路由协议
• 3.1.1 平面路由协议
• 3.1.2 层次路由协议
• 3.2 系统模型描述
• 3.2.1 网络拓扑
• 3.2.2 数据传输
• 3.2.3 能量损耗估计
• 3.2.4 网络生命周期
• 3.2.5 网络传输延迟
• 3.3 新模型中典型路由算法分析
• 3.3.1 行列路由法
• 3.3.2 LEACH 路由法
• 3.4 基于地址划分的路由方法
• 3.4.1 地址分配阶段
• 3.4.2 簇划分阶段
• 3.4.3 稳定工作阶段
• 3.5 仿真与分析
• 3.5.1 均匀分布网络
• 3.5.2 随机分布网络
• 3.5.3 改进的网格划分办法
• 3.6 本章小结
• 第四章 传感器网络硬件设计
• 4.1 传感器节点设计目标
• 4.2 芯片选型
• 4.2.1 Zigbee 芯片比较
• 4.2.2 CC2430 性能介绍
• 4.3 CC2430 通信模块设计
• 4.4 主协调器设计
• 4.5 传感器节点设计
• 4.5.1 传感器介绍
• 4.5.2 电源模块设计
• 4.5.3 信号处理模块设计
• 4.5.3.1 方案1—PT100 热电阻传感器桥式测量
• 4.5.3.2 方案2—PT100 热电阻传感器信号线性化处理
• 4.5.3.3 方案3—K 型热电偶专用集成放大器AD595
• 4.5.3.4 方案4—K 型热电偶专用集成放大器MAX6675
• 4.6 本章小结
• 第五章 传感器网络软件设计
• 5.1 网络结构设计
• 5.2 设备组网
• 5.2.1 建立一个新网络
• 5.2.2 允许设备与网络连接
• 5.2.3 设备加入网络
• 5.3 主协调器软件设计
• 5.4 传感器节点软件设计
• 5.4.1 传感器节点软件总体设计
• 5.4.2 传感器节点温度采集软件设计
• 5.5 PC 机软件设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 温度传感网络测试与分析
• 6.1 单节点数据传输测试
• 6.2 简易拓扑网络数据传输测试
• 6.3 复杂电磁环境下的网络测试
• 6.4 测温实验
• 6.4.1 热电阻测温实验
• 6.4.2 热电偶测温实验
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录