基于NiosⅡ處理器和ZigBee技術的智能監(jiān)控系統(tǒng)

1、項目基本信息項目名稱： 基于Nios處理器和ZigBee技術的智能監(jiān)控系統(tǒng) 項目作者：888項目大類：科技發(fā)明制作B類 項目小類： 信息技術 項目簡介當今世界，半導體工藝是電子信息領域的重要基礎。半導體工藝實驗室環(huán)境要求嚴格，設備昂貴，室內工作具有一定危險性。本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測實驗室的溫度、濕度、火災信息、擴散爐的溫度、易燃易爆及有毒氣體的濃度及非法進入等影響實驗室安全的因素，并及時做出反饋和報警，使工作人員進行遠程控制或采取相應措施。系統(tǒng)采用低成本、低功耗、安全可靠的ZigBee技術組成了無線mesh傳感器網(wǎng)絡，通過“多跳”網(wǎng)絡靈活實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的傳遞。目前市場上現(xiàn)有視頻采集卡價

2、格昂貴，我們手動編寫了硬件代碼并開發(fā)了硬件電路，實現(xiàn)了對模擬視頻信號的解交織處理，這不僅達到監(jiān)視實驗室內人員進出及設備工作狀況的目的，而且大大降低了開發(fā)成本。此外，系統(tǒng)通過PID算法實現(xiàn)了對擴散爐溫度智能、精確的控制。詳細介紹本系統(tǒng)采用雙核系統(tǒng)，CPU0運行GUI,CPU1運行操作系統(tǒng)，雙核通訊機制采用郵箱傳遞控制信號。系統(tǒng)中使用了多種接口，如VGA,UART串口,音頻輸出，GPIO等。系統(tǒng)通過ZigBee協(xié)調器接收ZigBee網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)，同時通過視頻解碼模塊接收攝像頭傳來的數(shù)據(jù)，并通過LCD將其顯示。也可以通過觸摸屏對各種信息進行監(jiān)控和設置。當檢測到非正常情況時系統(tǒng)可以通過GSM發(fā)送報警

3、信息和接收控制信息，還可以通過音頻輸出進行報警。系統(tǒng)需要存儲的電話號碼和采集來的信息參數(shù)等數(shù)據(jù)可以通過SD卡存儲。此外，系統(tǒng)根據(jù)接收到的擴散爐溫度信息可對其進行自動控制。作品設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標本系統(tǒng)的目標是對半導體工藝實驗室的環(huán)境和設備運行情況進行智能監(jiān)控。根據(jù)半導體工藝實驗室的具體情況，應用基于ZigBee技術的網(wǎng)絡協(xié)議棧，組建了mesh結構的無線傳感器網(wǎng)絡；該網(wǎng)絡可以實時地將傳感器采集到的實驗室的溫度、濕度、易燃易爆氣體的濃度、擴散爐的溫度、火災信息及非法進入等信息傳輸?shù)紻E1開發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)處理接收到的信息，并根據(jù)情況進行聲音報警，同時可對相關設備的

4、運行進行監(jiān)控。另外，當異常發(fā)生時，系統(tǒng)可以通過GSM模塊實現(xiàn)短信報警，工作人員還可以通過攝像頭實時監(jiān)測其它設備的信息。 系統(tǒng)創(chuàng)新點在于采用mesh多跳網(wǎng)絡實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)傳輸，通過軟件PID算法實現(xiàn)了對擴散爐溫度的自動控制，并可利用GSM無線通信對系統(tǒng)進行遠端控制。 技術關鍵在于對各種輸入輸出數(shù)據(jù)的格式轉換控制和對擴散爐的自動控制中如何采用PID模糊控制技術,通過Pvar、Ivar、Dvar（比例、積分、微分）三方面的結合調整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。 主要技術指標： 1. 擴散爐溫度控制范圍：1001200； 2. 擴散爐控制精度：2； 3. 擴散爐供電電壓：220V 4. 傳

5、感器響應和反應時間：<10s 5. 傳感器恢復時間：<20s 6. 傳感器供電電壓：5V 7. 開發(fā)板及液晶屏供電電壓：12V 8. 無線傳輸距離：60m作品的科學性、先進性本系統(tǒng)應用到了ALTERA公司的DE1開發(fā)板，ZigBee協(xié)議棧及相應傳感器等，科學地將FPGA開發(fā)板與ZigBee技術相結合，實現(xiàn)了對半導體工藝實驗室的環(huán)境監(jiān)控，同時采用增量式PID算法實現(xiàn)了對擴散爐的自動控制。其中ZigBee技術具有低成本、低功耗、短距離、安全的特點，是現(xiàn)今世界上近距離無線傳輸方面的先進技術。ALTERA提供的NiosII是目前世界上比較通用的軟核嵌入式處理器，它具有低成本、高性能、開發(fā)周

6、期短的優(yōu)點。用PID算法自動控制擴散爐，大大提高了靈活性。 與ARM系列單片機相比，F(xiàn)PGA在海量數(shù)據(jù)處理、高速復雜邏輯處理和信號處理方面具有明顯優(yōu)勢。 ZigBee和藍牙都屬于短距離無線通信技術，與ZigBee協(xié)議棧相比，藍牙協(xié)議棧相對復雜，需要的系統(tǒng)資源要比ZigBee多。一個ZigBee網(wǎng)絡可容納的節(jié)點也比藍牙多得多，因此ZigBee非常適合有大量終端設備的網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡層，ZigBee支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡的健壯性。作品在何時、何地、何種機構舉行的評審、鑒定、評比、展示等活動中獲獎及鑒定結果該作品的前期版本曾在2008年9月舉行的陜西省電子設計競賽中獲得過陜西省一等獎。本次

7、競賽所報作品在前期工作的基礎上在視頻處理、擴散爐的溫度控制以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面作了進一步的改進。在視頻處理模塊中我們主要針對視頻壓縮算法做了改進，達到了更好的壓縮率，另外我們還增加了對擴散爐的控制功能，采用PID算法實現(xiàn)了對擴散爐的精確控制。 本作品于2009年6月榮獲第七屆西安高新“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學生課外學術科技作品競賽特等獎。使用說明及該作品的技術特點和優(yōu)勢，提供該作品的適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經濟效益預測1、使用說明 1)接通系統(tǒng)電源、ZigBee電源和擴散爐電源 2)按下開發(fā)板上的POWER鍵啟動系統(tǒng) 3)按照用戶界面的提示通過觸摸屏進行操作 4)安全退出系統(tǒng)，切

8、斷電源 2、技術特點、優(yōu)勢、適用范圍、推廣前景及經濟效益預測 本監(jiān)控系統(tǒng)是針對半導體工藝實驗室開發(fā)的，適合工藝過程監(jiān)測和實驗室的信息采集及控制。技術特點為采用了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡采集信息，通過增量式PID算法實現(xiàn)了對擴散爐的自動控制。本系統(tǒng)的的優(yōu)勢是處理速度快、低成本、低功耗、操作簡單，報警及時而且可進行遠端控制。通過改變傳感器的類型，可方便地移植到公共場所,家庭和其他類型的實驗室，對于現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境的監(jiān)控也具有實際意義。相信本系統(tǒng)通過進一步的改進將會推廣和應用到社會各個領域。目前基于此技術的監(jiān)控系統(tǒng)在國內外的研究只是初步階段，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)成本太高，操作復雜而且靈活性較差，而本系統(tǒng)成本

9、低，操作簡單并且可對設備進行比較靈活的控制，比較適合推廣到一些民用的和對價格比較敏感的領域，相信會有很好的經濟效益。當前國內外同類課題研究水平概述我們設計的“基于NiosII處理器和ZigBee技術的智能監(jiān)控系統(tǒng)”是結合了有廣闊發(fā)展前景的ZigBee技術和基于NiosII的嵌入式SOPC技術。Altera公司提供的Nios II軟核處理器提供了強大的計算能力，使SOPC技術與ZigBee技術進行了完美的結合，既有技術上的先進性，也使成本大大降低。通過增量式PID算法，我們實現(xiàn)了對擴散爐的自動控制。 當今世界通信技術迅猛發(fā)展，ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術，正有力地推動著低速率無線

10、個人區(qū)域網(wǎng)絡的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡是計算機、通信和傳感器三項技術相結合的產物，近年來得到了飛速發(fā)展。它作為一種新興技術，已經成為國內外研究的熱點，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和救災等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。目前本技術在國內外只是處于研究階段，并未進行大規(guī)模的商業(yè)應用。而現(xiàn)有的基于此技術的監(jiān)控系統(tǒng)成本太高，操作復雜而且靈活性較差，很難應用推廣到一些民用的和對價格比較敏感的領域。 SOPC（System On Programmable Chip,片上可編程系統(tǒng)），是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SOC解決方案，是一種新的軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)設計技術。目前ASIC產品價格仍相當

11、昂貴，而集成了硬核和軟核CPU、DSP、存儲器和I/O設備的可編程SOPC芯片，在應用靈活性和價格上有相當大的優(yōu)勢，所以有人認為SOPC代表著半導體行業(yè)未來的發(fā)展方向。 目前，在控制和對數(shù)據(jù)的處理方面，主要以ARM和FPGA為代表。ARM系列單片機具有豐富的I/O資源，而且外圍電路簡單，數(shù)據(jù)處理能力快。ARM系列單片機在海量數(shù)據(jù)處理和并行計算方面能力有限，而在此方面FPGA首屈一指，并且FPGA開發(fā)板上提供了豐富的數(shù)據(jù)傳輸接口，更適合大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。 擴散爐是集成電路生產線前工序的重要工藝設備，它的主要用途是在高溫條件下將摻雜材料擴散入硅片，從而改變和控制半導體內雜質的類型、濃度和分布，它與半導體工藝互相依存、互相促進、共同發(fā)展。國內這方面研究起步較晚，加上各種因素，目前在對擴散爐的制造工藝和控制方面與國外還有較大差距，一些設備制造單位正加快步伐，開發(fā)出能夠適合市場需求的產品。 總體上來說半導體工藝