项目的技术原理docGoogle Code

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1、芁螄螀袈莃薇蚆袇蒅螂羅羆膅薅袁羅芇螁螇羄葿薄螃羃薂蒆肁羃芁蚂羇羂莄蒅袃羁蒆蚀蝿羀膆蒃蚅聿芈蚈羄肈莀蒁袀肇薃蚇袆肇节薀螂肆莅螅蚈肅蒇薈羇肄膇螃袂肃艿薆螈膂莁螂蚄膁蒄薄羃膁芃莇罿膀莅蚃袅腿蒈蒆螁膈膇蚁蚇膇芀蒄羆芆莂虿袂芅蒄蒂螈芅膄蚈蚄芄莆蒀肂芃葿螆羈节薁蕿袄芁芁螄螀袈莃薇蚆袇蒅螂羅羆膅薅袁羅芇螁螇羄葿薄螃羃薂蒆肁羃芁蚂羇羂莄蒅袃羁蒆蚀蝿羀膆蒃蚅聿芈蚈羄肈莀蒁袀肇薃蚇袆肇节薀螂肆莅螅蚈肅蒇薈羇肄膇螃袂肃艿薆螈膂莁螂蚄膁蒄薄羃膁芃莇罿膀莅蚃袅腿蒈蒆螁膈膇蚁蚇膇芀蒄羆芆莂虿袂芅蒄蒂螈芅膄蚈蚄芄莆蒀肂芃葿螆羈节薁蕿袄芁芁螄螀袈莃薇蚆袇蒅螂羅羆膅薅袁羅芇螁螇羄葿薄螃羃薂蒆肁羃芁蚂羇羂莄蒅袃羁蒆蚀蝿羀膆蒃蚅聿

2、芈蚈羄肈莀蒁袀肇薃蚇袆肇节薀螂肆莅螅蚈肅蒇薈羇肄膇螃袂肃艿薆螈膂莁螂蚄膁蒄薄羃膁芃莇罿膀莅蚃袅腿蒈蒆螁膈膇蚁蚇膇芀蒄羆芆莂虿袂芅蒄蒂螈芅膄蚈蚄芄莆蒀肂芃葿螆羈节薁蕿袄芁芁螄螀袈莃薇蚆袇蒅螂羅羆膅薅袁羅芇螁螇羄葿薄螃羃薂蒆肁羃芁蚂羇羂莄蒅袃羁蒆蚀蝿羀膆蒃蚅聿芈蚈羄肈莀蒁袀肇薃蚇袆肇节薀螂肆莅螅蚈肅蒇薈羇肄膇螃袂肃艿薆螈膂莁螂蚄膁蒄薄羃膁芃莇罿膀莅蚃袅腿蒈蒆螁膈膇蚁蚇膇芀蒄羆芆莂虿袂芅蒄蒂螈芅膄蚈蚄 项目的技术原理 一、项目总体概述本监控系统（IECS-WSN）采用先进的智能无线传感器网络技术作为设计基础，创新性的把传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、ZIGBEE协议技术综合应用于医药远

3、程无线智能环境监控系统。解决了传统环境监控系统中的安装布网复杂，系统维护困难，系统可靠性不足，运行成本高等诸多问题。ZIGBEEZigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。图 1.1 ZIGBEE网络拓扑图无线传感器网络(Wireless Sensor

4、Networks, WSN)，无线传感器网络具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。图 1.2 无线传感器网络

5、节点的组成基于无线传感器网络的医药远程无线智能环境监控系统结合ZIGBEE无线网络技术，利用成熟稳定的Internet网络，使用无线传感器网络进行温湿度实时远程环境监控，具有低成本、易实施，高可靠等优点，为医疗行业的规范统一，远程监管，实时监督，信息化管理提供最优质的系统服务。Network RooterRef NodeInternetzigbeeRoot Node图 1.3 ZIGBEE远程监控网络结构图在医药行业中，影响药品质量最主要的是药库的储存条件。众所周知，许多药品对储存温、湿度条件要求很高，像免疫球蛋白之类的药品，夏天温度一旦过高，很容易失效变质。为保证储存质量，医药单位一般都配有

6、冷库或阴凉库，专门储存对温、湿度有严格要求的药品。在过去的药品质量安全监管中，对药品储存条件是否符合要求，总是鞭长莫及，力不从心，很难达到医药行业药品统一规范化的管理监督；另一方面传统的有线环境监控系统，安装部署繁琐、成本代价高、可维护性差。针对现有的医药行业状况及诸多系统缺陷，我们进行针对性的专业应用研发，创新性的把先进的无线传感器网络，zigbee协议技术，嵌入式计算技术融合在一起，具有低成本、易实施、高可靠的特性，为医药行业的监管提供先进、可靠、切实可用的系统服务。基于医药行业加强质量体系监管的迫切需求，结合先进无线传感器网络技术，我们设计开发了医药远程无线智能环境监控系统。二、项目技术

7、原理1、 背景技术介绍无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域,是信息感知和采集的一场革命,被认为是21世纪最重要的技术之一。所谓无线传感器网络是指由大量部署在作用区域内的. 具有无线通信与计算能力的微小传感器节点,通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络的节点距离很短,一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到Internet,从而真正实现“无处不在的计算”的理念。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景,可以应用在国防军事.工农业.环境监测.交通管理.医疗救护和救灾抢险等领

8、域。图1.4 无线传感器网络应用模型ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。IEEE802.15.4是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineer，电子电机学会）确定的低速率，无线个域网（personal area network）标准。这个标准定义了“实体层”（physical layer）和“介质访问层”（medium access layer）。介质访问层（MAC）规范定义了在同一区域工作的多个802.15.4无线电信号如何共享空中通道。介质存取层支持的几种架构，包括星状拓扑结构

9、（一个节点作为网络协调点，类似于802.11的接入点），树状拓扑结构（一些节点依次经过另一些节点才到达网络协调点），和网状拓扑结构（无须主协调点，各个节点之间分享路由职责）。802.15.4工作在工业科学医疗（ISM）频段，它定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。免许可证的2.4GHz ISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。在802.15.4中，总共分配了27个具有三种速率的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s（或62.5ksymbol/s）的信道，在915MHz频段有10个40 bit/s（或4

10、0 ksymbol/s）的信道，在868MHz频段有1个20 kbit/s（或20 ksymbol/s）的信道。ISM频段全球都有的特点不仅免除了802.15.4器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时，802.15.4还试图提供设计上的灵活性。一个802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250 kbit/

11、s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 kbit/s这样的低速率就能满足要求。图1.5 MAC层的物理信道帧格式物理帧第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符（start-of-frame delimiter, SFD）字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧的开始。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。帧长度（frame length）由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。物理帧

12、的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHY service data unit, PSDU），一般用来承载MAC帧。2、 项目技术原理在无线传感器网络中，无线环境复杂多变，信号传输便成为整个应用体系中的关键问题之一，采用DSSS直接序列扩频，可以极大的提高信号的抗干扰、抗噪声、抗衰减能力，为系统稳定可靠的环境数据采集提供充分的保障。并采用无线网络设备冗余，提高无线网络传输的健壮性，使用多种路由算法结合的方式，灵活多变的解决实际无线网络部署问题。通过web services技术实现远程数据传输，远程实时监控，可以极大降低远程平台成本，提高系统平台的稳定性和扩展性。下面针对项目核心技术进行详细

13、的分析说明：2.1 信号调制方式信号调制采用直接序列扩频（DSSS）方式，使用伪随机码的方式将数据调制后，在很宽的频率范围内进行传输，在接受端利用与发射端相同的编码进行恢复，发送端和接收端都是以窄带方式进行通信。DSSS发射功率低于自然的背景噪声，基本避免了通信信号的偷听和窃取，使通信非常安全。因此，扩频通信方式具有抗干扰、抗噪声、抗衰减和保密性能好的优点。物理层定义了三个载波频段用于收发数据。在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。三个频段总共提供了27个信道（channel）：868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16

14、个信道。在868MHz和915MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。处理过程，首先将物理层协议数据单元（PHY protocol data unit，PPDU）的二制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列（chip sequence），最后BPSK调制到信道上。差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算：En=RnEn-1 ，其中En是差分编码的结果，Rn为要编码的原始比特，En-1是上一次差分编码的结果。对于每个发送的数据包，R1是第一个原始比特，计算E1时假定E0=0。差分解码过程与编码过程类似： Rn=EnEn-1

15、，对于每个接收到的数据包， E1是第一个需要解码的比特，计算R1时假定E0=0。差分编码以后，接下来就是直接序列扩频。每一个比特被转换为长度为15的片序列。扩频过程按下表进行，扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。24GHz频段的处理过程，首先将PPDU的二进制数据中每4位转换为一个符号（symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列。在把符号转换片序列时，用符号在16个近似正交的伪随便噪声序列的映射表，这是一个直接序列扩频的过程。扩频后，信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。图1.6扩频编码序列表2.2无线传感器网络路由算法2.2.1 WSN路由基本算法ZigBee WS

16、N中的节点大体可以分为两种类型：有路由容量的节点和没有路由容量的节点。对于树簇拓扑的WSN来说，终端设备通常是RFD精简设备，因此没有路由容量；而路由器与协调器是由FFD全功能设备组成的，因此有路由容量。树簇型拓扑的WSN中，通常采用树簇算法与AODVjr算法相结合的路由算法，其中树簇算法指的是消息沿着树型拓扑进行传输的算法，它是静态的，不需要存储路由表。该算法适用于节点静止或者移动较少的场合。而AODVjr算法则是对Ad Hoc按需距离矢量路由算法的改进，考虑到节能、应用方便性等因素，对AODV的一些特点进行了简化，但是仍然保留了AODV的原始功能。这两种算法的结合使用确定了WSN路由的三种

17、模式，即：禁止路由模式、使能路由模式和强制路由模式。禁止路由模式就是禁止对路径进行查找，因此处于该模式的网络只能使用树簇算法沿着树型拓扑进行路由。使能路由模式是将树簇算法与AODVjr算法相结合，视具体情况来决定到底采用哪种路由算法。强制路由模式完全使用了AODVjr算法，只要设备具有路径查找能力，不管消息传输的路径是否已经存在，都要启动一个路径查找过程，当查找完成，数据包将沿着计算出来的路径传送。2.2.2 路由方式路由的设定通常有三种模式：禁止路由发现、使能路由发现及强制路由发现。禁止路由发现（SUPPRESS）：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。否则，数据包沿着树形推进。使

18、能路由发现（ENABLE）：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。如果网络路由器不能确定，路由器可以启动一个路由发现过程，当发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果该路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。强制路由发现（FORCE）：如果路由器有路由发现能力，不管路由是否已经存在，都将启动一个路由发现过程。发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果这个路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。这个选择必须小心使用，因为它会产生较大的网络冗余。它的主要用途是修复破坏了的路由。对于树形拓扑结构设备间的数据转发，通常将源地址简化为上行路由（route up）或下行路由（

19、route down）。如果LocalAddr DestAddr LocalAddr + CSkip(d-1) 为下行路由，否则为上行路由。通常网络的协调器或路由器都含有一个邻接设备表，该表记录了一定区域内与其具有邻接关系的设备。若想使用邻接表进行路由，只要目标设备在物理区域内可见，即可直接发送信息。而对于网状拓扑结构，则要使用路由表来进行路由。通常协调器或路由器都拥有自己的路由表，如果目标设备在路由表中有相关的记录，则信息就可以根据路由表中的记录进行发送，否则就要沿着树形拓扑来传输数据。2.2.3 最短最优路径的判定方式通常路径请求与路径应答都是由路由器或协调器创建的，当路由器广播发送路径请

20、求时，通常不会只发一次，而是间隔一段时间重复进行发送，而且对于广播寻址来说，它拥有两大特点：一个是凡有无线RF收发使能的设备皆能接收到该帧；另外就是广播发送采用一种被动应答模式，即当某一设备广播发送消息时，它还要监听所有的邻居设备是否对该帧进行广播转发，若没有则设备还要再次广播发送该帧。这样就会出现网络中的设备可能多次收到同一个路径请求，目的设备也有可能在一段时间内多次收到同一个路径请求。在路径算法的实现中采用首接为最优的思想，即第一个收到的有效路径请求即为目的设备要响应的请求，在该请求中记录的路径即为消息传输的路径，应答命令将沿着收到的第一个路径请求命令帧中记录的上一级地址发送回去。图1.7

21、 无线传感器网络路由算法示意图2.3远程数据模式远程数据传输需解决的问题主要是通信和接口问题，采用web的http通信协议作为web services 的基础通信协议，不仅成熟可靠的，而且总是最有效的。而采用XML作为接口描述协议原因主要有：a、文本特性容易标准化，因为文本格式具有跨平台的优良特性；b、XML描述信息的能力强大，它的层次性描述能力，正是web service 所青睐的。由于http和xml的特性，很容易让web services 在远程通过Internet网络建立起具有真正松散耦合特性的程序编程模型，松散耦合意味着机器与机器之间只要遵循一定的协议（重要的是这些协议是简单性的和通

22、用性的，比如http和xml等），就可进行有效的调用，它给我们的直接效果是可以大大减少机器与机器之间的依赖性，这样就可让我们在远程范围内组建真正的基于构件块的远程服务平台，就象本地的com组件和网域的Dcom所试图追求的标准境界那样，而web services 则不仅做到了这样的境界，而且做得更好，因为它不仅是有效的，而且是简单的、开放的和低廉的。Web Service有强大的集成能力，所有的应用系统和设备都可以通过其标准来沟通、协调，并相互调用。Web service还可以建立新代的分布式系统，在Web Service可以封装好不同的服务提供者提供的服务，服务的核心本身可以使用Web Ser

23、vice技术动态的调整和集成，这样的架构是非常适合于使用在Intenet和动态的环境中的。另外，Web Service架构还提供了最好的即插即用的解决方案，任何个新的web服务或是现存的应用程序都可以方便的加入到Web Service架构的系统中，为用户提供最好的远程监控服务。图1.8 Web Service的结构原理结论：通过上面的分析，我们可以得出以下结论：（） 采用DSSS直接序列扩频方式进行信号调制，可以极大的提高无线信号的抗干扰、抗噪声、抗衰减能力。对于医药环境数据的采集和监控提供了最为可靠稳定的无线物理通道。（） 无线传感器网络使用树簇算法与AODVjr算法相结合的路由算法，并自动

24、进行最短最优路径的判定，大大提高无线网络的路由效率和可靠性，对于医药环境数据的采集和监控提高了可靠、便捷的无线网络通道。（） 远程数据通信模式，基于Web Service的HTTP和XML的独特优点，采用新一代的web分布式服务系统，在Internet网络环境中，提供最为快速、方便、可靠、稳定的远程数据服务平台。因此，本医药远程监控系统针对于医药行业中监控环境错综复杂、地域分布广、运行维护成本高、安装部署难的特点，结合最新的无线传感器网络，ZIGBEE网络协议技术，分布式Web Service通信技术进行创新性的研发，具有易实施，易维护，成本低，高可靠的优点。为医药流通渠道的规范，环境质量的监

25、管，行业性的统一管理，提供可靠、先进的远程监控系统，充分的保障了医药行业质量体系和药品安全性。三、系统实现方案3.1系统方案介绍本地采用无线传感器网络，无线布网，无线数据采集和监控，并通过网关传入计算机终端。主要针对市场上对所需监测环境的特殊情况和产品自动化、智能化的需要，设计的建立在ZigBee技术平台上，综合运用环境监测技术、单片机技术和无线传感技术的一套新型无线远程温湿度监测系统。系统由采集节点（图1.9）、网关（图2.0）两类设备组成。以仓库为单位，进行无线传感器网络覆盖，通过强大的组网软件和网络平台以及无线网络收发终端，随时监测环境状态，并通过图形用户界面直观、动态地显示出来，提供远

26、程监控管理功能（客户端Client或WEB浏览），此外通过网关对采集节点对环境温湿度数据进行判断分析，发现故障或参数异常，即时通过监控界面及声光警报形式响应。采集节点是整个系统的数据采集模块，同时具备采集数据和路由传输功能。采集功能：它的传感器部分是采用低功耗的温湿度传感器SHT10，负责监测区内信息的采集和数据转换。中心处理器部分采用CC2430芯片，兼顾数据获取，处理以及无线射频功能，它负责整个终端节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据。CC2430和温湿度传感器SHT10之间采用I2C总线实现通信，通过I2C接口定时读出传感器采集的温湿度数据，并且将数据通过RF部分传

27、至 router，如有敏感数据（其定义可根据应用场所的实际需要来设定），则实时向网关传输。JTAG接口是为了方便客户需要，同时能够快速地更新系统，而专门设置的在线烧录程序接口。路由传输功能：即网络中数据的通信协调功能，以及链路的建立与拆除。其本身采集的温湿度数据上传到距离其最近的采集节点，这些节点自身选择距离网关最近的路径，经过多跳将数据上传到网关，再由网关发送到上位机（监控中心）进行监控。网关主要负责通信的协调，路由的规划，路由表的记录。作为网关把ZigBee网络中的数据和上位机系统的数据进行交换、与通信协调。网关可选用RS485接口或者网口直接和上位机连接，将采集数据实时发送到监控中心的上

28、位机数据库或终端软件中。通过安全可靠的RS485工业总线联网，所有仓库温湿度数据都被实时传送到监控计算机上，管理员能实时查询/监控每一个仓库温湿度数据，并且可通过网络及时将告警信息发到监控中心，让环境监测和管理运筹于帷幄，决胜于千里。网关设计中还有LCD屏显示功能，方便我们查阅和迅速了解环境状况，另外网关还设计有历史数据存储（SD卡存储）功能。I2CMCU-RFCC2430F128JTAG接口DC 3.3V晶体1：32.768K晶体2：32.000MSHT10温湿度传感器图1.9 采集节点硬件结构图RS485MCU-RFCC2430F128DC 9V晶体1：32.768K晶体2：32.000M

29、LCD显示屏网口SD卡KEY（按键）处理图2.0 网关硬件结构图本无线环境监测系统在无线Zigbee技术平台上很好的实现了操作简单、无污染、智能化的监控系统。具有系统成本低，安装部署简单，系统运行维护容易的特点。系统采用无线传输、电池自供电，用户省去了数据线的架设安装、电源供电走线等繁琐复杂的工程实施，项目工程安装便捷快速。无线传感器网络具有自组织、自愈能力强，通信可靠的特点，可以完全满足系统在各种环境下的运行要求。下图为本地数据采集监控的系统运行结构图。监控区域A采集节点网关监控中心监控区域B采集节点图2.1 本地数据采集系统结构图远程通过Internet网络，进行数据传输。在计算机终端通过

30、基于Web Service的分布式系统软件，进行数据传输和系统管理。所有数据传输到互联网监控中心服务器，再通过web服务器发布到因特网，远程用户可以通过广域网用网络浏览器进行访问和监控，系统结构如下图所示。图2.2 远程监控系统结构图本医药监控系统采用无线传感器网络和因特网相结合的方式，具有全面、快速、可靠和灵活的特点。对于医药行业环境监控，该系统可以克服传统有线方式的安装部署困难、造价成本高、项目实施性差的缺点，便于行业性的推广应用。此外，同时对于下一代网络技术革命物联网模式也同样具有研究参考价值。3.2系统构成本监控系统主要由采集节点、网关、计算机、监控软件、远程web服务系统构成。采集节

31、点主要进行温度和湿度等环境数据的实时采集，并通过无线传感器网络将数据传输到网关。终端节点的传感器部分最重要的功能就是实时采集数据，而在采集几次或十几次后上传数据到网关，这一过程需要终端节点先将阶段采集数据存储起来。当有紧急情况或意外出现时，终端节点需要及时将敏感数据传至监控中心，以使管理者及时做出处理！本身节点还有电量自检功能，电压低于2.3V自动发出报警信号，提示监控中心更换电池，保证系统的不间断与稳定。可根据客户的需要增加并完善系统功能，以满足不同客户的特殊需要。采集节点性能技术指标如下：1、湿度检测范围： 0100%RH 湿度检测精度：3%RH 温度检测范围： -40+123.8 温度检

32、测精度：0.52、工作频段：2.4-2.475GHz3、接收灵敏度：94 dBm4、信道数：1-165、调制方式：DSSS6、数据传输速率：250KBps7、通信距离：50m 70m8、射频功率：0dbm9、发射电流：约28mA 接收电流：约28mA 休眠电流：20uA以下10、信道接入方式：CSMA/CA11、通讯协议：标准IEEE 802.15.4、ZigBee200612、网络拓扑结构：网状、星状13、数据加密：128-bit AES14、网络传输深度：10跳15、单个网络容量： 65536个节点16、使用环境：（1）环境温度：-40-85；（2）相对湿度：不大于95%RH；（3）大气压

33、力: 80kPa106kPa图2.3 温湿度无线采集节点网关将接受到的无线传感器网络的数据进行处理转换，通过USB接口上传到计算机。负责网络中数据的通信协调，路由以及链路建立与拆除，路由器长时间工作在高速状态，需要直流电长时间连续供电。主要作为网络协调器（网关）和终端节点的中间链路。网关功能设计如下：（1）数据采集以及存储：终端节点的传感器部分最重要的功能就是实时采集数据，而在采集几次或十几次后上传数据到网关，这一过程需要终端节点先将阶段采集数据存储起来。（2）数据判读/分析与处理：当有紧急情况或意外出现时，终端节点需要及时将敏感数据传至监控中心，以使管理者及时做出处理！（3）电量自检：本身节

34、点还有电量自检功能，电压低于2.3V自动发出报警信号，提示监控中心更换电池，保证系统的不间断与稳定。（4）状态自检：可根据客户的需要增加并完善系统功能，以满足不同客户的特殊需要。（5）组网和数据传输：检测路由模块和距离其最近范围内的检测节点组成单个ZigBee子网络（子监控区域），根据监控区域的规模可将其划分为多个子网络，即子监控区域，而这些路由检测模块再经过多跳传输，将温湿度数据上传到网关中。网关性能技术指标如下：1、湿度检测范围： 0100%RH湿度检测精度：3%RH温度检测范围： -40+123.8温度检测精度：0.52、工作频段：2.4-2.475GHz3、接收灵敏度：94 dBm4、

35、信道数：1-165、调制方式：DSSS6、数据传输速率：250KBps7、通信距离：50m 70m8、射频功率：0dbm9、发射电流：约28mA 接收电流：约28mA 10、信道接入方式：CSMA/CA11、通讯协议：标准IEEE 802.15.4、ZigBee200612、网络拓扑结构：网状、星状13、数据加密：128-bit AES14、网络传输深度：10跳15、单个网络容量： 65536个节点16、使用环境：（1）环境温度：-40-85；（2）相对湿度：不大于95%RH；（3）大气压力: 80kPa106kPa图2.4 无线传感器网络网关系统只需普通PC计算机即可，支持Microsoft

36、 XP、2003、VISTA等操作系统。此外，只要PC可以连到互联网就可以自动的进行数据传输，无需人为操作。分布式应用软件界面设计如下图所示：图2.5 分布式应用软件界面设计图系统软件采用3层架构模式：应用层、数据逻辑处理层、数据存储层。加上硬件设备层及接口层：数据传输层、数据采集层。整个系统可以分为5个结构层次。功能模块设计图如下图所示：图2.6 系统功能模块设计图本系统结合最新的无线传感器网络技术和因特网技术，针对传统医药行业的监控需求开发具有前瞻意义的新型系统，创新性的应用无线传感器技术，为新一代的信息技术革命奠定基础。下图为系统整体构成图。图2.6 系统整体构成图四、设计思想依据（文献

37、、或者专利，或发明等） 迄今为止，在我们的市场资料检索和市场竞争调查结果中，目前国内尚无与本项目产品技术相同的技术产品。我们的市场资料检索范围包括：国家科技成果网 1985至今l中国科学技术成果数据库 1985至今中国专利数据库 1985至今万方数据资源系统 1980至今中国学术会议论文数据库（CDDB） 1986至今中文科技期刊数据库 1989至今中国博士学位论文全文数据库（CDDB） 1999至今中国优秀硕士论文学位论文全文数据库 1999至今中国重要会议论文全文数据库 2000至今中国重要报纸全文数据库 2000至今维普中文科技期刊数据库 1989至今 中国科技成果交易信息数据库（NDS

38、TRTI） 1985至今中国新产品数据库（XCP） 1996至今中国1995-1996重要成果数据库（ZYCG） 19951996中国科技论文统计数据库（CSTP） 1989至今中国科技论文引文分析数据库（CSTY） 1989至今1989-1999年国家科技奖励项目初评结果库（CP98，CP99） 1998至今国家及授奖项目库（SJXMK） 1993至今火炬项目库（HJJH） 1996至今中国机械工程文摘数据库（JIXIE） 1985至今中国计算机文献数据库（JSJ） 1995至今中国光纤通信文献库（WY） 1992至今计量测试科技文献库（JLCS） 1990至今中国期刊全文数据库（CNKI-

39、CJFD） 1979至今中国科研机构数据库（CSI）中国企业公司及产品数据库（CECDB）中国高新技术企业数据库（CNHEDB）国家科技图书文献中心数据库中国国防信息中心检索系统本项目技术属创新技术的创新应用研发，基于以上思想，本公司决定利用自身强大的技术研发优势，使技术尽快转化为产品，推向市场，为我国经济建设服务，实现企业与技术的价值。主要技术与性能指标 本项目主要技术与性能指标如下：湿度检测范围： 0100%RH湿度检测精度：3%RH温度检测范围： -40+123.8温度检测精度：0.5工作频段：2.4-2.475GHz接收灵敏度：94 dBm信道数：1-16数据传输速率：250KBps通

40、信距离：50m 70m射频功率：0dbm发射电流：约28mA接收电流：约28mA休眠电流：20uA以下信道接入方式：CSMA/CA通讯协议：标准IEEE 802.15.4、ZigBee2006网络拓扑结构：网状、星状数据加密：128-bit AES网络传输深度：10跳单个网络容量： 65536个节点注释：项目所依据的技术原理，包括文献、专利，或发明等（对于中医药领域，应包括立项依据，即组方依据及中医药理论、药学研究总体方案，药理毒理研究总体方案、临床研究方案等）。二、项目国内外研究开发现状项目国内外研究开发现状 传感器网络作为一种新型的信息获取系统，具有极其广阔的应用前景。在民用领域，传感器网

41、络可用于探测、安全、 空中交通管制、道路交通监视、工业生产自动化、分布式机器人、生态环境监测、住宅安全监测等方面。在军事领域，传感器网络主要应用于国土安全、战场监视、战场侦察、目标定位、目标识别、目标跟踪等方面。 在美国自然科学基金委员会的推动下，美国加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。中国的许多高校及科研机构(如中科院自动化所、清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等)也开始了对传感器网络的研究。目前的研究主要集中在传感器网络技术和通信协

42、议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。(1)传感器网络方面的研究加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法，并研制了一个传感器操作系统TinyOS。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感 器网络和一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网络各方面的问题。南加州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其 聚集函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法 学和技术问题。(2)传感器网络通信协议的研究人们首先对已有的因特网和自组织无线网

43、络的通信协议进行了研究，发现这些协议不适用于传感器网络。康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了传感器网络通信协议的研究，先后提出了几类新的通信协议，包括基于谈判类协议(如 SPIN-PP协议、SPIN-EC协议、SPIN-BC协议、SPIN-RL协议)、定向发布类协议、能源敏感类协议、多路径类协议、传播路由类协议、 介质存取控制类协议、基于Cluster的协议、以数据为中心的路由算法。(3)感知数据查询处理技术研究康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了一个测试感知数据查询技术性能的COUGAR系统，探讨了如何把分布式查询处理技术应用 于感知数据查询的处理。加州大学伯

44、克力分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法， 并研制了一个感知数据库系统TinyDB11。南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法，提出了节省能源的计算聚集的树构造算法，并通过实 验证明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响。(4)测温技术研究目前，国内外测温系统采用的还是有线测温设备，由温度传感器、分线器、测温机和监控主机等组成，各部件之间采用电缆连接进行数据传输，并采用交流电源直接供电。这种系统布线（包括数据线和电源线）复杂、维护困难、成本高。在项目实施、系统安装过程中这些问题突现得更为明显。无线传感器网络Zi

45、gBee技术得到越来越广泛的研究和开发，目前各厂芯片厂商对ZigBee这种技术都较为看好。ZigBee无线技术正在市场上风起云涌。将无线传感器网络技术应用于各种网络系统中亦已成为势不可挡的趋势，无线网络不仅可以提供更大的灵活性、流动性，还可省去花在综合布线上的费用和精力。基于无线传感器网络技术的无线测温系统是一种集温湿度信号采集、大容量存储、无线射频发送、LED（或LCD）动态显示、控制与通信等功能于一体的创新型系统。注释：项目国内外研究开发现状，包括国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析。三、项目主要内容及创新点1、项目主要内容及技术路线项目技术路线描述本项目综合运用环境监测技术、嵌入式

46、单片机技术和无线传感器网络技术，研究开发基于ZigBee技术平台的无线布网，无线数据采集和监控的新型无线远程温湿度监控系统，通过网关连接到计算机进行局部实时监控，并通过互联网实现远程环境实时智能监控。研发内容主要包括的设备和软件系统分别为温湿度无线采集节点、温湿度无线网络网关、温湿度无线监控应用软件、温湿度无线远程web服务监控系统等。项目涉及硬件、软件、无线射频通信、嵌入式系统、网络协议、产品结构等多方面研发内容和任务。本项目主要研究的关键技术1.无线传感器网络技术：涉及无线传感器网络的配置问题，数据传输的路由问题，及网络稳定性和可靠性问题，为系统安装部署提供最优化网络技术保障。2.zigb

47、ee网络协议技术：针对具体应用环境，优化网络协议层，提高协议层在复杂环境下的健壮性。3.无线自组网技术：实现智能化组网及通信，可以进行自动网络配置，快速实现安装部署。4.低功耗单片机技术：实现系统超长运行时间，降低系统运行维护成本。5.无线射频抗干扰技术：增加无线抗干扰能力，解决多径干扰、背景辐射干扰，提高信道抗干扰能力和可靠性。6.远程分布式web服务技术：提供可靠、安全、便捷的远程web服务，提升信息化服务水平。远程智能环境监控系统主要由数据中心、环境管理应用系统、地理信息管理系统和网络通讯系统所组成。它是智能环境监控系统的管理与调度指挥中心。监控中心以大屏幕为核心，配备专用机房，大屏幕采

48、用背投式（DLP）技术，交换机和服务器可以考虑充分利用已有的资源。服务器从功能上可分为：数据库服务器、数据备份服务器、接收服务器、应用服务器，及图形工作站等。另外还需要配置大功率的UPS（不间断电源），来应对突然停电对监控的影响。并建立地理信息系统、能够将环境质量和污染源监测数据与地理信息系统有机结合，为环境管理提供便捷服务、具有环境质量预测预报功能、具有环境应急监测与控制调度指挥功能。 硬件部分：温湿度无线采集节点 其它传感器采集节点（水量、雨量、气体质量、噪声、放射源、污染源剂量及位置等） ZIGBEE无线网络中继器ZIGBEE无线网关ZIGBEE-GPRS模块ZIGBEE-485模块ZI

49、GBEE-TCP/IP模块ZIGBEE-TD模块ZIGBEE-WIFI模块 软件部分：软件平台分为五个层次，分别是网络层、应用管理层、应用执行层、应用服务层、设备驱动程序层。软件平台层次结构如图4.3所示。第一层，也就是软件平台层次结构的最底层，是硬件资源驱动程序层，是一般意义下的应用程序编程接口API。第二层，是应用服务层，它实现公共服务的按类综合，如硬件资源管理器服务、综合数据库操作、故障诊断、网络服务(网络打印、网络数据库操作)、公用数据处理算法等，形成即插即用的软构件。第二层是软件平台应用程序的编程接口API。第三层，是应用执行层，它由一系列的可执行的应用程序组成，实现软件平台的各项功

50、能。第四层，是应用管理层，它实现应用程序的管理与任务调度，其面向用户的是具有Windows风格的鼠标点击多级菜单或图标，它也是软件平台的用户使用界面。第五层，是网络层，它实现各级用户远程查询、控制和管理远程设备状态，并进行所需相应功能操作。主要解决的关键性问题：无线传感器超容量网络问题和zigbee网络同步休眠问题。无线传感器网络在大规模和大容量环境中的实际应用仍需要不断的技术研发和创新，这在产业化应用中尤为重要，更是未来实现无线传感器网络广泛应用的基石。Zigbee同步休眠，对于系统的使用寿命、运行维护成本都极为关键，可以提高在实际产业应用中的可行性和时效性。项目设计主要包括：项目立项、项目

51、可行性分析、项目研发计划、系统总体设计、系统硬件设计、系统软件设计、产品结构设计、硬件电路设计、嵌入式程序设计、应用程序设计、硬件调试测试、嵌入式程序调试、产品组装调试、应用程序调试、系统联合调试、实际环境拷机测试、系统测试报告、项目文档编写、项目验收等。附图1 产品设计流程图产品生产主要包括：元器件采购、元器件检验、元器件入库、元器件出库、委托制版、贴片焊接、产品硬件测试、委托外壳加工、产品外壳检验、产品组装、产品单机测试、产品系统测试、产品老化实验、产品包装、产品存库、产品出厂等。附图2 产品工艺流程图 产品设计结构如下：主要有采集节点产品结构设计和网关产品结构设计。采集节点的外形尺寸图如

52、附图2，3采集节点外壳尺寸图上标记公司，是感应温湿度透气孔，代表公司项目编号，标识采集节点编号，外壳侧面的是控制电源通断的开关。网关的外形尺寸图如附图5网关外壳上中心黄色区域是监控界面显示屏，是操作控制显示界面的按键部分，通过最顶端的透出的天线部分与采集节点进行实时通信。附图3 采集节点侧面结构设计图附图4 采集节点正面结构设计图附图5 网关正面结构设计图注释：描述申报项目研究开发的内容及涉及的关键技术、主要解决的关键问题；技术路线描述包括工艺流程图、产品结构图、框架图等。2、项目创新点理论创新 应用创新 创新性的应用无线传感器网络融入到物联网应用模式中，并且技术理论联系实际应用，创新性的应用

53、结合医药生产、流通行业、水利、森林防火、灾害预报、交通、工业中的环境远程监控，实现与因特网的有机结合，很好的诠释了无处不在的网络，对于行业应用提出了新的信息化应用模式。基于无线传感器网络的低功耗、低速率、低成本、无线网络化通信的特性，结合医药、工业、农业等传统行业深入信息化的迫切需求，发展创新技术模式的智能化行业信息化建设，切实通过技术应用创新提高传统行业的生产效率、生产力及信息化水平。初步的实现了新兴物联网技术的创新应用模式，这将对新的信息技术与传统产业的结合产生具有深远而广泛的影响。创新性的应用互联网和无线传感器网络相融合的信息网络架构发展模式，实现了人们通过网络去获取物理世界的信息渠道的

54、拓展。结合无线传感器网络，信息网络势必将从互联网发展到更为宽泛的物联网，从地球村概念到智慧的地球，这将大大改变人们现有的生产、生活的方式。应用创新的实现无线传感器网络技术应用于物联网的信息世界，必将对传统产业技术革命、生产力发展产生巨大的推动作用，必将引发信息时代革命的新浪潮。我们的应用创新主要集中在以下几点：1、 低成本的无线传感器网络与实际产业相结合：拓展了产业生产环境的信息渠道，为传统产业提供更加全面、细致的信息化服务。2、 无线传感器网络与互联网相融合：催生物联网的应用模式，结合智能化处理技术，为传统产业信息化注入新的动力。3、 产业信息化方案的拓展挖掘：将生产过程当中的所有的环节实现

55、更加信息化、智能化的处理，彻底解放产业信息化瓶颈的束缚。我们结合前沿技术和行业实体应用催化出新的产业信息化应用模式和架构，促使传统产业向更加高效化、信息化、智能化发展，在节能减排、工业信息化、农业信息化有着巨大的推动作用。技术创新 工艺创新 结构创新 注释：描述项目在理论创新、应用创新、技术创新、工艺创新、结构创新等方面的创新点。要用技术语言，尽可能多的用实验数据对技术创新性进行描述，要有数据分析、对比，要有新旧技术、结构或工艺对比。第三章、项目技术成熟度一、项目技术成熟性项目目前所处阶段现阶段本项目直接参与人数项目产品销售情况中试12人无销售关键技术成熟性分析（一）现有成熟关键技术： 本项目

56、所使用的相关核心技术已经完成技术研发，相关核心产品已于2008年12月交付潜在用户武汉同济堂药业公司使用，系统运行可靠稳定，环境监测数据准确实时，数据统计查询直观便捷，极大的提高了管理信息化水平和效率，产品在试用过程中得到用户的认可。2009年1月至3月期间在中国人民解放军61267部队航材股航材仓库试用，经过试用表明温湿度监控系统V1.0工作性能稳定、运行可靠，帮助其实现对航材仓库温湿度的自动实时监测、报警、调控及记录、存储、查询等，实现对航材储存条件的远程监管，切实提高了监管效能；2009年4月向北京中微航讯科技有限公司销售20套电力热故障监测系统V1.0， 2009年3月，本项目经中国计

57、量科学研究院检测校准，各项技术性能指标均超过国家校准标准，完全达到NIM-ZY-RG-JC-122检测实施细则。（二）已攻克关键技术：本项目已经攻克的关键技术有：1.无线传感器网络技术；2.zigbee网络协议技术；3.无线自组网技术；4.低功耗单片机技术；5.无线射频抗干扰技术；6.远程分布式web服务技术；单独的技术功能已经完成测试，集成化测试进展顺利，预计能够达到设计要求。（三）待研究关键技术：目前本项目待研究的关键技术主要集中在以下两方面：（1）无线传感器超容量网络技术；（2）zigbee网络同步休眠技术。注释：关键技术成熟性分析：包括采用的现有成熟关键技术、已攻克的关键技术、待研究的

58、关键技术等。须填写项目产品是否经过试用（已试用、尚未试用）、代表性的试用单位及试用时间、代表性的用户意见；项目产品是否通过技术检测（已检测、尚未检测）、检测单位、检测意见、检测时间；项目产品是否通过技术鉴定（已鉴定、尚未鉴定）、鉴定单位、鉴定意见、鉴定时间；项目产品是否已取得相关行业许可认证证书（已取得、未取得、不用取得）、其中已取得：认证证书的名称、认证单位、发证时间、有限期限；未取得：是否已提出申请、提出时间、欲获得的许可认证名称、预计获得时间。项目是否获得其它国家或部门（省部级以上）计划的支持（已获得、尚未获得）、其中已取得：计划的名称、获得支持的时间。二、项目实施风险及应对措施项目技术

59、实现主要面临的风险及应对措施作为从事高新技术与产品研发与推广的软件企业，由于公司成立时间不长，规模仍较小，抵御风险的能力较弱，但我们在进行项目投入研发之前会进行充分的调研，充分论证和评估各种风险对公司的影响。目前本项目的实施可能会给公司未来发展所带来的风险以及面对这些风险我公司所采取的措施主要体现在以下几方面：（一）政策性风险政策风险主要体现在：产业政策变动可能引致的风险本公司产品均为高新技术产品，发展方向符合国家的产业政策。但电子信息行业的发展极为迅速，国家可能出台新的行业政策以对这些行业的发展加以宏观调控。如果有关政策未来发生不利于本公司经营的变化，则有可能对公司的生产经营造成不利的影响。面对上述风险，公司将采取以下措施：本公司将紧密关注国家有关行业政策的发展动向，在健全公司决策程序的基础上，努力保证公司决策的预见性和正确性，防范和化解有关行业政策变动给公司经营带来的风险。税收政策变动可能引致的风险由于本公司现在暂时未被认定为高新技术企业，如果国家对企业所得税的税收优惠政策有所调整，本公司的净利润水平将受到一定程度的影响。面对以上税收政策变动可能