创新训练项目Word格式.docx

1、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。

2、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，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-

3、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

4、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，并实现对特定事件发送彩信报警的远程无线监控系统。基本思路：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

5、入研究zigbee无线组网协议规范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：传感器接入图这一部分所涉及到的交互，主要是指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。 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

6、），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。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.以路由算法为重点深入研究zigbee协议规范的实现方法是：Z

7、igbee的路由算法允许RN+节点使用AODVjr去发现一条最优路径RN+节点收到分组后，发起A+ODVjr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图如下图所示：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：组网算法图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

8、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

9、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：传感器节点信息控制程序流程图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，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

10、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：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：数据接收流程图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

11、.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。信息管理系统模块设计图 该模块主要是利用GPRS与A

12、RM板，搭建一个无线信号接收与警报系统，硬件设计如图所示：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） 信息管理系统的设计与实现 信息管

13、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引进智能化系统和设备。智能化系统涵盖

14、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创新传感器或控制单元，是构成物联网的最基础最核

15、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

16、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 。本项目的功能模块主要分为上位机和下位机两大模块,在上位机模块中，我们已经构建

17、了一个相对较完善的管理系统，接下来的工作主要是针对下位机所需要的功能继续完善管理界面。而在下位机模块中，已开发的功能比较少，而且都是基础。所以本项目将会把重心放到下位机的开发当中，外接传感器获取外界信息，并实现将数据高效地传送到PC机中。一、 下位机功能实现：1. 实现了基于zigbee的无线网络搭建。如图1所示，在建立网络过程中，协调器与路由器上的红灯会处于闪烁状态，当协调器建立网络成功后或者路由器成功加入到了网络当中时，红灯会停止闪烁，变成常亮。图1 协调器建立网络路由器加入网络2. 实现了基于zigbee无线网络的各节点之间信息的传输。如图2所示，路由器向协调器发送一个字符串数据“Hel

18、lo WangRui”，协调器成功接收并显示在显示器上。图2 无线网络节点间信息的传输3.实现将温度传感器采集的数据传输到PC机上。如图3所示，路由器上面的温度传感器采集的数据经过协调器传输到电脑上，其发送的数据为6位16进制数据，发送间隔为每5秒钟。图3 温度信息的采集与传输二、上位机功能的实现1.基于C#编程，实现了数据系统管理界面的设计，界面图如图4所示：图4 C#系统管理管理界面2.基于C#编程，编写串口通信程序，实现获取通过串口传输过来的信息数据，如图5所示，为C#编程的串口通信图，其获取了温度传感器通过串口传输过来的温度数据。图5 C#串口通信界面2实现获取zigbee的网络拓扑图

19、，如图6所示，左边为基于zigbee无线网络的各个节点，右边即为其形成的网络拓扑图，同时在左边你也可以对各节点信息进行添加与删除。图6 C#基于zigbee的节点信息与网络拓扑图3. 实现将通过串口获取的数据存储到ACCESS数据库中，并以表格形式呈现。如图7所示。图7 C#数据库中数据的呈现主要参考文献：1,周剑扬,闫沫.ZigBee在智能家居系统中的应用研究J.工业控制计算机,2006（12）2张维勇,冯琳,魏振春.ZigBee实现家庭组网技术的研究J.合肥工业大学学报（自然科学版）.2005（07）3张福学.ZigBee技术在智能家居网络中的应用J.电子技术.2008（12）4Gisla

20、sonDrew,GillmanTim.ZigBeewirelesssensornetworksZigBeeisanemergingprotocoldesignedforlow-cost,high-reliabilitynetworks.SoftwareToolstheProfessionalProgrammer.20045张勇,卢志强,王小荣.Z-Wave无线通信技术在智能家居中的应用J.智能建筑电气技术.2010（02）6司海飞，杨忠*，王珺.无线传感器网络研究现状与应用J.机电工程,2011,287LAFFEYD，BUCKLEYJ，OFLYNNBThedevelopmentofenviro

21、nmentallytestedantennasnetworksJEmNets07，2007（6）:73-778LIUK，CHENL，LIUYun-haoRobustandefficientaggregatequeryprocessinginnetworksJMobileNetworksApplications，2008（13）212-2279吕治安.ZigBee网络原理与应用开发M.北京航空航天大学出版社.200810I.F.Akyildiz,X.Wang.AsurveyonmeshnetworksJ.IEEECommunicationMagazine,2005,43（9）:23-30.11瞿

22、雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.12IEEE802.15.4网络协议栈及物理层EB/OL.（2007-04-25）2010-2-15.一、 项目方案（包括项目的训练目标、前期准备、组织实施、过程管理、实践环节、教师指导、项目结题等）训练目标：（1） 实现传感器节点嵌入到基于Zigbee的无线网络中，并实现数据的采集与交互（2） 实现通过C#编程一个信息管理系统，管理各传感器采集到的信息，并以多形式进行呈现（3）实现基于GPRS与ARM板的警报系统的设计前期准备：前期准备主要包括基础培训、文献查阅、方案设计及分工安排。1.基础培训参与项目研究

23、前，在王瑞老师的安排下进行必要的技能和相关背景知识的培训，使学生充分了解所参与的项目，并且也已经开始着手来完成这个项目，到目前为止也已经完善了部分功能。2文献查阅：设计实验方案前，有必要对相关研究的背景及进展情况进行文献调研，充分了解相关研究目前的发展状况，以保证所设计的实验计划具有一定深度和广度，以充分的发挥参与成员创造性能力。3方案设计：根据前期调研的情况，在指导教师指导下独立进行实验设计。总体方案分解为若干个子项目，方案设计采用项目负责制，团队每个成员主要负责若干个项目，其他子项目辅助参与。项目分为三个子方案：（1） 对于多传感器节点的无线组网协议的研究方案以路由算法和组网算法为重点深入

24、研究zigbee协议规范的实现方法是：而在组网算法中，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（2） 信息管理系统的设计与实现研究方案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。（3） 基于GPRS与ARM板的警报系统的设计研究

25、方案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。4分工协作：鉴于团队成员主要在课余时间或利用长假参与研究，确定有效的分工合作方式是十分必要的。在项目组织实施前，根据项目设计将具体工作分解为较小的独立任务，每位成员根据自身的特长和具体的需要具体负责若干个模块。时间和人员由项目主持人组织大家讨论协商，制定工作进度表和任务指标。组织实施：立项后的项目要制定具体的实施方案，在指导教师指导下，项目组成员共商议后，项目负责人统筹安排整个项目进度与方案实施。过程管理：第1个月：基于以前完成的工作，调试已有程序的功能。即实现无线组网的搭建，设备自带的温度传感器的信息采

26、集与传输，并在信息管理系统进行多形式呈现。第2、3个月：优化网络传输协议。鉴于前面开发的温度信息传输精确度不高的缺陷，特此优化网络传输协议，使传感器节点采集到的信息能在网络传输当中位数更长更精确。第4、5个月：获取无线网络各节点信息与拓扑结构。使信息管理系统能够实时获取各传感器节点的信息，建立完整的网络拓扑结构，并以拓扑图的形式进行呈现。第6、7个月：实现外接各种传感器到网络节点中。通过CC2530芯片的外界I/O口，实现将各种传感器接入到无线网络当中与环境信息的采集与传输。第8、9个月：实现对节点的反向控制。实现控制各节点是否加入与退出网络，以及各节点采集信息的频率等信息。第10、11个月：

27、基于GPRS与ARM板完成警报系统的设计。实现对传感器传过来的信息进行判断，当信息达到一定要求时，能够自动发送警报。第12个月：调试已有的功能，打包工程，汇报项目结果，进行答辩。实践环节：实践环节是创新训练计划的主要环节，期间项目组成员需要进行大量的实践研究。在此过程中应充分发挥每个成员的独立工作能力和能动性，培养其独立思考和敢于怀疑的批判精神。实践环节的主要内容包括：（2）基于CC2530芯片的传感器节点的接入设计（3）传感器节点数据信息的采集与交互协议的设计教师指导：本项目的指导教师是电子电工实验室老师王瑞，将全程指导我们进行实践创新训练，定期召开会议讨论传感网络节点组网，对所出现的问题给出启发性建议，在电路板设计方面我们将向顾敏和赵伟良老师咨询指导意见。具体指导内容包括以下环节：1、指导填写创新训练计划立项书：在项目实施前集中指导学生项目团队组建与分工、如何进行文献检索和阅读、如何行进方案制定与实验设计及如何进行简单的科研项目管理。2 、前期基本实验技能培训：提供和支持完成项目所需的实验室、仪器材料和资料等； 在王瑞老师指导下，学习无线网络摄像头的开发以及B教学楼电子电工网站的建设。3 、审阅实验方案 ：对提交的实验方案科学性和可行性进行分析论证，并提出指导意见。4 、项目实施过程中的指导：在项目实施过程中，关注每个阶段的 ，及时指导分析、总结，并根据实验结