基于无线传感器网络的环境监测系统软件设计
基于无线传感器网络实现了环境监测系统的软件设计，系统主要包括wifi模块、电源模块、数据采集模块和数据接收模块。采用CC2530作为传感器节点，分别采集周围环境的温湿度数据和光照强度，通过无线方式发送至协调器节点，并通过wifi模块将数据无线传输至手机APP，在手机APP端可实现环境参数的实时监测及异常报警。基于Zigbee协议栈开发完成采集节点和协调器节点的程序设计，基于java语言开发完成手机APP设计，最后联合硬件测试实现了系统功能。关键词 Zigbee，单片机CC2530，无线通信，环境监测
目 录
1 引言 1
2 课题研究的背景与意义 1
2.1 课题研究的背景 1
2.2 课题研究的意义 2
3 系统的总体架构 4
4 系统的软件设计 6
4.1 现场终端节点的软件设计 6
4.2 协调器节点的软件设计 14
4.3 上位机监控软件设计 18
5 简要说明 23
6 系统测试 25
结论 29
致谢 30
参 考 文 献 31
1 引言
为了使人们的生活质量有更高层面，更大幅度和范围的提升，对环境进行监测是有必要的。本设计的主要目的是研究并且开发出一套基于无线传感器网络的环境监测系统，该系统的主要特征有低功耗、低成本、便捷，并且具有一定的发展前景和推广价值。
本文首先对zigbee短距离无线通信技术展开研究，再对其通信的协议标准，数据传输方法和协议体的结构进行了深入的分析，以低功耗、低成本为前提开展环境检测系统软件的设计。在设计过程中，依据环境监测系统的总体架构，开发了一套具有人机互动界面特色的环境监测软件，这就大大提高了用户使用远程终端进行环境监测的便利性。最后，对本课题不断改进研究以实现远程终端对某处温湿度的监控，达到低功耗、低成本、高可靠性等设计要求。
2 课题研究的背景与意义
2.1 课题研究的背景
本世纪以来，计算机技术与互联网发展迅速，不难预见，信息产业将再次发生革命，物联网的崛起会掀起新的潮流之风，且物联网的发展也会给无线传感器网络的发展起 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
到促进效果。无线传感器网络的作用是对数据进行收集、处理和传输，收集可由传感器技术完成，处理需要运用到计算机技术，通信技术解决传输工作[1]。由于现代信息技术由上述三种技术构成，因此，我们可以对无线传感器网络作出这样的理解，即无线传感器网络是一种融合三大基础技术的独立完整的现代信息系统。
无线传感器网络采集的信息有多种，主要有：温湿度、光照强度、噪声、气体浓度等。它是先将各个传感器节点布置在需要进行数据采集的目标区域，然后通过无线方式将各个传感器节点相互联结形成网络，通过共同协作的方式全面感知有关被测目标的信息参数，采集的信息在网络中进行传输[2]。采集得到的数据和信息将在最后被上传到上位机系统，有利于监测人及时了解被测目标区域的情况并有效地做出判断，解决问题。传统的有线信息传输方式在设备和节点之间需要电器作为连接桥梁，抗干扰能力很差，这种技术已经过时，面临淘汰。而无线传感器网络发展迅速，比之传统的有线方式方便可靠，避免老旧的连接方法，使得传感器网络技术的抗干扰的能力得到显著提高。
无线传感器网络技术不断发展，以前存在的一些缺点也将不再成为问题。随着技术的提升，无线传感器网络不用再受到监测环境条件的限制，哪怕是在条件艰苦、环境恶劣的荒郊野岭，亦或者是长期处在无人问津的情况下都能够正常运行，准确对数据进行监测。可见，无线传感器的适应能力和网络扩展能力也是非同一般。随着无线通信技术、集成电路技术，微机电系统等技术[3]的快速发展、日益成熟，无线传感器网络技术逐步成为一种主流的趋势也会随着人们对其接受程度的不断提高而强烈。
无线传感器网络作为一种新兴的数据信息获取平台而存在，它的作用是对网络覆盖的区域进行实时监测，采集目标对象的各种设定的信息参数。基本的无线传感器网络通常包括三大部[4]：（1）传感器节点、（2）汇聚节点、（3）管理节点。传感器、处理器、电源和存储器等几部分组成传感器节点，顾名思义，电源的作用即为传感器提供能量供其运行，传感器用来采集被侧量目标的信息数据，并将所得参数转换成数字信号[5]。处理器接收传感器获取的信息并对其进行处理、存储器起到保存数据的作用，最后向汇聚节点进行数据传输。
2.2 课题研究的意义
目前,无线传感器网络已成为国内外的研究热点,并取得了可喜的进展[6]。基于无线传感器网络的特征和作用，可以被广泛应用于水质测量，军事，环境监测，医学研究等众多领域。本文选取了部分领域进行具体的阐述说明。
（1）军事领域：知己知彼方能百战不殆，了解敌我双方的作战环境，位置信息是战争取得胜利的关键。无疑，无线传感器网络能够胜任这一项工作。将无线传感器网络的终端节点布置在作战区域，士兵通过传感器收集探测到的战场数据和目标位置的信息做出及时有效的判断，占据制高点。传感器还能远距离传输数据，这对作战人员来说又是一大优势，十分有利于战略部署。无线传感器网络中的各个节点均采用集中随机的方式进行排布，为的就是避免某一环节损坏或者遭受人为破坏而导致整个传感器网络都无法使用，因此其具备不错的抗干扰和容错能力。在军事领域严酷的战场之上，这一特点正好被应用[7]。事实证明，无线传感器网络运用在军事方面无往不胜，可以说是战争利器。
（2）水环境监测：无线传感器网络技术在水资源监测方面具有得天独厚的优势[8]。利用终端节点上装的各种类型的传感器可以轻松测量水环境中的藻类浓度、气体浓度、温度、光照和有毒物质浓度等具体参数。且因为传感器价格便宜，部署又方便，只需固定放好在被测水域即可，能够实现大范围高密度的覆盖，无需电缆等基础设施支持，所以对与普通用户来说是个非常不错的选择[9]。
（3）智能交通领域：中国是个人口大国，本来交通压力就大，我国城市化进程又在不断加快，随着城市人口自我增长和农村人口的涌入，城市交通压力更加巨大[10]。尤其在一些一线大城市，上下班的高峰期，主干道上的私家车堵得像一条长龙，给人们生活带来极大不便。无线传感器技术能够很好地解决这个问题，利用这一技术不仅可以缓解交通堵塞，更能在根本上解决交通问题。智能交通便是在这种交通压力下应运而生，强势崛起。英国交通部已提出“国家智能交通运输管理系统”[11]，随时更新交通道路堵塞信息，对交通工具进行速度监测，通过限制行驶速度、行驶车距、推荐最佳行车路线给正在行驶的车辆来疏导交通，缓解交通压力。无线传感器技术在其他领域也取得了备受瞩目的成果，如电子收费、停车管理、车载导航等方面。为了从根本上解决我国交通压力的问题，使道路运输变得通畅，为出行的人提供更多更好的选择，只有利用传感器技术对实时道路信息进行采集和动态处理[12]。
目 录
1 引言 1
2 课题研究的背景与意义 1
2.1 课题研究的背景 1
2.2 课题研究的意义 2
3 系统的总体架构 4
4 系统的软件设计 6
4.1 现场终端节点的软件设计 6
4.2 协调器节点的软件设计 14
4.3 上位机监控软件设计 18
5 简要说明 23
6 系统测试 25
结论 29
致谢 30
参 考 文 献 31
1 引言
为了使人们的生活质量有更高层面，更大幅度和范围的提升，对环境进行监测是有必要的。本设计的主要目的是研究并且开发出一套基于无线传感器网络的环境监测系统，该系统的主要特征有低功耗、低成本、便捷，并且具有一定的发展前景和推广价值。
本文首先对zigbee短距离无线通信技术展开研究，再对其通信的协议标准，数据传输方法和协议体的结构进行了深入的分析，以低功耗、低成本为前提开展环境检测系统软件的设计。在设计过程中，依据环境监测系统的总体架构，开发了一套具有人机互动界面特色的环境监测软件，这就大大提高了用户使用远程终端进行环境监测的便利性。最后，对本课题不断改进研究以实现远程终端对某处温湿度的监控，达到低功耗、低成本、高可靠性等设计要求。
2 课题研究的背景与意义
2.1 课题研究的背景
本世纪以来，计算机技术与互联网发展迅速，不难预见，信息产业将再次发生革命，物联网的崛起会掀起新的潮流之风，且物联网的发展也会给无线传感器网络的发展起 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
到促进效果。无线传感器网络的作用是对数据进行收集、处理和传输，收集可由传感器技术完成，处理需要运用到计算机技术，通信技术解决传输工作[1]。由于现代信息技术由上述三种技术构成，因此，我们可以对无线传感器网络作出这样的理解，即无线传感器网络是一种融合三大基础技术的独立完整的现代信息系统。
无线传感器网络采集的信息有多种，主要有：温湿度、光照强度、噪声、气体浓度等。它是先将各个传感器节点布置在需要进行数据采集的目标区域，然后通过无线方式将各个传感器节点相互联结形成网络，通过共同协作的方式全面感知有关被测目标的信息参数，采集的信息在网络中进行传输[2]。采集得到的数据和信息将在最后被上传到上位机系统，有利于监测人及时了解被测目标区域的情况并有效地做出判断，解决问题。传统的有线信息传输方式在设备和节点之间需要电器作为连接桥梁，抗干扰能力很差，这种技术已经过时，面临淘汰。而无线传感器网络发展迅速，比之传统的有线方式方便可靠，避免老旧的连接方法，使得传感器网络技术的抗干扰的能力得到显著提高。
无线传感器网络技术不断发展，以前存在的一些缺点也将不再成为问题。随着技术的提升，无线传感器网络不用再受到监测环境条件的限制，哪怕是在条件艰苦、环境恶劣的荒郊野岭，亦或者是长期处在无人问津的情况下都能够正常运行，准确对数据进行监测。可见，无线传感器的适应能力和网络扩展能力也是非同一般。随着无线通信技术、集成电路技术，微机电系统等技术[3]的快速发展、日益成熟，无线传感器网络技术逐步成为一种主流的趋势也会随着人们对其接受程度的不断提高而强烈。
无线传感器网络作为一种新兴的数据信息获取平台而存在，它的作用是对网络覆盖的区域进行实时监测，采集目标对象的各种设定的信息参数。基本的无线传感器网络通常包括三大部[4]：（1）传感器节点、（2）汇聚节点、（3）管理节点。传感器、处理器、电源和存储器等几部分组成传感器节点，顾名思义，电源的作用即为传感器提供能量供其运行，传感器用来采集被侧量目标的信息数据，并将所得参数转换成数字信号[5]。处理器接收传感器获取的信息并对其进行处理、存储器起到保存数据的作用，最后向汇聚节点进行数据传输。
2.2 课题研究的意义
目前,无线传感器网络已成为国内外的研究热点,并取得了可喜的进展[6]。基于无线传感器网络的特征和作用，可以被广泛应用于水质测量，军事，环境监测，医学研究等众多领域。本文选取了部分领域进行具体的阐述说明。
（1）军事领域：知己知彼方能百战不殆，了解敌我双方的作战环境，位置信息是战争取得胜利的关键。无疑，无线传感器网络能够胜任这一项工作。将无线传感器网络的终端节点布置在作战区域，士兵通过传感器收集探测到的战场数据和目标位置的信息做出及时有效的判断，占据制高点。传感器还能远距离传输数据，这对作战人员来说又是一大优势，十分有利于战略部署。无线传感器网络中的各个节点均采用集中随机的方式进行排布，为的就是避免某一环节损坏或者遭受人为破坏而导致整个传感器网络都无法使用，因此其具备不错的抗干扰和容错能力。在军事领域严酷的战场之上，这一特点正好被应用[7]。事实证明，无线传感器网络运用在军事方面无往不胜，可以说是战争利器。
（2）水环境监测：无线传感器网络技术在水资源监测方面具有得天独厚的优势[8]。利用终端节点上装的各种类型的传感器可以轻松测量水环境中的藻类浓度、气体浓度、温度、光照和有毒物质浓度等具体参数。且因为传感器价格便宜，部署又方便，只需固定放好在被测水域即可，能够实现大范围高密度的覆盖，无需电缆等基础设施支持，所以对与普通用户来说是个非常不错的选择[9]。
（3）智能交通领域：中国是个人口大国，本来交通压力就大，我国城市化进程又在不断加快，随着城市人口自我增长和农村人口的涌入，城市交通压力更加巨大[10]。尤其在一些一线大城市，上下班的高峰期，主干道上的私家车堵得像一条长龙，给人们生活带来极大不便。无线传感器技术能够很好地解决这个问题，利用这一技术不仅可以缓解交通堵塞，更能在根本上解决交通问题。智能交通便是在这种交通压力下应运而生，强势崛起。英国交通部已提出“国家智能交通运输管理系统”[11]，随时更新交通道路堵塞信息，对交通工具进行速度监测，通过限制行驶速度、行驶车距、推荐最佳行车路线给正在行驶的车辆来疏导交通，缓解交通压力。无线传感器技术在其他领域也取得了备受瞩目的成果，如电子收费、停车管理、车载导航等方面。为了从根本上解决我国交通压力的问题，使道路运输变得通畅，为出行的人提供更多更好的选择，只有利用传感器技术对实时道路信息进行采集和动态处理[12]。
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