1、毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 ZigBee 的无线测温管理系统的应用研究 1 前言部分 物联网作为一种新概念在几年前才被提出。作为一门新兴科技，它指的是在计算机互联网的基础上，利用 RFID、 无线数据通信 等技术，构造一个覆盖世界上所有事物 的“ Internet of Things” 6。 无线传感器网络 (WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络 3 个阶段 9。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智
2、能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再 是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落 14。而无线传感器网络技术中的 Zigbee 技术由于其独特的特点和技术优势无疑将成为未来十年物联网发展的前沿科技。 Zigbee 是 IEEE 802.15.4 协议的代名词。根据 此 协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来 自 于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂 (bee)是靠飞翔和 “ 嗡嗡 ”(zig)
3、地抖动翅膀的 “ 舞蹈 ” 来与同伴传递花粉所在方位信息 。即 蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络 16。 Zigbee 技术的 特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制 系统 和远程控制领域， 且 可以嵌入各种设备。简言之， ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 它是一种介于无线标记技术和蓝牙 技术 之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据 802.15.4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，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， 因此 它的通信效率非
4、常高。 运行的电气设备通常工作在高电压和大电流状态 下 ，设备中 存在的某些缺陷会导致设备部件的异常 并使局部 温度 骤升 。造成温度与接触电阻值的恶性循环，最终会导致设备不能正常工作，甚至烧毁 。 温度过高可能会引起燃烧、爆炸甚至设备损坏或质量事故。 无线测温系统正是基于这些原因而备受关注。其 主要功能是对温度在线监测预警，该技术 已 广泛应用于水温测量、空气温度的测量、油温的测量及机器颤动等领域。该技术运用最新 的 无线通信技术、数字化温度传感技术，可实时自动检测配电站和用户工程现场各高低压关键点温度，大幅度降低现场设备巡查的工作量，并对不全状况提前进行预警，并通过后台计算机轻松实现无人值
5、 守和远程监测。 本论文的研究指导思想为，开发一个具有实用价值的“ 无线测温管理系统 ”。该设计以个人计算机为终端，主要任务是实现环境温度的自动测量和调节。 2 主题部分 2.1 国内外研究发展现状 无线传感器网络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们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。现在世界各国都非常重视无限传感器网络的发展， IEEE 也正在努力推进无线传感器网络的应用和发展。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大科技时，就将无线传感器网络列入其中。在“中国未来 20 年技术预见研究 ”中总共有 157 个技术课题，其中有 7 项是直接论述传感器网络的 6。
6、可以预见，无线传感器网络的广泛应用是一种必然的趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 目前在我国，由 中科院微系统所主导的团队积极开展基于 WSN 的电子围栏技术的边境防御系统的研发和试点，已取得了阶段性的成果。同时 也有许多公司正在研究无线传感器网络，例如西安华凡科技有限公司，作为无线传感器网络解决方案的专业提供商，为 Zigbee 技术在我国的发展做出了不懈的努力。为广大的初学者和用户提供了从开发学习套件、 Zigbee 典型应用方案演示模型到 Zigbee解决方案商业应用的一条龙服务 5。 杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了无线传感器技
7、术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。 相比较而言，美国和日本的相关技术则处于领先地位，美国英特尔公司和加利福尼亚州大学伯克利分校领导的“微尘”技术的研究工作，已经成功的创建了瓶盖大小的全能传感器，可以执行计算、监测与通信等功能。 2002 年，英特尔公司又率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。 日本制作所于 2004 年 11 月 24 日宣布开发出了全球体积最小的无线传感器网络终端，该终端为安装电池的有源无线终端，可以搭载各类传感器使用。 就单一 Zigbee 模块而言，目前 国内 用户使用的 Zigbee 模块大部分采用的
8、是TI 芯片， 属 自主研发的 。 没 有 经过各方面的认证，换句话就是说没经过各种的实验条件，仅仅是一个模糊的测试数据 。其 价格低廉，适合应用在消费品和要求不是太严格的地方 。 使用国外 Zigbee 模块 的 ，当然也有内部是 TI 芯片的模块，但是 目前 还没发现国外用 TI 芯片的模块流入 到 国内 。 国外模块 大部分 是经过各方面的认证，技术经过长时间的 积淀，早已经成熟 的 应用 模块。 应用测试的数据更为准确，当然进口的价格要相对自己国产的要高，适用在要求级别高的地方，一般消费品也可以用，但是按照国内的消费水平而言却并不实用 。 2.2 无线传感器网络相关的会议和组织 无线传
9、感器网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998 年到 2003 年，各种与无线通信、 Ad Hoc 网络、分布式系统的会议开始大量收录与无线传感器网络技术相关的文章。 2001 年，美国计算机学会 (ACM)和 IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议 International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN)，为无线传感器网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。 2003 年到 2004 年，一批针对无线传感器网络技术的会议相继召开。 ACM 在 2005 年还专门创刊 ACM
10、Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的无线传感器网络技术成果。 2004 年，波士顿大学与BP、 Honeywell、 Inetco Systems、 Invensys、 Millennial Net、 Radianse、 Sensicast Systems 等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进无线传感器网络技术的开发。 2006 年 10 月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国无线传感器网络技术研究开始进入一个新的历史阶 911。 2.3 无线传感器网络技术的成熟度分析 Gartner信息技术研究与咨询公司从 2005年到
11、 2008年对无线传感器网络技术追踪和评估。 2005 年， Gartner 认为无线传感器网络技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术 模式是不是有进一步推广和发展的可能。当时的预期比较乐观，认为该技术将在 25 年内走向成熟。 2006 年， Gartner 的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些。而到了 2007 年， Gartner 发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是 10 年以上。 超过 5 年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的
12、判断。从这一点上看，无线传感器网络技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。 Gartner 的 2008年技术预测报告中没有对该领域进 行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是顶级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破。微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期；其次，能量获取和存储容量与设备体积 (表面积 )呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和；再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境的良性循环。 然而市场不会向技术妥协，如果一项
13、技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所 接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破；另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用的机会，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，无线传感器网络技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了无线传感器网络技术的市场化进程。中国必将在无线传感器网络技术和市场推进中发挥重要作用。 2.4 关键支撑技术 2.4.1 无线传感器网络的时间同步技术 时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同 步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制时钟噪
14、声和漂移。最近，利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注，这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。 2.4.2 基于无线传感器网络的自定位和目标定位技术 定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪 4。节点自定位是指确定网络中节点自身位置，这是随机部署组网的基本要求 413。 GPS 技术是室外通常采用的自定位手段，但它一方面成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效。无线传感器网络更多的采用混合定位方法：手动部署少量的锚节点 (携带GPS 模块 )，其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计部署。目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位
15、和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上 15。 2.4.3 分布式数据管理和信息融合 分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的无线传感器网络的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集有效数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。在整个体系中，无线传感器网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态 的监测。 信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量；另一方面可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。
16、2.4.4 无线传感器网络的安全技术 安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求 15。无线传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻击。但受无线传感器网络资源限制，直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在一定的困难。鉴于此，研 究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式；另一方面设计安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足无线传感器网络的现实需求 810。 2.4.5 精确控制、深度嵌入的操作系统技术 作为深度嵌入的网络系统，无线传感器网络对操作系统也有特别的要求，既要能够完成基本体系结构支持的各项功能，又不能
17、过于复杂。从目前发展状况来看， TinyOS 是最成功的无线传感器网络专用操作系统。但随着芯片低功耗设计技术和能量工程技术水平的提高，更复杂的嵌入式操作系统，如 Vxworks、Uclinux 和 Ucos 等，也可能被无线传感器网络所采用 2。 2.4.6 能量工程 能量工程包括能量的获取和存储两方面。能量获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以利用的电能，如太阳能，振动能量、地热、风能等。 2007 年在无线能量传递方面有了新的研究成果：通过磁场的共振传递技术将使远程能量传递。这项技术将对无线传感器网络技术的成熟和发展带来革命性的影响。在能量存储技术方面，高容量电池技术是延长节点寿命，全面
18、提高节点能力的关键性技术。纳米电池技术是目前最有希望的技术之一。 2.5 无限测温系统的设备组成和原理 系统主要由无线温 度传感器、温度显示仪、温度检测预警工作站三部分组成。无线温度传感器：由控制单元、无线数据传输和温度测量三部分组成。测温后，将温度数据通过无线方式传递给测温通讯终端。主要安装在易发热的电缆连接、变压器与开关的表面。每个无线温度传感器具有唯一的 ID 编号，实际安装使用时记录每个传感器的安装地点，并与编号一起录入温度检测工作站计算机数据库中。传感器每隔一定时间（可 由用户 设定）自动发射一次监测点的温度数据，发现温度异常立即报警，可不受发送周期限制。 温度显示仪 :安装在集控室
19、内，负责接收各无线温度传感器发送出的温 度数据，在数据库中作长期保存，实时显示监测点的温度变化曲线，并进行分析，一旦发现温度过热、或急剧升温到设置报警温度立即报警。 从而 实现足不出户 而 掌握整个系统的发热状况。 3 总结部分 无线传感器网络从机制研究、系统研发，到应用示范试点，正在努力走向技术和产业的成熟。在中国，政府的引导、研究人员的推动和企业的积极参与使WSN 网络技术快速稳步发展。为了让无线传感器网络更快地进入应用产业，为更多人服务，必须在努力寻找独特的高级应用的同时，更多地将目光转向改善成熟产业中对自动化监测、检验和管理的应用需求，为其量身订做协 议、软件和产品，并努力做到与现有管
20、理系统的无缝连接。只有在应用和市场上站稳脚跟，才能保持无线传感器网络在技术上的持续发展。 无线传感器网络发展可谓方兴未艾，要想进一步推进该技术的发展，让其更好为社会和人们的生活服务，不仅需要研究人员开展广泛的应用系统研究，更需要国家、地区，以及优质企业在各个层面上的大力推动和支持。 同时 Zigbee 不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存系统不能满足 用户特定 需求的市场 ， 它有着广阔的应用前景。 Zigbee 联盟预言在未来的四到五年，每个家庭将拥有 50 个 Zigbee 器件，最后将达到每个家庭 150 个 15。据估计， 今后十 年， Zigbee 市场价值将
21、达到数亿美元。其应用领域主要包括： 家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等 1； 工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制； 商业：智慧型标签等； 公共场所：烟雾探测器等； 农业控制：收集各种土壤信息和气候信息； 医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等 13。 Zigbee 技术作为未来物联网和无线传感 器网络技术的前沿科技，期发展前景和发展范围是不可估量的。在将来，以 Zigbee 技术为领导的无线传感器网络技术带来的社会改革影响力可能与 19 世纪电脑的发明应用相当。 4 参考文献 1詹杰，吴伶锡 ,唐志军 .基于
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