基于无线传感器网络的楼宇能耗监测系统研究与实现

摘要

伴随着中国经济的飞速发展，楼宇能源消耗问题日益突出，绿色节能工程迫在眉睫。无线方式是构建绿色节能建筑，实施绿色节能改造的重要技术手段，无线传感器网络作为无线技术与互联网的进一步扩展，将为节能改造提供有效的技术支持。因此，实施针对无线传感器网络的楼宇能耗监测研究具有重要的现实意义。
　　 论文针对传统楼宇能耗检测低扩展性、低灵活性、高成本等问题，设计系统软硬件结构，研制无线传感器节点，实施传感器网络通信协议栈移植，最后，采用无线传感技术和软件工程方法开发楼宇能耗监测系统。运行结果表明，系统在数据采集，在线监测，信息存储与管理等方面已达到预期效果。本文主要工作和成果包括：
　　 1.针对传统能耗检测手段存在的问题，研究楼宇能耗监测及无线传感器网络应用现状，提出基于三层结构模型的无线传感器网络楼宇能耗监测系统软硬件体系结构。
　　 2.针对楼宇能耗采集的特殊需求，采用无线传感和通信技术，以Atmage128L为微控制器，CC2420为射频芯片，TSL2550和SHT11为数据感知器，研制无线传感节点，实现温度，光照，湿度的采集及无线数据收发。经测试，节点具有较好的测量精度和响应速度，基本满足数据采集需求。
　　 3.针对能耗监测需求，采用软件工程和图形可视化方法，基于Qt开源集成平台开发楼宇能耗监测软件系统，实现具有实时立体图显示、实时二维曲线显示、历史曲线显示等动态监测，以及异常声光报警。运行结果表明，系统能够达到实时监测，信息存储与管理，初步数据统计等功能。
　　 4.针对传感器网络与互联网通信的差异，采用网络通信技术，在协调器节点扩展串口及TCP/IP数据通信功能，初步实现无线传感器网络与互联网的连接与通信。
　　 5.针对传感节点存储资源有限和缺少通用的协议栈等问题，在物理层，MAC，网络层，应用层实施zigbee协议裁剪与移植，实现一个简单的无线传感器网络协议栈。在物理层，主要对各硬件设备驱动，设备控制和数据管理等功能进行移植；在MAC层，主要实现MAC帧格式定义、帧检测，以及帧格式的封装与解析；在网络层，主要对逻辑地址分配，网络建立，邻居表定义和维护，路由查找和数据转发等功能进行移植。在应用层，主要对设备对象及其管理功能进行裁剪，并扩展基于套接字的网络通信功能。测试结果表明，协议栈基本实现网络建立，树形路由和信息转发功能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 楼宇能耗检测现状

1.2.2 无线传感器网络应用现状及发展趋势

1.3 论文内容

1.4 论文结构

1.5 本章小结

第2章 楼宇能耗监测需求分析与系统设计

2.1 楼宇能耗监测需求分析

2.1.1 楼宇能耗监测与分析功能需求

2.1.2 楼宇能耗监测与分析性能需求

2.2 楼宇能耗监测与分析系统设计

2.2.1 系统体系结构设计

2.2.2 硬件节点设计

2.2.3 软件系统设计

2.3 本章小结

第3章 楼宇能耗监测无线节点实现

3.1 微处理器

3.2 传感模块设计与实现

3.2.1 温湿度采集模块实现

3.2.2 光强度采集模块实现

3.3 CC2420无线通信实现

3.3.1 微控制器与CC2420连接与交互

3.3.2 CC2420控制与数据收发

3.4 无线节点网络标识实现

3.4.1 无线网络节点标识定义

3.4.2 无线节点网络标识提取

3.5 本章小结

第4章 楼宇能耗监测网络构建与通信实现

4.1 Zigbee协议栈移植

4.1.1 物理层移植实现

4.1.2 介质访问控制层移植实现

4.1.3 网络层移植实现

4.1.4 应用层实现

4.2 协调器网关通信功能实现

4.2.1 协调器串口通信实现

4.2.2 协调器网络通信实现

4.3 本章小结

第5章 楼宇能耗监测软件系统实现

5.1 系统结构和功能模型

5.2 软件系统通信实现

5.2.1 软件系统串口通信实现

5.2.2 件系统网络通信实现

5.3 软件系统功能及交互实现

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果