曾忠 信息81 (基于Zigbee无线网络技术的)

1、SRT计划项目申请书项目名称:基于Zigbee无线网络技术的 粮仓环境监测系统 申请者: 曾 忠 院 系: 南京农业大学工学院 专 业: 电子信息科学与技术 指导教师: 徐 进 职称: 副教授 2010年 5月 1 日南京农业大学教务处制一、简表申请者姓名曾 忠学号3238130班级信息81年级大二电话E-mail项目名称基于Zigbee无线网络技术的粮仓环境监测系统项目来源A、 自立项目 B、教师科研课题的子项目 C、其它项目类型A、实验研究 B、调查研究 C、软件制作经费来源A、学校资助 B、导师课题资助 C、企业资助经费额度1900元指导教师姓名徐进指导教师职称副教授合作者姓名、学院、班

2、级傅少雷 工学院 信息81 笪文霆 工学院 信息81 梅朋飞 工学院 信息81 刘德胜 工学院 信息81 申请时间2010年5月1日完成时间2011年6月1日项目研究内容摘要针对我国粮仓环境信息管理水平较低、尚无科学的方法实施自动化地监测粮仓环境信息状况的现状,应用无线通信协议Zigbee技术和传感技术设计一套粮仓态环境监测系统，由传感器采集温湿度二氧化碳及氧气的含量等数据，经Zigbee终端进行数据的无线传输，汇总到Zigbee协调器，最后实现与PC机的通信，将数据传入PC机，由PC机对数据进行分析及相应反馈。以实现粮仓温度、湿度、二氧化碳等生态因素的实时检测。Zigbee技术具有高通信效率

3、、低复杂度、低功耗、低成本、高安全性及全数字化等,该技术主要针对低速率无线传感器和控制网络而设计，它能够满足小型化、低成本设备，使粮仓环境信息监测系统更加完善。二、立论依据研究意义： 针对我国粮仓环境信息管理水平较低、尚无科学的方法实施自动化地监测粮仓环境信息状况的现状,提出了一套无线实时监测粮仓环境信息的方案。为有效监测粮仓环境信息,提高管理过程的水平,促进水粮仓高效率的管理及及时发出警报,因此提出一套科学的方法实时监测粮仓环境信息十分必要的。我们可以采用Zigbee技术，它具有高通信效率、低复杂度、低功耗、低成本、高安全性及全数字化等优点,该技术主要针对低速率无线传感器和控制网络而设计，它

4、能够满足小型化、低成本设备（如温度调节装置、湿度控制器、环境检测传感器等）的无线联网要求，能广泛地应用于工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和服务质量要求不高的无线通信应用场合。因此提出了基于Zigbee技术的粮仓环境信息监测方案,以实现对粮仓的温度、湿度、二氧化碳以及氧气含量等因素的实时检测,为最佳监测粮仓环境信息、管理的科学化提供技术支持。现状分析： 我国是世界粮食生产大国,需要储存粮食的粮仓非常之多,但是在目前的粮仓管理中,尚无一套科学的方法实时监测粮仓环境信息状况、报警技术和预防技术等。无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内部或附近大量廉价、具有通信、感测及计算能力

5、的微型传感器节点,通过自组织构成的“智能”测控网络。美国加州大学伯克利分校采用Mica mote节点监控一个粮仓,在粮仓墙壁上部署无线传感器系统,来监测它的环境信息的变化。Intel公司利用Crossbow公司的Mote系列节点在美国俄勒冈州的一个葡萄园中部署无线传感器网络,监测其环境微小变化,这些研究都为实时监测粮仓环境信息提供了有效的参考方案。网络节点成本、能耗、体积、定位性能、移动性和网络安全等因素又制约着WSN 发展,使通信协议成为目前研究的热点之一。以往的温度、湿度传感器大多是有线方式传送数据,线路冗余复杂,不适合大范围多数量放置,布线成本高,线路的老化问题也影响了其可靠性。另一方面

6、,传感器网络所要求的无线技术不同于现在已有的一些无线网络技术,这种网络并不需要太高的传输速率,而是在成本和功耗方面有比较苛刻的要求。为了满足类似于温度、湿度传感器这样小型、低成本设备无线联网的要求, ZigBee技术正是为适应这种需求而产生的。Zigbee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要适用于无线传感器网络、自动控制和远程控制领域。Zigbee 技术具备了强大的设备联网功能, 它支持星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)三种主要的自组织无线网络类型, 特别是网状结构, 它具有很强的网络健壮性和系统可靠性。Zigbee 采用

7、了CSMA- CA 的碰撞避免机制, 同时为需要固定带宽的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。MAC 层采用了完全确认的数据传输机制, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信急。Zigbee 采用的是直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)技术, 可使用的频段有三个分别是2. 4GHz 的ISM频段、欧洲的868MHz 频段及美国的915MHz 频段。不同频段可使用的信道数分别是16,10,1 个。Zigbee 的传输速率介于20- 250Kbps 之间, 具有低速率、低功耗、高链接数、传输距离远等优点。因此将Zigbee 技术应用在

8、传感器网络(Sensor Network)上, 具有相当大的优势。我们要把Zigbee技术和无线传感技术结合在一起设计出基于Zigbee无线网络技术的粮仓环境信息监测系统，从而来达到实时监测粮仓环境信息状况、报警技术和预防等，提高生产和管理过程水平,促进粮仓环境优化及报警和预防，改善我国大量的粮仓“有粮存无粮出”的境地。参考文献： 1 Anon. Microchip Stack for the ZigbeeTM Protocol V1. 0 - 3.6 Z. S. l. :Microchip, 2006.2 蒋挺,赵成林. 紫蜂技术及其应用M . 北京:北京邮电大学出版社, 2006: 167

9、 - 237.3 Anon. Datasheet CC2420 Z. S. l. : Chipcon, 2004.4 刘永强,郑宾. 用于环境监测的无线传感器网络节点设计 J . 大众科技, 2007, 99 (5) : 46 - 47.5 Anon. Datasheet DS18B20 Z. Dallas: S. n. .6 纪晴,段培永. 基于Zigbee的无线传感器网络协议研究与实现 J . 传感器世界, 2007 (10) : 30 - 35.7 李小珉,赵志宏,郭志,等. Zigbee无线传感器网络的研究与实验 J . 电子测量技术, 2007, 30 (6) : 133 - 137

10、.8 梁玉芬,高德云,牛延超,等. 无线传感器网络应用系统综述 J . 应用电子技术, 2007 (9) : 3 - 9.9 卢朝晖，刘家宁 VBNet 2003中串行端口通信的实现. 海南师范大学学报.第2O卷第3期2007年9月。 三、研究方案1. 项目研究的目标、内容和拟解决的关键问题 （1）研究目标： 基于Zigbee的仓库环境信息监测系统,采用无线通信协议Zigbee技术和传感技术，研制一套粮仓环境信息监测系统。由传感器采集温湿度等数据，经Zigbee终端进行数据的无线传输，汇总到Zigbee协调器，最后实现与PC机的通信，将数据传入PC机，由PC机对数据进行分析及相应反馈。 （2）

11、研究内容： a.温度传感器的选择和合理布置方案的设计b.信号处理电路以及单片机外围电路的设计c.接口电路的设计d.研究ZigBee的相关协议内容、无线网络的构成技术 ，建立Zigbee 无线传感器网络 （3）拟解决的关键问题： a.整个电路系统的合理设计 b.无线传感器网络节点的设计 c.Zigbee网络路由算法的设计 2. 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 （1）研究方法： 主要分为四个模块：1. 传感器对粮仓温度、湿度、二氧化碳等信息的采集；2. A/D转换器对所采集信息的转换；3. 采用无线通信协议Zigbee技术实现数据的无线传输；4. PC对所接收信息的分析及显示；（

12、2）技术路线、实验方案：基于Zigbee的粮仓环境信息监测系统的整体流程图如下图1所示传感器1传感器2传感器3Zigbee终端1Zigbee终端2Zigbee终端3Zigbee协调器PC图1 系统整体流程图粮仓环境的影响变量很多,环境变量也相当复杂,要求网络具有一定的路由和信息融合能力,但任何网络结构都以简单的星型结构为基础,故选择星型网络拓扑进行研究。网络由若干个Zigbee终端节点(RFD)和一个Zigbee协调器( FFD)构建成一个星型WSN,由终端节点上的传感器采集环境参数(温度、湿度和二氧化碳等) ,并分别由各终端以无线方式传输到协调器,再通过串行接口反馈回PC机。WSN节点包括Z

13、igbee 终端和协调器,采用MCU加射频芯片的模式,以满足复杂粮仓环境监测适用性和稳定性要求。每个节点由数据采集传感器、处理模块、无线通信模块以及电源模块等4部分组成。NO-PRIMITIVE原语初始化是否网络形成是否组成网络是否允许加入网络发送KVP查询查询结果否否否是是是图2 协调器节点软件流程图协调器设备高层通过向协议网络层发送NLME -NETWORK-FORMATION.request原语, 来启动一个新网络的建立。当网络建立开始后,网络层将首先请求MAC层对协议所规定的信道或由物理层默认的信道,进行能量检测扫描。成功收到能量检测扫描结果后,将以能量递增的方式对信道排序,并且抛弃能

14、量值超出可允许能量水平的信道,选择允许能量信道。若网络成功形成,通过NLME - NETWORK FORMA-TION. confirm原语向高层报告;若网络未形成,则Zigbee协调器使用MAC层将一个设备同它所在的网络进行连接。MAC层使MLME-ASSOCIATE.indication原语初始化,若网络允许设备加入,MLME-ASSOCIATE.response原语表示其状态。最后,MAC层发送成功连接响应网络层,网络层接受响应并报告上层网络已经形成。随后,协调器发送键值查询信息,判断终端节点是否有要发送的信息。3. 模块化设计与实现 软件开发流程：功能确定模块划分算法设计界面设计代码实

15、现上位机软件功能主要有：接收并显示由ZIGBEE网络传输的粮仓信息数据；定时存储粮仓信息数据；粮仓专家系统给出相应决策辅助信息；对外发布信息实现信息共享。VBNET 是微软建立下一代应用程序的软件开发平台，而VBnet作为其核心开发工具之一，具有增强的面向对象 支持、新的线程选择、支持跨语言继承、简单的应用程序部署过程、代码托管等优点。因此。我们选择VBnet 2005作为开发工具.，利用WIN32 API 函数并结合非阻塞通信(异步方式)、多线程技术等手段来实现Crs232类。软件的串口通信是数据传输与接收的关键，本程序按照一般路径成功解决了这个难题。（1)打开并初始化串口 在Win32 A

16、PI中，串口的操作与文件是一样的，都是通过CreateFile函数来打开串口。然后通过ReadFile和WriteFile函数来读写串口，最后用CloseFile函数来关闭串口。（2)读写串口数据 由于在打开串口时设置标志为FILEFLAG OVERLAPPED，因此端口的读写操作ReadFile和WriteFile函数也要相应地采用异步方式。（3)通信事件的创建 事件是对象内部状态发生了某些变化，或者对象做某些动作时，向外界发出的通知在VBNET Framework中，事件是基于委托模型的，具体实现主要由声明委托、声明事件、引发事件、启动一个辅助线程4个部分来完成。4. 本项目的创新之处（1

17、）本系统安全系数很高。价格便宜，易于推广。（2）本系统设计有一定的智能性，可操作性强，准确性高。（3）Zigbee端口接受与传发数据的功能有更精确的实现。（4）这个环境的监测系统有了进一步的完善，后期可拓展成自动控制系统。（5）均具有较强的自主学习能力并已学习了传感器及无线网络的有关知识。且各成员具有不同的专长，在该项目的工作中可以充分发挥各成员能力。 （6）对粮仓环境监测的低成本、高精度、高自能无疑是一次革新。5. 项目研究计划及预期进展 2010年06月2010年09月：查阅资料，学习相关理论知识，作好与本研究有关的知识储备，确定系统的总体设计规划和大致框架。 2010年10月2010年0

18、1月：研究具体方案，并购买相关元件，用软件仿真模拟。 2011年02月2011年03月：组装元件，装配硬件系统。 2011年04月2011年06月：完成样品并调试完毕6.预期研究成果 （1）熟悉掌握无线通信协议Zigbee技术。 （2）完成实物模型一个。 （3）发表相关核心期刊一至二篇。4.项目研究计划及预期进展 2010年06月2010年09月：查阅资料，学习相关理论知识，作好与本研究有关的知识储备，确定系统的总体设计规划和大致框架。 2010年10月2011年01月：研究具体方案，并购买相关元件，用软件仿真模拟。 2011年02月2011年03月：组装元件，装配硬件系统。 2011年04月

19、2011年05月：完成样品并调试完毕。四、研究基础1. 与本项目有关的研究工作积累和已有的研究工作成绩 1）本小组全体成员均学习认真，做事积极，责任心强，对科技动手及编程兴趣较大，具有较强的实践动手能力，具有很强的团队凝聚力。2）我们不但有了系统的大体构想，还对系统的方案实施已有明确的部署。3）已有了完整的理论依据，和实现途径。4）我们的人员对信息的采集处理和自动控制这一方面较其他同学有更深的认识。5）我们均有参加过其它小项目的研究经历，比如循迹小车大赛。6）我们有相关的技术文献支持。2. 已具备的条件、尚缺少的条件和拟解决的途径（包括利用教学实验室、科研实验室和实习基地等的计划与落实情况）已

20、具备的条件： 电脑5台，同时还具该项目的部分硬件设备，我们拥有很好实验仪器，有责任心强且能力强的老师的指导，并且已具备该项目所需理论知识。 已有一定的模拟电子、数字电子技术和单片机方面的基础知识，能够使用C语言熟练的编程，具有电路模电数电实验的经验。缺少的条件： 查找资料不便，没有可用的实验室，实验经验欠缺。拟解决的途径： 自我学习和项目资金支持来进行不断的实验和调试。五、经费预算支 出 科 目金 额（元）计 算 根 据 及 理 由Zigbee开发板700目前市场供应中等价格元器件500目前市场供应中等价格打印与复印150目前市场供应中等价格温湿度传感器200市场价格差旅费100目前市场供应中

21、等价格制PCB板150目前市场供应中等价格其他100其它器件总计1900注:开支范围详见校教字（2003）134号南京农业大学SRT计划项目管理办法文件的第十三条。六、审查意见指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日系部意见 负责人签名、公章： 年 月 日学院意见 负责人签名、公章： 年 月 日学校意见 负责人签名、公章： 年 月 日备注七、申请者承诺我保证上述填报内容的真实性。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，保证项目研究工作的时间，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。申请者（签名）： 年 月 日推 荐 书我国是世界粮食生产大国，需要储存粮食的粮仓很多。储存的粮食如果管理不当，容易引起发热、霉烂、虫蚀等现象，有时会造成巨大的经济损失和粮食浪费。因此开发一种高效、便捷的粮仓环境监测系统是十分必要的。该小组同学已经系统地学习了模拟电路、数字电路、电路分析、信号与系统、微机