国家大学生创新性实验计划立项申请书.docx

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国家大学生创新性实验计划立项申请书

国家大学生创新性实验计划立项申请书

中央民族大学

基于物联网的无线信息发布平台与温湿度采集系统设计与实现Theinformationreleaseplatformbasedonwirelessinformationandthedesignandimplementationofthetemperatureandhumiditycollectionsystem

团队成员：

刘梦婷0938020刘振0938056刘文超0938071

学院：

信息工程学院

专业：

通信工程电子信息工程

日期：

2011年12月25日

摘要

本项目是以CC2530芯片为控制核心，利用Zigbee技术建立无线信息发布平台与温湿度采集系统。

它具有价格低廉、简单实用，安装施工量小的优点。

该项目以学校教室作为测试和应用重点，重点研究其软、硬件的实现方法。

系统由电脑终端模块、无线传感网络节点模块、显示模块以及温湿度采集模块有机地组合在一起,最终实现信息发布和信息采集传送的无线化。

关键词：

CC2530；Zigbee技术；信息发布平台；无线传送

Abstract

TheprogramusesCC2530asthecoreofcontrollingandtakestheadvantageofZigbeewirelesstechnologytoestablishaninformationreleaseplatformandatemperatureandhumiditycollectionsystem.Itisinexpensive,simple,practical,andeasytoinstall.Andtheprojectwillregardschoolclassroomsastestandapplicationplaces,focusingonitssoftwareandhardwareimplementationmethods.Thewholesystemconsistsofacomputerterminalmodule,awirelesssensornetworknodemodule,adisplaymoduleandatemperatureandhumidityacquisitionmodule.Finally,itcanrealizethewirelessofinformationcollection,transmissionandrelease.

KeyWords:

CC2530;Zigbee;theplatformreleaseinformation;

wirelesstransmission

前言

近几年来，从IT界到一些国家首脑，都高度关注传感网、物联网与智慧地球的发展动态，认为这是继20世纪80年代PC机、90年代因特网（Internet，又称互联网）、移动通信网之后，将引发IT业突破性发展的第三次IT产业化浪潮。

当今世界，信息技术正处于新一轮重大技术突破的前夜。

2009年8月和12月温家宝总理分别在无锡和北京发表重要讲话，他提出：

“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，使信息产业成为推动产业升级、迈向信息社会的‘发动机’”。

其中都重点强调要大力发展传感网技术，努力突破物联网核心技术。

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》，标志着“感知中国”已正式上升至国家层面并进入战略实施阶段，中国物联网产业发展面临着巨大机遇。

物联网被认为是继互联网、无线互联网和绿色革命之后全球重大的科技革命，是下一个万亿级的通信业务、第三次信息产业浪潮，是未来影响和改变人类生产和生活的重大历史大趋势之一。

本团队成员对物联网有着浓厚的兴趣，本着学以致用的精神，并渴望能在此领域有所建树，研究通过物联网进行信息的无线传递，将物联网应用到学校中甚至是未来城市建设中。

目录

一立项依据4

（一）国内应用现状4

（二）应用前景5

1安全可靠性5

2经济便捷5

3信息发布的及时有效性5

（三）市场分析5

（四）项目的可行性分析6

1信息发布平台的实现6

2温湿度检测的实现7

3无线传感网络的实现9

4网络一体化管理软件的实现9

（五）需解决的问题9

（六）创新点10

（七）团队优势11

1团队成员介绍11

2指导老师介绍12

二研究核心方向12

（一）无线信息发布平台与温湿度管理系统各部分简述12

1具体功能结构图12

2简述硬件及软件系统13

（二）关键问题15

1关于系统第一部分的关键问题15

2关于系统第二部分的关键问题19

三预期效果与具体成果22

四具体安排及进度23

五经费预算24

六参考文献25

图表目录

图表1无线传感器网络应用领域与相关传感器6

图表2信息发布系统结构图6

图表3温湿度测量系统结构图7

图表4湿度传感器7

图表5温度传感器7

图表6无线传感网络节点模块图9

图表7成员简介及分工11

图表8系统整体概图12

图表9具体功能结构图12

图表10软件窗口设计界面13

图表11CC2530框图16

图表12网络构架17

图表13节点原理图17

图表14网络协调器节点原理图19

图表15ZIGBEE网络拓扑结构22

图表16具体安排及进度23

图表17经费预算24

一立项依据

十一届全国人大三次会议的政府工作报告中温家宝总理指出：

要大力发展新能源、新材料、节能环保、信息网络和高端制造产业，加快物联网的研发应用。

在经济全球化的时代，国内外都在开展突飞猛进的智能楼宇建设，人类的经济生活与社会生活、生产活动与个人活动都将在一个智慧的环境下（即物联网）中进行

。

本组正是响应国家的号召、跟随最新技术领域发展的脚步，以人为本，秉承合理化节能减排的宗旨，针对以上述问题，在物联网的知识背景下，利用无线传感网络技术，提出了一种将物联网与最新的无线传感技术结合于一体的智能楼宇信息平台发布系统，该系统将用于信息发布。

比如在学校里，这个系统可以实现信息门户网站的功能，带液晶显示的信息接收节点位于各个教室里，我们通过信息发布终端发送各种校内外的信息，这样信息就能更及时更快捷的让同学接收到，这样一来在教室里同学只用很短的时间就可以及时掌握信息。

信息发布终端的作用是将科学处理的数据和消息无线传递给处于节点位置的液晶显示屏，而信息节点的作用就是及时显示和发布信息，使信息的传递更有效和快捷。

（一）国内物联网发展与应用现状

在智能家居应用方面，有些智能家居系统与家中调控设备如空调等家电相连，通过无线传感技术实现了人机之间信息的交流

。

实际上，将物联网与无线传感技术集于一体的实例在家居与楼宇系统中还并未出现。

在农林业应用方面，物联网与无线传感技术的结合在农林业的发展中应用状况甚好。

由于无线传感器网络节点体积小、价格低，可以大面积、多结点设置。

在林业方面，方便消防指挥中心有效的调度和指挥消防工作，达到减轻森离火在带来的灾害程度，将人员和物资损失降低至最小的目的。

我国科学家已经在这方面开展了非常有价值的研究工作，由浙江林学院联合香港科技大学、西安交通大学、美国伊利诺以理工大学等单位共同建设的野外无线传感器网络在天目山建成，并成功运行。

在农业方面，可以实时的检测各种与农业生产相关的信息。

如空气温湿度、风向风速、光照强度等等。

目前，无线传感器网络在大规模温室等农业设施中的应用是世界各国都在研究的应用问题，也已经取得了很好的进展。

（二）应用前景

1.安全可靠性

该系统采用无线传感技术，在减少布线的繁琐工作的同时，也提高的安全指数，减少了因线路老化等引发的火灾危险的可能性，在物业的监控管理下最大程度的防患于未然。

2.经济便捷性

本组提出的系统，利用无线传感网络结点体积小、价格低、范围广泛，可以在建筑物内多房间内进行结点设置。

如果出现个别结点的损坏，网络具有自动重新组网能力，可以保证整体系统仍能有效运行，控制中心可以根据检测损坏点的位置，及时更换结点。

较有线传感网络，无布线繁琐、线路费用及布线安全问题，自组网络更具灵活性、范围更大并延长整个系统的使用寿命。

3.信息发布的及时有效性

在车站，学校等特殊场所，由于人流密集或是人力资源匮乏，造成管理上存在一些难度限制，很多重要的地方消息往往难以有效发布，所以我们的信息发布系统可以应用在这些地方，及时把相关信息发布到节点的液晶显示器上，让人们随时随地的掌握信息变更。

在科研院所等对环境因素要求较高的地方，我们的传感系统可以把采集到的数据综合处理后绘成图表用液晶加以显示，这样就可以更直观的掌握环境数据的连续变化。

（三）市场分析

本系统是基于物联网和无线传感技术的广阔应用前景，制作出行之有效的信息发布管理中心。

物联网概念早已成为新时代、新技术的代名词，各个技术领域也相继将物联网引入其中。

无线传感技术以其便捷的无线安装、自组网络与控制范围的灵活性，在各类产品的使用中倍受青睐，目前在农林业的发展中以及智能家居的发展中得到广泛的应用。

智能家居作为近几年新兴产业，现如今已在国内外有了很大程度的发展，随着人们对生活质量的要求不断提高，智能楼宇已逐渐为人们所接受，在国外已有普及推广之势，在国内也开始得到较大范围的发展。

然而，如能将物联网与无线传感技术这两项高端技术有机结合于一体，势必将取得相得益彰的效果，将会更大程度的提高人类的生活水平

。

该技术的应用将从根本解决单纯的智能楼宇只能实时监测，不能实时监控的弊端，同时更能让人们随时随地的掌握和了解身边相关信息的变换，不用上网不用看报纸，消息接收快捷方便、一目了然。

涉及传感器

能源方式

　　应

　用

　领

　域

军事

磁、热、声、化学、

超声波、雷达

电池

环境

温度、湿度、压力、风速

电池、太阳能

农业

土壤温湿度、

电池、太阳能

反恐

声学

电池

结构安全监测

加速度

电池、可充电

交通监测

磁传感器

电池、振动

医疗（体外）

血压、脉搏、体温

电池、人工补充

医疗（体内）

图像、温度、胃肠压力

电池

　　　　　　　　　图表1无线传感器网络应用领域与相关传感器

（四）项目的可行性分析

1.信息发布显示平台的实现

信息发布平台依赖无线节点以及微处理器将信息接收并且进行处理，并通过液晶显示。

图表2信息发布系统结构图

CC2530是一个兼容IEEE802.15.4的真正的片上系统，支持专有的802.15.4市场以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准。

CC2530提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO，以及更多。

除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信。

CC2530可以用于的应用包括远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。

CC2530器件系列不同的构造模块。

可大致分为3类模块：

CPU和相关存储器模块，外设、时钟和电源管理模块，无线模块。

除此之外CC2530还集成了增强工业标准8051内核MCU核心。

在本系统中我们主要要应用到CC2530器件的功能有：

（1）符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机进行消息发布终端和消息接收节点之间的信息传输。

信息传输分为三部分：

第一部分为初始化与RF相关的信息；第二部分为发送数据和接收数据；最后为选择模块功能函数

（2）基于CC2530集成的8051内核MCU核心的编程。

（3）利用8051内核驱动液晶显示器，显示接收到的信息和数据

2.温湿度检测的实现

系统结构及硬件电路如图表2所示温湿度测量系统结构，整个系统中，除去用于测量温度和湿度的传感器之外，就只有CC2539器件，最大限度上简化了电路。

图表3温湿度测量系统结构图

　图表3所示为湿度传感器电路，可以通过外置的分压电路给内部的比较器模块提供参考电压，通过测量RC电路的充电时间来测量湿度传感器因湿度改变而对应的电容值

。

图中比较器为芯片内部模拟资源，

接CY8C24794芯片I／O口，

为芯片内部连线。

图表4所示为温度传感器电压输出电路，将电压输出直接接入PSoC的模拟输入I／O口，利用芯片内部AD用户模块，以芯片内部的5V电压值为参考电压，将模拟电压值转换为数字信号。

由于芯片内部AD模块的稳定性，此设计不需要进行信号调理就可以保证测量的稳定性和精确性。

根据不同设计测量精度的需求，也可以在芯片内部资源允许的情况下将测量电压AD转换之前经过PGA模块对电压信号进行调理，满足精度和稳定性的更高要求。

图表4湿度传感器　　　　　　　　　　　　　　　图表5温度传感器

3．无线传感器网络的实现

1）低功耗的实现

Zigbee技术以低成本、低功耗、低数据传输速率、低复杂度为显著优点的短距离无线通信协议满足了小型、低成本的固定、便携或移动设备无线联网的要求。

由于Zigbee的收发模块体积小、功耗低、很容易直接安放在设备或工作人员的器械上，而且它们使用的是直序扩频技术，具有很好的抗干扰能力，能获得更远的传输距离。

2）高可扩充性的实现

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

3）自组织网络的实现

Zigbee采用的自组织网动态路由的通信方式，在传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。

这种“梯度法”的路径选择方式，解决了因各种原因路径被中断了或者过于繁忙不能进行及时传送数据信息的问题，从而保证数据的可靠传输。

在Zigbee中我们采用的是IEEE802．15．4协议，IEEE802．15．4在媒体接人控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。

自配置不仅能自动建立起一个星形网，而且还允许创建自配置的对等网。

在关联过程中可以实现。

4）无线传感网络节点的实现

无线传感网络节点是无线传感网络的主要组成部分。

无线传感网络节点的体系结构设计主要包括硬件体系结构设计、软件体系结构设计和软硬件协同设计三个方面。

硬件一般包括电源和电源管理模块、传感器、微控制器和无线收发器四个部分

。

如图表5所示,传感器部分是节点伸入自然界的触角,它主要负责信息的采集并将其他如光信号、电信号、化学信号转变为电信号并送给微控制器;微控制器需要接受传感器的信号并进行相应的处理;射频模块负责发送数据,即通信的物理实现。

电源模块则为系统的工作提供稳定可靠的能源。

图6无线传感网络节点模块

4.网络一体化管理软件的实现

基于互联网（指Internet）网络的远程监测控制技术目前在国内外已经相当成熟和完善，应用较为广泛

。

本小组的无线信息发布与温湿度采集系统通过互联网可将所要发布的消息通知时时发布并且对节点周围温湿度物理参数进行监控,使有关人员及时了解场所内环境参数的情况,及时做出决策、管理。

采用基于WINDOUS编程环境下的软件编写，在软件中实现信息处理的智能化和人性化。

（五）需解决的问题：

1.CC2530

1）CC2530以及整套系统需要3V和5V两钟供电电源，这需要电压的转换，增加了电源的复杂度。

因此，我们需要自己制作3V和5V的稳压电源模块来解决这个问题。

2）该项目需要实现信息的远距离发送和接受，CC2530的功能在远距离传输中是否受影响，如何在远距离的条件下保证信息的传输率和准确率，这也是我们面临的问题。

3）因为CC2530模块处理事务的能力是有限的，所以在多任务的情况下可以采用ARM处理器模块协助处理。

4）用CC2530模块给液晶显示屏传递信息时，存储容量是否充足也是我们要考虑的问题。

2.传感器网络中需解决的问题

对于应用于无线传感器网络的传感器来说,存在以下现实约束:

1）电源能量有限:

节点体积微小,通常只能携带能量非常有限的电池,而且由于部分节点部署环境的随机性和特殊性,因此通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。

2）通信能力有限,由于传感器节点的能力限制,节点的传输距离一般为几十米,传感器节点的无线通信带宽也比较有限,通常只有几百kbps的速率,而且受障碍物等自然环境的影响和破坏,无线通信性能可能经常变化。

3）数据传送能力有限，目前无线传感网对于大数据量的传输技术还些限制，如何解决这个问题牵涉到计算机中如何编码，以及算法等等，这是项目成功的关键。

4）节点计算和存储能力有限,传感器节点是一种微型嵌入式设备,这限制了它的处理能力和存储器容量。

有限的能源决定了系统必须低功耗工作,首先应该优先选择那些低功耗传感器。

一般认为,工作电流小于0.5mA的传感器为低功耗传感器。

其次,应该根据应用需求来决定系统的工作方式,系统平时应处于休眠状态,需要时进行数据采集发送工作,这样可以延长系统的待机时间,并依具体应用有所区别。

节点有限的通信、计算、存储能力对传感器的数据量提出了要求,一般来说,数据量小的传感器更适于应用。

由于无线传感器网络尚未形成大规模的市场,没有面向无线传感器网络的专用传感器。

目前应用于无线传感器网路的传感器一般来自于传统的军事、航空、汽车电子等领域

而这类传感器往往和无线传感器网络的需求有一定的差距。

如何根据应用需求选择传感器是迫切有待解决的课题。

3.液晶显示模块

在传送信息量比较大的情况下，CC2530的51内核还能否驱动液晶显示屏是需要关注的一个问题。

4.图形化界面

1）采用不同通信方式（如广播、一对一通信）时，如何处理通信协议的问题。

2）如何记录温湿度的变化过程，并将该信息存储起来以备查询。

（六）创新点

1）多个分布式无线传感网络节点的构建；

2）信息发布平台实现无线化，减少施工量，即插即用；

3）点对点以及广播式通信方式；

4）通过物联网进行大数据量的传输。

（七）团队优势

1.团队成员介绍

本团队共有三名成员，包含电子信息工程和通信工程。

我们可以充分利用这两个专业的专业特点进行再次创新设计，特别是硬件的调试、计算机控制管理的设计以及无线传感器通信技术的实现。

团队成员能够熟练运用C语言、C++语言及汇编语言，并且熟练运用Multisim、Protel等设计软件，在实验设计时能够灵活编写程序、进行各模块功能实现。

在之前的学习中，参加了模电课程设计、数电课程设计等课程，并且三人都参加过2011年全国大学生电子设计竞赛以及竞赛培训，对硬件的设计焊接操作已有一定的实际经验，能够为此次创新设计提供比较扎实的硬件基础。

队员中有两人参加过URTP并成功结题，积累了一定的研究经验。

成员

专业

介绍

分工

刘梦婷（项目负责人）

通信工程

有很强的专业专业知识基础和组织能力，曾荣获09年度国家奖学金及专业一等奖学金，10年度国家奖学金及专业一等奖学金，并获得2011年全国大学生电子设计竞赛北京赛区二等奖，具有很强的实践能力。

负责软件部分的编写及调试，并统一协调项目的任务分配及进度。

刘振（项目组成员）

电子信息工程

做过10年度URTP项目负责人并成功结题，动手能力很强并且具备扎实的专业知识基础，曾荣获2011年全国大学生电子设计竞赛北京赛区三等奖。

无线传感网络构建，硬件电路的搭建以及通信测试

刘文超（项目组成员）

电子信息工程

做过10年度URTP项目组成员并成功结题，曾获10年度专业一等奖学金，2011年全国大学生电子设计竞赛北京赛区二等奖。

硬件电路的搭建，以及硬件部分的程序设计和调试

图表7成员简介及分工

团队成员学习优异，有着执著的求知精神，和较好的数学基础以及模型建设观念，并具有较强的实践能力和创新精神；并从之前的参赛及项目完成的过程中，通过长期的培训和不断努力，培养了团队成员坚持不懈和迎难而上的科研精神。

2.指导老师介绍

指导老师知识渊博、教学严谨负责。

在电子电路设计与开发方面有着多年的实践经验，多次指导学生参加“全国大学生电子竞赛”和“北京市电子竞赛”，并取得优异成果，对于物联网有深入的研究和实践经验。

二研究核心方向

本项目依托物联网和无线传感器网络技术实现的基础上，以中央民族大学教学楼各教室为研究对象，开发无线信息发布系统以及监控温湿度管理系统。

整体概图如图下表：

液晶显示

模块

信息发布平台

图表8系统整体概图

（一）无线信息发布平台与温湿度采集系统各部分简述

1.具体功能结构图

无线传感网通信模块组

智能网关

数据信息

处理

通知信息

显示（液晶）

无线网络协调器

计算机软件处理系统

数据处理

温湿度采集

数据存储

　　　　　　　　　　　　　图表9系统功能结构图

反馈模块

编辑消息

系统显示部分：

将各种校园内关于学生事务通知信息显示，方便学生和老师及时了解通知项，然后发现与自己有关的信息及时登入信息门户查看信息；也可及时发布天气，交通等信息。

反馈模块：

当操作界面显示相关警报和信息时，监控人员将根据相应的地址，进行提高或降低供暖

监测数据：

当数据（如温度）高于或低于设定值时，计算机将进行报警。

反馈模块：

在操作界面上显示警报以及监测教室的位置等信息，方便相关人员的及时处理

计算机处理系统：

编写电脑软件图形化窗口简便操作处理、发布信息消息、分析接收到的数据。

2.简述硬件及软件系统

1）软件平台

分布在教室中的各个信息发布系统板将随时接收并显示通知等消息，将所要发送的信息通过计算机联接的中心节点发送出去，实现消息和通知的及时便捷传递，将计算机接收到的温湿度数据显示在窗口界面上，并将数据与预警数值进行比较，在超出预警范围时自动报警。

图表10软件窗口设计界面

2）无线传感器节点

　　研究基于CC2530芯片的无线网络平台节点设计。

无线传感器的组成模块构成无线传感器网络节点。

它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理，也可以接受来自计算机的信息

。

传感节点有着受限的计算，无线通讯和感知能力。

成百上千的传感节点可以随机撒布在观测区域用于获取物理环境的数据，所有传感节点组成无线传感网（WirelessSensorNetworks，简称WSN），然后通过在网络中进行数据融合（DataFusion）将用户关心的有用信息传送回基站（BaseStation，简称BS）分析处理。

无线传感器网络由大量体积小、能耗低、具有无线通信、传感和数据处理功能的传感器节点组成。

因此，传感器