基于zigbee的无线温湿度监测【字数：16557】
摘 要随着社会信息化浪潮的到来，无线传输技术出现在与人们生活息息相关的各个领域，各种随之衍生的智能化产品给我们的日常生活带来了极大的方便，尤其是智能家居以及安防监控领域大量采用了新兴的无线传输技术。温湿度影响着我们生活和生产的方方面面，农业大棚中种植不同的蔬菜瓜果需要不同的温湿度，适宜的温湿度可以提高农产品的品质和产量；新潮的智能家居系统中，温湿度的采集和监测调控同样扮演者重要的角色，合适的温湿度会让人倍感舒适；在企业的实际生产中，科学的温湿度不仅能够延长生产设备的使用寿命，工作效率也会随之提升。在过去，我们常采用传统的方式采集温湿度，主要是人工采集或者使用有线连接节点的方式，这种方法不仅麻烦，而且不易推广，线路的布局设置也有诸多障碍，而且有线连接方式的应用领域十分有限，因此如何采用无线方式收集和传送数据显得越来越重要。与之相比，采用无线通信技术组建传感器网络的方式采集温湿度数据显然更加智能便捷。在对无线通信技术有着深入研究的基础上，本次课题的目的是设计一套无线温湿度监测系统，温度和湿度的采集通过传感器进行，采集到的数据通过无线传感器网络汇聚，最后由上位机显示当前的实时温湿度；当温度或者湿度异常时，上位机会产生相应的警告；采集结束后，上位机把采集到的温湿度数据保存到文本格式中，便于管理，从而完成对当前环境中温湿度的监测。
目录
1.绪论 1
1.1 研究的意义 1
1.2 无线传感器网络技术 1
1.3 常见的无线通信技术 3
1.4 组织架构 3
2.Zigbee技术的概述 4
2.1 Zigbee网络设备 5
2.2 网络拓扑结构 5
2.3 Zigbee协议栈体系结构 7
3.系统设计 10
3.1 整体设计方案 10
3.2 协调器节点设计 11
3.3 终端节点设计 14
3.4 上位机设计 15
4.软件系统设计 15
4.1 ZStack的移植 16
4.1.1 启动操作系统 16
4.1.2星形网络组建和节点入网 17
4.2 终端节点软件设计 19
4.2.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
DHT11的数据读取 19
4.2.2 数据的打包和发送 21
4.3 协调器软件设计 24
4.3.1 数据的接收 24
4.3.2 串口数据传输 25
4.4 上位机软件设计 25
4.4.1数据显示 26
4.4.2 阈值报警 28
4.4.3 数据保存 28
5.系统测试 29
6.总结和展望 33
参考文献 34
致谢 35
1.绪论
1.1 研究的意义
随着社会的飞速发展，无论是农业上的温室大棚，还是工业上的监控安防，环境参数的实时监测变得越来越重要。本文以温室大棚为例，研究对温湿度数据的监测。目前，温湿度监测系统主要应用在农业领域。我国拥有将近14亿人口，农作物的种植和贮存关系到国民生计。近些年，国民经济有了铺天盖地的变化，温室大棚在农业生产中变得越来越普及。在农作物的种植过程中，环境中的各项参数（例如温度、湿度、二氧化碳的百分占比等）都和农作物的产量息息相关，适宜的温湿度是实现科学化种植的基本保证。我们通过大棚内温湿度数据的监测，可以在农作物生长发育的不同阶段，适时调整合适的温度、湿度，实现农业生产的高产和优产。
今天，传统的温室大棚采用人工方式或者有线连接方式监测温湿度数据，这种方法不仅布线麻烦、安装时间长、实时性差、人工成本高，而且系统的更新升级、搭建和维护都多有不便，环境监测技术长期难以得到精进，不利于农业的发展，因此传统的温湿度监测方法的缺点已经越来越明显。为了实现科学种植，提高瓜果蔬菜等农产品的产量和品质，必须实现以科学的方式进行温湿度数据采集。
因此，如何能采用更有效、更便捷的方式监测温湿度数据显得格外重要。无线通信技术有着许多显著的特点，比如效率高、通信及时、成本低、适应能力强以及易于拓展[]，这些优势都有效地弥补了传统方式本身存在的问题，而且在温湿度监测系统中，数据的吞吐量不大且对数据传输过程中的速度要求也不高，综合考虑，采用无线方式进行温湿度数据的采集和传输是更好的选择，符合社会发展的需求，有利于农业的发展。
1.2 无线传感器网络技术
无线传感器网络近些年已经越来越多地进入我们的生活，一般所说的无线传感器网络是指通过无线通信方式进行数据的传输、路由上以多跳的方式将当前环境中的传感器节点通过一定的方式汇合集聚到具有网关功能的节点，网关节点一般是直接连接网络，然后将数据发送给用户的一种技术。无线传感器网络有着很多显著的优势，最明显的是可以对将客观世界的物理信息和传输网络联系起来，有效地为人们提供精确的环境状态，人们获取信息的能力也会随之增强[]。
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图1.1 经典的无线传感器网络
无线传感器便于布网，有着很强的自我管理和组织能力，网络中的节点像星星般密集分布着，每个节点监测到的局部数据被汇总到一起，因此最终采集到的数据量大、精度高。低功耗和复杂的拓扑结构都使得无线传感器网络有着不错的稳定性和实用价值。随着生产力的发展、科技的进步，软硬件成本越来越低，无线传感器网络的应用领域也越来越广泛。
（1）工业领域
石化行业采用无线传感器网络进行油田开采时，可以有效节约能源，设备的维护成本显著地得到了降低，设备的管理水平也得到了提高，便于对油泵等生产设备进行实时的监测；随着无线传感器网络被人们应用到石油化工、天然气等领域，人们可以对各个关键节点的温度和压力等参数进行有效的实时采集。
（2）智能家居
智能家居上也越来越多地使用无线传感器网络。Intel公司提前意识到无线传感器网络有可能在人工智能以及家政服务领域大展拳脚，并率先使用这项技术，时至今日，老龄以及残障人士的家庭生活已经得到明显改善。小米公司的智能家居项目也采用了无线传感器网络，市场反应显著。在家电中同时连接无线传感器网络和互联网，家电的远程监控便从梦想变为现实，无线传感器网络可以帮助我们监控家中的水表、电表、煤气表，空调和热水器的开关也可以尽在掌握中。
（3）农业生产
在农村，相较于传统的露天种植，塑料大棚种植越来越受欢迎，在无线传感器网络的帮助下，可以监测土壤的温度、湿度和光照条件，分析农作物的生长状态，可以帮助农民增收增产，提高收入。为了有效提高农业每亩土地的产值，倡导科学种植，无线传感器网络在完成水、电、热、风、光和农药残留等数据采集和环境控制方面发挥了显著的作用。
1.3 常见的无线通信技术
进入21世纪以来，短距离无线通信技术的进步非常大。接下来列举几个比较常见的无线通信技术，例如Zigbee、红外线数据通信（IrDA）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（WiFi）和家庭无线射频（Home RF）等[]。
蓝牙（Bluetooth）的优点是传输保密性好、且速度快，缺点是只能点对点通信，数据率低。蓝牙的传输距离一般在10米~100米，传输速率在1Mbps左右，网络容量小，功率在100mW左右，工作频段是2.4GHz。
目录
1.绪论 1
1.1 研究的意义 1
1.2 无线传感器网络技术 1
1.3 常见的无线通信技术 3
1.4 组织架构 3
2.Zigbee技术的概述 4
2.1 Zigbee网络设备 5
2.2 网络拓扑结构 5
2.3 Zigbee协议栈体系结构 7
3.系统设计 10
3.1 整体设计方案 10
3.2 协调器节点设计 11
3.3 终端节点设计 14
3.4 上位机设计 15
4.软件系统设计 15
4.1 ZStack的移植 16
4.1.1 启动操作系统 16
4.1.2星形网络组建和节点入网 17
4.2 终端节点软件设计 19
4.2.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
DHT11的数据读取 19
4.2.2 数据的打包和发送 21
4.3 协调器软件设计 24
4.3.1 数据的接收 24
4.3.2 串口数据传输 25
4.4 上位机软件设计 25
4.4.1数据显示 26
4.4.2 阈值报警 28
4.4.3 数据保存 28
5.系统测试 29
6.总结和展望 33
参考文献 34
致谢 35
1.绪论
1.1 研究的意义
随着社会的飞速发展，无论是农业上的温室大棚，还是工业上的监控安防，环境参数的实时监测变得越来越重要。本文以温室大棚为例，研究对温湿度数据的监测。目前，温湿度监测系统主要应用在农业领域。我国拥有将近14亿人口，农作物的种植和贮存关系到国民生计。近些年，国民经济有了铺天盖地的变化，温室大棚在农业生产中变得越来越普及。在农作物的种植过程中，环境中的各项参数（例如温度、湿度、二氧化碳的百分占比等）都和农作物的产量息息相关，适宜的温湿度是实现科学化种植的基本保证。我们通过大棚内温湿度数据的监测，可以在农作物生长发育的不同阶段，适时调整合适的温度、湿度，实现农业生产的高产和优产。
今天，传统的温室大棚采用人工方式或者有线连接方式监测温湿度数据，这种方法不仅布线麻烦、安装时间长、实时性差、人工成本高，而且系统的更新升级、搭建和维护都多有不便，环境监测技术长期难以得到精进，不利于农业的发展，因此传统的温湿度监测方法的缺点已经越来越明显。为了实现科学种植，提高瓜果蔬菜等农产品的产量和品质，必须实现以科学的方式进行温湿度数据采集。
因此，如何能采用更有效、更便捷的方式监测温湿度数据显得格外重要。无线通信技术有着许多显著的特点，比如效率高、通信及时、成本低、适应能力强以及易于拓展[]，这些优势都有效地弥补了传统方式本身存在的问题，而且在温湿度监测系统中，数据的吞吐量不大且对数据传输过程中的速度要求也不高，综合考虑，采用无线方式进行温湿度数据的采集和传输是更好的选择，符合社会发展的需求，有利于农业的发展。
1.2 无线传感器网络技术
无线传感器网络近些年已经越来越多地进入我们的生活，一般所说的无线传感器网络是指通过无线通信方式进行数据的传输、路由上以多跳的方式将当前环境中的传感器节点通过一定的方式汇合集聚到具有网关功能的节点，网关节点一般是直接连接网络，然后将数据发送给用户的一种技术。无线传感器网络有着很多显著的优势，最明显的是可以对将客观世界的物理信息和传输网络联系起来，有效地为人们提供精确的环境状态，人们获取信息的能力也会随之增强[]。
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图1.1 经典的无线传感器网络
无线传感器便于布网，有着很强的自我管理和组织能力，网络中的节点像星星般密集分布着，每个节点监测到的局部数据被汇总到一起，因此最终采集到的数据量大、精度高。低功耗和复杂的拓扑结构都使得无线传感器网络有着不错的稳定性和实用价值。随着生产力的发展、科技的进步，软硬件成本越来越低，无线传感器网络的应用领域也越来越广泛。
（1）工业领域
石化行业采用无线传感器网络进行油田开采时，可以有效节约能源，设备的维护成本显著地得到了降低，设备的管理水平也得到了提高，便于对油泵等生产设备进行实时的监测；随着无线传感器网络被人们应用到石油化工、天然气等领域，人们可以对各个关键节点的温度和压力等参数进行有效的实时采集。
（2）智能家居
智能家居上也越来越多地使用无线传感器网络。Intel公司提前意识到无线传感器网络有可能在人工智能以及家政服务领域大展拳脚，并率先使用这项技术，时至今日，老龄以及残障人士的家庭生活已经得到明显改善。小米公司的智能家居项目也采用了无线传感器网络，市场反应显著。在家电中同时连接无线传感器网络和互联网，家电的远程监控便从梦想变为现实，无线传感器网络可以帮助我们监控家中的水表、电表、煤气表，空调和热水器的开关也可以尽在掌握中。
（3）农业生产
在农村，相较于传统的露天种植，塑料大棚种植越来越受欢迎，在无线传感器网络的帮助下，可以监测土壤的温度、湿度和光照条件，分析农作物的生长状态，可以帮助农民增收增产，提高收入。为了有效提高农业每亩土地的产值，倡导科学种植，无线传感器网络在完成水、电、热、风、光和农药残留等数据采集和环境控制方面发挥了显著的作用。
1.3 常见的无线通信技术
进入21世纪以来，短距离无线通信技术的进步非常大。接下来列举几个比较常见的无线通信技术，例如Zigbee、红外线数据通信（IrDA）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（WiFi）和家庭无线射频（Home RF）等[]。
蓝牙（Bluetooth）的优点是传输保密性好、且速度快，缺点是只能点对点通信，数据率低。蓝牙的传输距离一般在10米~100米，传输速率在1Mbps左右，网络容量小，功率在100mW左右，工作频段是2.4GHz。
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