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基于传感网的家居环境监测软件的设计与实现

编辑:admin    来源:未知    作者:admin

 

1.课题研究的意义,国内外研究现状、水平和发展趋势
1.1课题研究的意义
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,传感器网络作为是物联网中的“感知层”,对于物体的运动和所处环境通过传感器网络进行搜集和整理。随着工业革命和信息技术革命的成功,进入21世纪后,人类的各种技术包括通信技术、计算机网络、互联网等都有了很大的发展。而环境是人类生活的重要物理条件,家居环境条件的好坏,直接影响着居民的发病率和死亡率。城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间占全天时间的90%左右,因此,居室环境与人类健康的关系极为密切,“健康家居”的新概念突显其重要意义。研究希望能够监测家中的居住环境,在管理设备上进行资源共享、分析研究,严格控制使家居中的环境参数符合人们舒适度的要求,营造一个良好的生活环境,让我们的生活更低碳,更环保,更舒适。
本课题设计了一种基于传感网的家居环境监测软件,能实时掌握房间内的环境信息,比如温度、湿度、光照度、紫外线、微尘、气体等。根据监测精度要求,在房间内部署不同数量的传感器节点,传感器能够采集室内温度、湿度及光照强度等环境信息,利用无线传感器网络技术,将采集到的信息传给管理平台。管理平台能实现实时二维曲线显示、历史数据存储和分析、异常环境报警的功能。该设计可以提高家庭的生活环境质量以及起到节能减排降耗的功能,因此这对改善人们生活环境的舒适度以及推动信息产业的发展具有非常重要的意义。
1.2国内外研究现状、水平
传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。无限传感器网络最开始在美国的加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校和康奈尔大学等几所大学都有很丰富的研究成果。许多著名公司也纷纷从不同的层次、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“国家职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机发展规划”。美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划,支持相关基础理论的研究。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。
传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点,主要有:节点密集,每个节点既是传感器又是路由;具有有限的计算能力和通信能力以及电源供应;    独特的底层通信传输媒介;传感器节点间无中心、自组织,多跳通信;可以同时通过多条信源——信宿路由传输数据;网络具有很强的鲁棒性和良好的伸缩性。
国内,关于传感器网络的研究几乎和国外同步启动,但研究成果没有国外显著。2001年中国科学院依托上海为系统所成立为系统研究和法则中心,在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目,初步建立了传感器网络系统的研究平台。在蓬勃发展的信息产业市场的推动下,已形成了一定的产业基础,并在技术创新、自主研发、成果转化和竞争能力等方面有长足进展,为促进国民经济发展作出了重要贡献。但国内现有研究成果主要集中在工业、交通、安防等领域,针对于智能家居、仓储环境监控的室内物联网研究报道与美欧相比还存在一定的差距。我国的一些高校与研究机构也已积极开展无线传感器网络的相关研究工作。
 
1.3发展趋势
无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术,可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。国务院发布《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》从宏观趋势、发展环境、财税政策扶持等方面为物联网的发展提出了保障性措施,这是信息技术发展迅速的表现。
本文研究设计智能家居环境监测软件,实现对家庭环境的实时监测,为用户提供可靠并且全面的环境信息,是智能家居系统中一个非常重要的组成部分。作为百姓生活密切相关的智能家居行业,近年来发展迅速。而家居环境监测作为智能家居产业链中不可或缺的一部分,作为家庭环境信息化的实现方式,已成为社会信息化发展的重要组成部分。智能化程度大幅提高,将引领居民全新而健康的生活方式,给传统智能家居带来了全新的产业机会。


淮海工学院毕业设计(论文)开题报告
2.课题的基本内容,可能遇到的困难,提出解决问题的方法和措施
2.1课题基本内容
本课题的基本内容是基于传感网的家居环境监测软件,能实时掌握房间内的环境信息,比如温度、湿度、光照度、紫外线、微尘、气体等。根据监测精度要求,在房间内部署不同数量的传感器节点,传感器能够采集室内温度、湿度及光照强度等环境信息,利用无线传感器网络技术,将采集到的信息传给管理平台。管理平台要求能实时数据显示、历史数据存储和分析、异常环境报警的功能。该设计可以提高家庭的生活环境质量以及起到节能减排降耗的功能。
基于传感网的家居环境监测软件设计主要包括:ZigBee协议应用程序设计、管理中心处理程序设计、执行设备程序设计。在无线传输模块设计的过程中,采用ZigBee技术作为无线传感网络的设计方案。ZigBee协议应用程序设计主要设计协调器、路由器个端节点的应用程序设计。管理中心处理程序设计主要包含用户操作界面、数据库、网络通信、数据处理等子程序的设计。执行设备程序设计包括各个设备与管理中心的通信与设备运行程序设计。
 
2.2可能遇到的困难和解决方案
问题一:采用的ZigBee短距无线通信技术,能够快速、实时、准确连续地测出温度、湿度、光照度、紫外线、微尘、气体等参数吗?
解决方案:ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术与蜜蜂的通信类似网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信与各种传统无线网络相比其主要优点有网络稳定性好、成本低、功耗低、网络容量大、数据传输速率低、工作频段灵活、网络延迟时间短。
 
问题二:无线传感器采用电池供电,因此,对功耗要求非常苛刻。一般而言,无线传感器的电池的使用时间至少在3-6年,供电问题怎么解决?
解决方案:对于传感器节点硬件设计采取休眠机制、软件设计采取事件驱动机制来降低功耗。
 
 
 
 
3.课题拟采用的研究手段(途径)和可行性分析
课题总体方案设计是通过置于家中的若干传感器节点模块将家居环境信息采集,以ZigBee无线技术发送到ZigBee网络中,协调器节点将接收的环境信息处理后通过串口发送至管理中心,从而实现管理平台实时监测、显示。ZigBee是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术,建立在IEEE802.15.4标准之上。IEEE802.15.4是一个支持低功耗、低数据传输率的无线网络标准,主要是设计用来进行远程监测与控制的应用。ZigBee网络具体近距离、低功耗、低数据率、低成本、安全等优点,在网络中增加或者删除一个节点,节点的位置发生变动,节点发生故障灯,网络都能自我修复,并对网络的拓扑结构进行相应的调整,无需人工干预,保证整个系统仍能正常工作。特别适合设计应用在小型的建筑物自动化设备中,比如温度自动调节装置、环境传感器等,因此适用于家居环境监测软件。
基于传感网的家居环境监测软件设计主要包括:ZigBee协议应用程序设计、管理中心处理程序设计、执行设备程序设计。
ZigBee协议应用及执行设备程序设计中数据采集模块,采用基于ZigBee技术的无线传感器网络进行数据采集,即家居环境中温度、湿度、光照度、紫外线、微尘、气体等参数。ZigBee网络中有三种设备类型:协调器、路由器及传感器节点。他们有星状、网状、树状,最终由协调器将采集到的信息发送到管理中心(PC)。由于本设计软件只在家居使用,网络规模较小,所以选择星状结构。
数据通信模块,监测区域内部署微型传感器节点,经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统,协调器把传感器节点监测到的数据通过串口传输到管理平台。对于协调器和管理平台之间的数据通信方式的实现方式,基于RS-232通信模块。
管理中心处理程序设计能实时数据显示、历史数据存储和分析、异常环境报警的功能。管理平台用JAVA开发,能实时显示监测数据、实时二维曲线显示、历史数据存储和分析、异常环境报警的功能。
无线环境监测软件拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力,能实现环境信息监测的精确性、全面性并且使用方便,系统可扩展性强,因此该课题具有研究意义,可行性高。
 
 
 
 
 
 
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