曾刚-基于ZigBee网络的下水道安全监测系统

项目批准号       大学生科研训练项目 申请书 入党申请书下载入党申请书 下载入党申请书范文下载下载入党申请书民事再审申请书免费下载 项目名称： 基于ZigBee网络的下水道安全监测系统  申 请 人：          曾刚                        所在学院：        信息工程学院                       专  业 ：      电子信息科学与技术                      联系电话：          187********                      指导教师: 杨永超  职称 讲师 电话 150********  申报日期：  2013    年   4  月  11    日 湖北民族学院教务处 制 填 表 说 明 一、 填写立项申请书前，请先咨询指导教师或有关专业教师。申请书的各项内容要求实事求是，逐条认真填写，表达明确、严谨。 二 、申请书要求一律用A4纸正反打印，一式4份（负责人、指导教师、所在学院、教务处各执一份），于左侧装订。由指导教师和所在院（部）审查并签署意见后报教务处。 三 、“项目批准号”不填，由学校统一编号。 四、如表格不够，可以加附页。 一、项目概况 项 目 简 况 项目名称 基于ZigBee网络的下水道安全监测系统 项目类别 A、人文社会科学类； B、自然科学类 申请经费 2000元 起止年月 2013.4-2014.4 项 目 组成员 姓 名 专 业 学 号 所在学院 项目分工 本人签字 曾刚 电子信息科学与技术 031141013 信息工程学院 整体规划   黄林 电子信息科学与技术 031141209 信息工程学院 软件设计   徐耀 电子信息科学与技术 031141128 信息工程学院 硬件设计   指导教师情况 姓名 杨永超 学位 硕士 职称 讲师 研究方向 电力电子及新能源发电、电力设备故障诊断 授课名称 电力电子技术、发电厂电气部分 研究内容概述(限20 0字 个人自传范文3000字为中华之崛起而读书的故事100字新时代好少年事迹1500字绑架的故事5000字个人自传范文2000字 以内) 近年来因为下水道堵塞、甲烷浓度过高经常引发爆炸造成人员和车辆安全事故，而下水道井盖丢失会导致行人掉进下水道，对城市居民的生命财产造成极大的安全隐患。为解决上述问题，本项目采用ZigBee模块为监测模块控制核心，采用太阳能电池与蓄电池进行供电，通过甲烷传感器采集下水道内沼气浓度，用水位传感器判别下水道是否堵塞，同时利用红外发射接收装置判断井盖是否丢失。将各监测模块的传感器信息在主模块（ZigBee基站）汇集后，利用GSM模块与城市管道管理中心实现远程交互，预防安全事故的发生。当井盖丢失或甲烷等可燃气体浓度过高时微处理器会将告警信息通过ZigBee基站汇集后通过GSM模块发送给监管部门，实现了监测和预警的双重功能。   项目创新特色概述（50字以内） 1、首次针对下水道井盖与沼气浓度进行检测，为人们解决下水道安全问题。 2、采用无污染的太阳能电池供电，实现清洁、环保、简单的系统电能供应。                   二、项目简介（研究内容、目的意义、具体目标、国内外研究现状分析及评价等） 1 研究背景 我国城市排水系统沿用前苏联设计，只注重排，不注重蓄，这样容易造成瞬间洪峰，形成内涝；国内城市建设过程中，水资源管理理念不先进，大量的城市建设摧毁了城市湿地系统，城市被硬化覆盖，城市管网设计不科学，监管不力，造成了下水道严重堵塞。下水道井盖常常由于洪峰或则人为原因丢失，行人不慎掉进下水道，严重威胁了人类的生命安全。城市下水道是城市的重要基础设施，但由于其环境特殊，容易产生大量有毒有害、易燃易爆气体。如果对下水道管理不善，这类危险气体泄漏或者蓄积，遇明火产生时会爆炸，造成危险事故。近年来，重庆、南京、武汉等地先后发生过严重的下水道爆炸事故，环卫工作人员遭遇气体中毒事故。最近长沙一女子由于落入无盖下水道，随即被湍急的水流卷走；云南省玉溪市易门县杨柳街发生的下水道严重爆炸事件，爆炸顺着污水沟一连串地引发下去，导致多名人员伤亡……，类似的悲剧其他城市曾经上演，并且还在继续。 随着城市化的加剧，城市下水道由于管理不善，常常堵塞，污水不能及时疏通，使人类的居住环境恶化，同时产生大量的沼气等可燃气体；云南省玉溪市易门县杨柳街发生的下水道严重爆炸事件，爆炸顺着污水沟一连串地引发下去，导致多名人员伤亡；就在十多天前，广西南宁一名5岁的小男孩在河堤坝附近玩耍时，结果不幸掉入一口排污井里，抢修人员合力搜救了9小时，最后在附近的污水处理泵房池面发现了已经遇难的小男孩；2012年7月，在北京苹果园南路，由于大雨冲开了井盖，两名河北籍男青年雨中推车时不慎坠井身亡；2012年，大连市一名28岁女子在上班途中坠入敞着口的下水道，不幸身亡。近几年，类似事件在不少城市时有发生，社会舆论也一直呼吁解决好井盖问题，但却一直未能得到根本性改观。相关人士表示，解决这一问题需要下大决心、用硬功夫，既要从硬件上给予强化优化，更需完善市政设施管护机制、严格问责机制。 由于下水道数量巨大，地域分布广，而且下水道发生事故的几率大，若采用人工方式进行检测费时费力，难以监管。所以，如何建立一套行之有效的城市下水道可燃气体检测和井盖丢失监测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是城市环境管理的重要内容。 2 具体目标 本项目所采用的方案的目标是采用无线传感器网络实时检测下水道甲烷浓度和井盖丢失，实现监测与预警双功能,保障城市居民的生命财产安全。 3 国内外研究现状 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的技术。2006年9月27日，ZigBee联盟宣布ZigBee 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的增强版本，完善和标准化了Z-Stack协议栈，使得国内外在结构环境结构监测方向提出一些优秀的成果，如基于ARM9和ZigBee的桥梁应力监测系统、基于ZigBee与GPRS 的嵌入式水质监测系统都是成功的运用了ZigBee技术。然而采用GPRS技术传输数据成本高而且系统数据流不大，所以本系统采用ZigBee与蜂窝移动通信GSM的无线网络模式。 无线组网的信息来源于各个传感器节点的信息采集。本系统中的信息主要是甲烷浓度、下水道水位、井盖丢失，因此采用的传感器有：甲烷传感器，水位传感器，红外线传感器。系统中的甲烷传感器具有自动调零功能；标校可靠性更高，性能更稳定，使用更简单方便,测量的数值均准确可靠,开机并具有自动稳零功能，方便调试，操作简单等优点，并且甲烷传感器广泛应用于矿井,沼气池等诸多平台，本项目采用甲烷传感器采集下水道的甲烷浓度；国内外水位传感器技术早已成熟，并运用与各个方面的水位测量，本系统用水位传感器采集下水道的水位情况；红外线技术也是传感器的一部分，红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。国内的双技术红外线探测器成功运用于测距，使得红外线探测技术更加完善和可行，为系统下水道井盖是否丢失找到了技术支撑点。 系统的能源是系统功能实现的基础，一般系统常常采用干电池等化学能源进行供电，其成本高，且污染环境，因此必须找到一种方便、清洁和可持续发展的能源。1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》，会上讨论了《世界太阳能10年行动 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 》（1996－2005年），《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。现阶段太阳能已得到广泛的利用，所以本系统采用太阳能供电，绿色环保，同时不需要搭建复杂的供电网络，使系统结构更加简单。 _________________________________________________________________________________ 三、研究技术路线及可行性 整体方案 图1：系统整体方案 图2：单个井盖监测模块 系统方案如图1及图2所示。本方案首先通过图2所示的相关传感器采集数据：利用红外检测是否掉盖，利用甲烷传感器采集沼气浓度，通过水位传感器检测下水道是否堵塞,然后ZigBee监测模块将传感器监测的信息发送给相应ZigBee基站 如图1所示 ,ZigBee基站对这些信息进行处理,当上述各监测模块的传感器信息超过安全范围时，将及时通过GSM模块将告警信息发送至城市管道监测部门，实现了城市下水道及其井盖的监测和预警双重功能。 本方案的具体功能模块如下： 1 无线传感器网络 目前ZigBee技术应用于包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。成熟应用ZigBee技术为本方案的通信模块提供了可靠的依据。同时ZigBee相比Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等无线模块有着自己独特的优势,比如计量准确、通信可靠、方便、功耗低等优点。这也为本方案的可靠性和稳定性提供了保证，ZigBee模块需要的硬件平台小且设计方便,符合本方案将硬件平台微型化的特点。 本方案将采用ZigBee的自组织网技术，每个ZigBee监测模块监测传感器信息，并将传送给ZigBee基站，ZigBee的很好的定位功能，可以方便工作人员准确定位下水道出现故障的位置。 2 甲烷传感器 甲烷传感器具有自动调零功能，标校可靠性高，性能稳定，使用简单方便,测量的数值均准确可靠,开机具有自动稳零功能，方便调试，操作简单等优点，并且甲烷传感器已广泛应用于矿井、沼气池等诸多平台。甲烷传感器实时采集下水道中沼气的浓度，将信息发送给监测模块 如图2。 3 水位传感器 水位传感器广泛应用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、水罐、油池、水文地质、水库、河道、海洋等场所,在此方案中本团队将水位传感器的技术应用于下水道水位监测。如图2当水位到达一定高度时水位传感器会将此信息发送给ZigBee监测模块。 4 红外线模块 运用主动红外探测仪，它发射经过调制的红外光束，经过光学系统的作用变成平行光束发射，此光束被接收装置接收，由接收装置将光信号转换为电信号，在传到控制装置，从而对下水道的井盖进行检测。 5 电源模块 太阳能电池广泛应用于热水器,发电站,卫星等场合的电池供应方面,由于太阳能电池的高   效无污染。故本方案采用其作为本方案的电源,实现供电。它是基于将太阳能辐射能收集起来，通过物质的相互作用转换成热能加以利用的模块。此模块中电源管理系统专门调度和控制太阳能给蓄电池充电，同时控制蓄电池对负载放电；太阳能电池板负责采集太阳能转化为电能；而蓄电池负责储存电能，并为整个系统提供能源。市面上已存在很多太阳能蓄电池，并为生活带来了很多便利，利用太阳能是可行的。 ______________________________________________________________________ 四、对项目的参与兴趣和已有的知识积累或实践基础 团队成员在平时的学习中做过一些作品，已接触51、AVR、M3等多种单片机，并且在UCOS－II平台上设计了mp3播放器。团队成员希望通过这个项目提高对系统设计的能力，团队对这次实践已经做了充分的淮备。创新项目是提高团队成员在系统设计方面的能力、培养创新思维的平台。本团队希望通过这个平台能为其它人的生活带来一些方便。 在以前的学习生活中团队成员从不同方面学习与电子技术相关的知识；本团队对proteus、multisim等仿真软件的运用具有丰富经验，对protel99、Altium Designer等设计电路板软件有一定的掌握；本团队除了对C语言熟练运用外，还涉猎汇编、C++、matlab等多种编程语言，可以保证对于不同平台灵活的选用，不同的工具来解决问题。本团队的各个成员对不同方面有着不同的造诣，团队每个成员的实力加上吃苦耐劳的精神，可以让此项目高效有序的完成。 本团队每个成员都刻苦学习，对系统的设计有一定的掌握，成功的设计出了几个小的项目。我们团队为了保证项目高效有序的完成，将会有所分工，这个项目可以让我们把理论转化为实际，同时也能培养我们团队协作精神，本团队一定会将项目做得完美。 五、研究计划和进度（可就文献查询、社会调查、方案设计、实验研究、数据处理、研制开发、撰写论文或研究报告、结题和答辩、成果推广、论文发表、专利申请等工作逐项进行安排） 2013.4-6月 初步完成项目的准备工作，通过社会调查及分析已有的理论成果，深入了解 ZigBee协议，及太阳能模块的实现。 2013.7-9月 购买实验器材，对项目的整体进行设计，并通过软件设计整体框架。 2013.10—12月 系统的测试，优化以及完善模型。 2014.1-4月 撰写论文，研究报告，准备结题相关内容并申请专利。   六、项目研究支撑条件 信息工程学院创新实践中心成立于2006年1月，现有专职教师3人，兼职教师27人，设有基础电子设计部、嵌入式系统开发部、机器人开发部、软件开发部和网络工程部等5个项目研究部门，共完成学生科研项目80余项。创新实践中心现有开放实验室8个，总建筑面积1192平方米，共有实验仪器230多台件，总价值达91万元，能够同时容纳200名学生从事科研活动、学术竞赛活动和创新实践活动。创新实践中心自成立以来，坚持以大学生科研项目研究和科技竞赛为工作重点，成功参加了一届全国大学生电子设计竞赛、两届湖北省大学生电子设计竞赛和一届全国大学生SOPC大赛，取得了多个省级一、二、三等奖的好成绩。 实验中心和创新实践中心有项目开展所需要实验的实验箱和开发板，具备项目的实验平台和环境，拥有完成该项目的技术和实力。 本项目的指导老师具有非常丰富的项目指导经验，主要从事电力电子及新能源方向研究，已在国内期刊上发表多篇论文，参与横向科研项目多项，平均每年指导本科毕业设计八项，2003年至今，多次指导大学生参加电子设计大赛，指导的学生获得数次省级及以上奖项。 ________________________________________________________________________________ 七、预期提供的成果及形式 1.设计和制作项目所述的实验装置一套 2.申请专利1项 3.发表1篇学术论文 八、项目经费概算 申请资助总金额： 2000 元 预算科目 金额（元） 计算根据及理由 1.资料费 150 打印、购买参考资料 2.调研费 200 市场调研 3.器材购买费 900 ZigBee模块、GSM模块、各种传感器、太阳能电池及蓄电池 4.实验材料费 150 电子元器件购买 5.其他 600 发表论文版面费 九、项目评审意见 (一) 指导教师意见(对立题、经费预算、项目可行性等签署具体意见)： 指导教师（签名）： 年 月 日 (二) 学院推荐意见： 主管院长签名（单位章）： 年 月 日 (三) 学校意见： 专家组组长长签名（教务处代章）： 年 月 日