基于ZigBee的无线测温管理系统的应用研究【开题报告】.doc

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 选题的背景、意义 本课题主要是研究设计制作一个具有基本实用价值的基于物联网 Zigbee 技术的无线测温管理系统。主要任务是基于 Zigbee 无线技术实现实时监测环境温度。 物联网作为一种新兴科技在 21 世纪初被提出。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”，从而 实现对世界万物的智能化识别和管理。物联网的技术有很多种，而 Zigbee 技术以其独特的优点和技术优势成为了物联网技术的首选。 本课题是无线测温

2、管理系统，而在环境温度监测系统中，由于实时监测时数据采集量和传输量大，实时性要求高，监测周期长，因此选用一种在低能耗情况下，也具有较高传输效率、理想传输数率的设备是十分必要的。而 Zigbee 技术正是符合此类要求的理想技术，因此在该系统的设计中，我们选择 Zigbee 技术作为首选。 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。 该技术 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

3、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 通信效率非常高。 2 相关研究的最新成果及动态 2.1 ZigBee 技术概述及主要特点 Zigbee 技术是一组基于 IEEE 802.15.4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。 Zigbee 联盟于 2005 年 6 月 27 日公布了第一份Zigbee 规范“ ZigBee Specification v1.0”。该标准定义了在 IEEE 802.15

4、.4 2003 物理层（ PHY）和标准媒体访问控制层（ MAC）上的网络层及支持的应用服务。 Zigbee 协议标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊服务：数据实体提供数据传输服务；管理实体提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点 SAP 为上层提供接口，每个 SAP 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。 Zigbee 标准的分层架构是在 OSI 七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要来定义的。基本包括物理层，媒体访问控制层，网络层和应用层。 主要特点如下： * 数据传输速率低 * 功耗低 * 成本低 * 时延短 * 安全 * 网络容量大 * 优良的网络拓扑能力 *

5、有效范围小：有效覆盖 范围 10 75 米之间，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境 ; * 工作频段灵活 :使用的频段分别为 2.4GHz(全球 )、 868MHz(欧洲 )及915MHz(美国 )，均为免执照频段。 2.2 研究历程 2000 年 12 月，为了满足类似于温度传感器这样的小型、低成本设备无线联网的要求。电气和电子工程协会（ IEEE）成立了 IEEE 802.15.4 工作组。这个工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线连接技术。 Zigbee 正是这种技术的商业化命名，这个名字来源于蜂群使 用的赖以生存和发展的通信方式，

6、蜜蜂通过 Zigbee 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位子、距离和方向等信息。在标准化方面， IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和 MAC 层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。高层应用、测试和市场推广等方面的工作由 Zigbee 联盟负责。 Zigbee 联盟成立于 2002 年 8 月，由英国 Inversys 公司，日本三菱电器公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。同时， IEEE 802.15.4 协议也吸引了 其他标准化组织的注意力，例如 IEEE 802.15.4 工作组就在考虑怎样在 I

7、EEE 802.15.4 标准基础上实现传感器网络。 正式的 IEEE 802.15.4 标准在 2003 年上半年发布，芯片和产品已经问世。Zigbee 联盟在 IEEE 802.15.4 2003 标准的基础上，于 2005 年 6 月 27 日公布了第一份“ ZigBee Specification v1.0”，并于 2006 年 12 月 1 日公布了改进版本的 ZigBee Specification 2006 版本，再次掀起了全球范围内研究 Zigbee 技术的热潮。 基于 ZigBee 技术的无线传感器网络应用在 Zigbee 联盟和 IEEE 802.15.4 组织的推动下。结

8、合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。 2.3 以 Zigbee 为代表的无线传感器网络的特点、应用及国内外研究现状 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。其特点如下： * 大规模网络 * 自组织网络 * 动态性网络 * 以数据为中心的网络 * 应用相关的网 络 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线传感器网络的发展， 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

9、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。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正在积极的开展基于无线传感器网络的电子围栏技术边境防御系 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

10、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。 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

11、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。 2.4 无线测温系统概况及发展趋势 无线测温 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

12、仪 :安装在集控室内，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。 当前温度检测 系统 的发展趋势 为 以下几个方面： * 扩展检测范围 现在工业上通用的温度检测范围为一 200 3000 ，而今后要求能测超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如 10K 以下的度检测是当前重点研究课题。 * 扩大测温对象 温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业

13、及航天工业领域。 * 新产品的开发 利用以前的检测技术生产出适应 于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。 * 加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。 如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。 * 向智能化、集成化、适用化方向发展。 新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。向机电一体化方向发展。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 本课题的研究主要使用 C语言作为 PC端开发语言，无线温度传 感器以 Zig

14、bee协议方式与接收基站通信，基站与本地 PC 之间通过 RS485 接口通信，本地 PC 与局控中心服务器或工控机之间以网线方式通信。具体的系统结构如图 1 所示： 图 1 无线传感器、接收机站、本地机工作基本流程如下图： 本课题的难点在于实现温度传感器与基站以 Zigbee 协议的方式进行无线通信和将模拟量温度值转化为数字量。同时，由于温度检测时产生的数据量巨大，因此，如何高效的传输数据也成为系统设计时必须要考虑的问题。 “ 无线测温管理系统 ” 是为了更好的适应现代化工业生产和家庭生活而设计的。它改变了传统的 必须通过接触式测量的方法，实现了智能化的监控环境温度，免去了大量的人工操作，同

15、时实现了实时的在线监控。设计开发完成后，应该能够达到以下几点： 1. 可以用本地 PC 实时的检测到环境温度。 2. 可以更换系统老化的温度传感器，并且不会影响原有的检测网络系统。 3. 控制界面及内容观测方便。 4. 在课题结束的时候，希望能够完成一个完整的系统甚至是可以投入市场的一个产品。 4 研究工作详细进度和安排 1、 2010 年 11 月 20-12 月 2，布置毕业设计任务，讲解毕业设计的方法和步骤，查找、分析相关资料，初步拟定系统采用的研究方法、设计路线， 开始开题报告、文献综述、外文翻译的撰写； 2、 2010 年 12 月 3-2011 年 1 月 10，整理相关资料，确定

16、系统完成的主要功能，绘制系统的流程图，完成文献综述、外文翻译； 3、 2011 年 2 月 25 日，完成开题报告； 4、 2011 年 2 月 26-2011 年 4 月 8 日，进行详细的系统分析，每周汇总情况、问题和进度一次，通过电话、 Email 和其他方式联系。开始撰写论文和初稿； 5、 2011 年 4 月 9-2011 年 5 月 3，系统开发、代码设计、修改以及优化阶段； 6、 2011 年 5 月 4-2011 年 5 月 19，完成论文并提交 7、 20110 年 5 月 27-2011 年 5 月 29，毕业论文答辩 5 参考文献 1詹杰，吴伶锡 ,唐志军 .基于 Zig

17、Bee 的智能照明控制系统设计与实现 J.电力电子技术， 2007 年 10 期 . 2 安庆敏，吴明光，陈波 .基于 ZigBee 的无线通信网络平台 J，低压电器，2007 年 06 期 . 3 赵晨，何波，王睿 .基于射频 CC2420 实现的 ZigBee 通信设计 J，微计算机信息， 2007 年 02 期 . 4 柯建华，申红军，魏学业 .基于 ZigBee 技术的煤矿井下人员定位系统研究J，现代电子技术， 2006 年 23 期 . 5 陈群，葛万成 .ZigBee 在工业控制中的应用探讨 J，自动化博览， 2006 年06 期 . 6 高守玮，吴灿阳 .Zigbee 技术实践教

18、程，北京航空航天大学出版社 . 8 任丰原，黄海宁，林闯 .无线传感器网络 J.软件学报， 2003 年 14 期 . 9 孙亭，杨永田，李立宏 .无线传感器网络发展现状 J .电子技术应用， 2006年 06 期 . 10 余向阳 .无线传感期网络研究综述 J .单片机与嵌入式系统应用， 2008年 08 期 . 11 彭立，徐红漫 .发展中的 IEEE802.15.4 J .现代电信科技， 2004 年 04期 . 12 Zigbee Alliance.Zigbee Document 053474r13 OL http/www.zigbee.org December,2006. 13 Z-Location EngineUser Manual OL .http/ 14 孙利民，李建中，陈渝 .无线传感器网络 M .北京：清华大学出版社，2005.5. 15 AKYILDIZ I F, WANG X. Survey on wireless mesh networksJ. IEEE Communications Magazine, 2005,43,23-30. 16 将挺，赵成 .紫蜂技术及其应用 M .北京：北京邮电大学出版社， 2008.