基于Zigbee无线传感器网络的仓储环境参数监测系统设计.docx

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1、 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者（签字 ） ： |5橡？ 曰期： 4 年 月 / 如 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国

2、家有关部门或机构送 交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进 行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的 全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一 署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文 （ 夺在授予学位后即可 在授予学位 12个月后 解密后）由哈尔滨工程大 学送交有关部门进行保存、汇编等。 作 者 （ 签 字 ） 导师 （签字 ） ： 曰期：年 月 3 曰 年 3 月 G曰 分类号： 密级 : UDC ： 编号 : 工学硕士学位论文 基于 Zigbee无线传感

3、器网络的仓储环境参数 监测系统设计 硕士研究生： _振利 指 导 教 师 ：于 立 君 副 教 授 学 位 级 别 ： 工学 硕 士 学科、专业：控制理论与控制工程 所 在 单 位 ： 自 动 化 学院 论文提交日期： 2013年 1月 论文答辩日期： 2013年 3月 学位授予单位：哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M. Eng The Design of Storage Environment Parameters Monitoring System Based on the Zigbee W

4、ireless Sensor Network Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Yan Zhenli Associate Prof. Yu Lijun Master of Engineering Control Theory and Control Engineering Date of Submission: Date of Oral Examination: University: Jan., 2013 Mar., 2013 Harbin Engineering University 基于 Zigb

5、ee无线传感器网络的仓储环境参数监测系统设计 全球经济一体化进程的快速发展，使各国的物流业务得到了广阔的拓展空间。物流 业依靠其自身的发展，已经成为当今世界主要的新兴产业。仓储作为现代物流行业的重 要环节之一，伴随着物流业的不断发展壮大，其呈现出规模化、专业化、大型化的发展 态势。仓储环境的优劣直接影响了客户对物流公司的选择，拥有温度适宜、湿度适中， 不影响货物质量的仓储的物流公司会受到越来越多客户的亲睐。同时，物品对其所在仓 储环境的要求也随之提高，要求仓储能对温湿度参数进行收集、显示、控制，同时能够 达到更快捷、更简便、更稳定等要求。 作为目标监视系统的无线传感器网络已经越来越受到各个领域

6、的广泛关注，该网络 系统主要由传感探测器、计算机应用、无线通信等三部分构成。此外，当今世界技术发 展迅猛，其中 低功无线通信、嵌入式计算、微型传感器制造、集成电路等新科技的飞速 发展和日益成熟，无线传感器网络得以借此快速发展，并将成为今后网络发展的一个必 然趋势。 Zigbee技术是无线传感器网络通信技术家族中的新成员，其特点在于传输距离短、 低传输速率、个人区域网络通信。该技术协议基于 IEEE802. 15. 4标准，主要运用于 控制应用和无线监测等领域。应用领域定位强调简单易用、距离短、速率低、功耗低、 价位低。能够广泛用于智能农业、医疗护理、家庭自动化、消费类电子等方面，具有广 阔的市

7、场和应用前景。 本论文就是 应用 Zigbee技术具有的相关特点，同时根据仓储的实际情况，研究设计 了仓储环境参数监测系统。该系统对仓储内的温度、湿度等参数数据进行采集、传输及 处理，通过上位机进行显示，从而达到了对仓储内物品实时监测的目的。 通过对国内外大量资料的阅读与整理，深入研究与分析了 Zigbee技术的特点，通过 无线通信的方式在区域内自行组网，利用在组网内大量的微型传感器节点，搜集、传输、 处理相关数据，进而达到网络 “ 五化 ” ，即信息智能化、体积微型化、多功能化、传输无 线化、网络化。并且通过与有线传输的比较，验证了其先进性与 实用性。 本文首先阐述了该问题研究的背景及实际意

8、义；其次介绍 Zigbee网络硬件、软件模 块的建立；再次通过实验室实际数据的分析处理与理论数据相比较，验证了系统的可靠 性与稳定性。 关键字：仓储环境、无线传感器网络、 Zigbee技术、监测系统 基于 Zigbee无线传感器网络的仓储环境参数监测系统设计 ABSTRACT The process of global economic integration and rapid development of national economy, especially the logistics industry to provide a broad growth space. Logistic

9、s industry to rely on its own development, has already become one of the main industries. Warehousing as one of the important tasks of modern logistics industry, with the continuous development of the logistics industry to expand, the scale and specialized, large-scale development trend. Warehousing

10、 environment directly affects the customer to select logistics companies, has a suitable temperature, humidity is moderate, does not affect the quality of the goods warehousing logistics companies will be more and more customers of the pro-lai. Articles in the storage environment becoming more deman

11、ding, require storage to the parameters of temperature and humidity collection, display, control, at the same time to achieve more efficient, more convenient, more stable and other requirements. As a target for surveillance system of the wireless sensor network has received increasing attention in v

12、arious fields, the network system is mainly composed of a sensing detector, computer applications, wireless communications and composed of three parts. By way of wireless communication network in the region itself, use in the network a large number of sensor nodes, collection, transmission, processi

13、ng data. As the develop of economic, the wireless sensor network gradually with intelligent information processing, data transmission of wireless nodes, volume micromation, module function of the characteristics of the style. Embedded computing, such as integrated circuit plate, sensor miniaturizati

14、on and other cutting-edge technology innovation and practice in a wide range of applications, wireless sensor networks have been gradually replacing the wired network become network will be the inevitable development direction. Zigbee technology wireless sensor network communication technology is a

15、new member of the family, based on the IEEE802.15.4 standard, proposed the Zigbee protocol. Compared with other communication technology, Zigbee emphasizes low rate, short distance, low power consumption, low price, easy to use positioning. The technology in intelligent control, agriculture, health

16、care, consumer electronics, and has wide market application prospect and space. This paper is the application of Zigbee technology has the characteristics of storage, according to actual situation, research and design of warehousing environment parameters monitoring system. The system of storage tem

17、perature, humidity and other parameters in the data collection, transmission and processing, through the host computer for display, so as to achieve the real time monitoring of warehousing goods in the. Through to the massive domestic and foreign data reading and finishing, in-depth research and ana

18、lysis of the technical characteristics of Zigbee, and wired transmission through comparative, proved its advanced nature and practicality. This article first elaborated t哈尔滨工程大学硕士学位论文 and practical significance; secondly introduces Zigbee network in hardware, software modules used and established wa

19、y; again through laboratory practical data analysis and theory of data comparison, the system reliability and stability. Keywords: Storage environment, wireless sensor network, Zigbee technology, monitoring system 基于 Zigbee无线传感器网络的仓储环境参数监测系统设计 目录 第 1 章绪论 . 1 1.1课题的研究背景、意义和目的 . 1 1.2无线传感器网络国内外发展现状 .

20、2 1.3课题主要研究内容 . 2 第 2章 Zigbee协议桟构架及组网研究 . 4 2.1 Zigbee技术的概念 . 4 2.2 Zigbee协议栈的体系结构 . 4 2.2.1 物理层 ( PHY) . 4 2.2.2介质接入子层 (MAC) . 5 2.2.3 网络层 ( NWK) . 5 2.2.4 应用层 （ APL) . 6 2.2.5应用层程序框架 (AF) . 6 2.2.6 Zigbee 设备对象 （ ZDO) . 6 2.3 Zigbee无线传感器网络的组成与维护 . 6 2.3.1 Zigbee无线传感器网络的组成 . 6 2.3.2设备加入网络过程 . 9 2.3.

21、3 Zigbee无线传感器网络的维护 . 11 2.4本章小结 . 12 第 3章系统硬件模块建立 . 13 3.1系统硬件整体构架建立 . 13 3.2无线模块建立 . 13 3.2.1CC2430单片机基本特性 . 13 3.2.2无线模块电路结构建立与研究 . 14 3.3电压转化模块研究与建立 . 15 3.3.1 LD1117芯片基本特性 . 15 3.3.2电压转化模块电路建立 . 16 3.4温湿度传感器模块研究与建立 . 16 3.4.1 SHT11温湿度芯片主要特点 . 16 3.4.2 SHT11温湿度传感器电路模块建立 . 18 3.5串口通信模块建立 . 18 3.5.

22、1 MAX232芯片基本特性 . 18 _ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ 3.5.2串口通信模块电路研究与建立 . 19 3.6本章小结 . 19 第 4章系统软件模块建立 . 20 4.1系统软件整体建立 . 20 4.2 OSAL系统工作流程和事件传递机制 . 20 4.2.1 OSAL系统的工过流程 . 20 4.2.2 OSAL系统中事件的传递机制及捕获 . 21 4.3协调器和路由器模块的软件建立 . 24 4.3.1协调器和路由器模块的程序总体流程 . 24 4.3.2关于温湿度传感器模块的软件建立 . 25 4.3.3串口模块软件建立 . 33 4.3.4上位机软件平台的设计

23、. 35 4.4本章小结 . 39 第 5章系统调试 . 40 5.1串口模块调试 . 40 5.1.1 MAX3223芯片的串口模块调试 . 40 5.1.2采用 MAX232芯片的串口模块调试 . 41 5.2 SHT11温湿度传感器模块研究与调试 . 41 5.3无线模块调试 . 41 5.4本章小结 . 44 t 吉 it . 47 . 49 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果 . 53 i射 . 54 _ 第 1章绪论 _ 第 1章绪论 1.1课题的研究背景、意义和目的 物流作为经济发展中的重点行业收到越来越多的关注。而仓储环节作为物流行业重 要的工作流程之一，也同时引起了各方面

24、的重点关注。物流公司为了发展业务都新建了 规模前所未有的大型的仓储室。大型仓储室的建立暴露了小仓储室时代的问题：货物在 保存期内变质怎么办？在货物储藏过程中，物品经常会因为受到温湿度及其它室内外因 素的影响，出现变质、发霉、腐烂等情况。为了克服上述情况的发生，对仓储环境参数 的监测就显得至关重要。较为传统的方式是人工操作，即当温度、湿度不合适时，通过 人力进行通风、降温、去湿；当温度合适时，同样采取人力防止温度、湿度等参数的变 化。这种人工方法费时、费力，效率低，随机性大 、主观性强、测试的误差大 为了克服上述操作的缺点，需要我们利用无线传感器网络技术来对仓储环境中如温 度、湿度等参数进行搜集

25、、传输、整理，并通过上位机对参数进行实时显示。客户要求 我们能够对仓储内外实时环境参数进行检测、对采集到的数据进行分析与预测、对实际 出现的异常情况提出合理建议和控制处理措施等，同时能够为科学及安全储物提供技术 保证和科学依据。仓储环境参数监测系统就是对货物储藏过程中货堆温度、仓内外温湿 度等基本参数的变化进行采集、分析、处理并做好记录。该监测系统是通过电源、数据 传输模块、测温传感器 等部件经过无线网络连结起来所构成的。利用无线传感器把监测 节点得到的相关数据传输反映到上位机，使库房操作人员可以实时观察货物的温湿度变 化情况，并根据数据显示分析处理情况，并采取相应的处理措施，进而确保货物在储

26、藏 过程中的安全。 货物在仓储的过程中，库管人员主要是对室内温湿度进行实时监测和有效控制。本 论文主要研究的目的是：根据仓储内各点的温湿度变化情况进行合理有效地控制，做到 数据实时了解，措施实施紧跟。对于大型的仓储环境，利用人工方式进仓监测是不合时 宜的。快速、便捷、有效的方式是在仓室内预先应用传感器 节点做好布局，再把节点获 得的数据传送到监控中心的上位机显示。这就需要我们通过温湿度集散控制技术来解决 该问题。温湿度集散控制技术是利用温湿度传感器采集信号，通过无线网络将数据传送 给控制器进行处理、运算，最后将运算结果上传给中心计算机，通过控制设备进行自动 控温控湿，以达到最终控温控湿精度的要

27、求。现在仓储室内空间广阔，人力操作费时， 采用有线控制的话，系统扩展性较差，布线繁琐、不方便对移动设备监测，不能进行临 时数据采集。而通过采用 Zlgbee无线传感器网络技术可以方便解决以上有线数据采集中 存在的问题 2。 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1.2无线传感器网络国内外发展现状 人们关注的传输网络由原来的有线转移到了无线，其主要原因是具有计算能力、感 知能力、通信能力的无线微型传感器网络得到了突飞猛进的发展。通信技术、嵌入式计 算技术、传感器技术等新兴技术的发展同时推动了无线网络的快速发展，尤其以微电子 及相关接口、信号处理技术为主。无线传感器网络将上述技术特点够综合运用，协调控

28、制每个部件，实时获得控制区域内所检测对象的相关信息，对信息进行智能处理后使用 户得到全面的相关信息 3 在国外，无线传感器网络系统主要广泛应用于国防军事、工业过程控制、国家安全、 环境监测、航空航天、人工智能等领域，因其巨大的应用价值，该系统吸引了更多行业 部门的极大关注。在美国，技术评论的编辑们认为，无线传感器网络技术非常重要， 将对未来产生巨大影响，在十种新兴技术中名列榜首。与此同时，美国国防部和各军事 部门也都非常重视传感器网络应用 7_12。 无线传感器网络系统在很多方面也应用在民用 a中，例如农业、畜牧业、林业等等。 智能交通、智能电网等名词近些年来被讨论的更是越来越 加火热。传感器

29、网络可以理 解物联网的雏形。由此可以看出无线传感器网络的具有非常巨大的市场空间，环境对于 民生变得越来越重要。而无线传感器网络正是感知环境并能实时传输给终端的最有效的 工具。 在国内，也有许多机构对传感器网络技术进行了研究，包括中国科学院，浙江大学 等学术团。与此同时，在 2004年 11月召开了第一 次关于 Wireless sensor network(WSN)的 技术研讨报告会，此次会议由中国计算机学会青年计算机科技论坛主持。讨论了 WSN技 术及其在中国的发展问题。毋庸置疑，研究跟踪国外传感 器网络技术的发展轨迹，根据 国内的实际情况做出开创性的研究工作，对国家国防现代化以及实验流体力

30、学的发展也 具有十分重大的意义1V16。 1.3课题主要研究内容 通过本课题的设计研究，应完成以下工作并实现以下目标： 基于 Zlgbee无线网络协议及特点，根据客户对仓储货物的实际要求，开发研究监测 系统软硬件进行设计。在仓储环境中，利用传感器模块对环境参数进行监测，利用 Zlgbee 网络，将接收感知的各个传感变量，传递给 PC机，在上位机界面进行显示。根据 Zlgbee 无线传感器网络构成特点，结合仓储环境需要监 测数据种类和数量，研究设计硬件电路 原理图：包括信息数据采样完整电路，数据传输电路，传感器驱动电路，上位机显示电 路及工作电路等；对焊板，焊接元器件进行实物调试；能够根据模拟仓

31、储环境多点被检 测参数，通过运行系统实现实时监测。 2 _ 第 1 章绪论 _ 在研究设计中，接收器节点作为无线传感器网络的基本器件单元，是实现无线传感 器网络功能的基本平台。它共分为两种类型：中心节点、一般节点。 中心节点由无线传输模块、微处理器、串口、电源组成。主要负责接收周围一般节 点发来的数据，然后将数据传给 PC， 再根据 PC发来的控制指令对一般节点进行控制， 获取与周围一般节点之间的距离 119。 一般节点由无线传输模块、微处理器、传感器、电源组成。主要完成数据采集 (由 传感器完成 )、获取与周围节点之间的距离、将信息发送给周围节点、转发周围节点的 数据、进行数据处理等任务。通

32、过无线传输射频模块将数据由无线传感器节点，发送到 汇聚节点，再由汇聚节点进行数据的分析与处理，通过串口发送给 PC机进行实时监测。 系统中下位机与上位机通讯采用 RS-232协议（串行数据接口标准 ） 进行传输数据。 上 位机界面采用 VB6.0进行编程，分别得到温度、湿度等环境变量数值，实现界面对环境 的监测功能 2 。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第 2章 Zigbee协议栈构架及组网研究 2.1 Zigbee技术的概念 ZigBee技术是在 IEEE802.15.4协议的基础上规定了物理层 (PHY)和媒体访问 控制层 (MAC)， 并根据协议建立的低速率、个人局域网络技术规范。该网

33、络协议 栈依托于 OPEN系统互连模型，每层实现单独的通信功能，并由低级层向高级层 提供服务 。 IEEE 802.15.4协议标准只定义了物理 (PHY)层和媒体访问控制层的 (MAC)子层。物理层 (PHY)由射频收发器以及底层的控制模块构成。媒体访问控 制层 (MAC)则为高级层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。 ZlgBee联盟则 定义了网络层 (NWK)、 应用支持层 (APS)和应用层 (AF)。 所以完整的 Zigbee协议 栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层组成。应用层根据用户 自己需要对其进行开发利用。采用免冲突多载波信道接入方式，避免了无线电载 波之间冲

34、突。为保证传输数据的可靠性， Zigbee建立了完整的应答通信协议。该 无线协议主要应用于低速率，低功耗设备的组网，支持 2501/3的数据传输速率， 可以实现一点对多点的快速组网。该技术的主要优点是可靠安全、低速率、时延 短、容量大 21 22。 无线通信技术上， Zigbee传输设备是低功耗、近距离设备，其发射输出功率 为 3.6dBm,通信距离为 30 70M,具有能量检测和链路质量指示能力。系统根据检 测结果，可以使网内设备自动调整发射功率。在保证通信链路质量的条件下，最 低限度地消耗设备能量。在组网性能上， Zigbee可以根据实际需要构造 成星形网 络、树状网络、拓扑网络等。在每一

35、个 Zigbee组成的无线网络中，连接地址码分 为 16位短地址码或者 64位长地址码，该地址码具有较大的网络容量 23_25。 2.2 Zigbee协议栈的体系结构 在冗屯匕沈的体系结构中，各个模块被称为层，系统就是由这些 “ 层 ” 所组成 26。 每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实 体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点 (SAP)为其上层 提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 2.2.1 物理层 (PHY) 物理层是整个协议栈最基本的部分，包括物理信号的接收和发送处理，信号 测量，以及收发机状态调整和参数设

36、置等基本功能。物理层提供物理层数据服务 和物理层管理服务，同时规范了物理无线信道和 MAC子层之间的接口 27。 4 第 3章系统硬件模块建立 物理层内容： (1) Zigbee 的唤醒； (2) 当前信道的能量检测； (3) 接收链路服务质量信息； (4) Zigbee信道接入方式； (5) 信道频率选择； (6) 数据传输和接收。 2.2.2介质接入子层 (MAC) MAC层的基本功能是控制通信设备如何利用资源进行通信，在网络当中能够 协调多个设备恰当地使用通信资源。 IEEE802.15.4的 MAC层提供了信道接入 (CSMA-CA和 TDMA),本地网络建立维护和同步、安全、可靠通信

37、等功能。媒体 访问控制层负责处理物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号，同时支持 PAN连接和分离，提供两个对等媒体访问控制层实体之间可靠的链路 28。 媒体访问控制层功能： (1) 网络协调器产生信息标； (2) 与信标同步； (3) 支持个人局域网链路的加入和离开； (4) 为设备安全提供技术支持； (5) 信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入 (CSMA - CA)机制； (6) 处理和维持保护时隙 (GTS)机制； (7) 在两个对等的 MAC实体间提供一个可靠的通信链路。 2.2.3 网 络 层 ( NWK) 网络层是 21 13沈协议栈的核心部分。网络层主要为节点进入或断开网

38、络的实 现服务、接受或抛弃网络中的其他节点、路由杳找及传送数据等功能 29。 网络层功能： (1) 网络发现； (2) 网络形成； (3) 允许设备连接； (4) 路由器初始化； (5) 设备同网络连接功能： (6) 直接将网络同设备连接； (7) 断开网络连接； 5 _ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ (8) 重新复位设备； (9) 接收机同步； (10) 信息库维护 3 。 2.2.4 应用层 （ APL) 应用支持层 (APS)、 Zigbee设备对象 (ZDO)和制造商所定义的应用对象等三部 分共同组成了 Zlgbee应用层框架 31。应用支持层的功能是维持绑定表、在绑定的设 备之间传送消息。 Zigbee设备对象的功能包括：定义设备在网络中是协调器还是 终端设备；在网络设备之间建立安全机制；发起和响应绑定请求。 Zigbee设备对 象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。 Zigbee应用层 除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，其最重要的功能是 应用者可在这层定义自己的应用对象。 2.2.5应用层程序框架 (AF) 厂商自定义的应用对象就是运行在 Zigbee协议栈上的应用程序，而且遵守规 范 (prof