基于ZigBee的实验室环境监测系统设计与实现

摘要

实验室作为高等院校进行教学和科研的重要场所，存放着种类众多的精密科研仪器，也有一些易燃、易爆、剧毒等危险物品，加之使用频繁，人员集中且流动性大，常有突发性事故发生，在严重威胁到师生人身安全的同时，还会给学校带来巨大财产损失。因此如何以较低的投入，保证科研仪器运行环境的安全可靠，确保危险物品的存放安全，尽可能消除对人身和财产安全的隐患，已成为社会关注的问题。
　　在此背景下，针对高等院校实验室环境监测需求，本文通过对ZigBee技术、无线传感器网络技术、ZigBee抗干扰技术的研究，设计了基于ZigBee的实验室环境监测系统。另外对相关干扰技术进行研究，使得系统能够抵御WiFi干扰，实现无线传感器网络对温湿度及红外数据的采集、传输和处理，最终达到对实验室环境进行监测的目的。
　　本文取得的具体成果有以下几方面：
　　（1）结合高校对实验室监测系统的需求，本文设计了监测系统总体结构：利用无线传感器网络对环境进行数据采集，并通过协调器的USB串口与PC端相连接，PC端的上位机通过对数据包的分析处理，将相关信息存储至数据库，最后通过对数据库的连接和访问，实现对数据的统计和展示。在节点硬件选型方面，对目前市场上存在的多种型号芯片进行了分析对比，结合成本的考虑，本系统决定采用TI公司的CC2530芯片，成都无线龙公司的SMBD-14底板、GDH的高精温湿度传感器和HC-SR501人体红外探测传感器。
　　（2）通过分析目前存在的干扰检测技术和干扰规避技术，发现大部分检测方法仅通过接收信号强度指示或误包率来判断网络是否正在遭受WiFi干扰，而这种判断并不准确。因此本文提出了一种基于链路质量和PER的干扰检测改进方法，该方法通过对普通节点和重要节点误包率、出现误包率节点所占的比重、链路质量以及接收信号强度指示的综合判断，最终决定是否存在WiFi干扰。在干扰规避方法中，发部分算法即耗时又耗资源。因此本文改进了信道选择方式，采取前后扫描的方式，直到发现合适的信道，提高了规避速度。
　　（3）利用C及C＃开发语言，在IAR Embedded Workbench8.10开发平台实现了ZigBee网络的设计，包括：初始化网络、建立网络路由、温湿度和人体红外采集、节点暂时脱离网络处理、探测故障节点；在Visual Studio2010开发环境实现了上位机和网站的开发；在SQL Server2008 R2数据库管理系统实现了数据库创建与数据存储。最终完成了基于ZigBee的实验室环境监测系统的设计，实现了对环境信息的采集、传输、分析处理、存储和统计展示，对用户信息和被监测房间信息的管理，并对系统进行了详细的性能测试。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容

1.4 文章组织结构

第2章 监测系统组网技术分析

2.1 ZigBee技术

2.2 ZigBee协议栈

2.3 无线传感器网络

2.4 本章小结

第3章 系统总体设计

3.1 需求分析

3.2 系统结构设计

3.3 传感器节点选型

3.4 软件开发环境

3.5 本章小结

第4章 ZigBee抵抗WiFi干扰策略研究

4.1 ZigBee自身抗干扰策略简介

4.2 ZigBee与WiFi共存分析

4.3 干扰检测方法的设计

4.4 干扰规避算法改进与仿真分析

4.5 本章小结

第5章 网络结构总体设计

5.1 网络初始化

5.2 网络路由建立

5.3 干扰检测及信道选择

5.4 环境数据采集

5.5 节点暂时性脱离网络

5.6 故障节点探测

5.7 本章小节

第6章 系统实现与性能测试

6.1上位机功能

6.2 数据库功能

6.3 网页功能

6.4 系统性能测试

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢