大气环境物联网监测系统可行性报告（申报） .doc

- 深圳深圳市科技研发资金市科技研发资金技术研究开发计划技术研究开发计划 国际科技合作研发项目可行性报告国际科技合作研发项目可行性报告 项目名称：大气环境物联网监测系统 申请单位：深圳桑达百利电器有限公司 项目负责人： 吴颖群 联系电话：联系电话：电子邮箱： wuyingqun 传传 真：真： 26612939 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 2 目目 录录 一、项目实施的背景和意义一、项目实施的背景和意义.18 1、项目所面向的我市经济、社会和科技发展等有效需求.18 2、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.18 3、预期实现的经济效益.19 4、社会效益.20 二、技术发展趋势及国内外发展现状二、技术发展趋势及国内外发展现状.20 1、项目相关技术的发展趋势、国内外研究开发、产业状况.18 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.18 三、项目主要研究内容三、项目主要研究内容.22 1、项目涉及的技术领域、工艺范畴，拟解决的关键技术问题.22 2、拟采用的技术原理、技术方法.22 3、主要技术创新点.24 4、涉及的知识产权.26 四、项目预期目标四、项目预期目标.26 1、项目在技术进步、工艺创新方面可实现的预期成果.26 2、技术指标.26 3、培养的技术人才，以及对解决产业发展问题的预期贡献.27 4、形成的产业前景，社会经济效益指标.28 五、项目实施方案五、项目实施方案.28 1、组织管理方式.28 2、技术实施步骤.28 3、科技资源综合利用.30 4、成果产业化策略.30 5、研发资金的筹集与投入.30 6、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、项目计划进度六、项目计划进度.31 1、项目准备：2009.32009.8.31 2、系统样机平台搭建、软件的开发：2009.92010.2.32 3、系统的仿真调试、改进、优化：2010.32010.832 4、系统的安装调试和验收：2010.92011.3.32 七、现有工作基础和条件七、现有工作基础和条件.33 1、在相关技术领域的已有研发基础、主要研究成果.33 2、项目实施具备的支撑条件.33 3、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、研发团队八、研发团队.34 1、研发团队的规模和结构等情况.34 2、项目核心研发人员情况.35 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 3 一、项目实施的背景和意义一、项目实施的背景和意义 1、项目所面向的我市经济、社会和科技发展项目所面向的我市经济、社会和科技发展等有效需求等有效需求 大气环境物联网监测系统是深圳桑达百利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 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 4 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”、“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。深圳桑达百利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，使桑达百利在无线传 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、项目的先进性、重要性、必要性、可行项目的先进性、重要性、必要性、可行性以及在行业发展中性以及在行业发展中 的地位和作用的地位和作用 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 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 5 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。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 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 6 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。 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 7 3、预期实现的经济效益、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，最大限度的利用资源，实 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 8 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、二、技术发展趋势技术发展趋势及国及国内外发展现状内外发展现状 1、项目相关技术的发展趋势、国内外研究开发、产业状况、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。 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 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 9 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、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 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 10 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 11 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、三、项目主要研究内容项目主要研究内容 1、项目涉及项目涉及的技术领域、工艺范畴，拟解决的关键技术问题的技术领域、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 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 11 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、项目拟采用的技术原理、技术方法 2.12.1、项目采用的、项目采用的 zigbeezigbee 无线网络技术介绍无线网络技术介绍 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, 降低帧开销以及实行严格的功率管理机制, 例如关机及睡 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 12 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 2.22.2、项目拟采用的技术方法、项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，深圳桑达百利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 stack）, 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。 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 13 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）。 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 14 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 zigbee 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。 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 15 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装，传感器的信号处理，无线电通讯。 为了保持测量的一致性，在传感器安装时，传感器正面必须有控制气体循 环的装置，使气体能够通过这种装置顺利流过传感器的表面。为了安装方 便，传感器具有多种多样的机械性的安装和锁住机构。传感器的组件必须 安装在节点的电子印制电路板上，这样做的目的主要是为了给传感器的电 路调试提供电源插头。传感器的安装组件必须包括空气泵和必要的过滤器， 它的安装设计是模块化的。 节点的 pcb 电路将包含电路调试，信号处理器。传感器的输出取决于 温度和温度，是非线性的，信号处理器将收集所有的传感器数据，并应用 一个标定的算法，以便产生的测量标准能和传感器的分辨率、精确度，以 及工作环境一致。传感器处理的结果将通过无线网络节点传输。 节点的无线网状网络的设计是基于 ap101 电路设计的 azn 网络系统。 azn 具有提供完整的网状网络的能力，并且它与能网关一起运转。 传感器模块节点一般由处理器单元、射频通讯单元、传感器/设备接口 单元和电源模块单元 4 部分组成（如图 4 所示）。 图 4 传感器网络节点典型组成 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 16 （4）、无线网关控制器 zigbee 无线网关控制器是整个环境网络平台的中心，它具有信息处理 和各种网络连接的重要作用。一方面它接收环境监控单元等无线设备发送 上来的信息，还可以同局域网/互联网、手机网等连接，在非现场区域对大 气环境监测。无线网关由高档 32 位 arm9、zigbee 无线网络接口、网卡控 制芯片、gsm 网络接口、电话接口、usb2.0、以及 485、can 总线扩展接口 等组成。无线网关在管理本地 zigbee 无线网络的同时，通过 ethernet、 互联网连接组成一个更广泛的 tcp/ip 网络，又可以同公用互联网和手机网 络系统信息交互。 图 5 无线网关控制器原型 图 5 是我们已经完成的 zigbee 大气环境物联网监测系统中无线网关控 制器的原型设计，该网关控制器在板上一体化地集成了 zigbee 或其他协议 的无线网络、gsm 网、以太网以及 can 总线等接口，从而可以将无线数据 采集网络、can 总线网络和 gsm 网络、本地以太网或互联网连成一体，实 现各种网络数据的交换和传输。zigbee 无线通讯模块和其他 433m、2.4g 无线通讯模块可以直接内置在无线智能网关上，构成一个完整的无线数据 采集网络。无线智能网关同样可以通过内置的 gsm 模块或者以太网接口和 远程的相关系统进行通讯，用户可以用手机短信或通过互联网远程监控无 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 17 线网关的运作。 （5）、监控仪表板 仪表板将是一个独立的客户端应用程序，可在基于 windows 的计算机 上运行与互联网连接。仪表板通过每个空气质量监控网络节点收集数据， 分析报告，呈现显示的数据，实现互联网远程监视，启动 email 过限预警 事件报告。仪表板将为顾客提供用户界面，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（如图 6 所示）。 图 6 现场监控用户界面示意图 （6）、大气环境物联网监测系统软件体系 大气环境物联网监测软件系统较为复杂，包括底层协议软件、嵌入式 系统软件、协议转换软件、数据采集软件、上层管理软件等等，涉及到 8 位、32 位单片机和 pc 机多种应用平台，另外大气环境物联网监测系统还 是一个实时系统，必须对各种传感器或命令做出及时的反应，能够长期稳 定的工作。因此软件的体系结构设计和构建对整个系统的稳定运行和升级 维护都至关重要。分层的软件开发架构使复杂的系统开发变得清晰、可靠， 并提高了系统的可移植性。根据 zigbee 标准规范大气环境物联网监测系 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 18 统的应用特征，zigbee 大气环境物联网监测系统网络的软件系统包括物理 层、mac 层、网络层和应用层软件系统（如图 7 所示）。 zigbee 大气环境物联网监测系统还对系统扩展性提出较高要求。标准 化的无线网络协议、用户接口及设备通讯协议给监测网络提供了极强的系 统扩展性。通过标准的设备通讯协议，不同类型、不同厂家的传感器可以 互通信息，实现关联控制及统一管理。可以同时接收不同控制终端的各种 信息，还可扩展开发其他种类的控制程序。 按照软件实现的功能，zigbee 环境监测平台的软件包括：zigbee 无线 网络接口协议软件、zigbee 无线网络监控软件、无线网络节点采集监控软 件、无线网关控制软件、以太网、gsm 软件、数据库部分的软件数据报告 和显示系统软件等。 图 7 zigbee 大气环境物联网监测系统网络的软件体系 3、主要技术创新点主要技术创新点 由于项目采用美国最新研制的微处理器及采用 zigbee 技术做无线传 输，并将最新的系统集成技术、应用软件和网络传输、射频技术和底层软 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 19 硬件控制技术等相结合，开发出的一套大气环境物联网监测系统，本系统 在的关键参数上，遥遥领先国、内外同类产品，具有以下创新点: （1）、节点传输距离长 在同等条件下的节点传输距离，本项目产品无阻挡的时候可达 1200m，有阻挡的时候达 100m，而国外著名公司 crossbow micaz 的产品传 输距离为 100m 和 20m，与本产品参数有相当的距离。 （2）、节点能耗低 本项目开发了有独特的时间同步技术，在各结点间可以大幅降低电耗， 在 50m 同等发射距离时，平均电流消耗国内外处在同一水平在 20ma 左右， 本项目平均电流消耗只有 0.5ma，远远低于同类产品，使该系统工作时间 更长 （3）、节点可由太阳能供电 每个结点上都可以加上太阳能电池，配合内置的长寿可充电镍氢电池。 在无太阳能充电的极端环境下，结点还能保持三个月以上的正常工作周期。 （4）、节点数可扩充 国内外同类产品节点数最多 150 个，本项目产品可扩充至 2561000 个，使大气环境物联网监测系统的工作平台应用更灵活。 （5）、便于扩展的无线网络通讯平台 本项目独有的通用接口转换器，使各种不同类别的传感器能够很方便 地应用在基于 zigbee 技术的无线网络通讯平台上。 4、涉及的知识产权涉及的知识产权 本项目使用 zigbee 标准，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,目前被广泛地应用 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 20 在短距、低速率，低功耗的无线网络设备中，是已经公开发表和可以公共 使用的标准。项目中使用的 windows 系统软件和一些应用软件，我们将进 行购买。项目研发和制造过程中形成的创新、技术成果，我们将申请相关 专利，专利权归桑达百利公司所有。 四、四、项目预期目标项目预期目标 1、项目在技术进步、项目在技术进步、工艺创新方面、工艺创新方面可实现的预期成果可实现的预期成果 由于项目与美国麻省技术中心合作研发，采用美国最新研制的微处理 器及采用 zigbee 技术做无线传输，并通过项目技术的不断研发和优化， 使项目具有以下特点： （1)、直观 数据在传输的过程中有完整的技术参数界面,用户可以在界面上清楚地 看到各项参数,及时通知有关部门，并可实现 email 过限预警功能。 （2）、 可靠 由于系统采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通讯业务预留 了专业时隙，避免了发射数据时的竞争和冲突，而且节点模块之间具有自 动动态组网的功能，信息在整个 zigbee 网络中通过自由路由的方式进行传 输， 从而保证了信息的可靠性。 （3）、 时延短 系统针对时延敏感的运用做了优化，通讯时延和从休眠状态激活的时 延非常短。 （4）、 安全 由于系统提供了数据完整性的检查和鉴权功能，加密算法采用了 aes-128”,即具有高度的保密性，系统提供了三级安全模式，包括无安 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 21 全设定、使用接入控制清单(acl)防止非法获取数据以及采用高级加密标准 (aes 128) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。 （5）、 成本低廉 系统采用了目前最经济的无线传感器网络方案，例如我们采用美国 adi 公司最新推出的新产品 adx loo1 振动传感器在我们的系统中，成本 仅为同类传感器的 1/3。 （6）、无需维护 系统具有通用接口，抗恶劣的野外天气，免/少维护，替换简单方便。 （7）、全天侯无地域限制的监视系统 监视终端可分布在任何有互联网的地方，实时 24/7 监视。在无互联网 的地区，可用手机网，卫星网。 （8）、未来的扩容，升级和维护容易 软件的升级可通过自身的无线网实现，硬件的升级只在升级区域内， 更换，扩容将不影响全系统，维护系统将会很简单。 2、技术指标技术指标 项目完成后将达到如下技术指标： 序号项目技术指标 1 频率 2.4- 2.484mhz 2 最大射频功率 100mw 3 最大电流消耗 115ma 4 典型的工作范围(室内) 100m 5 最大射程范围(无阻挡) 1200m 6 数据速率 250k 7 典型应用的电流消耗 (10% 责任周期的最大射 频功率） 1.2ma 8 电压 3v 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 22 9 3v,5000ma 电池使用时间 (1% 责任周期的最大射 频功率) 0.5 年 3、培养的技术人才，以及对解决产业发展问题的预期贡献培养的技术人才，以及对解决产业发展问题的预期贡献 通过与麻省技术中心的合作研发项目的完成，将大量吸收国际最新关 于无线传感网路的技术，为桑达百利培养熟悉无线传感物联网网络体系构 架、传感器、无线通信技术、数据采集与处理、协议栈、组网、传输、多 种传感器及阵列、网络层应用层和应用层接口技术的系统集成人员 2 名， 熟悉 zigbee、上位机软件、编程环境、工具软件、驱动和协议分析仪等软 件设计人员 1 名，熟悉无线传感物联网不同应用技术设计和器件选型的应 用开发人员 2 名，无线传感物联网电路设计人员 1 名，结构设计人员 1 名， 大气环境物联网监测系统安装测试工程师 2 名。 项目产品技术指标国际领先，项目的完成将使公司掌握一批大气环境 物联网监测的核心技术、集聚了一批高端技术人才，为公司大气环境物联 网监测产业的发展提供了人才和技术保障。同时，为公司搭建大气环境物 联网监测研发和实施平台，积累了一定的产业化经验，为大气环境物联网 监测系统进一步完善关键技术和推进产业化进程积累了宝贵经验。随着大 气环境物联网监测系统的产业化，以及在此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， 将带动一大批在芯片设计、无线通信、传感器设备研发等方面的企业，形 成优势互补，在较短时间内建立较为完整的产业链。 4、形成的产业前景形成的产业前景，社会经济效益社会经济效益指标指标 根据国家环境管理工作要求，环保部制定了2010 年全国环境监测工 作要点，2010 年是“十一五”环保规划实施的最后一年，环境监测任务 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 23 十分繁重。根据目前的市场能力分析，环境空气质量自动监测系统供给能 力不足，成套性水平低，技术含量高的产品短缺，环境自动在线监测市场 亟待拓展。有关专家认为，适合我国国情的大气环境监测系统应具有：价 格便宜，维修费用低，能在较恶劣条件下使用，便于维护操作，智能型， 抗干扰能力强等特点。该大气环境物联网监测系统项目具有无线传感、高 智能化、高稳定性、高精度的网络化等优点，弥补了传统大气监测系统的 种种不足，符合目前市场的对大气环境监测迫切需求，因而市场前景非常 广阔。 该与麻省技术中心合作项目的完成，建立了物联网监测系统的平台， 为物联网监测系统的其它应用打下了基础，通过选择不同应用的无线传感 器和简单的系统调整即可对如水环境、土壤环境、电力、铁路道口，信号 管理坝体、隧道、桥梁、机场、码头、石油化工各种管道、交通安全信号、 钢铁工业高炉安全系统等非常广阔的监控领域。同时，随着项目的产业化， 促进了包括传感器技术、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的技术进步。 项目投资总额 rmb600 万元。项目全部完成预计需 2 年，项目单套成本 估算为 200 万元人民币，预计销售价每套为 400 万元，则每套利润为 200 万元，实现销售 3 套即可实现回收投资，静态回收期约为 1.5 年。 预计 2011 年至 2013 年销售套数、销售额和利润： 年 份 201120122013 小计 销售数（套） 13610 销售额（万元） 40012002400 4000 利润（万元） 20060012002000 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 24 五、项目实施方案五、项目实施方案 1、组织管理方式、组织管理方式 本项目将以国际合作研发的方式来完成，深圳桑达百利电器有限公司 与美国麻省技术中心签订科研合作协议，各自委派科研人员组成关于大气 环境物联网监测系统项目的联合项目小组，确定双方各自的项目负责人。 按确定的项目进度计划，双方项目负责人定期沟通项目实施情况，并组织 各自的项目定期召开项目会议，检查和落实项目的进展情况，按项目管理 各里程碑进行评审，对不符合项目要求的地方及时进行纠正。 项目实施过程中，桑达百利需对本项目进行必要的现场勘察以及进行 用户需求调研，也可派技术人员跟随麻省技术中心方实施人员一起参与实 施，接受麻省技术中方技术人员的现场指导，了解可能遇到的问题及处理 故障的方法。桑达百利对本项目建设方案具有选择决定权，对本项目规模、 设计标准、系统集成设计、使用功能设计、技术开发方法具有认定权，以 及对开发成果具有审批权。研发阶段所购置设备仪器为桑达百利所有。麻 省技术中心按桑达百利的要求，按时完成各项项目工作，并授权一名熟悉 本项目情况、能迅速做出决定的项目负责人，负责与桑达百利的项目负责 人联系。麻省技术中心所进行的大气环境物联网监测系统的研发和测试仅 用于本项目。涉及许可第三人使用或者向第三人转让软件时，须由桑达百 利决定。 2、技术实施步骤技术实施步骤 （1）、项目组的成立和各自的分工 桑达百利项目组由 10 名人员组成，需完成的具体任务如下： 深圳市科技研发资金技术研究开发计划国际科技合作研发项目申请书 25 项目的规划、设计等前期准备工作。 按照本合同要求主持和组织项目的审查、样品制作、初步验收、 终验，并负责过程中维护及管理工作。 完成批量系统的调试和测试工作，以及产品化及市场营销的计 划实施。 研发的部分包括：节点 pcb 设计、控制板 pcb 设计、能量管理 电源设计、传感器机械性的组装以及空气泵的设计、产品化工 艺设计、系统实施安装设计。 麻省技术中心项目组由 8 名人员组成，需完成的具体任务如下： 根据甲方的需要提供项目可行性研究报告及相关预算书、进度 表等资料。 负责大气环境物联网监测系统的研发和测试，提供产品的设计 方案、电路、软件、产品标准，并提供测试用实验室。 负责解决研发阶段及批量系统试制阶段的各项技术问题，并提 供相应的技术服务； 负责研发的部分包括：传感器组件的设计、节点的无线网络拓 扑控制设计、协议优化设计、网络监控器控制板设计、系统网 络硬件平台设计、检测节点网络软件设计、数据库软件设计、 数据报告和监控显示平台系统设计。 （2）、项目评估、项目立项和项目计划 由桑达百利公司负责了解大气环境物联网监测系统市场需求信息，进 行项目的规划，包括项目的风险分析、资源规划、成本分析等。组织与麻 省技术中心项目组一起进行项目技术可行性评估、项目的立项、项目计划 安排等前期准备工作。 （3）、建立大气环境物联网监测系统网络平台架构 建立一个基于无线 zigbee