基于NiosⅡ處理器和ZigBee技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)

1、項(xiàng)目基本信息項(xiàng)目名稱： 基于Nios處理器和ZigBee技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng) 項(xiàng)目作者：888項(xiàng)目大類：科技發(fā)明制作B類 項(xiàng)目小類： 信息技術(shù) 項(xiàng)目簡介當(dāng)今世界，半導(dǎo)體工藝是電子信息領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求嚴(yán)格，設(shè)備昂貴，室內(nèi)工作具有一定危險(xiǎn)性。本系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、火災(zāi)信息、擴(kuò)散爐的溫度、易燃易爆及有毒氣體的濃度及非法進(jìn)入等影響實(shí)驗(yàn)室安全的因素，并及時做出反饋和報(bào)警，使工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)采用低成本、低功耗、安全可靠的ZigBee技術(shù)組成了無線mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過“多跳”網(wǎng)絡(luò)靈活實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的傳遞。目前市場上現(xiàn)有視頻采集卡價(jià)

2、格昂貴，我們手動編寫了硬件代碼并開發(fā)了硬件電路，實(shí)現(xiàn)了對模擬視頻信號的解交織處理，這不僅達(dá)到監(jiān)視實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員進(jìn)出及設(shè)備工作狀況的目的，而且大大降低了開發(fā)成本。此外，系統(tǒng)通過PID算法實(shí)現(xiàn)了對擴(kuò)散爐溫度智能、精確的控制。詳細(xì)介紹本系統(tǒng)采用雙核系統(tǒng)，CPU0運(yùn)行GUI,CPU1運(yùn)行操作系統(tǒng)，雙核通訊機(jī)制采用郵箱傳遞控制信號。系統(tǒng)中使用了多種接口，如VGA,UART串口,音頻輸出，GPIO等。系統(tǒng)通過ZigBee協(xié)調(diào)器接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，同時通過視頻解碼模塊接收攝像頭傳來的數(shù)據(jù)，并通過LCD將其顯示。也可以通過觸摸屏對各種信息進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置。當(dāng)檢測到非正常情況時系統(tǒng)可以通過GSM發(fā)送報(bào)警

3、信息和接收控制信息，還可以通過音頻輸出進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)需要存儲的電話號碼和采集來的信息參數(shù)等數(shù)據(jù)可以通過SD卡存儲。此外，系統(tǒng)根據(jù)接收到的擴(kuò)散爐溫度信息可對其進(jìn)行自動控制。作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)本系統(tǒng)的目標(biāo)是對半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行智能監(jiān)控。根據(jù)半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)室的具體情況，應(yīng)用基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，組建了mesh結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；該網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時地將傳感器采集到的實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、易燃易爆氣體的濃度、擴(kuò)散爐的溫度、火災(zāi)信息及非法進(jìn)入等信息傳輸?shù)紻E1開發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)處理接收到的信息，并根據(jù)情況進(jìn)行聲音報(bào)警，同時可對相關(guān)設(shè)備的

4、運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。另外，當(dāng)異常發(fā)生時，系統(tǒng)可以通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警，工作人員還可以通過攝像頭實(shí)時監(jiān)測其它設(shè)備的信息。 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)在于采用mesh多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)傳輸，通過軟件PID算法實(shí)現(xiàn)了對擴(kuò)散爐溫度的自動控制，并可利用GSM無線通信對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。 技術(shù)關(guān)鍵在于對各種輸入輸出數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換控制和對擴(kuò)散爐的自動控制中如何采用PID模糊控制技術(shù),通過Pvar、Ivar、Dvar（比例、積分、微分）三方面的結(jié)合調(diào)整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1. 擴(kuò)散爐溫度控制范圍：1001200； 2. 擴(kuò)散爐控制精度：2； 3. 擴(kuò)散爐供電電壓：220V 4. 傳

5、感器響應(yīng)和反應(yīng)時間：<10s 5. 傳感器恢復(fù)時間：<20s 6. 傳感器供電電壓：5V 7. 開發(fā)板及液晶屏供電電壓：12V 8. 無線傳輸距離：60m作品的科學(xué)性、先進(jìn)性本系統(tǒng)應(yīng)用到了ALTERA公司的DE1開發(fā)板，ZigBee協(xié)議棧及相應(yīng)傳感器等，科學(xué)地將FPGA開發(fā)板與ZigBee技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境監(jiān)控，同時采用增量式PID算法實(shí)現(xiàn)了對擴(kuò)散爐的自動控制。其中ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、短距離、安全的特點(diǎn)，是現(xiàn)今世界上近距離無線傳輸方面的先進(jìn)技術(shù)。ALTERA提供的NiosII是目前世界上比較通用的軟核嵌入式處理器，它具有低成本、高性能、開發(fā)周

6、期短的優(yōu)點(diǎn)。用PID算法自動控制擴(kuò)散爐，大大提高了靈活性。 與ARM系列單片機(jī)相比，F(xiàn)PGA在海量數(shù)據(jù)處理、高速復(fù)雜邏輯處理和信號處理方面具有明顯優(yōu)勢。 ZigBee和藍(lán)牙都屬于短距離無線通信技術(shù)，與ZigBee協(xié)議棧相比，藍(lán)牙協(xié)議棧相對復(fù)雜，需要的系統(tǒng)資源要比ZigBee多。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納的節(jié)點(diǎn)也比藍(lán)牙多得多，因此ZigBee非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。作品在何時、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的評審、鑒定、評比、展示等活動中獲獎及鑒定結(jié)果該作品的前期版本曾在2008年9月舉行的陜西省電子設(shè)計(jì)競賽中獲得過陜西省一等獎。本次

7、競賽所報(bào)作品在前期工作的基礎(chǔ)上在視頻處理、擴(kuò)散爐的溫度控制以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面作了進(jìn)一步的改進(jìn)。在視頻處理模塊中我們主要針對視頻壓縮算法做了改進(jìn)，達(dá)到了更好的壓縮率，另外我們還增加了對擴(kuò)散爐的控制功能，采用PID算法實(shí)現(xiàn)了對擴(kuò)散爐的精確控制。 本作品于2009年6月榮獲第七屆西安高新“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。使用說明及該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，提供該作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測1、使用說明 1)接通系統(tǒng)電源、ZigBee電源和擴(kuò)散爐電源 2)按下開發(fā)板上的POWER鍵啟動系統(tǒng) 3)按照用戶界面的提示通過觸摸屏進(jìn)行操作 4)安全退出系統(tǒng)，切

8、斷電源 2、技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢、適用范圍、推廣前景及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測 本監(jiān)控系統(tǒng)是針對半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，適合工藝過程監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室的信息采集及控制。技術(shù)特點(diǎn)為采用了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集信息，通過增量式PID算法實(shí)現(xiàn)了對擴(kuò)散爐的自動控制。本系統(tǒng)的的優(yōu)勢是處理速度快、低成本、低功耗、操作簡單，報(bào)警及時而且可進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。通過改變傳感器的類型，可方便地移植到公共場所,家庭和其他類型的實(shí)驗(yàn)室，對于現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境的監(jiān)控也具有實(shí)際意義。相信本系統(tǒng)通過進(jìn)一步的改進(jìn)將會推廣和應(yīng)用到社會各個領(lǐng)域。目前基于此技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究只是初步階段，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)成本太高，操作復(fù)雜而且靈活性較差，而本系統(tǒng)成本

9、低，操作簡單并且可對設(shè)備進(jìn)行比較靈活的控制，比較適合推廣到一些民用的和對價(jià)格比較敏感的領(lǐng)域，相信會有很好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前國內(nèi)外同類課題研究水平概述我們設(shè)計(jì)的“基于NiosII處理器和ZigBee技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)”是結(jié)合了有廣闊發(fā)展前景的ZigBee技術(shù)和基于NiosII的嵌入式SOPC技術(shù)。Altera公司提供的Nios II軟核處理器提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力，使SOPC技術(shù)與ZigBee技術(shù)進(jìn)行了完美的結(jié)合，既有技術(shù)上的先進(jìn)性，也使成本大大降低。通過增量式PID算法，我們實(shí)現(xiàn)了對擴(kuò)散爐的自動控制。 當(dāng)今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，正有力地推動著低速率無線

10、個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)、通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，近年來得到了飛速發(fā)展。它作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和救災(zāi)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前本技術(shù)在國內(nèi)外只是處于研究階段，并未進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。而現(xiàn)有的基于此技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)成本太高，操作復(fù)雜而且靈活性較差，很難應(yīng)用推廣到一些民用的和對價(jià)格比較敏感的領(lǐng)域。 SOPC（System On Programmable Chip,片上可編程系統(tǒng)），是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SOC解決方案，是一種新的軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。目前ASIC產(chǎn)品價(jià)格仍相當(dāng)

11、昂貴，而集成了硬核和軟核CPU、DSP、存儲器和I/O設(shè)備的可編程SOPC芯片，在應(yīng)用靈活性和價(jià)格上有相當(dāng)大的優(yōu)勢，所以有人認(rèn)為SOPC代表著半導(dǎo)體行業(yè)未來的發(fā)展方向。 目前，在控制和對數(shù)據(jù)的處理方面，主要以ARM和FPGA為代表。ARM系列單片機(jī)具有豐富的I/O資源，而且外圍電路簡單，數(shù)據(jù)處理能力快。ARM系列單片機(jī)在海量數(shù)據(jù)處理和并行計(jì)算方面能力有限，而在此方面FPGA首屈一指，并且FPGA開發(fā)板上提供了豐富的數(shù)據(jù)傳輸接口，更適合大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。 擴(kuò)散爐是集成電路生產(chǎn)線前工序的重要工藝設(shè)備，它的主要用途是在高溫條件下將摻雜材料擴(kuò)散入硅片，從而改變和控制半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)的類型、濃度和分布，它與半導(dǎo)體工藝互相依存、互相促進(jìn)、共同發(fā)展。國內(nèi)這方面研究起步較晚，加上各種因素，目前在對擴(kuò)散爐的制造工藝和控制方面與國外還有較大差距，一些設(shè)備制造單位正加快步伐，開發(fā)出能夠適合市場需求的產(chǎn)品。 總體上來說半導(dǎo)體工藝