隧道环境无线传感网温度采集毕业论文.docx

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1、隧道环境无温度采集系统引言1第一章概述21.1 项目背景21.2 系统开发意义21.3 系统开发环境21.4 系统主要功能3第二章系统开发概述42.1 无线传感网概述42.2 Windows系统编程概述42.3 硬件概述52.3.1 MSP430F149型单片机概述52.3.2 DS18B20温度传感器概述82.3.3 无线传输模块CC1101概述102.3.4 液晶显示器LCD 1602概述13第三章系统分析与设计173.1 系统需求分析173.2 硬件设计173.2.1 节点信息处理173.2.2 温度信息采集213.2.3 信息无线传输233.2.4 温度信息显示273.2.5 警报触发

2、模块273.3 软件设计283.3.1 下位机软件设计283.3.2 上位机软件设计33第四章系统实现354.1 嵌入式系统实现354.1.1 下位机软件实现354.1.2 上位机软件实现36结论37参考文献38附录40谢辞42图表清单图2- 1 MSP430F149硬件结构图5图2- 2 MSP430F149外围引脚分布6图 2-3 MSP430CPU 结构图7图2-4 DS18B20 T0-92引脚封装图9图2-5 DS18B20初始化时序9图2-6 DS18B20读写时序10图2-7 CC1101电路图11图2-8 CC1101的状态机13图 2-9 LCD 1602 实物图14图2-1

3、0图 二-1 LCD1602接口电路图15图3标签工作流程19图3-2阅读器工作流程21图33温度转换函数22图3-4温度存储形式23图3-5温度采集模块23图3-6 CCU01无线传输模块24图3-7 MSP430与CC1101连接电路图25图3-8 CCU01工作流程26图3-9数据包格式27图310 LCD1602工作过程27图3-11警报电路28图3-12无线自组网拓扑结构29图3-13路由表格式29图3-14标签广播包30图3-15标签路由交换包30图316温度采集数据包3()图3-17标签AB相邻时网络状况31图3-18标签AB不相邻时网络状况32图319多标签相邻时网络状况33图

4、3-20上位机监控终端操作步骤34图4-1调试操作步骤36图4-2上位机软件监控界面36表2-1MSP430F149中断向量表8表2-2DS18B20引脚说明9表2-3CC1101引脚说明12表2-4LCD1602引脚说明15表2-5LCD 1602操作指令表16引言物联网利用传感器、射频识别RFID等技术构造一个覆盖世界的物物相连的网络。物联网能够智能化识别、监测、定位跟踪和管理目标，可以全面地感知人和物体信息。在现代物流、智能建筑、食品、医疗、智能家居、智能交通等行业物联网已经开始得到广泛应用。物联网应用的关键技术包括无线组网技术、传感器节点感知技术、数据融合、数据挖掘、云计算等关键技术。

5、物联网的时代到来，已经从个人到家庭，再到工业生产都已渗透到生活的每个角落。在工业生产中，利用人工的方式对环境的监测和控制已经无法满足社会的快速发展了。在矿山采矿时，常常会因为工作人员的疏忽而给企业的财产和工作人员的安全带来极大的危害。尤其是在隧道，井下煤矿等环境下常常发生爆炸事故造成巨大的伤害。若采用有线连接方式连接环境信息采集网络，长时间工作可能会造成因强电烧毁传感器原件，线路老化等问题，影响环境信息的采集。将无线传感网络技术应用到矿山隧道环境的监测和控制当中，不仅能减少人员的投入，降低成本，避免有线连接方式带来的困扰，还能在环境恶化时发出警报，有效地避免危险状况的发生。在恶劣的环境中，无线

6、自组网温度采集系统能够稳定的工作，实时采集环境中温度信息，通过无线网络发送给监控终端，监控人员通过监控终端的实时监测软件 能及时了解被检测地点的温度信息。矿山隧道环境的监测和控制对于避免矿难事故的发生有着重要的意义。无线传感网中传感器节点体积小、重量轻、功耗低、铺设方便，能在电池供电的情况下连续工作数月甚至数年都无需更换电源。在无线传感网络中，每个传感器节点都运行相同的网络协议，当某个节点发生故障时可以直接替换掉而不影响网络中其他节点的信息传输。木系统软件复用性强，只需对系统做轻微改动，更换传感器元器件后便能实现对环境中其他信息的采集和监测。系统根据工业生产实际状况而开发的隧道环境无线自组网温

7、度采集系统能适应恶劣的工作环境，系统工作温度范围在-25OC到125。适合国内主要工矿企业、交通道路等需要温度信息采集的场合。第一章概述1.1 项目背景社会飞速发展，物联网产业化的时代已经到来。物联网离我们越来越近，无线传感网已经开始大量应用在工农业生产和人们的日常生活中。各式各样的传感器在日常生活中已司空见惯，无线自组网技术应用范围愈加广泛。将传感器检测与无线自组网技术相结合，可完成对环境实时监测和控制。无线测温技术是近年来随着无线传输方式的发展和智能温度传感器的出现而新兴的一项现代化温度测量技术。监视人员可利用普通PC机，手机等终端设备方便地了解被监测的现场环境并进行适时地发出控制命令。利

8、用无线传输模块和单片机构成的系统可实现近距离低功耗传输数据，具有操作灵活，可拓展性强，通用性强，可应用在各种无线遥测领域。1.2 系统开发意义如今工业的生产安全受到人们的广泛关注，该无线传感网温度采集系统应用于矿山隧道中温度信息的采集。传感网中采用智能温度传感器感知温度信息，通过无线自组网络将采集到的温度信息无线传送到控制中心，控制中心接收数据保存并分析，随时随地掌握采集点温度的变化情况，为温度控制系统提供环境温度信息。在本系统中当环境中温度过高，超过温度阈值，节点能发出警报，以提醒在矿山中工作的人员，减少意外的发生造成的伤害。本系统为野外勘探、采矿等工作人员的安全提供了保障。而现有的矿山环境

9、监测系统中多数采用有线方式连接，能耗较高，此系统的开发能有效地降低使用成本，具有较强的抗毁能力，因此本系统的开发具有重要的意义。L3系统开发环境本无线自组网温度采集系统为嵌入式系统类设计开发，须同时具备软硬件环境才能完成系统的设计。系统开发环境如下：软件环境：Windows XP 及以上操作系统，IAR Embedded Workbench , Visual C+6.0, MspFet, SmartRFStudio7,串口调试助手等。硬件环境：PC机，MSP430F149型单片机，CC1101无线传输模块，温度传感器，警报模块。L4系统主要功能本温度采集系统主要针对矿山隧道环境，综合考虑各方面

10、因素，并根据前期对工业现场环境的调研，对系统需要实现的功能进行了明确的定义。其主要功能如下：温度采集模块：系统在隧道环境中利用带有传感器的节点对环境中的温度进行采集。标签模块：即为各个传感器节点，主要用于温度信息的收集。标签节点主要负责温度采集，采用特定的数据包格式将采集到的温度数据发送给阅读器；止匕外，标签节点需要广播自己的地址，转发其他标签的数据包，与其他标签通信，建立路由表，完成与网内通信，数据传输。无线传输模块：CC1101无线传输模块将标签中特定格式的数据包发送出去，并接收由其他无线传输模块发来的数据包。阅读器模块：即中心控制节点。阅读器接收到标签发来采集到的温度数据，然后通过串口发

11、送给PC机。上位机监控软件：PC机接收来自阅读器的数据进行处理，以文字和图形的方式显示在屏幕上，并在隧道环境温度出现异常时发出警告。44第二章系统开发概述2.1 无线传感网概述无线传感网络(Wireless Sensor Network)是物联网关键技术之一，主要应用于物联网的传感层、传输层、处理层、应用层四层中的传输层。无线传感网是一种由大量的传感器节点组建成的，对等式的网络。主要用于信息的采集，终端的控制功能。传感器节点通常可看做是一个具有感知能力的微型嵌入式系统，消耗较少的电量，并且具有信息处理能力。其次，传感器节点通常具有传统网络的路由选择功能，还能够将其他节点发来的信息进行转发、解析

12、、存储等处理。传感器节点往往是随机的分布在一定的区域，能够运行分布式协议能够自组成网，协作地感知环境中的信息，并进行处理，最终发给用户。无线传感网往往具有的特性是：网络自组织。网络中节点随机分布的特性要求传感器节点具有自行组建无线网络的特点；节点数量庞大。在传感网络中，往往需要庞大数目的节点来采集信息，才能得到较全面的环境信息；节点能力有限。传感器节点工作环境通常是野外等较差的地方，要求功耗小，体积小，成本低，能适应通信状况不良的环境。由于实际工程应用中节点的位置无法事先确定，节点可能发生故障，随时的更换，从而导致节点随时的加入和离开，为使节点的变更不影响系统的正常运行,无线自组网的自适应路由

13、选择具有强抗毁性，在实际工程应用中得到广泛采用。2.2 Windows系统编程概述Windows系统是人们再熟悉不过的图形界面方式的操作系统，具有良好的交互性。利用事件驱动的方式进行面向对象程序设计是Windows编程的主要方式，视窗系统编程能够编写出可视化的图形用户界面。Windows API包含了操作系统所需的丰富的接口函数。程序开发者也可利用MFC(Microsoft Foundation Class)类库有效地完成Windows应用的开发。利用Windows API可实现图形用户界面设计，网络通信，串口通信等功能。Visual C+6.0是微软公司推出的面向对象可视化开发工具，具有很强

14、的灵活性，比较经典的Windows编程工具，至今仍比较流行。2.3 硬件概述2.3.1 MSP430F149型单片机概述系统标签节点的数据处理模块采用MSP430系列的FI49型单片机。MSP430系列单片机小巧灵活、成本低廉、抗干扰能力较强、易于实现产品化、使用的温度范围广，能够在各种恶劣条件下可靠地工作，实现分布式多单片机控制，提高系统的稳定性和工作效率。采用单片机进行环境信息测量、信息存储、数字显示、实时监控等工业控制对于企业降低生产成本，提高工作效率，节能环保等都具有重要的意义。MSP430系列的F149型单片机为超低功耗的混合信号处理器，由美国德州仪器(TI)公司开发，具有16位RI

15、SC结构，运算处理能力强，还集成了丰富的片内外设。MSP430系列单片机系统工作稳定，具有方便灵活的开发环境，能工作在多种工作模式下，使用灵活方便。MSP430系列单片机通过降低芯片电源电压以及可控制的灵活的时钟来保证其低功耗的特性，在某些情况下，可在电池供电的状态下工作数月甚至数年都无需更换电源，相比其他类型的单片机具有无可比拟的优势。MSP430F149型单片机同其他MSP430系列单片机一样，片上外围模块丰富。他们分别是看门狗(WDT)、基本定时器(Basic Timer)端口 1 -6(P0-P6)定时器A(Timer_A) 定时器 B(Timer_B)、模拟比较器 A、串口 O(UARTO)和串口 l(UARTl)等外围模块。