城市排水关键节点（检查井）污水流测量及智能井盖申报材料.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除编号：_2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料项目名称：城市排水关键节点（检查井）污水流测量及智能井盖申报学院：建筑与交通工程学院项目申报成员：冯思敏、范志汉、王庄、吕晓华、周玉菊、黄 云、曾春爱二一四年十一月桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛重点项目申报书A、 申报者情况申 报 者 情 况姓名冯思敏性别男出生年月1992.04现学历A A大学本科 B硕士研究生申报单位桂林电子科技大学建筑与交通工程学院 专业建筑环境与能源应用工程学号1301520212学制四 年作品全称城市排水关键节点（检查井）污水流测量及智能井盖合 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注范志汉男120152020813117735143建筑与交通工程学院有无合作者请在此说明： 有 无吕晓华女120022010418978334292信息与通信学院周玉菊女120058012515577395937商学院黄 云男130152021313667833226建筑与交通工程学院曾春爱女130152020613667836960建筑与交通工程学院王庄男120152022113367637484建筑与交通工程学院说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)B. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标目的与基本思路：当前，城市排水在线监测与管理中存在无法获取较全面的排水管网关键中间节点的污水流信息的问题，这严重制约排水系统优化调度控制的实现。同时，排水管网中的众多窨井盖时常出现丢失而无法有效管理的问题。本设计基于无线传感器网络，在排水检查井位置上设置智能节点，对污水流的水位和流量等的检测、井盖状态的检测、数据的无线网络传输、数据的管理以及数据挖掘等信息处理，从而实现对排水各关键结点位置（检查井）水流状态有效的实时监测，还能对井盖进行有效的管理。进而，为城市排水系统的淤堵及污水溢出预防、洪涝预警、优化调度控制、科学管理决策提供支持。创新点：（1）排水管网关键中间节点的水流参数与井盖状态监测综合考虑；（2）水流参数和井盖状态的低功耗检测；（3）支持多种智能节点的供电方式（太阳能、蓄电池等），适用多种实际场合的需求。（4）跨平台信息处理与信息展示，可实现管理计算机和手机终端登录到管理平台。技术关键：（1）在一定程度的紊流情况下，既保证检测参数的精度，又不影响管道的传输能力的流量与水位测量装置；（2）设计一种污水多参数复合传感器，并针对其设计相应的安装结构、参数换算与非线性补偿算法来提高测量精度和安装便利性；（3）设计相应的无线传感器网络和实时数据分析平台来提高污水监测系统的网络测控功能和分析决策能力；（4）低功耗节点设计技术、智能节电的电源技术、长时效网络技术、可靠数据传输技术。主要技术指标：（1）检查井输入输出流量（速）测量的最小最小深度2cm，量程-1.526.10m/s，准确度3；（2）液位测量准确度5；（3）节点测量最大总功耗小于100mA；（4）采集时间可设置，默认每15分钟记录一次液位数据和一次速度数据；（5）现场节点可以存储60天的数据；（6）太阳能与电池混合供电的节点实现长效、不间断供电；传感器电池供电的节点可连续工作6个月；（7）提供基于数据库、web技术、安卓手机终端的监控软件。作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明和参考文献资料)对照现有城市排水系统中的监测装置和信息管理模式，本作品的科学性、先进性体现在：（1）利用无线传感器网络技术实现城市排水检查井节点的多参数低功耗检测、数据远传。解决了当前城市排水系统运行管理中缺乏重要运行数据、的问题；（2）针对排水系统网络各个节点重要性、实际条件等不同的情况，研制多种智能节点的供电装置。解决了现有排水参数检测中供电方式单一、无法长效供电等问题；（3）装置涵盖了井盖状态的监测与管理，可以很方便地了解各井盖处于什么状态（修建中，使用中，维护中，报废，丢失）。解决了当前排水系统井盖难以有效管理的问题。参考文献：1 卢丹.固液两相流体的超声波多普勒流量计研究D.河南理工,20082 杨朝虹,李焕.新型液位检测技术的现状与发展趋势J. 工矿自动化,2009,(6):61-643 段渭军，李晓辉，章宇尘.低功耗、长时效、可靠传输的无线传感器网络技术现状及进展J.文物保护与考古科学,2011,23(3):66-73作品所处阶段 A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式 实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测本作品的技术特点和优势体现在：（1）实现水流参数检测与井盖状态监测综合考虑，节约成本，功能全面；（2）实现对水流参数和井盖状态的低功耗检测，以及传感器网络的长寿命运行；（3）灵活的智能节点供电方式，可满足多种实际场合的需求。（4）跨平台信息处理与信息展示，可实现管理计算机和手机终端登录到管理平台。本作品的适应范围：城市排水管网系统中检查井的水流参数检测与井盖状态监测，有望推广到泵站、蓄水池等其他排水系统关键节点中应用。其中低功参数检测、长寿命传感器网络等共性技术可以推广到其他城市公共系统（如城市供水系统、交通系统等）中。市场分析和经济效益预测：实际城市排水管网系统中存在众多的中间节点，需要能够实现有效的排水参数检测，并对众多的井盖等公共设施进行有效管理，可见本作品应用前景广泛。本作品的推广应用，可提高城市排水系统的科学管理水平和优化运行控制能力，进而实现系统的节能与环保，因此将带来重大的社会效益和经济效益。专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项作品说明书目 录第1章 概述1.1研究背景。-81.2国内外研究现状。-91.3研究意义。-91.4主要研究内容。-101.5研究方案。-10第2章 关于数据采集方面的无线传感器测量技术2.1污水流数据采集的无线传感器测量技术-112.2井盖状态的监控和处理-122.3井盖的数据采集-13第3章 基于zigbee系统的数据传输3.1 普通节点与关键节点的设置-133.2 节点间的数据传输-25第4章 数据处理的依据和数据的应用4.1数据的存储（建立数据库）-304.2 数据处理的依据-31第5章 数据的在终端的查看5.1 数据在pc机上的显示内容-33第6章 对各节点传感器的供能及对节点的维护工作6.1 对普通节点和关键节点的供能-346.2 对节点的维护-35第7章 对井盖的防盗保护7.1 外部监控器的监控-367.2 内部信号发射器的位置监控-37第8章 该项目的意义和价值第1章 概述1.1研究背景 随着城市建设步伐的加快，我们不管在繁华都市的街道，还是普通的住宅小区，亦或是正在施工的工地，都能见到各类井盖的身影。井盖是通往地下设施的出入口顶部的封闭物，凡是安装自来水、电信、电力、燃气、热力、消防、环卫等公用设施的地方都需要安装井盖。尤其是近年来，国家加大对基础设施投资的力度，城市改造和新建电线、电缆、光缆改露天为地下，因此对井盖的需求大增，井盖数量也变得数不胜数。而现在城市建设中使用的井盖80%以上均为铸铁井盖，由于铸铁井盖具有回收价值，有些不法分子见有利可图，便将井盖偷盗后获取不义之财。井盖被盗，不仅使国家财产蒙受直接损害，更为可怕的是，其严重影响了市民的出行安全。有些污水井、电信井深达五六米，井盖缺失很有可能对市民造成人身伤害，甚至生命危险，曾经就有报道称：65岁老人因跌入井内造成死亡，导致管理部门面临巨额赔偿。由此可见，其社会危害性远大于井盖修补更新所带来的经济损失。不仅如此，井盖丢失还直接影响到各个管理部门的管理水平，甚至还将影响到整个城市的形象。据资料显示，迄今为止，仅市城管局排污管理处今年共丢失了80多个污水井盖，损失数十万元，而中国网通烟台分公司在市区范围内一个月之内就丢失通信人孔井盖30余个。市城管局公用事业投诉中心接到的热线投诉表明，每到秋冬季节，老百姓关于窨井井盖被盗，对人身体或车辆造成伤害的投诉事件逐渐增多。并且，随着城市化进程的加快，各种工业工厂的兴起，城市的污水也在不断的增多。因此，智能井盖应运而生。他可以有效改善井盖被盗难题，而且对于污水流量的检测也可以做到实时监控，对构成城市智能化管理有重大意义！1.2研究意义当前，城市排水在线监测与管理中存在无法获取较全面的排水管网关键中间节点的污水流信息的问题，这严重制约排水系统优化调度控制的实现。同时，排水管网中的众多窨井盖时常出现丢失而无法有效管理的问题。本设计基于无线传感器网络，在排水检查井位置上设置智能节点，对污水流的水位和流量等的检测、井盖状态的检测、数据的无线网络传输、数据的管理以及数据挖掘等信息处理，从而实现对排水各关键结点位置（检查井）水流状态有效的实时监测，还能对井盖进行有效的管理。进而，为城市排水系统的淤堵及污水溢出预防、洪涝预警、优化调度控制、科学管理决策提供支持。1.3主要研究内容（1） 在一定程度的紊流情况下，既保证检测参数的精度，又不影响管道的传输能力的流量与水位测量装置。（2） 设计一种污水多参数复合传感器，并针对其设计相应的安装结构、参数换算与非线性补偿算法来提高测量精度和安装便利性。（3） 设计相应的无线传感器网络和实时数据分析平台来提高污水监测系统的网络测控功能和分析决策能力。（4） 低功耗节点设计技术、智能节电的电源技术、长时效网络技术、可靠数据传输技术。1.4 国内外研究现状就城市污水及雨水排放管网系统而言，由于其特殊的管道和明渠条件、流量、和工作水环境的要求，测量水流流量常用压力差法、超声法、和电磁法。压力差法测量水流通过在某装置时压力或水位的降低，利用水流的能量原理，将压差换算成流量。由于这种方法只测量压力或水位，测量方法和测量系统都很简单，测量数据相对可靠，在条件许可时常常是最佳的选择。但往往由于这种方法需要通过外在的改变水流的装置，在装置两侧产生明显可测量到的压差，有时难以实行。超声法，和电磁法测量水流截面面积和流速在该面上的分布，将其换算成流量。超声法，和电磁法由于牵扯到流速及其分布的测量，可靠性和精度上都受到很大的限制。在无压管道中，这些方法不仅需要测量流速分布，还要测量水位，任何水位和流速测量的问题都会导致采集到数据的错误。1.5研究方案： 本课题宜采用如下研究方案；数据采集数据传输数据处理数据查看。（1）数据采集包括污水流的数据采集和井盖的数据采集。（2）数据传输包括：普通节点与普通节点之间的数据传输、普通节点与关键节点之间的数据传输、关键节点与关键节点之间的数据传输。（3）数据处理包括：井盖的数据处理和污水流的数据处理（4）数据查看包括：井盖的数据查看和污水流的数据查看。第2章 关于数据采集方面的无线传感器测量技术2.1污水流数据采集的无线传感器测量技术无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。当前，城市排水在线监测与管理中存在无法获取较全面的排水管网关键中间节点的污水流信息的问题，这严重制约排水系统优化调度控制的实现。利用无线传感器测量技术可以有效地避免这些弊端，可以更加方便和快捷的收集数据。2.2井盖状态的监控和处理电力、通信、市政井盖以及地下线缆设施的管理已经成为当前我国安防领域急需攻克的一个难题，其中，安装简便成本低的前置传感装置和信号传输、控制技术是关键。针对井盖管理及被盗严重的情况，我们提出一整套井盖监控管理解决方案，利用先进技术，对非法打开井盖行为启动报警上传到报警中心，报警中心软件根据井盖的编号和地图，及时显示上报告警及被打开井盖所处位置，值班人员根据警情立即通知相关领导及维护人员到现场处理，抓捕盗贼，并及时的对被盗井盖实施修补，从而快速地解决安全遗患。其有以下特点：1、实时监控：实时监控管道井盖的开启情况。2、远程查询：井盖监控管理系统 定期对下位机及线路中的设备进行巡检，自动诊断链路故障。3、远程管理：远程主控布防、撤防，集中管理，安全保密。4、通讯方式：利用现有或铺设铜缆线路组建通讯网络或者无线GSM公网。5、操作简单：维护人员可以在最短的时间内熟练应用系统软件。6、管理方便：井盖故障的显示和存档，在电子地图上对辖区内管道井的各种故障，进行显示，并自动存储系统数据库中。7、超大范围报警：可以实现对大区域范围内甚至整个城区每个井盖的联网管理。8、高效出警、精确打击：井盖监控管理系统指挥平台能确保快速出警，实现精确打击的目标，以预防为主，将财产损失减少到最小限度。9、性能稳定：系统高稳定性，保证设备正常运转；硬件内置看门狗控制器，提高系统的可靠性。10、防水防腐：具有防水、防锈、防腐蚀、防泥沙设计。2.3井盖的数据采集本产品采用的是无线传感技术，井盖的数据采集有以下几点步骤：（1）利用无线传感器网络技术实现城市排水检查井节点的多参数低功耗检测、数据远传。（2）通过电脑和手机上的App软件实现数据的读取和管理。（3）对于收集到的数据，通过电脑的远程控制对井内的水位和相关情况进行实时的管理和调节第3章 基于zigbee系统的数据传输3.1 关于zibee系统一、引言近年来，各种无线通信技术迅猛发展，极大提高了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，能否在近距离范围内实现各种设备之间的无线通信?纵观目前发展较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但耗费较多资源，成本也比较高，并不适用于短距离无线通信的场合。蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但是其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。本文介绍了一种复杂度、成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术ZigBee。该技术主要针对低速率传感器网络而提出，它能够满足小型化、低成本设备(如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等)的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业和日常生活中。二、ZigBee技术的特点及应用ZigBee技术主要用于无线个域网(WPAN)，是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的。IEEE802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制(MediaAccessControl，MAC)层;ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。ZigBee联盟成立于2001年8月，该联盟由Invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，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，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和QoS(服务质量)要求不高的无线通信应用场合。ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：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。低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。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，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。传输范围小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10-75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。数据传输速率低：2.4GHz频段为250kb/s，915MHz频段为40kb/s，868MHz频段只有20kb/s。数据传输的可靠性由于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。ZigBee的出现将给人们的工作和生活带来极大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技术优势，适合的应用领域主要有：家庭和建筑物的自动化控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制以使其更加节能、便利，烟尘、有毒气体探测器等可自动监测异常事件以提高安全性;消费性电子设备：电视、DVD、CD机等电器的*(含ZigBee功能的手机就可以支持主要遥控器功能)。PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等;工业控制：利用传感器和ZigBee网络使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易;医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等;交互式玩具。三、ZigBee协议栈ZigBee协议栈结构(图1)是基于标准OSI七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。图1 ZigBee协议栈IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频(DirectSequenceSpread Spectrum，DSSS) 技术。868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s;902MHz928MHZ频段有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用BPSK调制。2.4GHz2.4835 GHz频段有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制。为了提高传输数据的可靠性，IEEE 802.15.4定义的媒体接入控制(MAC)层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。四、ZigBee网络配置低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和 FFD通信，RFD之间是无法通信的。RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点，ZigBee中也称作ZigBee协调点。一个ZigBee 网络只有一个PAN协调点。通常，PAN协调点是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间(POS)中充当协调点，但它仍然受PAN协调点的控制。ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。五、ZigBee网络的拓扑结构ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状(mesh)网和混合网。星型网(图2-a)是由一个PAN协调点和一个或多个终端节点组成的。PAN协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点(终端节点)一般为RFD，分布在PAN协调点的覆盖范围内，直接与PAN协调点进行通信。星型网通常用于节点数量较少的场合。Mesh网(图2-b)一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。图2 ZigBee拓扑结构Mesh网可以通过FFD扩展网络，组成Mesh网与星型网构成的混合网(图2-C)。混合网中，终端节点采集的信息首先传到同一子网内的协调点，再通过网关节点上传到上一层网络的PAN协调点。混合网都适用于覆盖范围较大的网络。六、ZigBee组网技术ZigBee中，只有PAN协调点可以建立一个新的ZigBee网络。当ZigBeePAN协调点希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调点会为新网络选择一个PAN标识符(PAN标识符是用来标识整个网络的，因此所选的PAN标识符必须在信道中是唯一的)。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，此后，如果另一个ZigBee协调点扫描该信道，这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。另外，这个ZigBee协调点还会为自己选择一个16bit网络地址。ZigBee网络中的所有节点都有一个 64bitIEEE扩展地址和一个16 bit网络地址，其中，16bit的网络地址在整个网络中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。ZigBee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。如果网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以进行孤立通知过程重新加入网络。网络中每个具备路由器功能的节点都维护一个路由表和一个路由发现表，它可以参与数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其它节点来扩展网络。ZigBee网络中传输的数据可分为三类：周期性数据，例如传感器网中传输的数据，这一类数据的传输速率根据不同的应用而确定;间歇性数据，例如电灯开关传输的数据，这一类数据的传输速率根据应用或者外部激励而确定;反复性的、反应时间低的数据，例如无线鼠标传输的数据，这一类数据的传输速率是根据时隙分配而确定的。为了降低ZigBee节点的平均功耗，ZigBee节点有激活和睡眠两种状态，只有当两个节点都处于激活状态才能完成数据的传输。在有信标的网络中，ZigBee协调点通过定期地广播信标为网络中的节点提供同步;在无信标的网络中，终端节点定期睡眠，定期醒来，除终端节点以外的节点要保证始终处于激活状态，终端节点醒来后会主动询问它的协调点是否有数据要发送给它。在ZigBee网络中，协调点负责缓存要发送给正在睡眠的节点的数据包。 组网方案设计：组建一个完整的zigbee网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点加入网络，其中节点加入网络又包括两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。 网络初始化：Zigbee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个zigbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求：1.节点是FFD节点，具备zigbee协调器的能力；2.节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个zigbee网络中有且只有一个网络协调器。网络初始化的流程如下：1.确定网络协调器，首先判断节点是否是FFD节点，接着判断此FFD节点是否在其他网络里或者网络里是否已经存在协调器。通过主动扫描，发送一个信标请求命令（Beacon request command），然后设置一个扫描期限（T_scan_duration），如果在扫描期限内都没有检测到信标，那么就认为FFD在其pos内没有协调器，那么此时就可以建立自己的zigbee网络，并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去。2.进行信道扫描过程。包括能量扫描和主动扫描两个过程：首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测，以避免可能的干扰。以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，抛弃那么些能量值超出了可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道。接着进行主动扫描，搜索节点通信半径内的网络信息。这些信息以信标帧的形式在网络中广播，节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧，然后根据这些信息，找到一个最好的、相对安静的信道，通过记录的结果，选择一个信道，该信道应存在最少的zigbee网络，最好是没有zigbee设备。在主动扫描期间，mac层将丢弃phy层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。3.设置网络ID。找到合适的信道后，协调器将为网络选定一个网络标识符（PAN ID，取值=0x3FFF），这个ID在所使用的信道中必须是唯一的，也不能和其他zigbee网络冲突，而且不能为广播地址oxFFFF（此地址为保留地址，不能使用）。PAN ID可以通过侦听其他网络的ID然后选择一个不会冲突的ID的方式来获取，也可以人为的指定扫描的信道后来确定不和其他网络冲突的PAN ID。在zigbee网络中有两种地址模式：扩展地址（64位）和短地址（16位），其中扩展地址由IEEE组织分配，用于唯一的设备标识；短地址用于本地网络中设备标识，在一个网络中，每个设备的短地址必须唯一，当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址来通信。对于协调器来说，短地址通常设定为0x0000；上面步骤完成后，就成功初始化了zigbee网状网络，之后就等待其他节点的加入。节点入网时将选择范围内信号最强的父节点（包括协调器）加入网络，成功后将得到一个网络短地址并通过这个地址进行数据的发送和接收，网络拓扑关系和地址就会保存在各自的flash中。节点通过协调器加入网络：当节点协调器确定之后，节点首先需要和协调器建立连接加入网络。考虑到网络的容量和FFD/RFD的特点，本文只讨论FFD节点情况，FFD节点与协调器连接加入网络的流程图：为了建立连接，FFD节点需要向协调器提出请求，协调器接收到节点的连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的节点做出响应，节点与协调器建立连接后，才能实现数据的收发。具体的流程可以分为下面的步骤：1.查找网络协调器。首先会主动扫描查找周围网络的协调器，如果在扫描期限内检测到信标，那么将获得了协调器的有关信息，这时就向协调器发出连接请求。在选择合适的网络之后，上层将请求mac层对物理层和mac层的phyCurrentChannel、macPANID等PIB属性进行相应的设置。如果没有检测到，间隔一段时间后，节点重新发起扫描。2.发送关联请求命令（Associate request command）。节点将关联请求命令发送给协调器，协调器收到后立即回复一个确认帧（ACK），同时向它的上层发送连接指示原语，表示已经收到节点的连接请求。但是这并不意味着已经建立连接，只表示协调器已经收到节点的连接请求。当协调器的mac层的上层接收到连接指示原语后，将根据自己的资源情况（存储空间和能量）决定是否同意此节点的加入请求，然后给节点的mac层发送响应。3.等待协调器处理。当节点收到协调器加入请求命令的ACK后，节点mac将等待一段时间，接受协调器的连接响应。在预定的时间内，如果接收到连接响应，它将这个响应向它的上层通告。而协调器给节点的mac层发送响应时会设置一个等待响应时间（T_ResponseWaitTime）来等待协调器对其加入请求命令的处理，若协调器的资源足够，协调器会给节点分配一个16位的短地址，并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令，则此节点将成功的和协调器建立连接并可以开始通信。若协调器资源不够，待加入的节点将重新发送请求信息，直接入网成功。4.发送数据请求命令。如果协调器在响应时间内同意节点加入，那么将产生关联响应命令（Associate response command）并存储这个命令。当响应时间过后，节点发送数据请求命令（Data request command）给协调器，协调器收到后立即回复ACK，然后将存储的关联响应命令发给节点。如果在响应时间到后，协调器还没有决定是否 同意节点加入，那么节点将试图从协调器的信标帧中提取关联响应命令，成功的话就可以入网成功，否则重新发送请求信息直到入网成功。5.回复。节点受到关联响应命令后，立即向协调器回复一个确认帧（ack），以确认接收到连接响应 命令，此时节点将保存协调器的短地址和扩展地址，并且节点的MLME向上层发送连接确认原语，通告关联加入成功的信息。节点通过已有节点加入网络，当靠近协调器的FFD节点和协调器关联成功后，处于这个网络范围内的其他节点就以这些FFD节点作为父节点加入网络了，具体加入网络有两种方式，一种是通过关联（associate）方式，就是待加入的节点发起加入网络；另一种是直接（direct）方式，就是待加入的节点具体加入到那个节点下，作为该节点的子节点。其中关联方式是zigbee网络中新节点加入网络的主要途径，对于一个节点来说只有没有加入过网络的才能进行加入网络。在这些节点中，有些是曾经加入过网络中，但是却与它的父节点失去联系（这样的被称为孤儿节点），而有些则是新节点。当是孤儿节点时，在它的相邻表中存有原父节点的信息，于是它可以直接给原父节点发送加入网络的请求信息。如果父节点有能力同意它加入，于是直接告诉它的以前被 分配的网络地址，它便入网成功；如果此时它原来的父节点的网络中，子节点数已达到最大值，也就是说网络地址已经分配满，父节点便无法批准它加入，它只能以新节点身份重新寻找并加入网络。而对于新节点来说，他首先会在预先设定的一个或多个信道上通过主动或被动扫描周围它可以找到的网络，寻找有能批准自己加入网络的父节点，并把可以找到的父节点的资料存入自己的相邻表。存入相邻表的父节点的资料包括zigbee协议的版本、堆栈的规范、PAN ID和可以加入的信息。在相邻表中所有的父节点中选择一个深度最小的，并对其发出请求信息，如果出现相同最小深度的两个以上的父节点，那么随机选取一个发送请求。如果相邻表中没有合适的父节点的信息，那么表示入网失败，终止过程。如果发出的请求被批准，那么父节点同时会分配一个16位的网络地址，此时入网成功，子节点可以开始通信。如果请求失败，那么重新查找相邻表，继续发送请求信息，直到加入网络或者相邻表中没有合适的父节点。32 节点设计基于Zigbee技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地。同时，Zigbee规范与协议日臻完善。从zigbee1.0、Zigbee1.1到目前最新的Zigbee2007/pro，Zigbee协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求。2 设计要求2.1 Zigbee网络结构从网络结构上看，Zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点(ep)、路由器节点(rp)和协调器节点(cp)3种。其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。这就要求Zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。从功能上，Zigbee节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块组成。其中，包括dma、usart模块、定时器模块、a/d模块在内的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，cpu实现数据的运算与处理，mac定时器用于实现网络同步，使用aes技术对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。2.2 Zigbee网络节点设计要求(1)可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。2.4ghz频段是ieee 502.15.4定义的工作在ism频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。(2)体积小，成本低，易于大规模布建。zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的Zigbee网络节点有较高的性价比。(3)可靠性。与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题，Zigbee网络是工作在2.4ghz ism频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。(4)通用性。布建Zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是i/o操作和a/d操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。(5)低功耗，支持电池供电。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。典型的zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。Zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。3 硬件设计3.1芯片选型Zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成Zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及Zigbee2007协议栈的正常运行。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。设计选用ti公司最新Zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz频段，是符合ieee 802.15.4规范的真正片上系统解决方案，也是目前众多Zigbee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。其主要特性如下：(1)片内集成增强型高速8051内核处理器，支持代码预取;256kflash程序存储器，支持最新Zigbee2007pro协议;8k数据存储器;支持硬件调试。(2)支持2v-3.6v供电区间，具有3种电源管理模式：唤醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中断模式0.4ua。包括处理器和智能片内外设在内的模块，具有超低功耗的特点。(3)片内集成5通道dma;mac定时器;1个16位、两个8位普通定时器;32khz睡眠定时器;电源管理与片内温度传感器;8通道12位ad转换器;看门狗等智能外设。高密度集成化电路节约设计成本。(4)应用范围包括2.4g-hz ieee 802.15.4系统、rf4ce远程控制系统、Zigbee网络、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗wsn等领域。3.2硬件整体设计在网络节点硬件平台中，cc2530需要实现的功能以及外围模块主要有3个部分：通过a/d口控制传感器模块进行数据采集;控制无线rf模块完成数据收发;通过i/o口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过i/o口与微处理器相连，通过rs232接口可实现网络节点与pc机的通信。由于cc2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32mhz无源晶振以及32.768khz时钟晶振;无线rf模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧鞭状负极性天线。为了更好提高芯片内部电压精度，输入电压应采用调制后的3.3v稳压电源，接内部参考电压的外围电阻r301精度要在0.5%以上，且选用质量较好的电感、电容等器件。为了指示网络节点的运行状态，在硬件设计中加入两个状态指示灯，使用220欧的限流电阻，分别接在微处理器芯片的p10、p11口，用于指示设备入网、退网等状态，方便开发人员观察，指示灯为可选电路，可根据需求选择使用。3.3 pcb设计cc2530的Zigbee网络节点pcb设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美观;在数字信号线走线上做到自然、平滑;高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性;节点接口分布采用ti标准接口形式，结构稳固可靠。由于cc2530集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的外围辅助电路3，因此pcb的设计要完全适合无线传感器网络应用。pcb板的尺寸为长宽高25mm41mm1.6mm，接口为112双排插针，间距2.54mm。接口管脚定义为ti的标准接口。3.4 硬件测试经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离120米;最大输出功率10dbm;接收灵敏度-97dbm;功耗方面：接收模式24ma，发送模式29ma，低功耗模式0.4ua。该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口和1个rs232接口。第4章 数据处理的依据和数据的应用4.1 数据的存储（建立数据库） 建立access数据库用来存储数据。它具有界面友好、易学易用、开发简单、接口灵活等特点，是典型的新一代桌面数据库管理系统。其主要特点如下： (1)完善地管理各种数据库对象，具有强大的数据组织、用户管理、安全检查等功能。 (2)强大的数据处理功能，在一个工作组级别的网络环境中，使用Access开发的多用户数据库管理系统具有传统的XBASE（DBASE、FoxBASE的统称）数据库系统所无法实现的客户服务器(Cient/Server)结构和相应的数据库安全机制，Access具备了许多先进的大型数据库管理系统所具备的特征，如事务处理/出错回滚能力等。 (3)可以方便地生成各种数据对象，利用存储的数据建立窗体和报表，可视性好。 (4)作为Office套件的一部分，可以与Office集成，实现无缝连接。 (5)能够利用Web检索和发布数据，实现与Internet的连接。 Access主要适用于中小型应用系统，或作为客户机/服务器系统中的客户端数据库。提示：只有你的空间支持ASP，一般都支持ACCESS，ACCESS数据库一般免费，适合中小型网站。4