（计算机应用技术专业论文）基于校园的智能节能用电系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 1 年6 月le l 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密画。 学位论文作者签名：獬 占- 1 1 1 年6 月1 1 日 指导教师签争：瓣 知f f 年毛小明 江苏大学硕士学位论文 摘要 信息技术的发展催生了一个新的概念一物联网。物联网及其相关技术的飞速 发展为我们的生活带来便利，也为绿色校园建设带来了新的机遇。物联网技术已 经在楼宇控制、交通、电力等方面取得了广泛的应用。以更加精细和动态的的方 式管理生产和生活，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然件的关系。 z i g b e e 技术作为新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低成本、低复 杂度等特点。它可以建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式。在工业、 农业、军事、环境等传统领域以及人类f = i 常生活和社会生产活动的所有领域具有 巨大的应用价值。 本文根据分析高校现有的用电控制方式的不足以及灯具、计算机、空调等仪 器设备的用电特点的基础上，充分利用z i g b e e 技术的特点，设计一种基于校园 的智能节能用电系统。首先，从室内照明用电、计算机用电、空调用电、路灯用 电等方面对校园内教室、机房、实验室、办公区和道路等方面的节能用电进行具 体的设计。其次，使用联网知识，特别是z i g b e e 网络，在对i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议进行了研究分析的基础上设计网络所用z i g b e e 节点。并对各终端节点间通 信方式、用户端远程监控方式以及监控端手持监控方式及工作人员维护方式进行 了重点的说明。通过对z i g b e e 网络拓扑结构的分析，充分根据校园的环境，从 覆盖范围、组网灵活等角度出发选用树型拓扑来组建网络，给出了网络的体系结 构，选择c c 2 4 3 0 z i g b e e 集成模块作为监控网络主要的硬件设计模块，设计了用 于检测温度、光照度等信息的无线传感器终端节点，终端节点连接到协调器节点， 并通过i n t e m e t 网络汇总到监控中心服务器。监控方及手持控制方经由i n t e m e t 网络和g p r s 网络连接监控中心，完成网络设计。最后，给出了物联网各支撑技 术之间的信息交换方式，以保障整个系统通信良好。系统的实施可以有效地避免 传统用电方式的管理落后、能源浪费等缺点。 关键词：物联网，智能，节能校园，z i g b e e ，通信 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yg a v eb i r t ht oan e wc o n c e p t - - i n t e r n e t f o rt h i n g s t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e to ft h i n g sa n di t sr e l a t e dt e c h n o l o g i e s b r i n g c o n v e n i e n c eo u rl i f e ，a n db r i n gn e wo p p o r t u n i t i e sf o r g r e e nc a m p u s c o n s t r u c t i o ni n t e r n e to ft h i n g st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nb u i l d i n gc o n t r o l ， t r a n s p o r t a t i o n ，e l e c t r i c i t y , e t c am o r es o p h i s t i c a t e da n dd y n a m i ca p p r o a c hi nt h e m a n a g e m e n to fp r o d u c t i o na n dl i f e ，i m p r o v er e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dp r o d u c t i v i t y l e v e l s ，i m p r o v et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a na n dn a t u r ep i e c e s z i g b e et e c h n o l o g yi san e ws h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ， w i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，l o wc o m p l e x i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s i t c a l lc r e a t eal o w - c o s t ，l o w p o w e rs m a l l a r e aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i th a sg r e a t p r a c t i c a lv a l u en o to n l yi ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，m i l i t a r y , e n v i r o n m e n t a la n do t h e r t r a d i t i o n a la r e a s ，b u ta l s ot h eh u m a na c t i v i t i e so fd a i l yl i f ea n da l la r e a so fs o c i a l p r o d u c t i o ni nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r , o nt h e b a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i c i t yo ft h ee x i s t i n g e l e c t r i cm e t h o d sa n dt h ee q u i p m e n t so fl i g h t ，c o m p u t e r , a i r - c o n d i t i o ne t ei nt h e b u i l d i n go fu n i v e r s i t yc o l l e g e ，a n dt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ef e a t u r e so fz i g b e e n e t w o r k s i th a sd e s i g n e dak i n do fi n t e l l i g e n te n e r g y - s a v i n ge l e c t r i c i t ys y s t e m ，w h i c h i sb a s e do nz i g b e ew i r e l e s sc o n t r o ln e t w o r k f i r s t ，f r o mt h ea s p e c t so fl i g h t i n g ， c o m p u t e r s ，a i rc o n d i t i o n i n ge l e c t r i c i t yo ft h ec o m p u t e rr o o m so fi n s t i t u t eb u i l d i n g s ， l a b o r a t o r i e s ，o f f i c ea r e a sa n dr o a dl i g h t i n gt oc a r r yt h es p e c i f i cd e s i g n s e c o n d ，u s e t h ek n o w l e d g eo ft h ei n t e m e tf o rt h i n g s ，e s p e c i a l l yt h ez i g b e en e t w o r k d e s i g n z i g b e en e t w o r kn o d e sb a s e do ns t u d i e da n da n a l y z e di e e e 8 0 2 15 4 z i g b e ep r o t o c 0 1 a n di l l u s t r a t ef o c u so nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e s ，r e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o la n dm a i n t e n a n c eo fh a n d h e l d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fz i g b e en e t w o r k t o p o l o g ya c c o r d i n gt ot h ec a m p u se n v i r o n m e n t ，s e l e c t e dt r e et o p o l o g yt ob u i l dt h e i i 江苏大学硕士学位论文 n e t w o r kf r o mt h ec o v e r a g e ，f l e x i b l en e t w o r ka n do t h e rs i d e ，g i v en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ， s e l e c tc c 2 4 3 0z i g b e ei n t e g r a t e dm o d u l ea sam a j o rh a r d w a r em o n i t o r i n gn e t w o r k d e s i g nm o d u l e ，d e s i g n e dt h ew i r e l e s ss e n s o rn o d e su s e dt od e t e c tt e m p e r a t u r e ，l i g h t i n t e n s i t ya n do t h e ri n f o r m a t i o n ，t e r m i n a ln o d e sc o n n e c t e dt ot h ec o o r d i n a t o rn o d e ， s u m m a r yt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g hi n t e r n e t ，a n dc o n t r o ls i d ea n dh a n d - h e l d c o n n e c t e dt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g hi n t e r n e ta n dg p r sn e t w o r k a tl a s t ，g i v e t h es u p p o r to fi n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nt h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e so ft h e i n t e r n e tf o r t h i n g s ，t o e n s u r e g o o d c o m m u n i c a t i o no ft h ew h o l e s y s t e m i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mc a l le f f e c t i v e l ya v o i dp o o r l ym a n a g e d ，e n e r g yw a s t e a n do t h e rs h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a le l e c t r i c i t yw a y k e yw o r d s ：i n t e r n e tf o rt h i n g s ，i n t e l l i g e n t ，e n e r g y - s a v i n gc a m p u s ，z i g b e e ， c o m m u n i c a t i o n i i i 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景、目的和意义1 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 3 论文研究的内容5 1 4 论文的组织6 1 5 本章小结6 第二章物联网技术简介7 2 1 物联网的定义及基本框架一7 2 2 物联网支撑技术9 2 2 1z i g b e e 技术9 2 2 2 传感器技术1o 2 2 3 射频识别12 2 3 物联网的通信现状1 2 2 4 物联网的广泛应用1 3 2 5 本章小结1 3 第三章i e e e 8 0 2 15 4 标准以及z i g b e e 协议栈1 4 3 1i e e e 8 0 2 15 4 标准14 3 1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 技术概要1 4 3 1 2 物理层( p h y ) 规范1 7 3 1 3 媒体介质访问层( m a c ) 规范1 9 3 2z i g b e e 协议栈2 0 3 2 1 协议栈架构2 0 3 2 2 网络拓扑结构2 5 3 2 3 数据传输协议2 7 3 3 本章小结2 8 第四章校园智能节能系统方案设计2 9 4 1 传统的用电形式2 9 4 2 改进的用电形式2 9 i v 江苏大学硕士学位论文 4 2 1 教室用电3 0 4 2 2 机房用电3 2 4 2 3 办公区用电3 3 4 2 4 公共区域用电3 3 4 2 5 道路照明和夜间景观用电3 4 4 3 监控中心实现的功能3 5 4 3 1 室内监控功能3 5 4 3 2 室外监控功能3 6 4 3 3 监控终端功能实现3 7 4 3 4 监控流程3 7 4 4 手持设备实现功能3 9 4 5 本章小结3 9 第五章系统硬件及软件设计4 0 5 1 系统层次结构4 0 5 2 系统节点结构设计4 0 5 3 节点硬件设计4 2 5 3 1c c 2 4 3 0 芯片介绍4 3 5 3 2c c 2 4 3 0 芯片的引脚功能4 4 5 3 3c c 2 4 3 0 应用电路4 6 5 3 4c c 2 4 3 0 模块主要特性4 7 5 3 5 演示效果4 7 5 4 系统软件设计4 8 5 6 本章小结5 3 第六章网络间的通信5 4 6 1 系统通信需求分析5 4 6 2 z i g b e e 网络与i n t e m e t 网络的通信一5 4 6 2 1 以太网模块5 5 6 2 2z i g b e e 模块5 5 6 3 红外与z i g b e e 的互联：5 6 v 江苏大学硕士学位论文 6 4g p r s 无线通信模块5 8 6 5 本章小结6 0 第七章总结与展望6 l 7 1 全文总结6 1 7 2 研究展望6 3 参考文献6 4 致 谢6 7 攻读学位期间公开发表的学术论文- 6 8 v l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景、目的和意义 在全球信息技术快速发展的推动下，数字化校园工程已经成为高校信息化建 设的重中之重【i 】。所谓数字化校园，是以数字化信息和校园网为基础，在计算机 和网络等相关技术上建立起来的对教学管理、学生管理、行政管理、生活服务、 项目科研等等相关信息的采集、处理、存储和展示，使数字资源得到充分优化利 用的一种虚拟教育环境【2 】。目前，以数字化校园为特征的教育信息化发展十分迅 速，各种信息化应用正改变着教师和学生们的工作、学习、生活以及思维方式， 引发了教育行业一场新的变革。“一卡通”业务在很多学校也开始使用。在校师 生的认识能力和技术水平上了一个台阶，对于信息化工具的使用已变成为一种自 觉和自愿的行为，为数字化校园的进一步发展打下坚实的基础。然而，数字化校 园建设在重视实现对硬件( 设备、教室等) 、资源( 图书、课件等) 以及管理的数字 化同时往往忽略了一点，也是最重要的一点一节能。 ： 能源就是人类用来维持生存活动的能量来源。随着社会经济的发展，人类对 能源的需求越来越大。能源作为中国经济发展的动力，越来越受到两会的重视。 现如今，网络应用业务不断增多，网络应用也已拓展到社会各界的各行各业。 网络应用的范围在不断扩展，网络应用的深度也在不断加深。传统的网络应用一 般局仅仅限于数据的传输及应用，而现代的网络应用则更倾向人性化、智能化。 传统的网络应用强调数据的接收以及阅读，而现代的网络应用更多地要求通信的 实时性、交互性、大宽带等等特性。现代网络应用要求集中各种通信技术的优点， 相互协调、相互补充、共同作用，即融合多种通信技术，实现较为理想的网络应 用平台。 而近年来飞速发展的物联网( t h ei n t e m e to f t h i n g s ) ，也就是指“物物相连 的互联网”，通过射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 、传感器、全 球定位系统等，按约定的协议，把物品与网络连接起来，进行信息交换和通信， 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。由此可见，物联网以其突出的特 点更适合运用在校园节能网络上来。 江苏大学硕士学位论丈 在传统的校园网建设中，考虑较多的是系统网络的实用性，忽略了节能这一 重要原则，这就在一定程度上造成耗电量的增多，维护管理的成本加大，对人员 的要求提高，尤其在维护人员不是很多情况下。随着校园信息化建设日益完善， 已经不能仅仅满足于传统的校园网，应该更多的关注节能，所以，数字化校园的 改进在不少学校纷纷上马，节能校园网络建设也逐渐成了“关键词。 校园智能节能用电网络系统就是在其完成诸如教学管理、学生管理、行政管 理、生活服务、项目科研等相关信息的采集、处理、存储和展示的基本校园网络 的功能的同时更注重于源头上的节电，从教室里每一盏灯，每一台电脑，每一台 设备，每一台空调甚至室外每一架路灯抓起，看似不起眼的举动，着实能为节能 校园建设把关，为绿色校园建设增添力量。 数字化校园应该准确定位于智能校园的范畴，除了可以实现教职员工及广大 学生方便地在校园网上查询和处理与自己相关的信息，学校内部工作流管理以及 楼宇控制、灯光照明、仪器设备控制等系统都可以通过校园智能网做到可控制、 可管理、可查询，所有系统集中控制、数据集中存储，充分体现稳定、高效、智 能的特色1 3 j 。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 当前发展物联网是我国国民经济发展的大好机遇，它是未来我国经济发展最 重要推动力之一。 近二十年来，信息通信技术的大力发展，以及半导体技术的进步，为新的物 联网发展作出了贡献。在物联网发展的基础上，制造出符合不同要求和不同级别 的传感器、r f i d 芯片以及其它各种功能的终端。甚至在人工智能方面也有功能 强大的芯片可以选用。当前我们的互联网、电信网、广电网正向着三网融合的方 向发展，最终将为人类提供一个“无处不在”的泛在网，为物联网的全球无缝隙 连接提供了可能【4 】。人类逐渐认识到，要善待自己，首先就要善待地球，人类与 自然的联系变得空前的重要，我们要随时随地感知它们，了解它们的变化，并积 极采取措施，保护它们，也保护人类自己。 而关于节能校园的建设方面，中华人民共和国教育部于二o o 九年十月十五 同根据国家住房和城乡建设部、教育部、财政部的要求，为建立高等学校校园节 2 江苏大学硕士学位论文 能工作的长久机制，推进和深化节约型校园的建设颁布了高等学校校园建筑节 能监管系统建设技术导则，该导则自颁布之日起至今收到了较好的效果，北京 大学、清华大学、中山大学，南昌大学等等诸多高校纷纷积极响应并拙见成效。 “2 0 1 1 年，局机关和各学校( 单位) 要以2 0 1 0 年为基数，实现节水、节电、 节油、节气5 ，单位建筑面积能耗和人均能耗下降2 。十二五期间，确保 完成公共机构总能耗下降1 5 以下。”这是2 0 1 0 年1 2 月2 9 日下午本市教育局 召开的节能工作会议上对“节能校园”建设确定的硬指标。镇江市教育局制定 下发了节能工作实施意见，要求“在局机关、各学校( 单位) 建立能源消耗 统计报告制度，按照规定和要求如实记录能源消耗的原始数据并按期统计上报； 加强节能宣传并建立节能日常管理制度，加快推广节能新技术、新产品和新设施； 加强设施设备的科学维护，办公室、会议室尽量使用自然光照明，不用或少用照 明灯，并做到人走灯灭；严格执行空调室内温度控制标准，教室电风扇要有专人 管理，并做到人走随关；尽量减少开启电脑和使用计算机、打印机、复印机、饮 水机等办公室设备；大力推进电子政务建设，推行无纸化办公，推广使用网络传 递资料，提倡双面用纸；控制校园内路灯开关时间，不点长明灯；加强实验室、 活动室的节约和能耗管理，拒绝能源浪费。” 试想不如将一切耗电设备交给机器来控制，必然节省了大量的人力物力。也 就是说，物联网技术在节能校园建设中大有用武之地。 从国际上看，欧盟、美国、日韩等国都十分重视物联网的发展，并且已经作 出了大量研究开发和广泛的应用工作。如美国已把物联网建设当成重振经济的法 宝，所以非常重视物联网以及互联网的发展，它的核心是利用信息通信技术来改 变美国未来的产业发展模式和结构，包括金融、制造、消费和服务等方面，改变 企业和人们的交互方式，以更好的提高效率、灵活性和响应的速度。把信息通信 技术充分应用到各行各业当中，把感应器嵌入到全球每个角落，比如电网、铁路、 公路、市内交通、相关设备、工具等物体上。并充分利用网络和相关设备收集的 大量数据通过数据仓库、云计算和人工智能技术作出分析并给出相应的解决方 案。美国提出的“智慧地球、物联网和云计算”，也就是想要作为新一轮l t 技术 革命的领头羊。美国政府在经济刺激计划中提出的投资数百亿美元支持物联网发 展，目前美国在r f i d 、f p c g l o b a l 已取得主导地位，而国防部正在开展的“智能 3 江苏大学硕士学位论文 微尘更是在军事、民用两大方面对物联网进行全面的应用。 在欧盟方面，欧盟发展物联网先于美国，这是欧盟专家的说法，事实上欧盟 围绕物联网技术以及应用作了不少创新性工作。2 0 0 9 年布置的欧盟物联网行动 计划( i n t e m e to f t h i n g 卜a na c t i o np l a nf o re u r o p e ) ，其目的正是企图在“物 联网”的发展上引领全世界。在欧盟各大运营商和设备制造商是较为活跃的，他 们推动了机器与机器的技术和服务的发展，又推出了欧盟物联网战略研究线路 图。再来看看亚洲和同韩方面，均在2 0 0 4 年就已经启动泛在网国家战略，物联 网被纳入国家整体发展重点规划内容，把物联网应用、基础设施和技术产业发展 列入其优先行动议程【4 1 。 自从2 0 0 7 年由美国发起“大学校长气候问题应对联盟”，2 8 4 位美国大学校长 加盟并发表联合声明：宣布要将大学校园简称“碳中和”园区【5 】。由此拉开了国 际可持续校园建设的序幕。可持续校园建设国际联盟( i s c n ) 在同年成立，国 外很多知名大学，包括哈佛大学、麻省理工学院、苏黎世联邦理工学院、瑞典皇 家工学院、新加坡国立大学、东京大学、香港大学在内的全球3 0 余所著名大学及 研究机构陆续开展了可持续校园建设的一些实践，包括低能耗建筑、人感传感器、 节水便器、低流量喷淋头、校园能耗和水耗监管、公共交通等【5 】。在大学校园内 实施节能、节水、节地、节材等的倡导活动。其节能和减排效果已经得到了国际 学术界的公认。 由苏黎世联邦理工学院等世界知名大学发起的可持续校园建设国际联盟 ( i n t e r n a t i o n a ls u s t a i n a b l ec a m p u sn e t w o r k ，简称i s c n ) 创设于2 0 0 7 年，旨在联合 全球著名大学率先创建可持续发展校园，在高等教育的领域传播可持续发展理 念，在校园建设中普及可持续发展科技及相关管理技术，为引领人类社会可持续 发展以及倡导地球环境保护做出贡献。“可持续校园建设国际联盟第二届大会 于2 0 0 8 年4 月2 3 至u 2 5 日在瑞士苏黎世联邦理工学院召开，来自包括苏黎世联邦理 工学院、哈佛大学、麻省理工学院、瑞典皇家工学院、新加坡国立大学、香港大 学、东京大学、同济大学在内的全球3 0 余所著名大学及研究机构共计7 0 多人参加 了会议。同济大学是首次被邀参会的唯一来自中国大陆的大学，到目前为止已经 有很多内地高校加入“可持续校园建设国际联盟”。【5 】 洛桑理工学院成立于1 9 6 9 年，占地面积约5 5 h m 2 。在校园建设过程中，采用 4 江苏大学硕士学位论文 了大量可持续节能环保技术，如：湖水源热泵；高效能的建筑保温材料；绿色屋 顶；自然通风和采光；耐用材料等。与标准值7 0 0 - - 8 0 0 m j m 2 a 相比，该校平均 能耗水平低于平均水平的3 0 。在过去的2 5 年中，洛桑理工学院已经实现c 0 2 减 排量为2 5 0 0 0 0 t 。2 0 0 9 - - 2 0 1 1 年，a 学院将与瑞士罗曼德能源供应公司合作，建立 瑞士最大的太阳能光电中心，约2 0 0 0 0 m 2 ，2 m w 。 节能是全球化的目标，校园节能也在逐渐得到全球各界的积极响应，将物联 网应用于节能校园建设，势必将得到很好的效果。 1 3 论文研究的内容 本文的主要研究内容为智能节能校园用电系统。校园用电包含了很广泛的范 围，涉及到室内外照明、空调电扇耗电、仪器设备用电等等诸多方面。 在传统的楼宇自控系统中，一般只包括布线、计算机网络、消防、监控等子 系统。但是近年来，随着科技的不断进步，人们对各种用电设施的节能和科学化 管理提出了更高的要求，使用电控制在智能化领域的地位越来越重要。各大高校 和他们的建设者也应意识到智能用电的重要性。相对商业楼宇而言，校园里的大 功率动力和制冷设备比较少，照明灯具及其他小功率设施则相对比重更多。使用 用电节能控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理 水平。 主要研究工作为： 1 在物联网广泛应用的条件下，充分利用物联网网络优势将校园内所有用电 设备，包括室内照明、电气设备、路灯等，区别对待、统一管理、实时监控，构 建一个节能物联网。 2 设计多种嵌有红外、温度、感光等传感器的z i g b e e 节点，将这些节点分区 域连接到教室、机房、办公区、室外道路等区域的协调器节点，并经过g p r s 、 i n t e m e t 网络连接到校园总服务器。相关管理人员通过p c 界面或者手持设备对校 园用电设施实施监控，并根据实际需要，进行相关控制动作。 3 在对i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议进行了研究分析讨论基础上，给出z i g b e e 网络的组网方式以及控制方式，搭载相关各类传感设备后的通信方式，以及与 i n t e m e t 网络、红外、g p r s 等物联网技术相关网络间信息交换方式，以保证系统 5 江苏大学硕士学位论文 通信良好可用，并最终达到节能效果。 1 4 论文的组织 论文共分为七章，各章内容概括如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题研究的背景、目的和意义，国内外研究与发 展现状，主要研究内容以及论文的结构。 第二章主要对物联网技术进行了简介，从其定义及基本框架、物联网主要支 撑技术，以及物联网的广泛应用三个方面进行了阐述。 第三章则对本设计所应用的最主要的一种物联网支撑技术z i g b e e 技术及其 协议栈进行说明，涉及i e e e 8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 网络拓扑、配置文件、协议 栈结构等内容。 第四章是对系统整体的设计，首先，分析了现有的传统的校园内用电形势的 缺憾及不足，并从教室用电、机房用电、办公区域用电、公共区域用电以及道路 照明用电等等方面详述了改进的用电形式，其次，对监控中心所能实现的功能进 行说明，最后，阐述了手持设备的加入实现的功能。 第五章是对系统硬件及软件方面设计的研究。给出了系统整体的层次结构， 主要介绍了c c 2 4 3 0 的相关内容，最后对整体结构和通信流程进行介绍。 第六章的主要内容为在分析校园智能节能用电系统通信需求的基础上，从 z i g b e e 与i n t e r n e t 网络的连接、红外设备与z i g b e e 设备的连接，以及g p r s 技 术与他们的通信等方面进行研究。 第七章对全文工作做了总结，并进行了展望。 1 5 本章小结 本章为论文的绪论部分，叙述了课题的研究背景、目的和意义，国内外研究 现状与发展趋势，最后介绍了论文的主要研究内容以及论文的组织结构。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章物联网技术简介 2 0 0 5 年国际电信联盟( i t u ) 正式提出物联网概念。物联网是通过r f i d 设 备、红外感应器、传感器、监控摄录装置、激光扫描器、全球定位系统等信息传 感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信， 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络 7 1 。在这个网络中，物 品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。物联网概念的问世，打破了人们一 直将物理基础设施和i t 基础设施分开的思维惯性，它将新一代i t 技术充分运用 在各行各业之中。 2 1 物联网的定义及基本框架 作为新兴事物的物联网其实并不年轻，在近十年的发展历程中，不同的国家、 不同的组织机构，在不同的时期，都在关注着物联网。 现在人们对物联网的理解和定义因行业和工作的领域不同有很大的差别。有 人认为m 2 m 就是物联网，它是指机器到机器，没有人介入的物联网，正如专用 传感器网一样。m 2 m 网的结构比较的简单，终端等被一些网络连接到专用网上， 也可能连到互联网、电信网，然后再与控制和数据处理中心相联构成一个网，被 一些专家称之为物联网。但更有人认为，我们所讨论的物联网，是一种范围更宽、 更广的物联网，也可以说成是广义的物联网，在广义物联网中不仅仅是m 2 m ( 机 器对机器) ，还包括机器与人( m 2 p ) 、人与机器( p 2 m ) 、人与人( p 2 p ) 之间广 泛的通信。而在这个物联网中的机器，可以定义为网络上可获取各类信息的终端， 可以是传感器、p c 、r f i d 、手机、摄像头、电子望远镜等等终端，除此之外， 也会有一些人工智能终端。总的来说，能够感知到人类需要的各种类型的信息终 端，都会被连接到泛在网之上，泛在网囊括了当代的各种网络，如固定网络、无 线移动网络、互联网、电力网和其它的各种专网。并靠这些网络的整合把各种终 端和人联系在一起，构成一个任何时间、任何地点都可以取得任何服务的物联网。 物联网是通过射频识别( r f i d ) 、红外感应器，全球定位系统、激光扫描器 等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交 换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络【6 】。物联网 7 江苏大学硕士学位论文 又名“传感网 ，通过装置在各类物体上的传感器、电子标签、二维码等等，经 过接口与无线网络相连，从而给物体赋予一种智能，除了可以实现人与物体的沟 通和对话，还可以实现物体与物体间的沟通和对话。物联网定义图如下图2 - 1 所示。 巨亘画 图2 一l 物联网定义 物联网包括物联网感知层、物联网网络层，物联网应用层，如下图2 2 所示。 ( 1 ) 感知层：数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件以 及数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据等。物联网的数据采集涉及传 感器、r f i d 、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。 ( 2 ) 网络层：可以实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息高可靠 性、无障碍、高安全性的进行传送，它需要传感器网络与互联网等技术、移动通 信技术相融合。 ( 3 ) 应用层：主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中应用支撑 平台子层用于支撑跨应用、跨行业、跨系统应用之间的信息共享、协同、互通等 等功能。应用服务子层包括在智能交通、智能家居、智能医疗、智能电力、智能 物流等等行业上的广泛应用。 圆圆圆圆圆圆囤 蹙至驾愈蹙坚至玺弋= 二二二二二二型弋= 二二二= 爿弋= = 二二二二二二二二二二刘 匡璺蹙驾巳里 匡虱蹙驾皂驾 图2 2 物联网结构 8 等困墨王 江苏大学硕士学位论文 2 2 物联网支撑技术 物联网是一次技术革命，代表未来计算机和通信的走向，其发展依赖于在诸 多领域内活跃的技术创新。物联网的支撑技术则融合了z i g b e e 技术、传感器技 术、射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 、智能服务等多种技术。 2 2 1z ig b e e 技术 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低 功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术，是目前无线传感器网络的首选技术 之一【6 】。其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式，在此 基础上通过软件协议栈发展出易布建的大容量、不依赖现有通信网络和现有电力 网络的无线网络1 7 j 。 z i g b e e 技术并不是全新的、完全独有的标准。它的物理层、m a c 层采用了 无线个人区域网i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。它的 网络层、应用会聚层和高层应用规范是由z i g b e e 联盟进行制定的【8 】【9 】。 根据i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，z i g b e e 的工作频段分为3 个，在各频段上的 信道数目各不相同，并且这3 个工作频段相距较大，因而，在该项技术标准中， 各频段上的传输速率和调制方式也是各不相同的。3 个频段分别为8 6 8 m h z 、 9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中在2 4 g h z 频段上，分为1 6 个信道，该频段为全球通 用的工业、科学、医学( i s m ：i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段，且该频段为 免申请、免付款的无线电频段，在这个频段上，数据传输速率为2 5 0 k b p s ，另外 一个频段为8 6 8 m h z ，相应的，其信道数为1 0 个，传输速率为4 0 k b p s ，还有一 个频段为9 1 5 m h z ，信道数为1 ，传输速率为2 0 k b p s 。在网络的性能上，z i g b e e 设备可构造成星型网络、树状网络或者网状网络，也就是点对点网络，在z i g b e e 组成的每一个无线网络内，连续地址码可以分为1 6 b i t 短地址或者6 4 b i t 的长地 址，它们可容纳的最大网络设备的个数分别为2 1 6 个和2 6 4 个，后者较前者比， 有较大的网络容量。 在z i g b e e 无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接) k ( c s m a c a ) 方式， 这种方式能够有效地避免无线电载波之间的各种冲突，此外，为了保证数据传输 的可靠性，还建立了完整的应答通信协议。 9 江苏大学硕士学位论文 z i g b e e 设备是一种低功耗的设备，它的发射功率仅为0 到3 6 d b m ，通信距 离为3 0 m 到7 0 m ，具有链路质量指示和能量检测的能力，根据这些检测所得的 结果，设备可以自动调整它的发射功率，在保证通信链路质量的前提下，使消耗 设备消耗的能量达到最小。 为了能够保证z i g b e e 设备之间通信数据的安全性和保密性，对所传输的数 据信息进行加密处理，z i g b e e 技术采用的是一种密钥长度为1 2 8 位的加密算法。 z i g b e e 技术主要有以下6 个优点【1 0 】： ( 1 ) 能耗低：两节五号电池支持长达6 个月甚至2 年左右的使用时间。 ( 2 ) 高可靠：采用了碰撞避免的机制，同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用的时隙，避免了发送数据时的冲突和竞争。m a c 层采用了完全确认式 的数据传输机制，发送的每一个数据包都必须等待接收方的确认信息以保证信息 的安全。 ( 3 ) 成本低：目前模块成本仅在6 美元左右，随着用量逐渐增大，将有空 间降到1 5 美元到2 5 美元左右。除此之外，z i g b e e 技术的协议还是免专利费用 的。 ( 4 ) 时延短：针对时延敏感的应用做出了优化，从休眠状态激活的唤醒时 延和通信时延都非常短。 ( 5 ) 网络容量大：可支持多达6 5 5 0 0 个节点。 ( 6 ) 高安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查功能，加密算法采用a e s 一1 2 8