创新训练项目.docx
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1、项目名称基于传感网络的室内环境安全监控系统项目所属 一级专业门类工学项目所属 二级专业 门类项目实施时间起始时间:2012年10月完成时间:2013年10月申请人或申请团队姓名年级学号所在专业联系电话E-mail负责人成员指导教师姓名年龄职务/职称教师单位工号联系方式一、项目简介(限200字)本项目的名称为基于传感网络的室内环境安全监控系统,目标在于建立一个智能家 居(Smart Home),一个能给人们带来最大程度的高效、便利、舒适与安全的生活环境。其 通过排布在室内的光照,火焰,压力等传感器节点采集到的节点信息,实现对室内环境安全 的监控管理,并对发生的特定事件能发出警报与实施自动调节,从
2、而提升家居安全性、便利 性、舒适性、艺术性,实现环保节能的居住环境。进门角动磨应智能家居效果图二、项目论证(1.本项目国内外研究现状述评及研究意义;2.本项目研究的主要内容、基 本思路、研究方法、重点难点、基本观点和创新之处;3.前期相关研究成果和主要参 考文献)1. 本项目国内外研究现状述评及研究意义:国内外研究现状述评:随着生活水平的不断提高和科学技术的高速发展,人们越来越注 重生活质量,对于突发事件的应急处理能力以及减少居住环境的能源消耗。环境安全监控和 自我调节系统,已成为一个热门的研究领域。由于传统的数据采集方式会给环境带来侵入性的破坏,同时采集的数据信息过大,所以 无线传感网络的出
3、现为随机性的研究数据提供了便利。Zigbee是一种价格低廉且低功耗、近 距离的无线组网通讯技术。其特点是低复杂度、低功耗、低数据速率、支援大量网络节点和 多种网络拓扑。Zigbee应用领域包括家庭和楼宇网络、公共场所的烟雾探测、工业中的传感 器自动化控制等方面,非常适合传感器网络组网搭建。研究意义:国内外研究人员对此进行了大量的研究,并将无线传感技术应用在不同领域, 主要集中在环境监测和保护这一领域。我们将其应用到智能家居中,希望通过对传感器信息 的处理来达到室内环境监控和自我调节的功能。国内各大电器厂商推出的智能家居系统与标准主要是基于有线技术实现监控,而其由于 不嫌麻烦,安装维护成本过高,
4、扩展性差,移动性差等缺点,必然被无线技术淘汰,因此, 基于无线传感的智能家居研究方向也是必然趋势。2. 本项目研究的主要内容:(1) 基于Zigbee的无线组网应用层协议设计基于z-stack协议栈搭建一个以CC2530系统芯片为核心的ZigBee无线网络系统,同时 建立多个无线网络节点,实现各节点与其他节点的正常通信。(2) 实现基于CC2530芯片的传感器节点的接入基于CC2530芯片的I/O 口,实现将光照、火焰和压力等传感器嵌入到ZigBee无线网络 系统的各个节点当中,并通过A/D转换器实现对传感器节点采集的信息进行模数转换,最终 将数据传输到Zigbee的无线网络当中。(3) 实现
5、传感器节点数据信息的采集与交互这部分主要是要实现两方面的功能:一方面通过对Zigbee传输协议的设计实现数据在 无线网络当中的正常通信,另一方面实现协调器对于各路由器节点采集的信息进行判断,并 反向操控各传感器的采集频率。(4) 信息管理系统的设计与实现基于C#编程,设计一个可以对数据进行多形式呈现的信息管理系统。该信息管理系统一 方面可以根据各节点所发送的拓扑信息建立树形拓扑结构,另一方面又可以根据各传感器节 点采集到的环境数据进行动态显示。(5) 基于GPRS与ARM板的警报系统的设计设计并制作了这个基于ARM开发平台,利用GPRS网络获取通过CC2530芯片传输过来的 传感器信息,并实现
6、对特定事件发送彩信报警的远程无线监控系统。基本思路:(1)基于Zigbee的无线组网应用层协议设计基于Zigbee的无线组网应用层协议设计主要是通过完成以下来个内容来实现,即:1. 以路由算法为重点深入研究zigbee无线组网协议规范2. 以组网算法为重点深入研究zigbee无线组网协议规范(2)实现基于CC2530芯片的传感器节点的接入传感器节点的建立一般分为处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源管理模块四 部分组成,在此我们可以利用CC2530芯片作为中介将传感器与网络进行连接。传感器接入 图如下所示:传感器接入图(3)实现传感器节点数据信息的采集与交互这一部分所涉及到的交互,主要是指
7、协调器对从路由器传过来的信息进行判断,并做出 一定的反应,回馈信息给路由器。但归根到底也是实现信息在无线网络中的传输。所以在这 一部分当中,我们需要解决的主要问题是在如何无线网络当中实现数据的采集,发送与接收 三个问题。(4)信息管理系统的设计与实现要完成这个信息管理系统的设计,一方面必须建立一个使用数据库(在本项目中基于传 感器节点获取的数据量,我们选取Mysql数据库进行数据管理),另一方面必须建立一个便 捷的系统管理系统,在这里由于C#集成大量类库,开发效率高.Net内封装了大量网络应用,数据库方面 的类库,直接调用非常方便,支持串口,TCP编程等特点,我选择C#进行界面开发。(5)基于
8、GPRS与ARM板的警报系统的设计GPRS模块TR800与微控制器STM32F103之间通过USART2这个串口进行数据通信,通过该 串口,可以用标准的AT指令控制TR8000,以完成数据的无线发送。GPRS模块TR800内嵌彩 信协议栈,支持彩信的收发,通过串口用AT指令控制模块工作,所以我们的目标是基于GPRS 与ARM板搭建一个无线信息接收与彩信警报的系统。研究方法:(1)基于Zigbee的无线组网应用层协议设计1. 以路由算法为重点深入研究zigbee协议规范的实现方法是:Zigbee的路由算法允许RN+节点使用AODVjr去发现一条最优路径一RN+节点收到分组后, 发起A+ODVjr
9、中的路由发现过程,找到一条通往目标节点的最优路径。基本路由算法的流程略由岫U-teIA TTjAJ 人林RC*式图如下图所示:来目上陡的慎ru亲自下屎前模沿朝迁舞路由开瞄由欧STT瞄由组网算法图徂瑕入afUlE*SL*洒扫瞄,ia 辑A It Afin入期68!r*W -归点直薛刮目的设备路由基本路由算法路程图2.在本项目中设计的组网算法将主要针对点对点拓扑的簇树网络展开。在组网算法中, 规定每一个节点建立的时候都会首先搜索是否已经有网络建立,如果存在则其将作为子节点 加入到网络当中,否则其将作为父节点发起网络,组网算法图如下图所示:箕通人r_(2) 实现基于CC2530芯片的传感器节点的接入
10、传感器节点是一个完整的嵌入式系统,要求其各个模块的性能必须是相互协调和高效地, 各个模块的选择可以根据具体实际的应用系统来进行权衡和取舍。1. 处理器模块:处理器模块是无线传感网络节点的计算核心,所有的设备控制、任务调 度、能量计算和功能协调、通信协议、数据融合和数据转储程序都将在此模块完成。2. 无线通信模块:在这里我们采用的无线通信协议即为zigbee协议,通过基于对z-stack 协议的开发,我们实现传感器与网络的连接。3. 传感器模块:传感器模块主要由各种类型的传感器和AD/DC转换等子模块构成。对于 我们所需要采集的不同信息,我们可以通过不同的传感器进行数据采集,然后传送给出了模 块
11、进行必要的处理。4. 电源管理模块:电源管理模块不但为传感器节点提供正常工作所必须的能源,同时提 供必要的电源管理机制来延长无线传感网络的寿命。基于zigbee协议,我们需要设计一个合理的传感器节点信息控制程序来满足上述四大模 块的要求,具体设计方案如下图所示:开始苕D转换是号至更A启劫A/D传感器节点信息控制程序流程图(3) 实现传感器节点数据信息的采集与交互1. 传感器节点数据的采集由于传统的无线数据采集及传输方式,存在着协议复杂、系统代价昂贵即功耗低的缺点, 为此我们需要通过基于zigbee协议的信息采集程序进行设计,使得传感器在默认的情况下 是关闭的,只有当接收到协调器传过来的指令时,
12、才开始采集数据,以达到减少功耗的特点。 具体的程序设计流程如下图所示:数据采集流程设计图2. 传感器节点数据的发送在数据发送程序的设计当中,我们设计只有当对方发送数据请求时,才能够对其发送数 据,而且对于发送的数据要不断地进行判断,当数据发送完之后立刻清除该缓存数据,以减 少数据量。基于zigbee协议的具体的发送程序设计流程如下图所示:(开始 /(初始化1/0口1发送数据F碱据_f厂-N数据送入缓冲断标志二二1中断标志清零:(结束役送、)数据发送流程图3. 传感器节点信号的接收同理,对于设备接收数据,设备首先必须对是否有数据输入进行判断,只有当有数据输 入的时候,其才开始对数据进行接收;而一
13、旦数据接收完后,又将该数据发出,这样就实现 数据的多节点传输。基于zigbee协议的具体的接收程序设计流程如下图所示:(4)信息管理系统的设计与实现1. mysql数据库的设计基于信息管理系统是基于C#编程,这里我们主要的工作时建立一个方便快捷的数据库, 能够实时地将数据保存到mysql数据库当中,同时又能读取到里面的数据。据调研,现在实 现mysql数据库与C#的连接方法也比较多,比较方便.在此我们列出我们将采用的连接方法: 用MySQLDriverCS连接MySQL数据库。即(1)先下载和安装MySQLDriverCS,地址:(2)在安装文件夹下面找到MySQLDriver.dll,然后将
14、MySQLDriver.dll添加引用到项 目中2, 基于C#的信息管理系统界面开发在此,我们的基本目标是建立一个信息管理系统,能够是想对传感器节点的数据进行多 形式呈现。在这个信息管理系统当中,我们将分为量大模块,第一大模块为获取网络传感器 节点信息、拓扑信息、告警信息等。第二大模块为人性化管理界面,即用户管理、统计任务、 邮件信息和帮助中心的设计。传感器网感器网络监控平台拓扑管理节点信息性能管理告警信息用户管理统计任务邮件系统帮助中心信息管理系统模块设计图(5)基于GPRS与ARM板的警报系统的设计该模块主要是利用GPRS与ARM板,搭建一个无线信号接收与警报系统,硬件设计如图所 示:茂词
15、至明1就电器|池释起红外传感器及信与放大目踞主控削器STH32F103n.ASH 存储署电路GPRS与ARM板硬件开发图然后利用单片机编程,一方面是实现无线信号的接收,另一方面实现将警报系统通过无线方 式发送到主人手机。重点难点:(1)基于Zigbee的无线组网应用层协议设计该部分的难点在于:Z-stack协议复杂多样,如何才能够基于Z-stack协议的应用层快速 调用其底层的函数建立自己的工程,并实现无线组网的搭建与数据信息的传输。(2)实现传感器节点数据信息的采集与交互在这一部分当中,最大的困难在于如何实现信息的交互,即反向控制的设计,如何设计 对各传感器节点的采集频率进行反向操控。(3)
16、信息管理系统的设计与实现信息管理系统的难点在于如何将采集到的数据存储到数据库当中,并且将数据进行多形 式呈现。(4)基于GPRS与ARM板的警报系统的设计该部分的难点在于ARM板的开发,ARM板是一个功能强大的开发板,同时对开发者的能力也有相当大的要求,要能够更好的开发ARM板,就必须发大量的精力与时间在上面。基本观点:(1)无传感器网络作为新一代的传感器网络,具有低功耗、低成本、分布式和自组织的 特点,当前所有领域内的新热点,它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络,具有非常广泛的应用前景。(2)随着智能家居的迅猛发展,越来越多的家居开始
17、引进智能化系统和设备。智能化系 统涵盖的内容也从单纯的方式向多种方式相结合的方向发展。目前市场主流的产品(系统) 还无法很好地解决产品本身与市场需求的矛盾,使得智能家居市场的僵冰还没有被完全打 破,所以很大程度上阻碍了智能家居产业的发展。在此情形之下,据市场调研显示,只有 智能家居交互平台才是最好的手段之一。(3)本项目将建立一个基于传感网络的室内环境安全监控和自我调节系统,其功能是 根据传感器节点采集到的信息实现对室内环境安全的监控和调节使得室内环境维持在一个 安全和舒适的状态。从而通过对环境信息的监控,实现对环境的智能化管理,以减轻人们操 作困难的难题。创新之处:(1)传感器无线组网技术的
18、创新传感器或控制单元,是构成物联网的最基础最核心最广泛的单元细胞,相比于传统无线 网络架构,ZigBee能够在数千个微小的传感传动单元之间相互协调实现通信,并且这些单 元只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点, 通信效率非常高。这种网络架构的低功耗,传输距离长以及多跳的特点非常适用于传感器网 络的组网,并且其为开源协议,这为设计者设计协议提供了很大的便捷,从而大大提高了设 计者效率。(2)智能家居的优势与创新每一个家庭中都存在的各种电器,不管是号称智能的冰箱、空调还是传统的电灯、电视 一直以来由于标准不一都是独立工作的,从系统的角度来看,他们都是零碎的、混
19、乱的、无 序的,智能家居带来的最显著的变化就是实用、方便、易整合,是这些电器成为一个有机的、 可组织的整体。本项目将采用反馈系统原理,通过检测温度、压力等信息,并将其与数据标 准进行对比,计算信号偏差,控制系统整体行为,从而实现智能化,如智能灯光控制,智能 电器控制,安防监控系统等。另外,控制系统的安全性和可靠性是该项目的一个重要环节。除了传统的报警方式,本 项目中的响应还能以短信的方式告知当事人紧急情况,方便人们及时采取相应措施解决问 题。3、前期相关研究成果:由于该项目主要是在我们之前所做基础上展开研究的,所以部分功能已经实现了,基于 之前的成果能够帮助我们更快更好地实现下一步目标。本项目
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