2010gdut硕士学位论文开题报告.doc

本表一式三份，由学生、所属学院、研究生处留存！硕士学位论文（设计）开题报告论文（设计）题目:智能家居ZigBee无线网及其嵌入式服务器的研究与实现学生学号、姓名:xxxxxxxxxx攻读学位类别:学术型工学硕士所学学科或专业或领域:信息与通信系统入学年月:2009年9月所属学院名称:信息工程学院指导教师姓名：xx教授广东工业大学研究生处二一年十月制16学生姓名王德才性别男身份证号码xxxxxxxxxxx攻读本硕士学位前学历本科已获最高学位类别本科已获学位授予单位xxxxxxxxx已获学位年月2009.7主要学习、工作经历起止年月所在单位任职2005.9至2009.72009.9至今Xxxxxxxxxxxxxx本科生硕士研究生论文（设计）所属类型（请单项选择打）1 基础研究 应用研究 综合研究 其他论文（设计）选题来源（请单项选择打） 973、863项目 国家社科规划、基金项目 教育部人文、社会科学研究项目 国家自然科学基金项目中央、国家各部门项目 省（自治区、直辖市）项目 国际合作研究项目 企、事业单位委托项目外资项目 学校自选项目国防项目 非立项 其他论文（设计）关键词（不超过5个）智能家居 ZigBee 无线传感器网络 嵌入式服务器属于导师科研项目名称自拟该项目来源及编号开题报告会组成人员姓名职称工作单位xxx副教授广东工业大学信息工程学院xxxx教授广东工业大学信息工程学院xxxx高级工程师广东工业大学信息工程学院一、选题依据（内容包括：课题来源、研究意义、国内外研究现状、参考文献综述）随着通信技术的快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等都迫切需要一种具备低成本、近距离、低功耗、组网能力强等优点的无线互联标准，ZigBee就是在这样的背景下应运而生的。ZigBee主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之间的无线通信。无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。ZigBee无线技术以其短距离、低速率、低时延、低功耗、低成本等优点弥补了无线技术的空缺，也满足了以传感器和自组织网络为代表的无线传感器网络的要求。无线传感器网络并不要求较高的带宽，但要求较低的时延与较低的功耗，ZigBee是无线传感网络最好的选择。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。利用嵌入式Web服务器将ZigBee无线传感网络与Internet连接起来可以实现对无线传感器网络的控制和管理，实现信息的融合处理，并将信息传输到互联网，从而实现对无线传感网络的远程监控。能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测和其他公共安全等诸多领域。研究的主要内容与意义根据ZigBee无线通信原理，设计一个基于ZigBee技术的无线传感器网络及其Web服务器，在智能家居中成熟应用，该系统要求能对远程的目标（空调、洗衣机、环境温度、光照等）进行网络监控，通过Internet网络实现远程监控功能，同时也能实现ZigBee局域网监控及状态显示，服务器根据用户需求对远程目标发出各种控制命令。国内外的研究现状与发展趋势： 传感器网络的研究起步于20世纪90年代未期。国际上，1999年和2003年著名的美国商业周刊和MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进行了研究和开发。1995年美国提出了“国家智能交通系统项目规划”，2002年美国英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过在鞋、家具以及家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。ZigBee是刚刚发展起来的，很有市场潜力的一种技术。它是为了满足低功耗、低成本的无线网络要求而诞生的，IEEE标准委员会在2000年12月份正式批准并成立了802154工作组，任务就是开发一个低数据速率的WAN(LR-WPAN)标准。它能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据速率的传输。它使用的频段是无需许可的，进一步降低了成本。它非常适合在一个有限的范围内进行数据通信。目前，各大国外IC厂商纷纷推出自己的ZigBee解决方案,在芯片方面主要有：Freescale的MCl3191、MCl3192和MCl3193，Microchip，Ember的EM250、EM260，Jennic的JN5121,TI，Chipcon的CC2420、2430、2530等。目前已有多款单芯片(将MCU和射频收发器集成在一起的芯片)的ZigBee SOC解决方案。国内目前在芯片方面只有台湾达盛公司(UBEC)开发出自己的芯片UZ2400，而更多的公司是在已有芯片的基础上进行二次开发，或者直接使用其它公司的产品。协议方面主要有Z-stack和ZigBee协议栈等。在ZigBee产品的开发上，国外的大公司一直走在前列：韩国SKTelecom公司在2005年10月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术为Ember公司提供的ZigBee无线技术；丹麦的NESA公司将凭借飞思卡尔半导体的ZigBee兼容平台在欧洲为自动读表系统(AMR)部署第一套支持ZigBee的系统；美国CompX公司己经成功开发出了可电脑外设上使用无线通信规格“ZigBee”的USB适配器，这种适配器嵌入了由CompX与日本冲电气工业共同开发的ZigBee单芯片收发机。国内在ZigBee产品的开发上起步比较晚，但是进展很快：深圳旭昂公司己经开发出多种ZigBee模块，并提供开发和演示平台；成都西谷曙光公司也开始提供自己的开发平台，同时开发了多种ZigBee模块(包括温度传感，门禁系统等)。目前也有很多大学和研究所也纷纷开始了ZigBee产品的研究，其中有中科院、清华大学、武汉大学、山东大学等。作为唯一的面向无线传感器网络的技术标准，ZigBee的目标是建立一个无所不在的传感器网络。从成立到现在，ZigBee联盟已经从最初的13家公司发展到100多家知名企业加盟的商业团体，在众多企业的追棒下，ZigBee技术呈现出蓬勃的发展趋势。同时，为了增强ZigBee标准的易用性和对大型网络的支持，ZigBee联盟已经批准在最初的协议栈规范中增加高级功能和更高灵活性能的ZigBee PRO框架堆栈，它在最初规范的基础上增加了网络可伸缩性、分解片段(分解较长消息和实现与其它协议和系统交互的能力)、频率捷变和自动设备寻址管理能力。未来的ZigBee 除了增强自身功能外，将向着更廉价、更省电、与IPV6结合的方面发展。根据最新的信息，一节电池工作3年的ZigBee产品已经面世，在日本的神户机场，所有ZigBee节点仅仅依靠一小块太阳能电池板供电。而随着应用的不断增加，更大的产量必然形成更低廉的价格；IPV6拥有巨大的地址空间，可以为每一个ZigBee节点分配一个全球唯一的网络地址，同时提供安全的通信保障和优良的QoS保证。技术概述：ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。ZigBee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。 ZigBee无线通信协议复杂性低、对资源要求少，特点突出，主要表现在以下方面：(1)低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及MAC层采用了休眠机制，ZigBee终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年；(2)低成本：通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价仅约2美元，而且ZigBee协议是免专利费的；(3)低速率：ZigBee工作在20.250Kbps的较低速率，满足低速率传输数据的应用需求；(4)近距离：传输范围一般介于10-100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km，这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远；(5)短时延：通信时延和从休眠状态激活的时延都比较短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合；(6)高容量：ZigBee可采用星型、树型和Mesh网络拓扑结构，由一个主节点管理若干个子节点，最多一个主节点可以管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65536个节点的网络；(7)高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据，同时采用高级加密标准AESl28的对称密钥，以灵活确定其安全属性；(8)数据传输的可靠性较高：由于ZigBee采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，从而避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层可以采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，保证了节点之间传输信息的高可靠性。 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式技术已经在通信、家电、数码产品等多个领域获得了广泛的应用。而另一方面，Internet技术的高速发展也推动着各个技术领域的变革和科技进步。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与Internet结合的技术正蓬勃发展。嵌入式Internet技术带动了设备和设备之间、设备和人之间的通信方式的变革，而研究实现嵌入式Internet的关键技术之一是嵌入式Web服务器的实现技术。嵌入式Web服务器，本身就是在嵌入式设备中运行的基于Web协议的服务器，以网页的形式为计算机提供嵌入式设备的状态、参数表示等信息，将Web服务器植入嵌入式系统后接入Internet。嵌入式Web服务器不仅可以利用浏览器提供的丰富的图形用户界面实现远程管理、监控嵌入式系统的功能，并且可以在服务器端结合嵌入式Web服务器提供的接口进行进一步开发。嵌入式Web服务器更易于和Internet实现无缝连接，它使得嵌入式设备的远程控制和管理方式都有了改变，不再需要专用的通信线路，传输的信息也不再局限于数据信息。嵌入式Web服务器，它为人们管理、控制和监测各种各样的设备提供了一个很好的途径，这种设备可以是具有有限内存资源的位或位系统，已足够提供一个用户界面，而且这种方式是基于Internet的，这种设备可以在世界上任何一个地方，只要它连入就能够控制它。主要参考文献：1 ZigBee Alliance. ZigBee Specification Version 1.0 EB/OL. http:/www.ZigB. 2004.2 李文仲，段朝玉ZigBee无线网络技术入门与实战M北京：北京航空航天大学出版社20073 Freescale Semiconductor inc. Freescale BeeStack Software Reference Manual. . 2007. 2.4 张令意 昂志敏 金海红新型无线通信技术ZigBeeJ合肥工业大学计算机与信息学院2007.1.5 邵志金ZigBee技术简介及其应用J深圳：深圳市金图旭昂通信科技有限公司2007.1.6 ZigBee技术引领无线数字新生活ZigBee联盟20047 朱小杰飞思卡尔Zig Bee射频芯片MC13192的原理与应用J电子世界2005第10期8 凌志浩ZigBee无线通信协议的技术支持及其应用前景J网络与通信：关注无线技术2006.1.9 张平，康桂霞，田辉等甚低功耗无线通信技术ZigBeeJ中兴通讯技术，2006.8.10 蒋挺、赵成林紫蜂技术及其应用M北京：北京邮电大学出版社200611 金纯、罗祖秋ZigBee技术基础及案例分析M北京：国防工业出版社200812 Freescale Semiconductor, inc. MC13192/MC13193 2.4GHz Low Power Transceiver for the IEEE 802.15.4 Standard Reference Manual. . 2006. 5.13 李秀萍，赵军辉ZigBee技术极其应用J广东通信技术2006,(04):10-12.14 凌志浩，郑丽国等ZigBee无线通信技术及其应用研究J华东理工大学学报2006.7.15 Freescale Semiconductor, inc. Freescale BeeStack Software Reference Manual. 12 Freescale Semiconductor, inc. MC9S08 GT60 Data Sheet. . 2004. 12.16 吴晓然基于MC13192的ZigBee系统设计J上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院2002.17 瞿雷一种新的无线网络通信技术ZigBee J单片机与嵌人式系统应用.2006.6.18 黄丽芬ZigBee无线通信技术及其应用J沿海企业与科技，2006.04.19 ZigBee Specification. ZigBee Alliance. 2005.06.20 张奇松,尹航. Z-Stack剖析及其在无线测温网络中的应用J.计算机系统应用，2009.2.21 岳宇君,曾维鲁. 基于无线传感器网络的监测系统J. 三峡大学学报 2007. 3.二、课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题研究目标：设计一个基于ZigBee技术的无线传感器网络及其Web服务器，采用多个具有ZigBee无线通信功能的传感器/执行器模块组成远程监测网络，该网络通过嵌入式Web服务器实现Internet对ZigBee网络各节点进行数据采集、控制、监控及状态显示，应用于智能家居中，如对空调、洗衣机、环境温度、光照等的状态检测与控制。主要内容：1、 深入了解ZigBee协议栈各层协议，包括媒介质接入层（MAC层）的信标管理机制，信道接入机制，保证时隙（GTS）管理机制，CSMA-CA机制，安全模式以及超帧结构；深入了解ZigBee网络层的网络路由协议，网络拓扑结构等。以及详细了解各层协议之间的接口。2、 研发ZigBee无线传感器网络节点，在硬件平台上移植ZigBee协议栈，完成节点电路设计。3、 研究ZigBee的组网形式，构建适合智能家居网络拓扑结构的ZigBee网络。在多子节点的情况下，研究该网络组网的可靠性与灵活性。4、 针对ZigBee网络智能家居的特性，结合Arm-Linux和Web技术，实现服务器平台的搭建，包括硬件的选型，操作系统和服务器的选择和移植，交叉编译环境的编译，同时，在该ARM平台上，构建ZigBee服务器硬件与软件平台，实现基于ZigBee的无线网关，通过嵌入式Web服务器实现Internet对ZigBee网络各节点进行数据采集、控制、监控及状态显示。5、 将ZigBee无线传感器网络应用于智能家居，实现对空调、洗衣机、环境温度、光照等状态的检测与控制。拟解决的关键问题：1、 ZigBee网络节点的芯片的选型和节点电路设计，完成ZigBee无线传感网络的硬件的搭建。2、 嵌入式WEB服务器的搭建。在ARM平台上实现嵌入式WEB服务器，充分了解嵌入式Linux 系统和TCP/IP协议，以及如何在ARM平台上编译和移植。3、 通过Internet访问WEB服务器对ZigBee无线传感网络进行远程控制，通过编写CGI程序实现 用户界面的绘制，串口的通信，实现嵌入式网关的功能。4、 增加子节点的个数，研究ZigBee网络的组网，构建星型网和网状网等网络拓扑结构的ZigBee网络，应用于智能家居。三、研究方法、技术路线、试验方案及其可行性论述研究思路：1、 研发具有ZigBee无线通信功能的网络节点和连接ZigBee局域网与Internet的服务器。2、 根据硬件平台，修改协议栈与硬件有关的代码，移植ZigBee协议栈。3、 移植嵌入式Linux系统和TCP/IP协议簇，构建嵌入式Web服务器，在ARM平台上实现与嵌入式网关。4、 在硬件平台上添加各类传感器、智能家电设备，编写应用层程序，实现联网通信和监控应用。5、 开发ZigBee服务器应用软件，采集ZigBee局域无线传感网络各节点数据，向Internet发布；通过Internet接收控制指令，向ZigBee局域无线传感网络各节点发送控制信息。6、 研究路由协议、网络拓扑算法。增加子节点的个数，研究该网络组网的可靠性与灵活性。采集更多的信息及扩大监控网络的覆盖范围。7、 调试与实验测试。可行性分析：1、硬件平台的可行性硬件平台：采用TI公司的CC2530 ZigBee的收发模块。在ARM平台上构建嵌入式WEB服务器，实现与Internet连接。2、软件应用的可行性集成开发环境 IAR EW8051可以编写程序、编译程序、调试程序、下载程序。开发环境为应用系统的软件开发设计提供了方便快捷的开发界面，使ZigBee协议栈的移植成为可能，并且对应用层程序的编译调试与下载，以及ZigBee通信方式的设置提供了现实可行的操作。PcZigbee网关Zigbee协调器测控系统终端1测控系统终端2internetZigbee网络Zigbee网络节点传感器执行器目标状态信息对目标的控制信号测控系统终端四、课题特色与创新性1、搭建一个应用在智能家居的ZigBee无线传感网络及其Web服务器，在ZigBee服务器/网关支持下，与Internet的连接，实现远距离对无线局域网络的访问，服务器可以采集ZigBee个节点的目标信息，并且可以向各个节点发送控制信息。2、摆脱传统有线，繁杂的布线，融合了ZigBee无线通信与测控系统，增加了整个系统的灵活性和可扩展性。五、研究计划进度和预期成果研究计划：2011年1月至2011年3月收集有关ZigBee的技术资料文档，包括ZigBee的技术标准、参数、组网方式，熟悉ZigBee收发模块软件和硬件。收集各类传感器和智能家居的相关资料。2011年4月至2011年7月研读ZigBee的应用和开发流程与相关的开发硬件