曾忠 信息81 (基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的)

1、SRT計劃項目申請書項目名稱:基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 申請者: 曾 忠 院 系: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 專 業(yè): 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師: 徐 進(jìn) 職稱: 副教授 2010年 5月 1 日南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制一、簡表申請者姓名曾 忠學(xué)號3238130班級信息81年級大二電話E-mail項目名稱基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項目來源A、 自立項目 B、教師科研課題的子項目 C、其它項目類型A、實驗研究 B、調(diào)查研究 C、軟件制作經(jīng)費來源A、學(xué)校資助 B、導(dǎo)師課題資助 C、企業(yè)資助經(jīng)費額度1900元指導(dǎo)教師姓名徐進(jìn)指導(dǎo)教師職稱副教授合作者姓名、學(xué)院、班

2、級傅少雷 工學(xué)院 信息81 笪文霆 工學(xué)院 信息81 梅朋飛 工學(xué)院 信息81 劉德勝 工學(xué)院 信息81 申請時間2010年5月1日完成時間2011年6月1日項目研究內(nèi)容摘要針對我國糧倉環(huán)境信息管理水平較低、尚無科學(xué)的方法實施自動化地監(jiān)測糧倉環(huán)境信息狀況的現(xiàn)狀,應(yīng)用無線通信協(xié)議Zigbee技術(shù)和傳感技術(shù)設(shè)計一套糧倉態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感器采集溫濕度二氧化碳及氧氣的含量等數(shù)據(jù)，經(jīng)Zigbee終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，匯總到Zigbee協(xié)調(diào)器，最后實現(xiàn)與PC機(jī)的通信，將數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)，由PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及相應(yīng)反饋。以實現(xiàn)糧倉溫度、濕度、二氧化碳等生態(tài)因素的實時檢測。Zigbee技術(shù)具有高通信效率

3、、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、高安全性及全數(shù)字化等,該技術(shù)主要針對低速率無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計，它能夠滿足小型化、低成本設(shè)備，使糧倉環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)更加完善。二、立論依據(jù)研究意義： 針對我國糧倉環(huán)境信息管理水平較低、尚無科學(xué)的方法實施自動化地監(jiān)測糧倉環(huán)境信息狀況的現(xiàn)狀,提出了一套無線實時監(jiān)測糧倉環(huán)境信息的方案。為有效監(jiān)測糧倉環(huán)境信息,提高管理過程的水平,促進(jìn)水糧倉高效率的管理及及時發(fā)出警報,因此提出一套科學(xué)的方法實時監(jiān)測糧倉環(huán)境信息十分必要的。我們可以采用Zigbee技術(shù)，它具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、高安全性及全數(shù)字化等優(yōu)點,該技術(shù)主要針對低速率無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計，它

4、能夠滿足小型化、低成本設(shè)備（如溫度調(diào)節(jié)裝置、濕度控制器、環(huán)境檢測傳感器等）的無線聯(lián)網(wǎng)要求，能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本、對數(shù)據(jù)速率和服務(wù)質(zhì)量要求不高的無線通信應(yīng)用場合。因此提出了基于Zigbee技術(shù)的糧倉環(huán)境信息監(jiān)測方案,以實現(xiàn)對糧倉的溫度、濕度、二氧化碳以及氧氣含量等因素的實時檢測,為最佳監(jiān)測糧倉環(huán)境信息、管理的科學(xué)化提供技術(shù)支持?，F(xiàn)狀分析： 我國是世界糧食生產(chǎn)大國,需要儲存糧食的糧倉非常之多,但是在目前的糧倉管理中,尚無一套科學(xué)的方法實時監(jiān)測糧倉環(huán)境信息狀況、報警技術(shù)和預(yù)防技術(shù)等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近大量廉價、具有通信、感測及計算能力

5、的微型傳感器節(jié)點,通過自組織構(gòu)成的“智能”測控網(wǎng)絡(luò)。美國加州大學(xué)伯克利分校采用Mica mote節(jié)點監(jiān)控一個糧倉,在糧倉墻壁上部署無線傳感器系統(tǒng),來監(jiān)測它的環(huán)境信息的變化。Intel公司利用Crossbow公司的Mote系列節(jié)點在美國俄勒岡州的一個葡萄園中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò),監(jiān)測其環(huán)境微小變化,這些研究都為實時監(jiān)測糧倉環(huán)境信息提供了有效的參考方案。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點成本、能耗、體積、定位性能、移動性和網(wǎng)絡(luò)安全等因素又制約著WSN 發(fā)展,使通信協(xié)議成為目前研究的熱點之一。以往的溫度、濕度傳感器大多是有線方式傳送數(shù)據(jù),線路冗余復(fù)雜,不適合大范圍多數(shù)量放置,布線成本高,線路的老化問題也影響了其可靠性。另一方面

6、,傳感器網(wǎng)絡(luò)所要求的無線技術(shù)不同于現(xiàn)在已有的一些無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),這種網(wǎng)絡(luò)并不需要太高的傳輸速率,而是在成本和功耗方面有比較苛刻的要求。為了滿足類似于溫度、濕度傳感器這樣小型、低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求, ZigBee技術(shù)正是為適應(yīng)這種需求而產(chǎn)生的。Zigbee協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。Zigbee 技術(shù)具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能, 它支持星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型, 特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 它具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。Zigbee 采用

7、了CSMA- CA 的碰撞避免機(jī)制, 同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙, 避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制, 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信急。Zigbee 采用的是直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù), 可使用的頻段有三個分別是2. 4GHz 的ISM頻段、歐洲的868MHz 頻段及美國的915MHz 頻段。不同頻段可使用的信道數(shù)分別是16,10,1 個。Zigbee 的傳輸速率介于20- 250Kbps 之間, 具有低速率、低功耗、高鏈接數(shù)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。因此將Zigbee 技術(shù)應(yīng)用在

8、傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor Network)上, 具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。我們要把Zigbee技術(shù)和無線傳感技術(shù)結(jié)合在一起設(shè)計出基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的糧倉環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，從而來達(dá)到實時監(jiān)測糧倉環(huán)境信息狀況、報警技術(shù)和預(yù)防等，提高生產(chǎn)和管理過程水平,促進(jìn)糧倉環(huán)境優(yōu)化及報警和預(yù)防，改善我國大量的糧倉“有糧存無糧出”的境地。參考文獻(xiàn)： 1 Anon. Microchip Stack for the ZigbeeTM Protocol V1. 0 - 3.6 Z. S. l. :Microchip, 2006.2 蔣挺,趙成林. 紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用M . 北京:北京郵電大學(xué)出版社, 2006: 167

9、 - 237.3 Anon. Datasheet CC2420 Z. S. l. : Chipcon, 2004.4 劉永強(qiáng),鄭賓. 用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計 J . 大眾科技, 2007, 99 (5) : 46 - 47.5 Anon. Datasheet DS18B20 Z. Dallas: S. n. .6 紀(jì)晴,段培永. 基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究與實現(xiàn) J . 傳感器世界, 2007 (10) : 30 - 35.7 李小珉,趙志宏,郭志,等. Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實驗 J . 電子測量技術(shù), 2007, 30 (6) : 133 - 137

10、.8 梁玉芬,高德云,牛延超,等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)綜述 J . 應(yīng)用電子技術(shù), 2007 (9) : 3 - 9.9 盧朝暉，劉家寧 VBNet 2003中串行端口通信的實現(xiàn). 海南師范大學(xué)學(xué)報.第2O卷第3期2007年9月。 三、研究方案1. 項目研究的目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題 （1）研究目標(biāo)： 基于Zigbee的倉庫環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng),采用無線通信協(xié)議Zigbee技術(shù)和傳感技術(shù)，研制一套糧倉環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)。由傳感器采集溫濕度等數(shù)據(jù)，經(jīng)Zigbee終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，匯總到Zigbee協(xié)調(diào)器，最后實現(xiàn)與PC機(jī)的通信，將數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)，由PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及相應(yīng)反饋。 （2）

11、研究內(nèi)容： a.溫度傳感器的選擇和合理布置方案的設(shè)計b.信號處理電路以及單片機(jī)外圍電路的設(shè)計c.接口電路的設(shè)計d.研究ZigBee的相關(guān)協(xié)議內(nèi)容、無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成技術(shù) ，建立Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （3）擬解決的關(guān)鍵問題： a.整個電路系統(tǒng)的合理設(shè)計 b.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計 c.Zigbee網(wǎng)絡(luò)路由算法的設(shè)計 2. 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析 （1）研究方法： 主要分為四個模塊：1. 傳感器對糧倉溫度、濕度、二氧化碳等信息的采集；2. A/D轉(zhuǎn)換器對所采集信息的轉(zhuǎn)換；3. 采用無線通信協(xié)議Zigbee技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸；4. PC對所接收信息的分析及顯示；（

12、2）技術(shù)路線、實驗方案：基于Zigbee的糧倉環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的整體流程圖如下圖1所示傳感器1傳感器2傳感器3Zigbee終端1Zigbee終端2Zigbee終端3Zigbee協(xié)調(diào)器PC圖1 系統(tǒng)整體流程圖糧倉環(huán)境的影響變量很多,環(huán)境變量也相當(dāng)復(fù)雜,要求網(wǎng)絡(luò)具有一定的路由和信息融合能力,但任何網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都以簡單的星型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),故選擇星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行研究。網(wǎng)絡(luò)由若干個Zigbee終端節(jié)點(RFD)和一個Zigbee協(xié)調(diào)器( FFD)構(gòu)建成一個星型WSN,由終端節(jié)點上的傳感器采集環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度和二氧化碳等) ,并分別由各終端以無線方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器,再通過串行接口反饋回PC機(jī)。WSN節(jié)點包括Z

13、igbee 終端和協(xié)調(diào)器,采用MCU加射頻芯片的模式,以滿足復(fù)雜糧倉環(huán)境監(jiān)測適用性和穩(wěn)定性要求。每個節(jié)點由數(shù)據(jù)采集傳感器、處理模塊、無線通信模塊以及電源模塊等4部分組成。NO-PRIMITIVE原語初始化是否網(wǎng)絡(luò)形成是否組成網(wǎng)絡(luò)是否允許加入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送KVP查詢查詢結(jié)果否否否是是是圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖協(xié)調(diào)器設(shè)備高層通過向協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送NLME -NETWORK-FORMATION.request原語, 來啟動一個新網(wǎng)絡(luò)的建立。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立開始后,網(wǎng)絡(luò)層將首先請求MAC層對協(xié)議所規(guī)定的信道或由物理層默認(rèn)的信道,進(jìn)行能量檢測掃描。成功收到能量檢測掃描結(jié)果后,將以能量遞增的方式對信道排序,并且拋棄能

14、量值超出可允許能量水平的信道,選擇允許能量信道。若網(wǎng)絡(luò)成功形成,通過NLME - NETWORK FORMA-TION. confirm原語向高層報告;若網(wǎng)絡(luò)未形成,則Zigbee協(xié)調(diào)器使用MAC層將一個設(shè)備同它所在的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。MAC層使MLME-ASSOCIATE.indication原語初始化,若網(wǎng)絡(luò)允許設(shè)備加入,MLME-ASSOCIATE.response原語表示其狀態(tài)。最后,MAC層發(fā)送成功連接響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層接受響應(yīng)并報告上層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成。隨后,協(xié)調(diào)器發(fā)送鍵值查詢信息,判斷終端節(jié)點是否有要發(fā)送的信息。3. 模塊化設(shè)計與實現(xiàn) 軟件開發(fā)流程：功能確定模塊劃分算法設(shè)計界面設(shè)計代碼實

15、現(xiàn)上位機(jī)軟件功能主要有：接收并顯示由ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募Z倉信息數(shù)據(jù)；定時存儲糧倉信息數(shù)據(jù)；糧倉專家系統(tǒng)給出相應(yīng)決策輔助信息；對外發(fā)布信息實現(xiàn)信息共享。VBNET 是微軟建立下一代應(yīng)用程序的軟件開發(fā)平臺，而VBnet作為其核心開發(fā)工具之一，具有增強(qiáng)的面向?qū)ο?支持、新的線程選擇、支持跨語言繼承、簡單的應(yīng)用程序部署過程、代碼托管等優(yōu)點。因此。我們選擇VBnet 2005作為開發(fā)工具.，利用WIN32 API 函數(shù)并結(jié)合非阻塞通信(異步方式)、多線程技術(shù)等手段來實現(xiàn)Crs232類。軟件的串口通信是數(shù)據(jù)傳輸與接收的關(guān)鍵，本程序按照一般路徑成功解決了這個難題。（1)打開并初始化串口 在Win32 A

16、PI中，串口的操作與文件是一樣的，都是通過CreateFile函數(shù)來打開串口。然后通過ReadFile和WriteFile函數(shù)來讀寫串口，最后用CloseFile函數(shù)來關(guān)閉串口。（2)讀寫串口數(shù)據(jù) 由于在打開串口時設(shè)置標(biāo)志為FILEFLAG OVERLAPPED，因此端口的讀寫操作ReadFile和WriteFile函數(shù)也要相應(yīng)地采用異步方式。（3)通信事件的創(chuàng)建 事件是對象內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生了某些變化，或者對象做某些動作時，向外界發(fā)出的通知在VBNET Framework中，事件是基于委托模型的，具體實現(xiàn)主要由聲明委托、聲明事件、引發(fā)事件、啟動一個輔助線程4個部分來完成。4. 本項目的創(chuàng)新之處（1

17、）本系統(tǒng)安全系數(shù)很高。價格便宜，易于推廣。（2）本系統(tǒng)設(shè)計有一定的智能性，可操作性強(qiáng)，準(zhǔn)確性高。（3）Zigbee端口接受與傳發(fā)數(shù)據(jù)的功能有更精確的實現(xiàn)。（4）這個環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)有了進(jìn)一步的完善，后期可拓展成自動控制系統(tǒng)。（5）均具有較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力并已學(xué)習(xí)了傳感器及無線網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)知識。且各成員具有不同的專長，在該項目的工作中可以充分發(fā)揮各成員能力。 （6）對糧倉環(huán)境監(jiān)測的低成本、高精度、高自能無疑是一次革新。5. 項目研究計劃及預(yù)期進(jìn)展 2010年06月2010年09月：查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，作好與本研究有關(guān)的知識儲備，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計規(guī)劃和大致框架。 2010年10月2010年0

18、1月：研究具體方案，并購買相關(guān)元件，用軟件仿真模擬。 2011年02月2011年03月：組裝元件，裝配硬件系統(tǒng)。 2011年04月2011年06月：完成樣品并調(diào)試完畢6.預(yù)期研究成果 （1）熟悉掌握無線通信協(xié)議Zigbee技術(shù)。 （2）完成實物模型一個。 （3）發(fā)表相關(guān)核心期刊一至二篇。4.項目研究計劃及預(yù)期進(jìn)展 2010年06月2010年09月：查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，作好與本研究有關(guān)的知識儲備，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計規(guī)劃和大致框架。 2010年10月2011年01月：研究具體方案，并購買相關(guān)元件，用軟件仿真模擬。 2011年02月2011年03月：組裝元件，裝配硬件系統(tǒng)。 2011年04月

19、2011年05月：完成樣品并調(diào)試完畢。四、研究基礎(chǔ)1. 與本項目有關(guān)的研究工作積累和已有的研究工作成績 1）本小組全體成員均學(xué)習(xí)認(rèn)真，做事積極，責(zé)任心強(qiáng)，對科技動手及編程興趣較大，具有較強(qiáng)的實踐動手能力，具有很強(qiáng)的團(tuán)隊凝聚力。2）我們不但有了系統(tǒng)的大體構(gòu)想，還對系統(tǒng)的方案實施已有明確的部署。3）已有了完整的理論依據(jù)，和實現(xiàn)途徑。4）我們的人員對信息的采集處理和自動控制這一方面較其他同學(xué)有更深的認(rèn)識。5）我們均有參加過其它小項目的研究經(jīng)歷，比如循跡小車大賽。6）我們有相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)支持。2. 已具備的條件、尚缺少的條件和擬解決的途徑（包括利用教學(xué)實驗室、科研實驗室和實習(xí)基地等的計劃與落實情況）已

20、具備的條件： 電腦5臺，同時還具該項目的部分硬件設(shè)備，我們擁有很好實驗儀器，有責(zé)任心強(qiáng)且能力強(qiáng)的老師的指導(dǎo)，并且已具備該項目所需理論知識。 已有一定的模擬電子、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)方面的基礎(chǔ)知識，能夠使用C語言熟練的編程，具有電路模電數(shù)電實驗的經(jīng)驗。缺少的條件： 查找資料不便，沒有可用的實驗室，實驗經(jīng)驗欠缺。擬解決的途徑： 自我學(xué)習(xí)和項目資金支持來進(jìn)行不斷的實驗和調(diào)試。五、經(jīng)費預(yù)算支 出 科 目金 額（元）計 算 根 據(jù) 及 理 由Zigbee開發(fā)板700目前市場供應(yīng)中等價格元器件500目前市場供應(yīng)中等價格打印與復(fù)印150目前市場供應(yīng)中等價格溫濕度傳感器200市場價格差旅費100目前市場供應(yīng)中

21、等價格制PCB板150目前市場供應(yīng)中等價格其他100其它器件總計1900注:開支范圍詳見校教字（2003）134號南京農(nóng)業(yè)大學(xué)SRT計劃項目管理辦法文件的第十三條。六、審查意見指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系部意見 負(fù)責(zé)人簽名、公章： 年 月 日學(xué)院意見 負(fù)責(zé)人簽名、公章： 年 月 日學(xué)校意見 負(fù)責(zé)人簽名、公章： 年 月 日備注七、申請者承諾我保證上述填報內(nèi)容的真實性。如果獲得資助，我與本項目組成員將嚴(yán)格遵守學(xué)校的有關(guān)規(guī)定，在不影響課程學(xué)習(xí)的同時，保證項目研究工作的時間，并按計劃認(rèn)真開展研究工作，在項目研究過程中或結(jié)束時，接受學(xué)校對本項目的中期檢查和結(jié)題驗收，并按時提交工作總結(jié)和結(jié)題報告。申請者（簽名）： 年 月 日推 薦 書我國是世界糧食生產(chǎn)大國，需要儲存糧食的糧倉很多。儲存的糧食如果管理不當(dāng)，容易引起發(fā)熱、霉?fàn)€、蟲蝕等現(xiàn)象，有時會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和糧食浪費。因此開發(fā)一種高效、便捷的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。該小組同學(xué)已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了模擬電路、數(shù)字電路、電路分析、信號與系統(tǒng)、微機(jī)