大气环境物联网监测系统项目可行性研究报告.docx

1、大气环境物联网监测系统项目可行性研究报告大气环境物联网监测系统项目可行性研究报告一、项目实施的背景和意义.181、项目所面向的我市经济、社会和科技发展等有效需求.182、项目的先进性、重要性、必要性、可行性以及在行业发展中的地位和作用.183、预期实现的经济益.194、社会益.20二、技术发展趋势及国内外发展现状.201、项目相关技术的发展趋势、国内外研究开发、产业状况.182、我市相关行业与国内外先进水平的差距、以及知识产权、市场需求等情况.18三、项目主要研究内容.221、项目涉及的技术领域、工艺范畴，拟解决的关键技术问题.222、拟采用的技术原理、技术方法.223、主要技术创新点.244

2、、涉及的知识权.26四、项目预期标.261、项目在技术进步、工艺创新方面可实现的预期成果262、技术指标.263、培养的技术人才，以及对解决产业发展问题的预期贡献.274、形成的产业前景，社会经济效益指标.28五、项目实施方案.281、组织管理方式.282、技术实施步骤.283、科技资源综合利用.304、成果产业化策略.305、研发资金的筹集与投入.306、知识产权和技术标准的对策措施以及特殊行业的许可报批.31六、项目计划进度.311、项目准备：2009.32009.8.312、系统样机平台搭建、软件的开发：2009.92010.2.323、系统的仿真调试、改进、优化：2010.32010.

3、8324、系统的安装调试和验收：2010.92011.3.32七、现有工作基础和条件.331、在相关技术领域的已有研发基础、主要研究成果.332、项目实施具备的支撑条件.333、近三年承担的国家、省、市相关科技计划项目的完成情况.34八、研发团队.341、研发团队的规模和结构等情况.342、项目核心研发人员情况.35一、项目实施的背景和意义1、项目所面向的我市经济、社会和科技发展等有效需求大气环境物联网监测系统是深圳xx电器有限公司与美国麻省技术中心合作研发的一套基于无线传感器网络技术应用，对二氧化碳、氧气和温度等大气环境监测及预警的项目。使用该大气环境物联网监测系统对周围大气环境进行监测，具

4、有监测范围广、速度快、成本低,且便于进行长期的全天侯无地域限制动态监测等优势。特别对一些人员不能到达、环境比较恶劣或者区域比较广阔等大气环境数据不宜提取的地区，大气环境物联网监测系统将发挥着不可替代的作用。无线传感器网络技术，被美国“商业周刊”列为21世纪最有影响的改变世界的十大技术之一，被美国麻省理工学院(MIT) 技术评论列为全球未来三大高科技产业之一。如果说20世纪因特网改变了人与人的交互方式，那么，21世纪无线传感网络将改变人与自然的交互方式。传感网又叫物联网，世界上的万事万物，小到手表、钥匙，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型感应芯片，把它变得智能化，这个物体就可以“自动开口说话”。再

5、借助无线网络技术，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也能“交流”，这就是物联网。如果物联网再搭上互联网这个桥梁，在世界任何一个地方我们都可以即时获取万事万物的信息。可以这么说，物联网加上互联网等于智慧地球。物联网对于世界经济、政治、文化、军事等各个方面，都将会产生无比巨大的影响。因此，物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，也将是信息产业新一轮竞争中的制高点。在前两次信息浪潮中，中国起步晚、跑得慢，结果处处受制于人。而在物联网领域，中国和其他发达国家站到了同一个起跑线上。我们有机会抓住这个重大历史机遇，突破一些关键技术和核心技术，建立属于自己的技术体系，形成具有自主知

6、识产权的成果和可持续的竞争力。温家宝总理在2009年11月3日让科技引领中国可持续发展的讲话中，提出“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机” 。深圳是一个综合竞争力排名全国第三的城市，拥有大批涉及、移动通信、3应用等领域的企业，在发展物联网方面，属于国内基础条件最佳的地区。如果深圳能够在市政设施、小区、食品等的管理工作中扶持、应用物联网技术，或对相关物联网企业研发项目资金的支持，并形成示范效应，在全市、全国范围内推广普及，将极大促进深圳物联网的发展进步，并利于实现深圳发展模式的转变，由“速度深圳”转变为“效益深圳

7、”、“低炭深圳”，进一步提升深圳在全国的竞争优势。美国麻省技术中心坐落在麻萨诸塞州的高科技园区，长期致力于微功率无线数据采集和通信的研究，为用户提供无线网络通信解决方案，特别近年在无线传感网络产品的广泛成功应用，在无线传感网络技术方面具有先进的技术。深圳xx电器有限公司实力雄厚，在电子模组、电源能源管理、系统集成开发等上有优势，在无线传感器网络有研发基础，通过与麻省技术中心合作开发大气环境物联网监测系统，使xx在无线传感器领域得到新的发展。同时，双方的合作有利于实现双方技术、人力资源方面的整合，达到资源共享，实现欧美先进技术的本地化，培养本地无线传感物联网技术人才，并实现本土创新。2、项目的先

8、进性、重要性、必要性、可行性以及在行业发展中的地位和作用该项目利用了当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点的无线传感物联网技术领域，通过随机部署在监测区域内大量集成了无线传感器、数据处理单元和通信模块，并可通过自组织方式构成网络的微小节点，借助节点中内置的二氧化碳、氧气和温度等无线传感器, 协作地实时监测、感知和采集二氧化碳浓度、氧气含量和温度等信息,对其进行处理,并通过无线和自组多跳的无线物联网络方式，将获取到的信息送到终端用户，用户根据获得的大气环境信息来做出相应的处理。该基于无线传感物联网技术的大气环境监测系统与传统的大气环境监测比较具有如下先进性： 无线传感器网络节点无需管

9、理、不需布线施工、随需而设、即设即用，易于投放，特别是一些人员无法直接到达的特殊环境； 低功耗、低成本和小体积，而基于传统的正弦载波无线传输技术的大气环境监测系统由于存在中频、射频等电路和一些固有组件的限制难以做到； 无线传感器网络节点只需要部署一次，减少了人为因素对环境的影响，节点数量庞大，可以得到丰富的采集数据； 无线传感器网络节点具备通信能力，可以协同各节点的工作； 通过一组大冗余低成本的简单传感器协同工作，可以实现对复杂的大气环境的精确信息感知能力。这种自组网能力使其与传统传感器系统相比，具有高可靠性、高抗毁性等特点。众所周知，目前全球变暖问题是过量二氧化碳造成的“全球温室效应”问题。

10、目前温室气体增加的原因主要是人为的，为了制止这种现象，联合国发起制定了京都议定书，以控制温室气体的排放量。尽管发展中国家的人均排放量很低，然而，有评论者认为，中国、印度、与其他发展中国家将很快成为大量排放温室气体的国家。近几年我国发生的如雪灾、干旱、洪涝等自然灾害的频发，可能增强了国家的紧迫感，因这些自然灾害很可能是全球暖化的效应之一。氧气含量的降低会导致人感觉明显不舒服，从而导致工作效率下降。对氧气的监测有利于改善工作环境，以较低的成本提高效率。氧气和温度的监测将主要在建筑内的区域。事实上，欧美很多大企业和公司对室内空气质量，及其所影响的工作环境及其重视。温度不仅影响工作环境，而且对防患火灾

11、有重要作用。传统的火灾报警往往无法监测温度变化趋势，也难以提供历史数据。利用该系统的无线技术进行温度监测可以实现密集覆盖，无需管理，无需布线施工。而且可以实时总体监测，在显示屏幕上温度分布可以一目了然。鉴于以上原因，建立大气环境物联网监测系统，通过对大气环境监测的数据进行统计、观察，分析其变化及对环境影响的过程，全面、及时、准确地掌握人类活动对环境影响的水平、效应及趋势，对大气变化提供实时、可靠、科学的评估和改善依据十分紧迫和必要。同时，并以此为依据制定相应的环境政策、法律、环境管理规定和环境质量标准，环境监测还可作为执行环境保护法的技术仲裁，为环境管理发挥其监督职能。这也是推行国务院关于落实

12、科学发展观加强环境保护的决定、推行可持续发展战略的一项重要实践。该项目产品技术指标国际领先，具有较广泛的适用性、成本低、易安装实施、使用成本低及容易进行功能扩展等独特优势。本项目实施成功，将带来大气环境监测的革命性改变，使大气环境监测如社区安防技术一样普及化、社会化，为整个社会向绿色、人文发展发挥积极的推动作用。同时，在大气环境物联网监测系统平台基础上，持续引入最新的无线及传感技术，实现各种不同的应用，推广到工业和更广阔的民用领域，扩展平台和产品的影响力，推广到全国的大气监测、水质监测等，实现规模应用，抢先占领市场。3、预期实现的经济效益无线传感物联网技术作为世界信息产业的第三次浪潮，其应用前

13、景无限广阔，一旦物联网大规模普及，无数的日常生活用品需要加装小巧智能的传感器，或者直接升级换代，给市场带来的商机将大得难以估量。有人预测，如果物联网全部构成，其产业要比互联网大30倍！物联网将会成为下一个万亿元级的通信业务。在我国对环境保护越来越重视的今天，本项目作为无线传感物联网技术在大气环境监测细分市场的应用，比较传统大气监测方法具有无可比拟的优点。项目的完成，可以依靠项目建立的应用平台，扩展到无限广阔的其它无线物联网监测项目，因而市场前景非常广阔。大气环境物联网监测系统项目采用国际最前沿技术，技术含量非常高，国内鲜有竞争对手，具有较强的议价能力。目前项目单套成本估算为200万元人民币，保

14、守预计销售价每套为400万元，则每套利润为200万元。项目完成后，预计2011年至2013年实现累计销售10套，累计销售额4000万元，实现利润累计2000万元。可见，从经济分析的角度来说，该项目是一个投资收益高，市场前景广阔的项目。根据该类新兴高科技产品的一般规律，随着时间的推移，其成本会逐年不断下降，而市场价格也会逐步下降。但随着该项目产品技术发展和演进，还会派生出许多不同应用领域，以及随着国家对高科技新兴产业的扶持，市场的不断拓展，市场规模将会爆炸性扩大，项目经济前景不可估量。4、社会效益通过与麻省技术中心的合作开发，双方可以充分利用各自的人才、技术资源优势，有利于双方人力资源成本的压缩

15、，最大限度的利用资源，实现资源共享。通过技术交流，提高双方技术人员的技术水平与创新思维项目的完成，将建立一套对二氧化碳，氧气和温度等大气环境物联网监测系统及预警的平台，是无线传感网络在大气监测领域的具体应用实践，开创了大气环境物联网监测方法的里程碑，缩小了与国际无线传感器网络的研发和实际应用差距，引进了国际最新物联网相关技术，实施欧美先进技术的本地化，并实现本土创新。培养了一批基于物联网技术的开发与应用人才，抢占新一轮科技革命制高点。为把深圳建成物联网信息技术的创新高地、人才高地和产业高地做贡献。大气环境物联网监测系统项目的完成，不仅推动无线传感物联网技术在大气环境物联网监测的应用，同时可以快

16、速推广到水环境监测、土壤环境监测，以及众多困难或无法部署固定线路的场合，形成无线传感物联网技术产业化。二、技术发展趋势及国内外发展现状1、项目相关技术的发展趋势、国内外研究开发、产业状况无线传感物联网技术是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国、欧洲等非常重视无线传感物联网技术的发展，国际电子电器工程师协会正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国的波士顿大学还于最近创办了无线传感物联网技术协会，期望能促进传感器联网技术开发。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。

17、从国际范围内无线传感物联网知识产权的进展来看，截至2008年年底，根据国家知识产权专利数据库和德温特世界专利数据库资料的统计，国外关于无线传感物联网的专利数1126件。其中，基础和核心专利分别只有15项和503项，分别占全部专利的1.3%和44.7%，而外围专利达到608项，占54%。基础专利和核心专利所占比重较小，其基本状况符合无线传感物联网发展还处于初级阶段。我国对无线传感物联网发展非常重视，国家自然科学基金、“863”、“973”等都对无线传感物联网产业给予了较多的支持，国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)在重大专项、优先主题、前沿技术三个层面均列入无线传感物联网的内容，正在

18、实施的国家科技重大专项也将无线传感物联网作为主要方向之一，对若干关键技术领域与重要应用领域给予支持。国内先后有近百个单位开展了传感研究和应用，取得了一定的成果。2009年11月13日，国务院批复同意关于支持无锡建设国家传感网创新示范区(国家传感信息中心)情况的报告，中国无线传感物联网产业发展面临着巨大机遇。中国无线传感物联网产业经历十年研究积累，产业开始起步，在技术标准上，无线传感物联网标准研究正从框架性协议向实际内容进发。在企业发展上，目前国内缺少无线传感物联网的龙头企业，中小型企业居多，核心技术缺乏，但大型企业开始关注，寻找进入无线传感物联网领域的抓手。在市场培育上，用户对于技术陌生，需要

19、联盟以及行业组织的引导。可以说，无线传感物联网领域机遇与挑战并存，选择适当的进入领域、选择适当的切入点是企业和产业发展的当务之急。2、我市相关行业与国内外先进水平的差距、以及知识产权、市场需求等情况深圳物联网和国内其它地区一样，还处于刚起步阶段，面临着标准体系不完善、所涉及产业存在技术瓶颈、应用和商业模式不成熟等问题。目前物联网在深圳取得一些初步的应用，比如，深圳移动将手机钱包、公交卡、门禁卡、考勤卡甚至是房间钥匙等应用统统都集合在一部手机里，让手机简化日常繁琐的“物”，使得生活变得更轻松。深圳将率先建立航空运输业物联网平台建设物流公共信息平台工程，提高我国航空物流的信息化水平。2009 年1

20、1月底，国务院已正式批准同意，支持无锡建设国家传感网创新示范区。2012年无锡将完成传感网产业示范基地建设，年产业规模达到1000亿元；同时建成集引领中国传感网技术创新、标准制定和示范应用三大优势的中国传感网研究发展中心。这是中国首个“国家传感网创新示范区”。深圳在物联网行业具备发展物联网需要的条件。首先深圳有雄厚的经济基础来发展物联网，而且深圳既有信息化的基础，也有产业的基础。深圳的远望谷公司在RFID技术方面拥有自主知识产权，有望成为深圳乃至全国在RFID和物联网领域的领军企业。如果深圳能通过开展国际研发合作，积极引进消化国际先进无线传感器技术，将有利于逐步创造自己的核心技术。物联网用途广

21、泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。深圳企业如果抓住物联网商机，从传感技术、智能控制、信息集成平台等细分领域切入这张海量大网，将给这些企业广阔的发展空间。三、项目主要研究内容1、项目涉及的技术领域、工艺范畴，拟解决的关键技术问题大气环境物联网监测系统是通过部署于被测环境区域的大量无线传感器节点，每个节点实时感知、监测氧气、二氧化碳、温度等环境信息，通过嵌入式系统对氧气、二氧化碳、温度等环境信息进行智能处理，定期的报导测量数据。测量数据通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式发送到网关控制器，网关控制器具有信息处理和各种网络

22、连接的重要作用。一方面它接收环境监控单元等无线设备发送上来的信息，通过监控仪表板的控制程序，为顾客提供用户界面，从而显示空气质量网络监控系统当前的仪表读数，变化趋势以及灵敏度；另一方面，网关控制器还可以同局域网/互联网、手机网等连接，实现在非现场区域对大气环境监测。该系统综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等领域。该系统主要解决的关键技术问题包括：网络拓扑控制,网络协议,网络安全,时间同步,定位技术,数据融合,数据管理,无线通信技术,嵌入式操作系统, 特制的通讯协议，各种传感器的通用接口技术，监控平台，环境监测的页面实时显示，用户警报点设置，实时

23、非正常状况警报，以及警报记录等技术问题。2、项目拟采用的技术原理、技术方法2.1、项目采用的Zigbee无线网络技术介绍Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它主要工作在无须注册的2.4GISM频段, 传输范围在1075 m, 典型距离为30m。ZigBee 主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率, 降

24、低帧开销以及实行严格的功率管理机制, 例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准, ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成（如图1）,网络层以上的协议由ZigBee联盟负责制定, IEEE则制定物理层(PHY) 和链路层(MAC) 标准。2004年底由Zigbee联盟发布了1. 0版本规范，2007年初，最新的Zigbee 2006版规范颁布后，基于Zigbee的无线通信产品和应用会迅速得到普及和高速发展。 图 1 Zigbee 协议栈构成2.2、项

25、目拟采用的技术方法鉴于Zigbee无线网络在大气环境物联网监测系统的显著技术优势和应用前景，深圳xx电器有限公司和麻省技术中心多年来一直在瞄准无线传感器网络技术发展动态和相关的市场需求，双方决定结合Zigbee技术的先进性、独特性和大气环境物联网监测的巨大市场前景，在2007年4月份刚刚颁布的最新Zigbee 2006（R13）标准规范基础上，与美国麻省技术中心合作开发一套具有针对大气环境物联网监测（Atmosphere Environment internet of things Monitoring）应用框架的Zigbee应用模式协议栈（Zigbee Stack ProfileATM St

26、ack）, 构成一个通用的大气环境物联网监测平台系统，进而开发出一套完整的、高性价比的、实用化的大气环境物联网监测应用产品。项目采用的主要技术方法如下所述：（1）、Zigbee应用模式协议栈（Zigbee Stack ProfileATM Stack）ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4的远程监控、传感及控制的无线标准。目前被广泛地应用在短距、低速率，低功耗的无线网络设备中，正逐渐成熟并走向产品应用。这种基于此标准的技术工作在2.4GHz频段，有效范围在102000米之间，支持的最高数据传输速率为250kbit/s。ZigBee的主要优势在于该类产品可以联网，同时还具有可互操作、高

27、可靠及高安全等特性。在Zigbee联盟标准上，构建我们自己的Zigbee大气环境物联网监测应用模式协议栈,它的工作重点是在Zigbee公共框架内设计和创建针对性应用的专有协议框架。短程无线网络标准是组成大气环境物联网监测系统的理论基础。国际性的行业联盟ZigBee制订了标准化的无线网络技术，短程无线网络及其应用给出了清楚的定义和限制。从现在开始，ZigBee 联盟将在每年公布技术规格，目前最新公布的版本为 ZigBee 2006，你可以期待新的更新和升级版本将在每年发布，如Zigbee 2007 和2008等。Zigbee 2006向后兼容Zigbee 2007/2008指令集。我们要做的就是

28、在此基础上构建一套针对大气环境物联网监测（Atmosphere Environment internet of things Monitoring）应用框架的Zigbee应用模式协议栈（Zigbee Stack Profile-ATM Stack）。图2 ZigBee协议栈组件结构图ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。图2给出了这些组件的概况。每个ZigBe

29、e监测节点都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了监测节点的应用环境、传感器类型以及用于监测节点间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的传感器在系统的互操作性。（2）、大气环境物联网监测系统网络平台架构在网络平台中，各个网络节点，例如高山、湖泊、道路、工厂、办公室、医院中的节点, 形成了一个应用平台。这些节点可以接受无线网关或控制器的控制，也可以把自身的工作状态，甚至故障告警信息上传到无线网关，进而通过互联网或电话网告知相关人员及时关注大气环境警戒信息。根据环境大小和其应用场合的差异，Zigbee大气环境物联网监测系统可以选择星型、树型和网格状的网络结构。图3给出了系统网络平台架构图。图 3 大气环境物联网监测系统网络平台架构图（3）、传感器节点节点的主要部分是传感器的组