十三届挑战杯

第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技竞赛作品基于低速无线个域网的监测平台的研发（科技发明制作A类）研究报告申报单位：******申报人：刘姚（电子信息10级本科生）华博（通信10级本科生）何思雨（电子信息10级本科生）凌云志（自动化10级本科生）韦永强（电子科学与技术10级本科生）徐顶（电子信息10级本科生）江柳（光电12级本科生）吴玉珏（自动化11级本科生）指导教师：***（副教授）**（副教授、博士）2013年6月第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技竞赛作品参赛作品I基于低速无线个域网的监测平台的研发【摘要】基于低速无线个域网的监测平台以仓储内储层垛和环境的参量为应用对象，依据物联网中传感器、感知对象和观察者“三要素”，采用传感器技术、嵌入式系统技术、无线网络传输技术、数据融合技术、时间同步技术、低功耗节能技术等关键技术，组建一种由基于ARM的中心节点、路由节点、基于单片机的终端节点和上位机管理软件等组成的仓储内监测平台。实现仓库垛内温湿度、环境温湿度等传感量远距离自动监测，同时分析监测平台在粮食行业、水产养殖、水泥无线除尘、室内环境监控、仓储查询、震灾用主动式生命探测仪应用，研究了监测平台的关键技术、面临的挑战，提出了建设思路和相关专利的申报。重点研究了面向仓储式监测平台体系架构并对实现进行仿真分析、实物设计。重点提出了节能的策略，基于升压降压电感型DC-DC模块、DPM和DVS的协同处理应用于RFD节点设计、建立温度模型预测计算时间间隔模型和优化网络的EE-ZRP算法。【创新点】（1）节点：将基于升压降压电感型DC-DC模块和分布式电压开关应用于RFD节点中，提出一种动态电压调节(DVS)和动态功率管理(DPM)协同处理的方法。指出关断外围模块模式和休眠模式切换的时间阈值，在保证节点实时性前提下，实现CPU运行在功耗最低的最佳频率和电压，达到更好的节能效果。（2）系统：构建基于ARM的中心节点、路由节点、基于单片机的终端节点和上位机管理软件等组成的仓储内监测平台。基于Win32API多线程编程技术实现了四线程操作，达到了大量数据的实时入数据库。（3）时间同步：通过建立温度模型预测计算时间间隔，根据温度对时间的影响通过计算累积时间偏差预测中心节点自校准周期间隔和终端节点自唤醒同步周期间隔，实现有效减少终端节点空闲侦听的能耗、降低终端节点时间同步执行频率、增加终端节点的休眠时间的目的。（4）网络节能：针对低速无线个域网（LR-WPAN）中传统路由算法存在的不足，提出将改进后的区域路由协议（ZRP）应用于网络路由算法中。通过在ZRP路由中引入能量因素，设计一种能量高效的ZRP路由协议——EE-ZRP，使区域内主动路由和区域间按需路由都根据节点能量状态建立路径，充分发挥两种路由的优点。仿真结果表明，EE-ZRP算法与传统路由算法相比可以有效地减少网络延迟、降低网络路由开销、提高网络性能、延长网络生存周期。第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技竞赛参赛作品1目录第1章绪论........................................................................41.1引言........................................................................41.2国内外发展现状与趋势........................................................41.3国内现有技术基础............................................................61.4研究意义....................................................................71.5研究报告的章节安排..........................................................8第2章无线个域网研究及分析........................................................92.1概述........................................................................92.2无线个域网的分类............................................................92.3低速WPAN..................................................................102.3.1低速WPAN主要特点....................................................102.3.2网络拓扑结构.........................................................11第3章节能技术研究...............................................................123.1节能技术概述...............................................................123.2WPAN节能策略..............................................................153.3DPM和DVS技术.............................................................163.3.1DPM技术.............................................................163.3.2基于DPM技术的专利...................................................173.3.3DVS技术.............................................................183.3.4基于DVS技术的专利...................................................193.4低速无线个域网的ZRP算法研究...............................................203.4.1EE-ZRP算法..........................................................213.4.2算法设计.............................................................233.4.3算法流程.............................................................253.5时间同步技术...............................................................25第4章监测平台技术方案...........................................................314.1监测平台设计方案...........................................................314.2监测平台节点硬件设计方案...................................................324.3监测平台节点软件设计方案...................................................324.4上位机管理软件设计方案.....................................................33第5章RFD节点设计..............................................................345.1MCU模块设计...............................................................345.2ZigBee通信模块设计........................................................355.3实时时钟模块设计...........................................................355.4电源模块设计...............................................................365.6传感器模块设计.............................................................395.7电压检测模块...............................................................395.8RFD模块软件设计...........................................................405.8.1主程序模块...........................................................405.8.2温湿度数据采集模块设计...............................................415.8.3RFD节点通信协议设计.................................................42第6章嵌入式中心节点设计..........................................................43基于低速无线个域网的监测平台的研发26.1中心节点的硬件设计方案.....................................................436.2软件设计...................................................................436.2.1软件设计架构.........................................................436.2.2UCOS2的移植.........................................................446.3用户图形界面...............................................................456.3.1用户图形界面结构.....................................................456.3.2用户图形界面软件设计.................................................456.3.3用户图形的使用.......................................................466.4通信协议设计...............................................................47第7章系统上位机软件设计............................................