基本信息
- 项目名称：
- 基于NiosⅡ处理器和ZigBee技术的智能监控系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 当今世界，半导体工艺是电子信息领域的重要基础。半导体工艺实验室环境要求严格，设备昂贵，室内工作具有一定危险性。本系统可以实时监测实验室的温度、湿度、火灾信息、扩散炉的温度、易燃易爆及有毒气体的浓度及非法进入等影响实验室安全的因素，并及时做出反馈和报警，使工作人员进行远程控制或采取相应措施。系统采用低成本、低功耗、安全可靠的ZigBee技术组成了无线mesh传感器网络，通过“多跳”网络灵活实现了传感器数据和控制数据的传递。目前市场上现有视频采集卡价格昂贵，我们手动编写了硬件代码并开发了硬件电路，实现了对模拟视频信号的解交织处理，这不仅达到监视实验室内人员进出及设备工作状况的目的，而且大大降低了开发成本。此外，系统通过PID算法实现了对扩散炉温度智能、精确的控制。
- 详细介绍：
- 本系统采用双核系统，CPU0运行GUI,CPU1运行操作系统，双核通讯机制采用邮箱传递控制信号。系统中使用了多种接口，如VGA,UART串口,音频输出，GPIO等。系统通过ZigBee协调器接收ZigBee网络传来的数据，同时通过视频解码模块接收摄像头传来的数据，并通过LCD将其显示。也可以通过触摸屏对各种信息进行监控和设置。当检测到非正常情况时系统可以通过GSM发送报警信息和接收控制信息，还可以通过音频输出进行报警。系统需要存储的电话号码和采集来的信息参数等数据可以通过SD卡存储。此外，系统根据接收到的扩散炉温度信息可对其进行自动控制。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本系统的目标是对半导体工艺实验室的环境和设备运行情况进行智能监控。根据半导体工艺实验室的具体情况，应用基于ZigBee技术的网络协议栈，组建了mesh结构的无线传感器网络；该网络可以实时地将传感器采集到的实验室的温度、湿度、易燃易爆气体的浓度、扩散炉的温度、火灾信息及非法进入等信息传输到DE1开发系统，系统处理接收到的信息，并根据情况进行声音报警，同时可对相关设备的运行进行监控。另外，当异常发生时，系统可以通过GSM模块实现短信报警，工作人员还可以通过摄像头实时监测其它设备的信息。 系统创新点在于采用mesh多跳网络实现了传感器数据传输，通过软件PID算法实现了对扩散炉温度的自动控制，并可利用GSM无线通信对系统进行远端控制。 技术关键在于对各种输入输出数据的格式转换控制和对扩散炉的自动控制中如何采用PID模糊控制技术,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。 主要技术指标： 1. 扩散炉温度控制范围：100~1200℃； 2. 扩散炉控制精度：2℃； 3. 扩散炉供电电压：220V 4. 传感器响应和反应时间：<10s 5. 传感器恢复时间：<20s 6. 传感器供电电压：5V 7. 开发板及液晶屏供电电压：12V 8. 无线传输距离：≤60m
科学性、先进性
- 本系统应用到了ALTERA公司的DE1开发板，ZigBee协议栈及相应传感器等，科学地将FPGA开发板与ZigBee技术相结合，实现了对半导体工艺实验室的环境监控，同时采用增量式PID算法实现了对扩散炉的自动控制。其中ZigBee技术具有低成本、低功耗、短距离、安全的特点，是现今世界上近距离无线传输方面的先进技术。ALTERA提供的NiosII是目前世界上比较通用的软核嵌入式处理器，它具有低成本、高性能、开发周期短的优点。用PID算法自动控制扩散炉，大大提高了灵活性。 与ARM系列单片机相比，FPGA在海量数据处理、高速复杂逻辑处理和信号处理方面具有明显优势。 ZigBee和蓝牙都属于短距离无线通信技术，与ZigBee协议栈相比，蓝牙协议栈相对复杂，需要的系统资源要比ZigBee多。一个ZigBee网络可容纳的节点也比蓝牙多得多，因此ZigBee非常适合有大量终端设备的网络。在网络层，ZigBee支持网状网，存在冗余路由，保证了网络的健壮性。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品的前期版本曾在2008年9月举行的陕西省电子设计竞赛中获得过陕西省一等奖。本次竞赛所报作品在前期工作的基础上在视频处理、扩散炉的温度控制以及系统的稳定性等方面作了进一步的改进。在视频处理模块中我们主要针对视频压缩算法做了改进，达到了更好的压缩率，另外我们还增加了对扩散炉的控制功能，采用PID算法实现了对扩散炉的精确控制。 本作品于2009年6月荣获第七届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 1、实物、产品 2、现场演示 3、图片 4、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、使用说明 1)接通系统电源、ZigBee电源和扩散炉电源 2)按下开发板上的POWER键启动系统 3)按照用户界面的提示通过触摸屏进行操作 4)安全退出系统，切断电源 2、技术特点、优势、适用范围、推广前景及经济效益预测 本监控系统是针对半导体工艺实验室开发的，适合工艺过程监测和实验室的信息采集及控制。技术特点为采用了ZigBee无线传感器网络采集信息，通过增量式PID算法实现了对扩散炉的自动控制。本系统的的优势是处理速度快、低成本、低功耗、操作简单，报警及时而且可进行远端控制。通过改变传感器的类型，可方便地移植到公共场所,家庭和其他类型的实验室，对于现代工业环境的监控也具有实际意义。相信本系统通过进一步的改进将会推广和应用到社会各个领域。目前基于此技术的监控系统在国内外的研究只是初步阶段，现有的监控系统成本太高，操作复杂而且灵活性较差，而本系统成本低，操作简单并且可对设备进行比较灵活的控制，比较适合推广到一些民用的和对价格比较敏感的领域，相信会有很好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 我们设计的“基于NiosII处理器和ZigBee技术的智能监控系统”是结合了有广阔发展前景的ZigBee技术和基于NiosII的嵌入式SOPC技术。Altera公司提供的Nios II软核处理器提供了强大的计算能力，使SOPC技术与ZigBee技术进行了完美的结合，既有技术上的先进性，也使成本大大降低。通过增量式PID算法，我们实现了对扩散炉的自动控制。 当今世界通信技术迅猛发展，ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络的发展。无线传感器网络是计算机、通信和传感器三项技术相结合的产物，近年来得到了飞速发展。它作为一种新兴技术，已经成为国内外研究的热点，其在军事、环境、健康、家庭、商业、空间探索和救灾等领域展现出广阔的应用前景。目前本技术在国内外只是处于研究阶段，并未进行大规模的商业应用。而现有的基于此技术的监控系统成本太高，操作复杂而且灵活性较差，很难应用推广到一些民用的和对价格比较敏感的领域。 SOPC（System On Programmable Chip,片上可编程系统），是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决方案，是一种新的软硬件协同的系统设计技术。目前ASIC产品价格仍相当昂贵，而集成了硬核和软核CPU、DSP、存储器和I/O设备的可编程SOPC芯片，在应用灵活性和价格上有相当大的优势，所以有人认为SOPC代表着半导体行业未来的发展方向。 目前，在控制和对数据的处理方面，主要以ARM和FPGA为代表。ARM系列单片机具有丰富的I/O资源，而且外围电路简单，数据处理能力快。ARM系列单片机在海量数据处理和并行计算方面能力有限，而在此方面FPGA首屈一指，并且FPGA开发板上提供了丰富的数据传输接口，更适合大规模监控系统的开发。 扩散炉是集成电路生产线前工序的重要工艺设备，它的主要用途是在高温条件下将掺杂材料扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，它与半导体工艺互相依存、互相促进、共同发展。国内这方面研究起步较晚，加上各种因素，目前在对扩散炉的制造工艺和控制方面与国外还有较大差距，一些设备制造单位正加快步伐，开发出能够适合市场需求的产品。 总体上来说半导体工艺实验室有其特殊的要求，但当今对半导体工艺实验室监控领域研究还不是很多。
