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基于ZigBee的温度检测系统设计【毕业论文，绝对精品
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基于ZigBee的温度检测系统设计【毕业论文，绝对精品
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基于ZigBee深水网箱环境数据监测系统设计
导读：基于ZigBee深水网箱环境数据监测系统设计，摘要：设计一个基于ZigBee的海洋深水网箱养殖环境数据监测系统，监测网箱中的温度、PH值及溶解氧等水质数据，通过ZigBee无线组网技术和GPRS网络将数据传输至智能手机终端，并在智能Android手机终端平台实现数据的图像化显示，本系统采用ZigBee无线组网技术，给出了系统的硬件结构和软件设计方案，系统具有功耗低、组网灵活、可扩展性和实时性强基于ZigBee深水网箱环境数据监测系统设计
摘要：设计一个基于ZigBee的海洋深水网箱养殖环境数据监测系统。利用各种传感器，监测网箱中的温度、PH值及溶解氧等水质数据，通过ZigBee无线组网技术和GPRS网络将数据传输至智能手机终端，并在智能Android手机终端平台实现数据的图像化显示。本系统采用ZigBee无线组网技术，配合高性能处理器构建硬件平台，给出了系统的硬件结构和软件设计方案。系统具有功耗低、组网灵活、可扩展性和实时性强等特点。 关键词：ZigBee；深水网箱养殖；数据传输；Android
0 引言 随着海洋野生生物资源的逐渐匮乏，海水养殖成为了海产品供应的主要途径。深水网箱养殖作为海水养殖的一种新的模式，因其高投入、高产出、高效益，逐渐成为我国鱼类养殖的重要方式。而海洋环境的多变性也增加了深水网箱养殖的风险，尤其是环境突变引起网箱周边水质（包括水温、PH值、溶解氧浓度等）的变化。水质的好坏直接或者间接影响到养殖生物的生长发育，直接影响到养殖户的经济效益。传统的有线监控网箱技术，存在着水中布线困难、费时费力、可靠性不高、成本支出高等弊端。随着信息通信技术的发展，一种新型的自组网技术ZigBee技术出现，并被广泛应用到许多场合。本文涉及一种新型的基于ZigBee技术的深水网箱水质数据监测系统，并结合ZigBee和GPRS技术，将监测数据传送到智能终端，方便养殖户了解网箱环境的实时变化和及时采取相应措施。
1 ZigBee无线组网 1.1 ZigBee技术 ZigBee是一种用于对数据传输速率要求不高、低功耗、短距离，基于IEEE 802.15.4无线标准无线双线网络通信技术。工作于2.4GHz全球统一的频段，传输距离在10～75m之间，传输速率只有250KB/S一种，所以适合于传感和控制领域。ZigBee具有低功耗、时延短、高容量、可靠、安全等特点，非常适合数量多且集中的局部网络。
1.2 ZigBee设备 ZigBee具有高容量特点，通过一个主节点管理若干个子节点方式进行组网，拥有多层的管理系统，最多可以协调数65000个传感器之间的相互通信，其主要依靠以下三种设备实现，分别为： 1） ZigBee协调器节点：网络中只有一个，负责网络的创建，网络参数的初始化，同时负责网络正常工作及保持同网络其他设备的通信； 2） ZigBee路由节点：在ZigBee网络中处于中间地位，负责转发消息、发现路由和通过连接其它节点扩展网络； 3） ZigBee终端设备：负责串口数据的收发并向其他节点发送或者接收数据，其存储器容量要求最少，可以用于低功耗设计。 以上三种设备根据功能完整性可分为全功能（Full Function Device，FFD）和简化功能（Reduced Function Device，RFD）设备。其中全功能设备可作为协调器、路由器和终端设备，而简化功能设备只能用于终端设备。一个全功能设备可与多个RFD设备或多个其它FFD设备通信，而一个简化功能设备只能与一个FFD通信。
1.3 ZigBee网络拓扑结构 从网络结构上看，ZigBee网络可分为星形、树形（簇状）、网状3种模型。星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，包含一个协调器节点和一系列终端节点，并且有少量路由节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯。协调器也负责转发终端节点之间的通讯。树形拓扑结构包括一个协调器节点以及一系列路由节点和终端节点，协调器节点作为根节点可以连接一系列路由节点和终端节点，作为子节点的路由节点也可以连接路由节点和终端节点，这样形成重复的多个层级。网状网络结构将ZigBee网络连接成一张网，网络非常健壮，伸缩性好，在个别链路或者节点失效时，不会引起网络的分离，可以同时通过多条通道进行数据的传输，传输的可靠性也非常强。 相比于网状拓扑结构，星形和树形结构都存在缺点：节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，协调器又可能成为整个网络的瓶颈，造成数据堵塞。在本系统中，采用网状拓扑结构，一个ZigBee协调器和若干个外接传感器终端节点，连接温度、PH值、溶解氧等传感器，将采集的数据发送到协调器，协调器将收到的数据通过串口以特定的格式打包数并通过GPRS模块传输到智能手机终端。手机终端对数据进行分析处理并以图像化形式显示，实现人机交互。
【图1】ZigBee网络拓扑结构
2 系统设计 2.1 硬件设计 本系统将使用许多传感器来检测深水网箱及其周边的水质，包括水温、PH值、溶解氧浓度等。温度传感器采用Dallas 半导体公司的DS18B20，其测试温度范围在-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内精度可达±0.5℃，由一条与中央微处理器口线连接通路，当DS18B20接收到转换命令后，开始启动转换，转换完成后的温度值就以十六位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节，其中前5位为符号位，后11位为真实数值。PH传感器采用采用GY100系列PH电极，其测量精度达0.1PH，在高温高压环境均能正常使用。由于PH电极输出的电信号非常微弱，因此要通过必要的等效放大电路将其转换为适合于A/D转换输入的电信号。溶解氧传感器采用极谱式电极D-811，该设备能在-10℃～100℃环境下工作，精度可达0.1mg/L。通过化学反应产生不同电流来确定不同的溶解氧浓度。该电极设备带有温度和气压补偿电路，能有效降低由于温度和气压对测量精度的影响。所有的信号通过特定的单片机处理后，将被发送到ZigBee模块，通过ZigBee模块将数据传送到GPRS模块，进而发送到养殖户的智能手机平台。 ZigBee无线组网选用CC作为硬件结构的核心。CC 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-Stack），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。CC集合了一个高性能的RF收发器、增强型的8051CPU和强大的DMA控制器。CC具有功耗低、封装小、集成度高、价格低、可靠性强等特点。
【图2】系统整体框图
2.2 ZigBee协议栈 系统采用ZigBee联盟在IEEE802.15.4标准基础上制定的ZigBee协议。ZigBee协议完全实现了ZigBee规范规定的物理层、MAC层、网络层、应用层。其协议栈如图
【图3】ZigBee协议栈结构 EEE802.15.4标准定义了下面的2个层:物理层(PHY层)和媒介层(MAC层)。ZigBee联盟在此基础上建立了网络层(NWK层)以及应用层(APL层)的框架。APL层又包括应用支持子层(APS),ZigBee的设备对象(ZDO)以及制造商定义的应用对象。ZigBee协议栈根据ZigBee规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立的源文件中,而服务和应用程序接口(API)则在头文件中定义。每个层为相邻的上一层定义一组容易理解的函数。要实现抽象性和模块性,顶层总是通过定义完善的API和紧接着的下一层进行交互。特定层的C头文件定义该层所支持的所有API。而用户应用程序总是与应用编程支持层和应用层交互。由每层提供的API都是简单的C语言写成。
2.3 ZigBee数据传输 系统采用点对点数据传输方式，ZigBee网络内的任意节点之间，都可通过点对点传输指令。数据传输格式为：0xFD（数据传输命令）+ 0x0A（数据长度） + 0x73 0x79（目标地址）+ 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10（数据，共0x0A Byte）。数据接收方接收到发送方的全部数据，并在最后增加来源地址（二个字节），低位在前。例如以0x7973连接至0x3发送的数据为：0xFD 0x0A 0x31 0x14 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10；则在0x1431端接收到的数据：0xFD 0x0A 0x31 0x14 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x10。（要不要？） 结合ZigBee和GPRS的数据传输系统，包括ZigBee网络和GPRS两部分。ZigBee网络通过网络节点将采集数据以多跳变的方式传送到ZigBee路由节点，路由节点将数据发送到网关，网关进行ZigBee数据包解析，从数据包中提取有效信息数据，进行协议转换和数据包重新封装打包成TCP/IP数据包，经过GPRS网络传输将数据送到终端设备，完成整个网络的数据传输。
2.4 GPRS模块 GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）是在GSM系统基础上采用分组交换技术的数据高速处理技术，支持TCP/IP网络协议。通过在ZigBee协调器处增加GPRS传输模块，在智能手机终端（Andriod APP）同样安置GPRS模块，利用移动运营商的GPRS移动网络，实现数据的远程传输。GPRS通信室通过IP地址寻址，当GPRS模块采用动态IP时，每一次IP地址变化后，监控端和数据采集端就将无法建立GPRS连接，为此本系统将检测端的IP设置为全局静态IP以保持连接的通畅。 DTU是GPRS数据传输单元的简称，是专门用于将串口数据通过GPRS网络进行无线传输的设备。内部集成TCP/IP协议，可实现双向全透明传输。DTU通信数据由固定长度的包头和实际通信数据组成，包头长度固定位11字节，包括： （1） 字节头0x3A，固定一个字节; （2） GPRS模块标志GPRSID，4个字节，低位在前，若模块ID为，则对应的字节格式：0x4E 0x61 0xBC 0x00; （3） 包类型funNo，2个字节，地位在前，若funNo为1，则对应的字节格式为：0x01 0x00; （4） 服务器数据包事务处理标识packNo，2个字节，低位在前，如packNo=200，对应的字节格式：0xC8 0x00; （5） 后面数据包长度packLen，2个字节； 其中前9位GPRS模块需要按照收到的原始内容返回服务器，如服务器向模块ID=发送数据包如下：0x3A 0x4E 0x61 0xBC 0x00 0x00 0x00 0xC8 0x00 0x04 0x00 0x49 0x50 0x51 0x52（一共 15个字节，funNo=0，packNo=200，packLen=4）。解析出的数据为0x49 0x50 0x51 0x52将被使用，需要返回内容：0x3A 0x4E 0x61 0xBC 0x00 0x00 0x00 0xC8 0x00。 单片机微控制器登录到GPRS网关（GGSN）采用请求（REQ）、同意（ACK）、拒绝（NAK）三种帧。单片机与GGSN每一方进行协商，任何一方都可以发送REQ帧请求某一方的配置，另一方也可以回应NAK来拒绝连接，否则回应ACM帧表示可以连接。 GPRS模块主要涉及到一下指令： （1） 发起呼叫：ATD;其中string是被呼叫方的号码，这里分号是不可缺少的。模块返回OK表示呼叫成功； （2） 应答呼叫：ATA+回车，模块返回OK表示工作正常； （3） 连接指令：AT+ZIPSETUP = ,,其中N为未使用值，默认为1，IP为目标地址的IP值，M为端口号。模块返回OK表示连接成功； （4） 打开GPRS数据连接：AT+ZPPPOPEN。模块返回OK边上连接成功； （5） 发送数据：AT+ZIPSEND=,，向目标地址发送TCP数据，N表示数据长度，DATA表示具体数据内容； （6） 接收数据：AT+ZIPRECV:LEN,，LEN表示接收数据的长度，DATA表示接收的数据；
3 人机交互 Android是基于liuux2.6以上内核的开源框架，最低层的Linux内核提供了最基本的进程调度、内存管理以及硬件驱动能力。Java虚拟机支持java程序的运行，提供了各种C库支持并把这些功能重新用jar包封装，使得Android程序的开发变成了纯Java的开发。利用Android SDK和集成开发环境Eclipse可以对Android APP进行轻松的开发。 基于Android开发的程序主要包括用户界面开发和网络功能开发两个部分。界面的开发利用Android提供的各种API。而网络开发方面则采用Android的Socket。 Socket也称为套接字，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通常通过套接字向网络发送请求或者应答网络请求。Socket支持TCP/IP协议，在通信时需要5种信息：连接使用的协议、本机主机的IP地址、本地进程的协议端口、远程主机的IP地址和进程的协议端口。 在服务器端调用Socket的accept方法设置一个阻塞，等待客户端的数据，若客户端的IP地址和端口号与服务器匹配，则表示客户端和服务器建立了连接。在编程中，分为客户端和服务器端，主要涉及到以下几个类与方法： （1）建立连接：通过类Socket的构造方法Socket(IPaddress,port)来建立连接，其中IPaddress是客户端（服务器端）的IP地址，port为协议的端口号，由于1024以下的端口号是保留端口，所以在实际应用时需选择大于1024的端口； （2）接受信息：利用Socket类的getInputStream方法，声明一个InputStream类的实例作为输入数据缓存区，利用其read方法读取缓存中的数据； （3）发送数据：利用Socket类的getOutputStream方法，声明一个OutputStream类的实例作为输出数据缓存区，并通过实例的write方法发送数据；
【图4】人机交互界面
4 结束语 本系统利用ZigBee组网和GPRS无线网络通信，充分考虑到GPRS的远程传输和ZigBee协议组网技术灵活方便的优越性。系统架构设计合理，系统功能实现较好，数据信号传输稳定、安全、可靠。利用Android平台和智能手机终端，对数据进行图像化显示，有较好的人机交互功能。系统能准确对深水网箱及其周边环境水质进行实时的检测，能在一定程度上减少深水网箱养殖的风险，提高养殖户的经济效益。
参考文献：
[1]刘晋,郭根喜. 国内外深水网箱养殖的现状[J]. 渔业现代化,-9. [2]张亚琳. 物联网中基于ZigBee协议的安全算法研究[D].华南理工大学,2012. [3]汪年荣. 深水网箱养殖水质数据采集与传输系统研发[D].广东海洋大学,2012. [4]罗凯. 基于ZigBee的智能家居控制节点设计与实现[D].电子科技大学,2013. [5]李俊斌,胡永忠. 基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J]. 电子设计工程,-111. [6]吕鑫,王忠. ZigBee无线数据传输模块的设计与实现[J]. 安徽师范大学学报(自然科学版),-335. [7]冼土明. Zigbee与GPRS融合组网技术的研究与应用[D].广东工业大学,2011. [8]吴贵莎,祝忠明,顾鹏. 基于Zigbee的无线数据传输[J]. 仪器仪表用户,-40. [9]曹幼霖. ZigBee与GPRS的远程数据采集系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用,-73. [10]张振伟. 基于GPRS的配变远程数据采集与监控系统研究[D].西南交通大学,2005. [11]张寅. 基于GPRS的远程无线监控系统[D].燕山大学,2006. [12]杨永平. 基于GPRS的嵌入式数据采集系统设计[D].大连理工大学,2007. [13]闫沫. ZigBee协议栈的分析与设计[D].厦门大学,2007. [14]王晓东. GPRS技术及其应用[J]. 武警学院学报,-96. [15]孙小春. GPRS技术及其应用研究[J]. 杨凌职业技术学院学报,-53. [16]杨丰盛.
Android应用开发揭秘[M]. 机械工业出版社, . 包含总结汇报、教学研究、出国留学、经管营销、农林牧渔、工程科技、行业论文、高中教育以及基于ZigBee深水网箱环境数据监测系统设计
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基于ZigBee无线传感的空气温湿度监测系统设计
设计了一种基于ZigBee无线传感的空气温湿度监测系统.其由一个协调器和多个路由器、终端设备形成Zig-Bee无线网络,把传感器采集数据处理后发送到协调器节点,协调器节点通过串口发送到PC进行显示.利用IAR集成开发环境和TI公司Zstack协议栈进行软件系统的设计,TI公司的CC2530芯片作为硬件系统的处理器,实现了对于空气温湿度的随时观测.设计从系统架构、硬件、软件3个方面进行思考和设计,成功建立了ZigBee无线传感网络.系统移植能力强,可扩展连接其他传感器,应用到其他领域.
Abstract：
The air temperature and humidity monitoring system based on ZigBee wireless sensing was designed. The ZigBee wireless network is formed by a coordinator,multi routers and terminal device. The data acquired by the sensor are transmitted to coordinator's nodes after processing,and then transmitted from the coordinator's nodes to PC through the serial port for dis-play. The software system is designed by means of IAR integrated development environment and Zstack protocol stack of TI. The observation of air temperature and humidity was realized by taking TI CC2530 chip as the processor of the hardware system. Three aspects of system architecture,hardware and software were considered in the process of the system design,and ZigBee wireless sensing network was built successfully. This system has better transplantation ability,can be extended and connected with else sensors,and be applied to other fields.
HE Yunliang
GENG Shuqin
WANG Jinhui
作者单位：
北京工业大学 电子信息与控制工程学院,北京,100022
年，卷(期)：
Keywords：
机标分类号：
在线出版日期：
基金项目：
国家自然科学基金，教育部博士点基金，北京市教育委员会科技计划面上项目，北京市自然科学基金
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