无线传感器网络的流量监控节点设计
课题以基于无线传感器网络的流量监控为研究对象，采用传感器技术、单片机接口技术及传感器网络通信技术，研制基于MSP430F149单片机及CC2430的流量监测无线传感器网络节点。论文围绕基于无线传感器网络的流量监控节点开展理论研究与软件设计，具体研究工作如下概述了课题研究的背景和意义，介绍了无线传感器和流量计的发展现状与发展趋势，安排了课题需要做的工作。对单片机的类型、无线通信模块的选择进行了对比分析，突出了本课题设计方案的优越性。介绍了流量监测无线传感器网络节点的设计思想和设计步骤，分析了系统基本结构，并且介绍了流量监测无线传感器网络的功能和控制原理。详细介绍了MSP430的功能，对MSP430和CC2430在流量监测无线传感器网络连接的核心位置进行了阐述。介绍了串口异步通信的工作过程，重点描述了流量变送器与无线模块之间的串口异步通信的程序设计。对系统的每一个模块单独进行研究设计，画出主控电路原理图。对本次课题设计进行总结，展望了将来还需要进一步完成的工作。关键词无线传感器，流量计，串口异步通信，MSP430和CC2430。
目 录
1 引言 3
1.1 课题研究背景与研究意义 3
1.2 课题研究目标与研究内容 3
1.3 国内外研究与应用状况 4
1.3.1 流量计 4
1.3.2 无线传感器网络 4
2 流量监测无线传感器网络节点的硬件设计 5
2.1 硬件组成 5
2.2 各组成模块电路设计 5
2.2.1 处理器MSP430 5
2.2.2 流量检测电路设计 7
2.2.3 按键电路设计 8
2.2.4 电源电路设计 8
2.2.5 LCD液晶显示接口电路设计 9
2.2.6 总体电路设计图 9
2.3 串口异步通信电路设计 10
2.3.1 串口异步通信硬件总体整体设计 10
2.3.2 MSP430单片机发送模块 11
2.3.3 无线传感器接收模块 11
2.4 PCB布局设计 12
2.5 本章小结 13
3 流量监测无线传感器网 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
络节点的程序设计 14
3.1 程序功能 14
3.2 程序设计思想及流程 14
3.3 流量变送器程序设计 15
3.3.1 按键模块 15
3.3.2 流量数据采集 16
3.3.3 LCD液晶显示 17
3.4 串口异步通信程序设计 18
3.4.1 流量变送器发送数据至无线模块 18
3.4.2 无线模块接收流量数据 19
3.4.3 无线模块向外发送流量数据 21
3.5 本章小结 22
4 系统测试运行 22
4.1 流量变送器测试 23
4.1.1 编程及下载环境 23
4.1.2 流量变送器液晶显示测试 23
4.2 串口异步通信测试 24
4.2.1 MSP430模块发送数据测试 24
4.2.2 无线模块数据测试 25
4.3 流量监测无线传感器网路节点整体运行测试 26
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
附 录 31
1 引言
1.1 课题研究背景与研究意义
目前，国内在石油、化工、钢铁、水处理等行业企业的流量测量抄表工作绝大部分均由手工完成，自动化程度不到5%，费工、费时、费劲。随着自动化管理要求的提高，对流量测量的远程抄表、实时监控、统计分析、网络查询、手机查询等功能的需求越来越迫切。随着无线传感器网络技术的发展，为实现流量监控的自动化、网络化、智能化，提供了新思路。
在国外，随着传感网、3G、物联网等通信技术的发展，出现了各种利用传感器网络和移动通信网络来进行监控的产品，包括水下监控系统、大型结构健康监测系统、高压输电线路监测系统、环境监测系统、家庭健康系统等，但尚未应用于流量监测领域。鉴于无线传感器网络低成本、低功耗、布置灵活、组网便捷等特点，非常适合于流量监测领域。
本课题的研究有利于统一整合、管理企业的所有流量监测终端，实现监测管理的集约化、无线化、网络化、智能化。系统不需要使用大量的人力资源进行巡视、抄表和检修，对于提升自动化管理水平、节约人力和资金具有明显的效果。本课题的研究还可以大大改善石油、化工、钢铁、水处理等行业企业的管路流量监测管理现状，具有较高的工程应用价值和市场推广价值。在无线传感器网络方面具有较高的理论研究价值和实践应用价值。
1.2 课题研究目标与研究内容
课题研究旨在，通过将无线传感器网络应用于流量监测中，实现流量监测的低功耗、低成本，自动化、网络化、无线化，节省大量用于巡视、抄表的人力物力，提高自动化的管理水平。本课题研究以MSP430F149单片机为主，基于无线传感器网络的集监测监控、显示、报警、通信等多功能于一体的智能流量监测系统，不仅充分利用单片机的集成度高、功能强、体积小、功耗低、性能可靠等特点，而且利用无线传感器网络对监测数据进行传输，有效地实现了对流量计流量的实时检测与监控。
课题研究内容有：
（1）本课题主要研究流量计的流量变送部分，使流量计能够获得流体的流量，并能够根据介质、管径等参数的不同对显示流量进行调节。
（2）流量监测的瞬时流量和累计流量数据发送到无线模块中，即将流量计与无线发射模块进行对接。
1.3 国内外研究与应用状况
1.3.1 流量计
流量计根据测量原理可以分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计等[1]。
流量计主要用于石油、化工、水处理、钢铁等行业领域中，伴随着现代工业的发展有必要逐步完善其性能, 而技术的进步也让流量计的完善成为可能。流量计的发展将向提高流量计的可靠性, 提高流量计对介质适应性、对环境的适应性等方面发展。同时，随着新的信号处理技术及新的信号传输技术的应用, 流量计将向高度智能化方向发展[2]。
1.3.2 无线传感器网络
虽然无线传感器网络（WSN）在商业的大规模应用，因为技术等方面的制约还须加以时日，但是近几年，随着计算成本的降低以及微处理器体积越来越小，已有不少的无线传感器网络开始投入使用。无线传感器网络相对于传统Ad Hoc网络有一些明显特征，并且凭借传感器的微小传感技术和节点间的无线通信的特点，无线传感器网络有着更广阔的应用前景，主要在军事，医疗，商业，环境保护以及灾难拯救等领域都有着巨大的优势[3]。
目 录
1 引言 3
1.1 课题研究背景与研究意义 3
1.2 课题研究目标与研究内容 3
1.3 国内外研究与应用状况 4
1.3.1 流量计 4
1.3.2 无线传感器网络 4
2 流量监测无线传感器网络节点的硬件设计 5
2.1 硬件组成 5
2.2 各组成模块电路设计 5
2.2.1 处理器MSP430 5
2.2.2 流量检测电路设计 7
2.2.3 按键电路设计 8
2.2.4 电源电路设计 8
2.2.5 LCD液晶显示接口电路设计 9
2.2.6 总体电路设计图 9
2.3 串口异步通信电路设计 10
2.3.1 串口异步通信硬件总体整体设计 10
2.3.2 MSP430单片机发送模块 11
2.3.3 无线传感器接收模块 11
2.4 PCB布局设计 12
2.5 本章小结 13
3 流量监测无线传感器网 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
络节点的程序设计 14
3.1 程序功能 14
3.2 程序设计思想及流程 14
3.3 流量变送器程序设计 15
3.3.1 按键模块 15
3.3.2 流量数据采集 16
3.3.3 LCD液晶显示 17
3.4 串口异步通信程序设计 18
3.4.1 流量变送器发送数据至无线模块 18
3.4.2 无线模块接收流量数据 19
3.4.3 无线模块向外发送流量数据 21
3.5 本章小结 22
4 系统测试运行 22
4.1 流量变送器测试 23
4.1.1 编程及下载环境 23
4.1.2 流量变送器液晶显示测试 23
4.2 串口异步通信测试 24
4.2.1 MSP430模块发送数据测试 24
4.2.2 无线模块数据测试 25
4.3 流量监测无线传感器网路节点整体运行测试 26
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
附 录 31
1 引言
1.1 课题研究背景与研究意义
目前，国内在石油、化工、钢铁、水处理等行业企业的流量测量抄表工作绝大部分均由手工完成，自动化程度不到5%，费工、费时、费劲。随着自动化管理要求的提高，对流量测量的远程抄表、实时监控、统计分析、网络查询、手机查询等功能的需求越来越迫切。随着无线传感器网络技术的发展，为实现流量监控的自动化、网络化、智能化，提供了新思路。
在国外，随着传感网、3G、物联网等通信技术的发展，出现了各种利用传感器网络和移动通信网络来进行监控的产品，包括水下监控系统、大型结构健康监测系统、高压输电线路监测系统、环境监测系统、家庭健康系统等，但尚未应用于流量监测领域。鉴于无线传感器网络低成本、低功耗、布置灵活、组网便捷等特点，非常适合于流量监测领域。
本课题的研究有利于统一整合、管理企业的所有流量监测终端，实现监测管理的集约化、无线化、网络化、智能化。系统不需要使用大量的人力资源进行巡视、抄表和检修，对于提升自动化管理水平、节约人力和资金具有明显的效果。本课题的研究还可以大大改善石油、化工、钢铁、水处理等行业企业的管路流量监测管理现状，具有较高的工程应用价值和市场推广价值。在无线传感器网络方面具有较高的理论研究价值和实践应用价值。
1.2 课题研究目标与研究内容
课题研究旨在，通过将无线传感器网络应用于流量监测中，实现流量监测的低功耗、低成本，自动化、网络化、无线化，节省大量用于巡视、抄表的人力物力，提高自动化的管理水平。本课题研究以MSP430F149单片机为主，基于无线传感器网络的集监测监控、显示、报警、通信等多功能于一体的智能流量监测系统，不仅充分利用单片机的集成度高、功能强、体积小、功耗低、性能可靠等特点，而且利用无线传感器网络对监测数据进行传输，有效地实现了对流量计流量的实时检测与监控。
课题研究内容有：
（1）本课题主要研究流量计的流量变送部分，使流量计能够获得流体的流量，并能够根据介质、管径等参数的不同对显示流量进行调节。
（2）流量监测的瞬时流量和累计流量数据发送到无线模块中，即将流量计与无线发射模块进行对接。
1.3 国内外研究与应用状况
1.3.1 流量计
流量计根据测量原理可以分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计等[1]。
流量计主要用于石油、化工、水处理、钢铁等行业领域中，伴随着现代工业的发展有必要逐步完善其性能, 而技术的进步也让流量计的完善成为可能。流量计的发展将向提高流量计的可靠性, 提高流量计对介质适应性、对环境的适应性等方面发展。同时，随着新的信号处理技术及新的信号传输技术的应用, 流量计将向高度智能化方向发展[2]。
1.3.2 无线传感器网络
虽然无线传感器网络（WSN）在商业的大规模应用，因为技术等方面的制约还须加以时日，但是近几年，随着计算成本的降低以及微处理器体积越来越小，已有不少的无线传感器网络开始投入使用。无线传感器网络相对于传统Ad Hoc网络有一些明显特征，并且凭借传感器的微小传感技术和节点间的无线通信的特点，无线传感器网络有着更广阔的应用前景，主要在军事，医疗，商业，环境保护以及灾难拯救等领域都有着巨大的优势[3]。
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