畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告：智能環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

智能環(huán)境監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

研究背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是(WirelessSensorNetwork，WSN)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)小型或微型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成一個多跳的自組織智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。環(huán)境監(jiān)測是一類典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，很多監(jiān)測由于野外環(huán)境比較惡劣或者由于人工控制不準(zhǔn)確，環(huán)境信息不能很好的掌握，不適合搭建有線網(wǎng)絡(luò)。比如：森林監(jiān)測、火光監(jiān)測、油庫監(jiān)測、大棚監(jiān)測、車間監(jiān)測等。智能環(huán)境監(jiān)測能夠發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)，更方便的監(jiān)測其環(huán)境的溫度、濕度、人員接近以及是否有火源危險(xiǎn)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)信息，自動傳送到數(shù)據(jù)庫。一旦出現(xiàn)溫濕度偏高、偏低、外來人員或火源危險(xiǎn)的信息，就會發(fā)出報(bào)警信息。因此，對智能環(huán)境監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究在環(huán)境監(jiān)測中有很大的應(yīng)用價(jià)值和前景。課題概述本課題從環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用考慮，研究一個智能環(huán)境監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過溫度、濕度、人體和火源等傳感器行成自組式網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過Zigbee協(xié)議的CC2430芯片來進(jìn)行處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，還可對指定區(qū)域信息進(jìn)行查詢，這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)所不具備的。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段相比

使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測

有三個顯著的優(yōu)勢一是網(wǎng)絡(luò)的自組織性提供廉價(jià)而且快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能；二是現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行(路由)傳送，在不增加功耗和成本的前提下，可將系統(tǒng)性能提高一個數(shù)量級；三是網(wǎng)絡(luò)的健壯性、抗毀性滿足了某些特定應(yīng)用的需求。WSN技術(shù)是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)，它在當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力是巨大的。國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀目前，由大量的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自組織組成的無線傳感網(wǎng)能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療健康、空間探索、智能家居、軍事、交通、采礦和災(zāi)難拯救等各個領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)已成為下一代“計(jì)算無處不在”的關(guān)鍵技術(shù)。(1)無線傳感器國外發(fā)展現(xiàn)狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期。從2000年起，國際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報(bào)道。2003年美國自然科學(xué)基金委員會制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，投資3400萬美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。(2)無線傳感器國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀1999年，中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的信息與自動化領(lǐng)域研究報(bào)告中，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項(xiàng)目之一。2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，在無線傳感網(wǎng)的方向上部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點(diǎn)、簇點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進(jìn)展。2004年9月相關(guān)成果在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場演示，部分成果已在實(shí)際工程系統(tǒng)中使用。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感網(wǎng)的研究熱潮，紛紛開展了有關(guān)無線傳感網(wǎng)方面的基礎(chǔ)研究工作。一些企業(yè)如中興通訊公司等單位也加入無線傳感網(wǎng)研究的行列。（3）國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用的

典型案例夏威夷大學(xué)在夏威夷火山國家公園部署了WSN進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，以揭示為何特定物種只能生存在某些特定環(huán)境中。韓國研究人員將WSN部署到山地旅游區(qū)，來監(jiān)測旅游者的數(shù)目。美國學(xué)者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)放置在葡萄園中，分析了濕度、溫度和病蟲害對葡萄成熟度和品質(zhì)的影響。澳洲的科學(xué)家利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。美國研究者在華盛頓東部的農(nóng)場部署了環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以自動啟動溫控設(shè)備，防止出現(xiàn)凍害。國內(nèi)學(xué)者研制了用于煤礦環(huán)境監(jiān)測的環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。重慶大學(xué)的研究者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到了西雙版納的自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。上海交通大學(xué)自動化系基于氣體污染源濃度衰減模型，開展了氣體源預(yù)估定位系統(tǒng)。武漢理工大學(xué)開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火車車廂環(huán)境中的測控應(yīng)用，對車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等進(jìn)行全程檢測。北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”正式把農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室蔬菜生產(chǎn)中。對于智能環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究的思考本課題從環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)出發(fā)。通過微型傳感器節(jié)點(diǎn)（溫度、濕度、人體和火源）組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，研究人員可以對感興趣的環(huán)境進(jìn)行不間斷的高精度數(shù)據(jù)搜集。通過傳感器傳輸回來的環(huán)境數(shù)據(jù)，對環(huán)境現(xiàn)場實(shí)施監(jiān)控以達(dá)到控制環(huán)境的目的。處理速度較快的CC2430芯片實(shí)現(xiàn)將信息采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理處，并采用ZigBee協(xié)議將處理后的信息及時發(fā)布到Internet，以便Web服務(wù)器獲得實(shí)時數(shù)據(jù)，監(jiān)控各傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時情況，保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境所需的要求。智能環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究不需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的布線，卻能很好的實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境的控制，既能讓研究人員精確掌握環(huán)境變化，又省去了大筆的經(jīng)濟(jì)開銷，無需派人現(xiàn)場維護(hù)，具有很實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，為環(huán)境監(jiān)測提供了一個智能化、簡單化、信息化的設(shè)計(jì)。智能環(huán)境監(jiān)測

無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

智能環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖利用靈敏傳感器精確采集溫度信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以電信號的形式通過導(dǎo)線傳送給單片機(jī)。利用時敏傳感器感知環(huán)境濕度的變化，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。經(jīng)濕敏傳感器與單片機(jī)相連，測試出周圍環(huán)境的濕度變化。利用紅外熱釋電傳感器，感知人體輻射出的紅外線進(jìn)行對人的判斷，并根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境情況作出判別，判斷是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，并相應(yīng)的作出反應(yīng)或示警。利用紅外熱釋電溫度傳感器感知監(jiān)控區(qū)域內(nèi)紅外變化，通過傳感器的溫度變化量判斷環(huán)境中是否存在危險(xiǎn)火源。接收和發(fā)送信息，通過單片機(jī)處理各信息采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息，并將處理后的信息采用ZigBee協(xié)議發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成信息的收發(fā)過程。

問題以及擬定的解決方案對智能環(huán)境監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究包括兩個方面：節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)采集傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序的編寫。問題一：節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案：確定設(shè)計(jì)所用芯片及元器件，采用DXP2004制電路圖，電路設(shè)計(jì)與連接，將編寫的程序下載至硬件模塊，測試并調(diào)試，改進(jìn)電路模塊。采用基于ZigBee協(xié)議的處理速度較快的CC2430芯片將信息采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，并將處理后的信息及時發(fā)布到Internet上。問題二：采集傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序的編寫方案：采集電路板是數(shù)據(jù)采集終端的核心，主要功能是將各個傳感器節(jié)點(diǎn)通過Zigbee協(xié)議自組織起來，定時采集數(shù)據(jù)信息，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的處理，這部分應(yīng)用程序，運(yùn)行在處理器上，使用IARWorkbench開發(fā)環(huán)境，對應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)和下載。結(jié)合硬件電路，實(shí)現(xiàn)軟硬聯(lián)調(diào)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HS1101、紅外人體傳感器R