曾剛-基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的下水道安全監(jiān)測系統(tǒng)(共12頁)

1、項目批準號 大學生科研(k yn)訓練項目申請書項目名稱： 基于(jy)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的下水道安全(nqun)監(jiān)測系統(tǒng) 申 請 人： 曾剛 所在學院： 信息工程學院 專 業(yè) ： 電子信息科學與技術(shù) 聯(lián)系電話：指導(dǎo)教師: 楊永超 職稱 講師 電話申報日期： 2013 年 4 月 11 日 湖北民族學院教務(wù)處 制 填 表 說 明 一、 填寫立項申請書前，請先咨詢指導(dǎo)教師或有關(guān)專業(yè)(zhuny)教師。申請書的各項內(nèi)容要求實事求是，逐條認真填寫，表達明確、嚴謹。 二 、申請書要求一律用A4紙正反打印，一式4份（負責人、指導(dǎo)教師、所在學院、教務(wù)處各執(zhí)

2、一份），于左側(cè)裝訂。由指導(dǎo)教師和所在院（部）審查并簽署(qinsh)意見后報教務(wù)處。三 、“項目批準(p zhn)號”不填，由學校統(tǒng)一編號。四、如表格不夠，可以加附頁。一、項目(xingm)概況項目簡況項目名稱基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的下水道安全監(jiān)測系統(tǒng)項目類別A、人文社會科學類； B、自然科學類申請經(jīng)費2000元起止年月2013.4-2014.4項目組成員姓 名專 業(yè)學 號所在學院項目分工本人簽字曾剛電子信息科學與技術(shù)031141013信息工程學院整體規(guī)劃黃林電子信息科學與技術(shù)031141209信息工程學院軟件設(shè)計徐耀電子信息科學與技術(shù)031141128信息工程學院硬件設(shè)計指導(dǎo)教師情況姓名楊永超

3、學位碩士職稱講師研究方向電力電子及新能源發(fā)電、電力設(shè)備故障診斷授課名稱電力電子技術(shù)、發(fā)電廠電氣部分研究內(nèi)容概述(限200字以內(nèi)) 近年來因為下水道堵塞、甲烷濃度過高經(jīng)常引發(fā)爆炸造成人員和車輛安全事故，而下水道井蓋丟失會導(dǎo)致行人掉進下水道，對城市居民的生命財產(chǎn)造成極大的安全隱患。為解決上述問題，本項目采用ZigBee模塊為監(jiān)測模塊控制核心，采用太陽能電池與蓄電池進行供電，通過甲烷傳感器采集下水道內(nèi)沼氣濃度，用水位傳感器判別下水道是否堵塞，同時利用紅外發(fā)射接收裝置判斷井蓋是否丟失。將各監(jiān)測模塊的傳感器信息在主模塊（ZigBee基站）匯集后，利用GSM模塊與城市管道管理中心實現(xiàn)遠程交互，預(yù)防安全事故

4、的發(fā)生。當井蓋丟失或甲烷等可燃氣體濃度過高時微處理器會將告警信息通過ZigBee基站匯集后通過GSM模塊發(fā)送給監(jiān)管部門，實現(xiàn)了監(jiān)測和預(yù)警的雙重功能。項目創(chuàng)新特色概述（50字以內(nèi)）1、首次針對下水道井蓋與沼氣濃度進行檢測，為人們解決下水道安全問題。2、采用無污染的太陽能電池供電，實現(xiàn)清潔、環(huán)保、簡單的系統(tǒng)電能供應(yīng)。二、項目簡介（研究內(nèi)容、目的意義、具體目標、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及評價等） 1 研究背景 我國城市排水系統(tǒng)沿用前蘇聯(lián)設(shè)計，只注重排，不注重蓄，這樣容易造成瞬間洪峰，形成內(nèi)澇；國內(nèi)城市建設(shè)過程中，水資源管理理念不先進，大量的城市建設(shè)摧毀了城市濕地系統(tǒng)，城市被硬化覆蓋，城市管網(wǎng)設(shè)計不科學，監(jiān)

5、管不力，造成了下水道嚴重堵塞。下水道井蓋常常由于洪峰或則人為原因丟失，行人不慎掉進下水道，嚴重威脅了人類的生命安全。城市下水道是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，但由于其環(huán)境特殊，容易產(chǎn)生大量有毒有害、易燃易爆氣體。如果對下水道管理不善，這類危險氣體泄漏或者蓄積，遇明火產(chǎn)生時會爆炸，造成危險事故。近年來，重慶、南京、武漢等地先后發(fā)生過嚴重的下水道爆炸事故，環(huán)衛(wèi)工作人員遭遇氣體中毒事故。最近長沙一女子由于落入無蓋下水道，隨即被湍急的水流卷走；云南省玉溪市易門縣楊柳街發(fā)生的下水道嚴重爆炸事件，爆炸順著污水溝一連串地引發(fā)下去，導(dǎo)致多名人員傷亡，類似的悲劇其他城市曾經(jīng)上演，并且還在繼續(xù)。隨著城市化的加劇，城市下水道

6、由于管理不善，常常堵塞，污水不能及時疏通，使人類的居住環(huán)境惡化，同時產(chǎn)生大量的沼氣等可燃氣體；云南省玉溪市易門縣楊柳街發(fā)生的下水道嚴重爆炸事件，爆炸順著污水溝一連串地引發(fā)下去，導(dǎo)致多名人員傷亡；就在十多天前，廣西南寧一名5歲的小男孩在河堤壩附近玩耍時，結(jié)果不幸掉入一口排污井里，搶修人員合力搜救了9小時，最后在附近的污水處理泵房池面發(fā)現(xiàn)了已經(jīng)遇難的小男孩；2012年7月，在北京蘋果園南路，由于大雨沖開了井蓋，兩名河北籍男青年雨中推車時不慎墜井身亡；2012年，大連市一名28歲女子在上班途中墜入敞著口的下水道，不幸身亡。近幾年，類似事件在不少城市時有發(fā)生，社會輿論也一直呼吁解決好井蓋問題，但卻一直

7、未能得到根本性改觀。相關(guān)人士表示，解決這一問題需要下大決心、用硬功夫，既要從硬件上給予強化優(yōu)化，更需完善市政設(shè)施管護機制、嚴格問責機制。由于下水道數(shù)量巨大，地域分布廣，而且下水道發(fā)生事故的幾率大，若采用人工方式進行檢測費時費力，難以監(jiān)管。所以，如何建立一套行之有效的城市下水道可燃氣體檢測和井蓋丟失監(jiān)測方案是城市環(huán)境管理的重要內(nèi)容。 2 具體目標 本項目所采用的方案的目標是采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時檢測下水道甲烷濃度和井蓋丟失，實現(xiàn)監(jiān)測與預(yù)警雙功能,保障城市居民的生命財產(chǎn)安全。 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗

8、低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。2006年9月27日，ZigBee聯(lián)盟宣布ZigBee標準的增強版本，完善和標準化了Z-Stack協(xié)議棧，使得國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)環(huán)境結(jié)構(gòu)監(jiān)測方向提出一些優(yōu)秀的成果，如基于ARM9和ZigBee的橋梁應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、基于ZigBee與GPRS 的嵌入式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)都是成功的運用了ZigBee技術(shù)。然而采用GPRS技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)成本高而且系統(tǒng)數(shù)據(jù)流不大，所以本系統(tǒng)采用ZigBee與蜂窩移動通信GSM的無線網(wǎng)絡(luò)模式。無線組網(wǎng)的信息來源于各個傳感器節(jié)點的信息采集。本系統(tǒng)中的信息主要是甲烷濃度、下水道水位、

9、井蓋丟失，因此采用的傳感器有：甲烷傳感器，水位傳感器，紅外線傳感器。系統(tǒng)中的甲烷傳感器具有自動調(diào)零功能；標校可靠性更高，性能更穩(wěn)定，使用更簡單方便,測量的數(shù)值均準確可靠,開機并具有自動穩(wěn)零功能，方便調(diào)試，操作簡單等優(yōu)點，并且甲烷傳感器廣泛應(yīng)用于礦井,沼氣池等諸多平臺，本項目采用甲烷傳感器采集下水道的甲烷濃度；國內(nèi)外水位傳感器技術(shù)早已成熟，并運用與各個方面的水位測量，本系統(tǒng)用水位傳感器采集下水道的水位情況；紅外線技術(shù)也是傳感器的一部分，紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。國內(nèi)的雙技術(shù)紅外線探測器成功運用于測距，使得紅外線探測技術(shù)更加完善和可行，為

10、系統(tǒng)下水道井蓋是否丟失找到了技術(shù)支撐點。 系統(tǒng)的能源是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，一般系統(tǒng)常常采用干電池等化學能源進行供電，其成本高，且污染環(huán)境，因此必須找到一種方便、清潔和可持續(xù)發(fā)展的能源。1996年，聯(lián)合國在津巴布韋召開“世界太陽能高峰會議”，會后發(fā)表了哈拉雷太陽能與持續(xù)發(fā)展宣言，會上討論了世界太陽能10年行動計劃（19962005年），國際太陽能公約，世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃等重要文件。這次會議進一步表明了聯(lián)合國和世界各國對開發(fā)太陽能的堅定決心，要求全球共同行動，廣泛利用太陽能?，F(xiàn)階段太陽能已得到廣泛的利用，所以本系統(tǒng)采用太陽能供電，綠色環(huán)保，同時不需要搭建復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。_ 三、

11、研究技術(shù)路線及可行性 整體方案圖1：系統(tǒng)整體方案 圖2：單個井蓋監(jiān)測模塊系統(tǒng)方案如圖1及圖2所示。本方案首先通過圖2所示的相關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù)：利用紅外檢測是否掉蓋，利用甲烷傳感器采集沼氣濃度，通過水位傳感器檢測下水道是否堵塞,然后ZigBee監(jiān)測模塊將傳感器監(jiān)測的信息發(fā)送給相應(yīng)ZigBee基站 如圖1所示 ,ZigBee基站對這些信息進行處理,當上述各監(jiān)測模塊的傳感器信息超過安全范圍時，將及時通過GSM模塊將告警信息發(fā)送至城市管道監(jiān)測部門，實現(xiàn)了城市下水道及其井蓋的監(jiān)測和預(yù)警雙重功能。本方案的具體功能模塊如下： 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前ZigBee技術(shù)應(yīng)用于包括智能家庭、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療

12、監(jiān)護、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和電信應(yīng)用。成熟應(yīng)用ZigBee技術(shù)為本方案的通信模塊提供了可靠的依據(jù)。同時ZigBee相比Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等無線模塊有著自己獨特的優(yōu)勢,比如計量準確、通信可靠、方便、功耗低等優(yōu)點。這也為本方案的可靠性和穩(wěn)定性提供了保證，ZigBee模塊需要的硬件平臺小且設(shè)計方便,符合本方案將硬件平臺微型化的特點。 本方案將采用ZigBee的自組織網(wǎng)技術(shù)，每個ZigBee監(jiān)測模塊監(jiān)測傳感器信息，并將傳送給ZigBee基站，ZigBee的很好的定位功能，可以方便工作人員準確定位下水道出現(xiàn)故障的位置。 2 甲烷傳感器甲烷傳感器具有自動調(diào)零功能，標?？煽啃愿撸阅?/p>

13、穩(wěn)定，使用簡單方便,測量的數(shù)值均準確可靠,開機具有自動穩(wěn)零功能，方便調(diào)試，操作簡單等優(yōu)點，并且甲烷傳感器已廣泛應(yīng)用于礦井、沼氣池等諸多平臺。甲烷傳感器實時采集下水道中沼氣的濃度，將信息發(fā)送給監(jiān)測模塊 如圖2。 3 水位傳感器 水位傳感器廣泛應(yīng)用于水廠、污水處理廠、城市供水、高樓水池、水井、水罐、油池、水文地質(zhì)、水庫、河道、海洋等場所,在此方案中本團隊將水位傳感器的技術(shù)應(yīng)用于下水道水位監(jiān)測。如圖2當水位到達一定高度時水位傳感器會將此信息發(fā)送給ZigBee監(jiān)測模塊。 4 紅外線模塊 運用主動紅外探測儀，它發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外光束，經(jīng)過光學系統(tǒng)的作用變成平行光束發(fā)射，此光束被接收裝置接收，由接收裝置將

14、光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在傳到控制裝置，從而對下水道的井蓋進行檢測。 5 電源模塊 太陽能電池廣泛應(yīng)用于熱水器,發(fā)電站,衛(wèi)星等場合的電池供應(yīng)方面,由于太陽能電池的高效無污染。故本方案采用其作為本方案的電源,實現(xiàn)供電。它是基于將太陽能輻射能收集起來，通過物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用的模塊。此模塊中電源管理系統(tǒng)專門調(diào)度和控制太陽能給蓄電池充電，同時控制蓄電池對負載放電；太陽能電池板負責采集太陽能轉(zhuǎn)化為電能；而蓄電池負責儲存電能，并為整個系統(tǒng)提供能源。市面上已存在很多太陽能蓄電池，并為生活帶來了很多便利，利用太陽能是可行的。_ 四、對項目的參與興趣和已有的知識積累或?qū)嵺`基礎(chǔ) 團隊成員在平時的學習中做

15、過一些作品，已接觸51、AVR、M3等多種單片機，并且在UCOSII平臺上設(shè)計了mp3播放器。團隊成員希望通過這個項目提高對系統(tǒng)設(shè)計的能力，團隊對這次實踐已經(jīng)做了充分的淮備。創(chuàng)新項目是提高團隊成員在系統(tǒng)設(shè)計方面的能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的平臺。本團隊希望通過這個平臺能為其它人的生活帶來一些方便。 在以前的學習生活中團隊成員從不同方面學習與電子技術(shù)相關(guān)的知識；本團隊對proteus、multisim等仿真軟件的運用具有豐富經(jīng)驗，對protel99、Altium Designer等設(shè)計電路板軟件有一定的掌握；本團隊除了對C語言熟練運用外，還涉獵匯編、C+、matlab等多種編程語言，可以保證對于不同平臺

16、靈活的選用，不同的工具來解決問題。本團隊的各個成員對不同方面有著不同的造詣，團隊每個成員的實力加上吃苦耐勞的精神，可以讓此項目高效有序的完成。 本團隊每個成員都刻苦學習，對系統(tǒng)的設(shè)計有一定的掌握，成功的設(shè)計出了幾個小的項目。我們團隊為了保證項目高效有序的完成，將會有所分工，這個項目可以讓我們把理論轉(zhuǎn)化為實際，同時也能培養(yǎng)我們團隊協(xié)作精神，本團隊一定會將項目做得完美。 五、研究計劃和進度（可就文獻查詢、社會調(diào)查、方案設(shè)計、實驗研究、數(shù)據(jù)處理、研制開發(fā)、撰寫論文或研究報告、結(jié)題和答辯、成果推廣、論文發(fā)表、專利申請等工作逐項進行安排）2013.4-6月 初步完成項目的準備工作，通過社會調(diào)查及分析已有

17、的理論成果，深入了解 ZigBee協(xié)議，及太陽能模塊的實現(xiàn)。2013.7-9月 購買實驗器材，對項目的整體進行設(shè)計，并通過軟件設(shè)計整體框架。2013.1012月 系統(tǒng)的測試，優(yōu)化以及完善模型。2014.1-4月 撰寫論文，研究報告，準備結(jié)題相關(guān)內(nèi)容并申請專利。 六、項目研究支撐條件信息工程學院創(chuàng)新實踐中心成立于2006年1月，現(xiàn)有專職教師3人，兼職教師27人，設(shè)有基礎(chǔ)電子設(shè)計部、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)部、機器人開發(fā)部、軟件開發(fā)部和網(wǎng)絡(luò)工程部等5個項目研究部門，共完成學生科研項目80余項。創(chuàng)新實踐中心現(xiàn)有開放實驗室8個，總建筑面積1192平方米，共有實驗儀器230多臺件，總價值達91萬元，能夠同時容納2

18、00名學生從事科研活動、學術(shù)競賽活動和創(chuàng)新實踐活動。創(chuàng)新實踐中心自成立以來，堅持以大學生科研項目研究和科技競賽為工作重點，成功參加了一屆全國大學生電子設(shè)計競賽、兩屆湖北省大學生電子設(shè)計競賽和一屆全國大學生SOPC大賽，取得了多個省級一、二、三等獎的好成績。實驗中心和創(chuàng)新實踐中心有項目開展所需要實驗的實驗箱和開發(fā)板，具備項目的實驗平臺和環(huán)境，擁有完成該項目的技術(shù)和實力。本項目的指導(dǎo)老師具有非常豐富的項目指導(dǎo)經(jīng)驗，主要從事電力電子及新能源方向研究，已在國內(nèi)期刊上發(fā)表多篇論文，參與橫向科研項目多項，平均每年指導(dǎo)本科畢業(yè)設(shè)計八項，2003年至今，多次指導(dǎo)大學生參加電子設(shè)計大賽，指導(dǎo)的學生獲得數(shù)次省級及以上獎項。_ 七、預(yù)期提供的成果及形式1.設(shè)計和制作項目所述的實驗裝置一套2.申請專利1項3.發(fā)表1篇學術(shù)論文 八、項目經(jīng)費概算 申請資助總金額： 2000 元