无限传感器网络技术-传感器与检测技术压力仪表的选择

摘要科技的不断进步及人民生活水平的大幅提高，智能化家电设备及现代化室内装修逐渐进入人们的生活，由此引发的室内环境污染日益严重。在这种室内污染严重的形势下，人们更加重视家居环境的空气质量和家居安全性。随时随地监测家居环境并能够及时发现家居安全问题，成为人们的迫切需求。而传统家居环境监测系统的监测功能单一化，不具有实时监测功能。如今，通信技术、计算机和嵌入式技术的发展以及智能手机的普及，使得家居环境的移动监测具备了实现的可能。针对家居环境污染严重影响人们身体健康问题，以温湿度，CO2，甲醛、TVOC、PM2.5及噪音为环境监测对象，利用WiFi技术，在Android平台上设计一款家居环境监测系统，实现家居环境数据的移动实时监测。该系统以温湿度，CO2，甲醛、TVOC、PM2.5及噪音为环境监测对象，利用ZigBee模块组建家居无线传感网络，实现家居环境数据的自动采集和传输；采用树莓派开发板搭建基于嵌入式Linux系统的无线网关平台，实现家居传感网络数据与Android移动终端的数据通信；开发Android应用软件，完成智能手机与无线网关动态信息交互，从而实现家居环境数据的移动实时监测。对系统应用软件进行功能测试，并对软件监测数据的准确性进行分析。

本文对家居环境监测进行了简要的介绍，总结了室内污染对人体健康的危害以及室内监测行业的发展现状。经过研究、对比和分析后确定本系统的整体解决方案。然后，从设计成本、操作性、可扩展性、安全性等方面进行可行性分析。接着，对Zigbee终端、无线网关、手机终端这三个模块分别进行软硬件设计和各模块之间的通信协议设计。最后，对该系统整体进行功能测试，对所监测到的数据的准确性进行分析。结果表明，该系统监测数据的准确性比较高，误差范围在5%之内，可以满足监测系统的要求。关键词：环境监测，Zigbee协议，WiFi，Android系统Abstract目录1绪论11.1课题研究背景及目的21.2国内外研究现状21.3短距离无线通信技术21.4论文章节安排22关键技术概述42.1ZigBee技术52.1.1ZigBee技术的发展历史32.1.2ZigBee技术的特点32.1.3Z-Stack协议栈简介32.2WiFi技术52.2.1WiFi技术简介32.2.2WiFi技术的特点32.3Android系统52.3.1Android系统架构32.3.2Android应用程序的组件32.4本章小结53系统总体设计13.1系统整体架构23.2家居无线传感器网络设计23.3无线网关设计23.4Android终端客户端设计23.5基于TCP的socket通信设计23.6本章小结24无线传感器网络的设计与实现14.1硬件结构设计24.1.1CC2530功能介绍34.1.2硬件电路设计34.2无线传感器网络节点的程序设计24.2.1CC2530的集成开发环境介绍34.2.2Z-Stack协议栈的结构34.2.3协调器节点程序设计34.2.4终端节点程序设计34.3传感器数据采集程序设计24.3.1DHT11温湿度传感器程序设计34.3.2可燃气体/烟雾传感器程序设计34.3.3灰尘传感器程序设计34.4本章小结25无线网关的设计与实现15.1树莓派开发板简介25.2操作系统镜像安装25.3无线网关的功能实现25.3.1串口数据接收程序设计35.3.2数据发送程序设计35.4本章小结26Android客户端的设计与实现16.1开发环境搭建26.2客户端界面布局设计26.3数据接收的程序设计26.4本章小结2总结与展望1参考文献1绪论课题研究背景及目的随着我国经济的快速发展和工业、城市化水平的不断提高，人们在享受现代文明和社会繁荣的同时，建筑、装修、家具和现代化的家电、办公器材等造成的室内环境污染相伴而生，并成为影响人们健康的一大杀手。

据监测，室内空气污染是室外的5～10倍，在特殊情况下可达到100倍。室内空气中可检出五百多种挥发性有机物，某些有害气体浓度可高出户外十倍乃至几十倍，其中二十多种是致癌物。我国由室内空气污染引起的超额死亡数可达11.1万人/年，超额门诊数可达22万人次/年，超额急诊数可达430万人次/年。人们对环境意识的不断增强和国家对室内环境质量的相关知识的大力普及，使得室内环境监测和治理受到人们的广泛关注。[1]在人的一生当中，有80%的时间是在室内度过的，如工作、学习、生活，特别是一些儿童、孕妇、老人在室内度过的时间更长，严重的室内环境污染在给人们健康造成损失的同时，也造成了巨大的经济损失。所以，室内家居环境是否良好直接影响着人们的身体健康和生命财产安全。家居环境的温湿度情况、光照情况、PM2.5浓度都对人们的生活质量、工作效率产生影响。所以，人们对室内家居环境提出了更高的要求。能够随时随地监控家居环境的质量是改善家庭生活质量的第一步。[2]环境监测是通过对影响环境质量因素的代表值的测定，确定环境质量（或污染程度）及其变化趋势。而性能优良的环境监测系统又离不开先进的无线传感器网络技术的支持。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的传感器节点构成的自组织无线网络。

它是嵌入式计算、传感器、无线通信等技术的融合体，是涉及多学科交叉及知识高度集成的前沿热点。2006年，我国国务院颁布《国家中长期科学与技术发展规划纲要》，其中明确了国家2006～2020年信息技术发展三个前沿方向，与无线传感器网络直接相关的智能感知技术和自组织网络技术分列一、二位。无线传感器网络应用前景广阔，在城市管理、环境监测、工农业等多个领域具有实用价值。典型应用环境如环境监测系统、灾难预防系统、交通管理系统、危险区域监测系统等。无线传感器网络的应用开发通过分布在各种环境种的节点收集环境信息完成，因而环境监测可看作无线传感器网络的典型应用。最近几年，移动互联网的快速发展，WiFi、3G、4G等移动网络基础设施的广泛铺设，智能移动终端的计算能力不断接近个人电脑，加快和推进了智能手机和平板电脑等移动终端的广泛普及，智能移动终端给人们带来极大便利的同时，移动处理控制的需求也已经深入人心，很多研究人员一致认为其发展能够决定未来科技的走势。而谷歌的Android平台和苹果的iOS平台之争有愈演愈烈的趋势。作为主流的智能终端操作系统之一，Android系统以其独特的优势被广泛应用到平板电脑、智能电视、智能手机和移动互联网等领域的开发中。

而基于Android的智能手机又以其广泛的应用性、便携性、较强的可移植性和强大的操作性被广泛应用到环境监测领域、温室控制、大气监控、监测水环境、健康监测、血液透析、煤矿监控等农业、工业、医疗等各个领域。[3]基于Android平台的家居环境监测系统是多学科跨领域的结合热点之一，它涉及到控制理论、嵌入式技术、自组织网络、组网策略、网络技术、通信技术、信息采集处理、计算机学科、手机终端操作系统等许多领域的高新知识。该系统功能的实现有助于提高家居环境的安全性和舒适度，同时对改善家居环境污染及提高人们健康生活水平具有重大的现实意义。国内外研究现状在国内长期以来由于我国人们生活水平不高，对室内环境监测的意识不强，所以国内的室内环境监测系统无论是技术还是设备发展都比较缓慢。但是，随着人们健康意识的增强，所以市场上成熟的产品正在不断的涌现。比如：中国电子科技集团公司第二十七研究所设计的一款基于单片机的温湿度感测系统、大连交通大学姚营营以MSP430F449为基础，通过安装DS18B20和HS1101以及光照度传感器设计了环境监测仪[4]，该检测器方便携带，监测准确，响应速度快，还有湖南大学研究设计的基于MSP430单片机的二氧化碳测量系统。

这些研究成果都是基于环境传感器和单片机系统而设计开发的，对实际应用有一定的参考价值。在国外由于智能家居发展较早而且环保意识较强，所以在室内环境监测方面相比于国内较为先进，并且相关系统产品选择也较多。比如GE传感与检测科技公司推出的Ventostat 8000系列产品[5]，能够快速、准确地监测室内的温湿度等环境参数。与国外相比，国内的环境监测工作起步比较晚，经过几十年的发展，我国的环境监测能力有所提高，主要是以环境监测站为中心的环境监测系统。随着物联网技术的发展，我国环境监测系统逐渐朝着智能化、网络化、服务化方向发展。为了环境监测系统操作简单，系统具有良好的可视化界面，出现了一些具有更高的传输速率、更好的通信质量及可用性的系统解决方案。其中，采用C/S架构，通过无线传感器网络技术实现信息采集、数据传输等功能，并将移动智能设备或PC机作为监测系统的上位机实现实时监测功能，是当今环境监测系统的热门方案之一。本论文以家居环境为研究对象，在Android平台上设计和实现一个实时监测系统，该系统的整体架构与上述的热门方案类似，具备较高的可行性。短距离无线通信技术目前短距离的无线通信技术非常多，为了选取合适的一种并应用于无线传感器网络，首先需要对其特点进行分析。

[6]ZigBee技术ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和MAC层协议由IEEE 802.15.4制定，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户的需求进行开发和利用。它是专门针对网络容量大，传输速率低，数据量小且要求成本较低的应用所设计。红外技术红外通信标准于1993年得到了统一，红外技术通常采用的红外线的波段是850nm，最大通信距离约为10m，同时要求设备之间通信时，中间不能存在障碍物。另外，红外通信的最大通信角度不能超过30度。红外通信的最大传输速率可达16Mbps。红外通信技术具有工作原理简单，功耗小、成本低、安全性好、保密性高、无电磁干扰、无须政府批准频带等优点。但是由于传输距离有限，传输方向性强等缺点，其应用仍然受到了一定程度的限制。家庭无线射频技术家庭无线电射频（HomeRF）无线联网标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉等公司于1998年发起组建的HomeRF工作组负责研发的，其研发初衷旨在为家庭无线联网提供一种组网方便、易用、成本低廉的通用性标准，它汲取了IEEE 802.11与DECT等无线标准优势，能够有效降低话音和数据传输成本，可提供1～2Mbps的数据传输带宽，新的HomeRF 2.x标准的最高数据传输带宽则可达10Mbps，该技术工作频率为2.4GHz，其主要应用与家庭无线组网，可连接127个设备。

但是这个协议抗干扰能力相对于其他的标准来说还存在很多缺陷，另外技术升级缓慢，渐渐丧失了领先的地位。蓝牙技术蓝牙技术是1998年5月，瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国IBM和Intel等公司，在联合拓展短程无线通信技术的标准化活动时提出的。该技术是一种用于替代便携或者固定电子设备上所使用的电缆或连线的短距离无线连接技术，工作在2.4GHz的ISM频段上，其技术采用以每秒钟1600次的扩频调频技术，发射功率为3类，分别是1mw，10mw和100mw，通信距离为10～100m，传输速率由3Mbps左右。在传输数据信息的时候，还可传输一路话音信息，这是蓝牙技术的一个重要的特点之一。超宽带无线通信技术超宽带（Ultra-Ware Band，UWB）无线通信技术是一种新型的无线通信技术，根据2002年2月14日美国FCC（Federal Communication Commission，联邦通信委员会）从信号带宽的角度给出了UWB信号的确切定义：UWB信号指“-10dB功率点处的相对带宽的射频的绝对带宽大于1.5GHz”的信号。该技术的工作频率范围是3.1～10.6GHz，工作带宽为7.5GHz，数据传输速率可达1Gbps，传输距离为10m，在工作带宽内，发射功率的频谱密度低于-41dbm。

由于该技术信号带宽宽，传输信息速率高，而且功耗低，隐蔽性好，抗信号多径效果好等有限，这项技术受到了各方面广泛的关注。IEEE 802.11X互联网的迅速发展，进一步加速了无线网络技术的应用和发展，特别是IEEE 802.11技术标准经过几十年的发展，其技术性能之别得到了极大的提高，并且该技术还在不断地发展和提高。其技术性能指标由于所采用的技术和工作频段不同，它们之间也存在着较大的差异。IEEE 802.11b，工作频段为2.4GHz的ISM频段，采用直接序列扩频技术，传输速率为11Mbps。IEEE 802.11a，工作频段为5.2GHz，采用OFDM调制技术，具有较好的抗多径干扰性能，可提供8个信道，可采用最高为54Mbps的速率来传输数据。IEEE 802.11g，工作频段为2.4GHz，与802.11b相兼容，最高能够提供54Mbps的数据传输速率。IEEE 802.11h是欧洲制定的，工作在5GHz频段的无线标准，目的是减少对同处于5GHz频段的雷达的干扰。802.11h涉及两种技术，一种是动态频率选择，另外一种是传输功率控制，总的传输功率或干扰将减少3dB。以上是比较流行的短距离无线通信技术的介绍，表1-1将这些无线通信技术的性能进行比较。

表1-1 短距离无线通信技术比较协议工作频段传输速率（Mbps）最大功耗传输方式连接设备数ZigBee868/915MHz,2.4GHz0.02,0.04,0.251～3mW点到多点216～264红外820nm1.512,4.16几mW点到点2HomeRF2.4GHz1.2100mW点到多点127蓝牙2.4GHz1.2,31～100mW点到多点7802.11b2.4GHz11100mW点到多点255802.11a5.2GHz6,9,12,18,24,36,54100mW点到多点255802.11g2.4GHz54100mW点到多点255由于无线传感器网络具有非常多的节点，而且在环境监测中，需要非常低的功耗，另外，由于只需要传输采集的数据，相对而言对数据传输的要求不是很高。因此，ZigBee技术非常适用于环境监测的无线传感器网络。论文章节安排第一章主要介绍了室内环境监测的研究背景和研究意义、国内外关于环境监测的研究现状以及各种短距离无线通信技术之间的比较。第二章介绍了家居环境监测系统所使用到的关键技术，并且对系统涉及的ZigBee技术、WiFi无线通信技术及Android系统开发平台进行详细描述。

第三章根据系统功能需求分析，并结合系统关键技术，设计了整个系统总体架构。第四章对无线传感器网络的硬件设计和Z-Stack协议栈的工作流程进行了详细的讲解。第五章对无线网关的硬件资源和功能实现的程序设计进行了介绍。第六章对Android客户端的界面布局和与网关的通信程序设计进行了介绍。关键技术概述ZigBee技术ZigBee技术的发展历史ZigBee基础是IEEE 802.15.4，它是IEEE无线个人区域网（PAN，Personal Area Network）工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。ZigBee不只是802.15.4的名字。因为IEEE 802.15.4仅规范了低级MAC层和物理层协议，但ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多大255个节点，几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。

2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，他们将加盟“ZigBee联盟”，参与研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。到目前为止，除了Invensys、Ember、三菱电子、摩托罗拉、TI（德州仪器）、飞思卡尔和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有200多家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但也存在许多缺陷。对工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。为此经过人们长期努力，2004年正式制定了ZigBee协议规范。

ZigBee是一个由可多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似于现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几千米；另外整个ZigBee网络还可以与现有的其他各种网络连接。不同的是ZigBee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立。每个移动基站造价一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象连接，例如与传感器连接直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点无线连接。每个ZigBee网络节点可以支持多达31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终端可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。2.1.2ZigBee技术的特点ZigBee技术的特点包括以下几方面：1、可靠。

采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的可能，信息在整个ZigBee网络种通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。2、时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活时延都非常短，通常时延都在15ms至30ms之间。3、网络容量大。可支持65000个节点。4、安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128，具有高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。5、数据传输速率低。只有10kb/s到250kb/s，专注于低传输应用。6、功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者一直引以为豪的独特优势。7、成本低。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单无限传感器网络技术，所以大大降低了成本，且ZigBee协议免收专利费。8、优良网络拓扑能力。ZigBee设备具有无线网络自愈能力，ZigBee具有星状、树状和网状网络结构的能力。因此通过ZigBee无线网络拓扑能简单地覆盖广阔范围。

9、有效范围大。有效覆盖范围10～75m之间（通过功率放大器可在低功耗条件实现1000m以上通信距离），具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。10、工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）以及915MHz（美国），均为免执照频段。2.1.3 Z-Stack协议栈介绍Z-Stack是德州仪器（TI）推出的业界领先的一种ZigBee协议栈。Z-Stack达到ZigBee测试机构德国莱茵集团（TUV Rheinland）评定的ZigBee联盟参考平台水平，目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用。Z-Stack符合ZigBee 2006/2007/Pro规范，支持多种平台，其中包括面向IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430/CC2530片上系统解决方案、基于CC2420/2520收发器的新平台以及TIMSP430超低功耗MCU。Z-Stack协议栈定义通信硬件和软件在不同级如何协调工作。在网络通信领域，在每个协议层的实体们通过对信息打包与对等实体通信。在通信的发送方，用户需要传递的数据包按照从高层到低层的顺序依次通过各个协议层，每一层的实体按照最初预定消息格式向数据信息中加入自己的信息，比如每一层的头信息和校验等终抵达最低的物理层无限传感器网络技术，变成数据位流，在物理连接间传递。

在通信的接收方数据包依次向上通过协议栈，每一层的实体能够根据预定的格式准确地提取需要在本层处理地数据信息，最终用户对应用程序得到最终的数据信息进行处理。2.2WiFi技术2.2.1WiFi技术简介WiFi全称wireless fidelity，又称802.11b标准，是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE 802.11）。802.11b定义了使用直接序列扩频（direct sequence spread spectrum，DSSS）调制技术在2.4GHz频带实现11Mbit/s速率的无线传输，在信号较弱或有干扰的情况下，宽带可调整为5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s。WiFi是由无线访问节点（access point，AP）和无线网卡组成的无线网络，AP是当作传统的有线局域网与无线局域网之间的桥梁，其工作原理相当于一个内置无线发射器的hub或者是路由；无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的客户端设备。因此，任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP分享有线局域网甚至广域网络的资源。2.2.2WiFi技术的特点WiFi的主要技术优势在：建设便携免去了网络布线等工作，一般只需安装一个或多个AP设备，就可以解决一个区域的上网问题。

避免了繁琐的长工期的布线安装工程。有线宽带网络（ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑上安装一块无线网卡即可。普通家庭一个AP已经足够，甚至用户的邻居得到授权后，无须增加端口，也能以共享的方式上网。无线电波覆盖范围广WiFi的半径可达100m左右（蓝牙技术的电波半径只有15m左右）。而最近由Vivato公司推出的一款新型交换机能够把WiFi的通信距离扩大到约6.5km。投资经济有线网络的固有缺点就是缺乏灵活性。在有线接入网规划中，考虑到未来的发展，大量的超前投资往往会出现线路利用率低的情况。而WiFi的规划就可以随着用户的增加而逐步扩展，用户数量增加，只需再增加几个AP设备，而不需要重新布线，具有较强的经济型。传输速度快根据无线网卡使用的标准不同，WiFi的速度也有所不同。其中IEEE 802.11b最高为11Mbit/s（部分厂商再设备配套的情况下可以达到22Mbit/s），IEEE 802.11a为54Mbit/s，IEEE 802.11g也是54Mbit/s。业务可集成由于WiFi技术在二层上与以太网完全一致，所以可以利用已有的宽带有线接入资源，迅速部署WLAN网络，形成无缝覆盖。

目前WiFi技术已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开，甚至开始进入家庭以及加工制造等领域，具有广阔的市场前景。2.3Android系统2.3.1Android系统架构Android基本上就是一种嵌入式Linux系统再加上一些重要的手机应用开发软件，其整体自底向上由4个主要层次构成，包括Linux Kerne