毕 业 设 计
题 目： 基于ZigBee的智能小区监控系统设计
学 院： 电气信息学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 1002 学 号： 0236
学生姓名： 李 小 兰 导师姓名： 贺 富 朋 完成日期： 2014年6月4日
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诚 信 声 明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名： 日期： 年 月 日
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
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题目： 基于ZigBee的智能小区监控系统设计 姓名 李小兰 院 电气信息学院 专业 电子信息工程 班级 1002 学号 0236
指导老师 贺富朋 职称 讲师 教研室主任 刘望军 一、基本任务及要求：
1.基本任务 智能小区是未来小区物业发展的重要方向，而智能小区监控系统对小区的管理、可靠性、优越性起决定性的作用。本课题的任务是以Matlab为工具，对基于ZigBee的智能小区监控系统在给定区间组网节点分布进行仿真，主要解决1、拓扑结构优化； 2、无线传感器的选择。综合分析影响智能小区监控系统通信质量的主要因素。该课题对学生以后从事ZigBee网研发、组网、数据处理方面的工作具有参考价值。
2.基本要求 1）设计思路清晰，给出整体设计方案； 2）熟悉ZigBee协议，构建网络物理层模型； 3）建立Matlab仿真框架，进行Matlab仿真； 4）写出设计报告。 二、进度安排及完成时间：
第1周 布置任务、下达设计任务书、具体安排 第周 查阅资料、撰写文献综述及开题报告 第周 原理框图、总体方案设计 第6-11周 软、硬件部分设计 第12周 硬件下载测试 第周 撰写毕业设计说明书 第15周 指导老师检查毕业设计说明书 第16周 修改、装订毕业设计说明书、指导老师评阅 第17周 毕业答辩
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目 录
基于ZigBee的智能小区监控系统设计 .............................................................. 1 Design of Intelligent District Inspect System Based on ZigBee ............................ 2 第 1 章 论 述 .................................................................................................... 3
研究背景 ........................................................................................................ 3 国内外发展现状 ............................................................................................ 3
国内发展现状 ........................................................................................ 3 国外发展现状 ........................................................................................ 4 智能小区的分类 ............................................................................................ 5 智能小区的发展方向 .................................................................................... 6 本论文的主要任务 ........................................................................................ 6 第 2 章 ZigBee协议的概念及实现方法 ......................................................... 8
ZigBee协议的分层结构 ............................................................................... 8
应用层 .................................................................................................... 8 网络层 .................................................................................................... 9 协议 ........................................................................................................ 9 物理层 .................................................................................................... 9 基于ZigBee无线传感器网络设计 ............................................................ 11
网络拓扑设计 ...................................................................................... 11 工作原理 .............................................................................................. 12
第 3 章 无线传感器 ........................................................................................ 13
传感器在ZigBee中的应用 ........................................................................ 13 ZigBee在无线传感器网络中的优点 ......................................................... 13 无线传感器 .................................................................................................. 14 本章小结 ...................................................................................................... 16 第 4 章 智能小区监控系统的设计 ................................................................ 17
总体设计方案 .............................................................................................. 17 硬件系统 ...................................................................................................... 18
防盗报警系统 ...................................................................................... 18 火灾报警系统 ...................................................................................... 20
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视频门禁系统 ...................................................................................... 21 停车场收费系统 .................................................................................. 22 一卡通管理系统 .................................................................................. 22 小区灯光控制系统 .............................................................................. 23 智能抄表系统 ...................................................................................... 23 公共信息广播系统 .............................................................................. 24 花草自动浇水系统 .............................................................................. 25 环境平衡管理系统 .............................................................................. 26 软件系统 ...................................................................................................... 26
安全防范子系统软件架构 .................................................................. 27 管理与监控子系统软件架构 .............................................................. 27 本章小结 ...................................................................................................... 28 第 5 章 智能小区监控系统的软件设计 ........................................................ 29
安全防范子系统的实现 .............................................................................. 30
网络结构 .............................................................................................. 30 网络节点工作流程 .............................................................................. 31 服务器的数据处理 .............................................................................. 34 视频图像处理 ...................................................................................... 35 无线传感器路由协议 .................................................................................. 36 软件仿真分析 .............................................................................................. 37
仿真波形及分析 .................................................................................. 37 仿真程序 .............................................................................................. 39 本章小结 ...................................................................................................... 40 结束语 .................................................................................................................. 41 参考文献 .............................................................................................................. 43 致 谢 .................................................................................................................. 44
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基于ZigBee的智能小区监控系统设计
摘 要：本毕设论文介绍了普通的智能小区的研究背景以及国内国外的发展现状以及前景，总结了智能小区的发展趋势；提出了智能小区监控系统的设计计划，分别对安全防范子系统以及管理监控子系统的硬件平台设计方案和软件架构进行了分析，介绍了硬件系统设备的相关特性，分析了智能小区中各种软件的功能；并对智能小区监控系统的软件部分的实现做出了详细的分析，对本文系统所涉及到的一部分关键技术进行了详细的流程解释以及功能实现的分析。本文针对智能小区监控系统中的无线传感网络技术，提出了改善传感网络性能的路由协议。更加适用于智能小区无线传感网络的运用需求。本文以Matlab为仿真软件，仿真结果表明：多径分级定向扩散协议能够优化智能小区传感网络的传输延迟，减少节点的能量消耗，进一步改善智能小区无线传感网络的分组接收率。
关键词：智能小区监控系统；ZigBee协议；定向扩散路由协议；Matlab
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Design of Intelligent District Inspect System Based on
ZigBee
Abstract：This paper describes the complete set of ordinary intelligence community as well as domestic and foreign research background and prospects of development status , summed up the development trend of intelligent community ; proposed intelligent community monitoring system design schemes, as well as for security management and monitoring sub- sub hardware platform design and software architecture of the system is analyzed , describes the relevant characteristics of hardware devices and analyzes the intelligence community in a variety of software functions ; and realize the software part of the intelligence community monitoring system to make a detailed analysis of the , on the part of the key technologies involved in this paper the system is analyzed in detail the process of interpretation and functional implementation. In this paper, intelligent community monitoring system for wireless sensor network technology is proposed to improve the performance of sensor network routing protocol. More applicable to the needs of intelligent residential use wireless sensor networks . In this paper, the simulation Matlab software, simulation results show that : multipath grading directed diffusion sensor network to optimize the intelligence community transmission delay , reduce energy consumption of nodes to further improve packet reception rate intelligence community wireless sensor networks.
Keywords : Intelligent Community monitoring system ; ZigBee protocol ; directed diffusion routing protocol ; Matlab
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第 1 章 论 述
研究背景
中国的经济日益发展，小康生活也随之而来，伴随着小康生活到来的还有一幢一幢的高楼大厦，这样就有了小区的存在，随之而来的就是要考虑到小区的安全，便捷以及舒适的问题了，智能小区就能将这一系列的问题解决，让住户住的放心，舒心。早期的小区环境对于智能化的功能设计要求的不是很高，只是用很普通的摄像机和监控器形成一个监控系统，当然，在设计方面也就很简单了。早期的小区主要是解决小区内部的关键区域，意思就是在小区的关键区域、关键要道上才进行视频监控，还有就是进门的时候有一个简单的门卫室当一个简单的门禁系统管理，而对于小区内的隐蔽地方和小区内的住户的安全监控上并没有得到很好的监控和管理，这样一来，当住户家里发生火灾。盗窃等突发事件的时候，住户又没有很好的紧急报警网络的话，小区的门卫室的管理人员是很难及时的发现和处理紧急事件的，这样将会带来巨大的损失。而本文中设计的新型的智能小区监控系统能够满足以前小区所能满足的所有功能外，还在增加了自动防盗、自动防火灾、远程监控、安全报警、小区停车自动收费。多级联网、小区设备管理等各种不同的新型功能。在未来的小区行业中，智能小区将会广泛的应用在我们的生活之中，以更加安全，更加舒适，更加便捷的优势来让我们的小区生活更加健康。
国内外发展现状
国内发展现状
近些年，智能化小区这个词一直在我们的周围盘旋着，源自智能小区在我国的迅速发展，虽然有些小区还是没有真正意义上达到智能小区的目的和要求，但还是有一些小区科技含量高，在技术上真正的实现了智能化小区在，这个方面比较爬尖的要数一些一线城市，比如广州，上海等地， 当然相比于国外还是大有差距。简而言之，目前我国国内的智能化小区的发展正是飞速进步阶段，建设水平也是大有提高，住户对小区的需求也就随之增多，但是，从总的来说，相对而言还是比较的滞后，由于我国的经济水平发展差别相当的大，各地居民的经济能力也有很大的差异，还有很大一部分人是处于一个早期的，科技含量地下的小区水平，也正朝着真正的智能化小区的方向前进而努力，现在国内的市场上各个房地产公司推出的房源都是最智能化的，但实际上只有少数的小区能称得上中高级的小区外，还有绝大多数的小区由于经济和技术的原因都还没有真正
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的达到智能化生活，与真正的智能小区相比还是有一定的距离和差距。所以，现在国内要做的就是更加注重技术上的跟进，同时努力的提高经济水平，以便能尽快促成真正的智能化小区。
对智能小区的认识存在一定的误区也是国内目前遇到的一个非常重要的问题之一，对能源的利用无节制导致能源和材料的消耗有过之而无不及，最重要的是国内生产的产品相比之下比较的落后，没有很好的想国外学习，学习国外的高科技技术，或者是从国外引进新产品和新技术等。因为在建设智能小区的过程中需要用到很多与之配套的技术支持和产品，无论是综合布线系统、楼宇自动控制系统、消防系统、安保系统、闭路电视系统、通信系统、车管系统、广播系统等。可是依据目前国内生产情况来看，我们在这方面显得非常的弱小。所以要建设高水准的智能化小区，那么只有从国外引进先进的技术和产品。这样一来，不管是从技术适宜性方面还是施工的进度，对国外都有很强的依耐性。
国外发展现状
国外智能小区行业的发展早在1979年就出现在美国斯坦福的研究所所提出的一个概念上，它是将小区建筑物里的电器设备的控制线和住户家里用的电器设备相统一成为总线的模式。由此，在美国还专门成立了现代化小区住宅建设研究会，对智能小区这一方向进行研究。在1983年，家庭电器设备的设计标准在美国电子工业协会开始进行制定。1984年，现代话智能小区开发公司在美国住宅建筑者协会成立，并开始了有关的研究工作，继而在1989年强力推出将空调控制、电力供应和数据通信整合布线的示范单元，在此期间智能小区的概念也被欧洲一些发达国家广泛的学习和应用。
在1986年集成化的系统计划在欧洲进行大力研究。在20世纪80年代家用数字总线的标准在欧洲的电气标准委员会成功制定。并进行进一步的规范智能小区的技术标准。
日本是在80年代初才将家庭电子化进行大力推行。在80年代中期就将通讯设备、安防设备、家用电器等功能进行综合再提出了智能小区的新想法。到了1988年，日本以家庭总线技术为研究对象建立了小区信息智能化促进会，并同时公布了相关的总线标准。在1996年日本就将多媒体技术融合到了智能小区里了，并取得了很好的研究成果。 在东南亚，智能小区技术处于领先水平的是新加坡。比如宝德胜家庭智能化系统，已在多个小区中运用。在\"98亚洲家庭电器与电子消费品国研讨会\"上展示的\"未来之家\"，其智能化品质得到了众多住户的关注与喜爱。它包括了小区通讯自动化、小区设备自动化和小区安全自动化的功能。
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智能小区的分类
整个智能小区可以分为三类，一是有线智能小区系统，二是无线智能小区系统，三是有线智能小区与无线智能小区相结合系统。目前我国还处在第三种阶段，有线智能小区与无线智能小区相结合系统。
早期的智能小区都是用的有线智能小区监控系统，基本上是用半数字化录像机来解决问题，由于半数字化的录像机功能低下，所以要在小区内安装大量的录像机，这样一来，自然会增加大量的布线工程,很多的信号线、控制线、视频线等等需要围绕着整个小区进行安装，但是这种方法仅适合在小型的区域，因为区域大一点的话，线路会更多，检查起来会更加的无厘头，如果有一个录像机出现故障了，那么物业需要找专业的技术人员花费大量的时间来查找到底是哪一条线出现了问题，这样，在维修期间就会在不同程度上打扰到小区的住户，甚至影响住户的正常生活，造成巨大的损失，维护起来也会更加的困难，另外，在小区周围进行复杂的，大量的布线会导致小区存在安全隐患，还会影响小区的环境美观度。
在无线智能小区监控系统中，网络化、智能化、数字化、集成化是当前无线智能小区的主要发展趋势。在这个新型的，含有高科技技术的无线智能小区监控系统中，其中监控功能仅仅是智能小区的关键功能之一，也是整个新兴智能小区最核心的功能。它需要将报警、监控、联网都集中在小区范围内，再结合其他的系统进行集成，并进行综合管理。它的优点有很多，比如智能小区监控系统采用无线方式避免了各种类的设备的大量的、复杂的线路布置，还可以将不同的功能模块简洁美观的一次性安装，同时还可以降低智能小区的维护困难度，节约成本。但唯一不足的就是国内的技术还不成熟，还没有很娴熟的技术去达到无线智能小区的标准。
把有线智能小区系统和无线智能小区监控系统相结合就形成了有线系统和无线系统相结合的智能小区系统，这个也是现在国内用的最多的，因为有线的维护太复杂，成本高等，而无线的技术达不到，但是这个系统是同时需要有线方式的设备和无线模式的技术要求和安装条件。当技术达不到用无线系统实现性能优异且方便的功能时，可以采用有线方式进行安装，当然能以当前的技术解决的性能优异且方便的部分系统就毫无疑问的采用无线的方式来实现功能，这个过程中还需要重视的即是怎样将有线方式的模块与无线方式的模块相结合，一同实现智能小区各个功能服务，从而为住户提供一个优雅舒适安全的居住环境。
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智能小区的发展方向
随着中国经济的蓬勃发展，中国居民逐渐过上小康生活，越来越多的小区楼房拔地而起。一轮新的发展高潮——居住环境智能化的趋势发展不可抵挡。智能小区今后将会更加规范化、更加一体化、更加环保化、更加服务增值化。
（1）规范化
我国在智能小区监控系统设计领域中，产品规范和技术的规范化还是有较多的缺陷与前景，所以，我认为制定相关的标准以及统一国内的智能小区监控系统市场的产品和系统，想要与国际接轨。
（2）一体化
在智能小区监控系统设计领域中，应用了各种类型的计算机超前新技术，还有很多智能小区方面的功能模块。那么，如何将这么多的功能很好的组合在一起，组装成性能最好的智能小区监控系统一体化，是智能小区监控系统设计领域中的重点研究的方向。
（3）环保化
当今社会一直在提倡绿色环保，智能小区也不例外，监控系统的主要也是要提倡绿色环保，在智能小区监控系统的构建中，环保涵盖了生态环境的维持和保护、提倡低消耗能量、资源重复利用等，怎样来利用有限的智能小区资源，来达到最大程度上的小区环保化，也是我们的重点研究趋向。
（4）服务增值化
智能小区系统的重要设计目标是为居民提供一个优质的服务，除了常规的智能小区的基本服务以外，如何能妥善管理与运营，来给居民提供更优秀的服务质量，来提供额外增值的服务项目也将是未来的智能小区系统领域的研究热点。
本论文的主要任务
智能小区是未来小区物业发展的重要方向，而智能小区监控系统对小区的管理、可靠性、优越性起决定性的作用。本课题的任务是以Matlab为工具，对基于ZigBee的智能小区监控系统在给定区间组网节点分布进行仿真，主要解决1、拓扑结构优化； 2、无线传感器的选择。综合分析影响智能小区监控系统通信质量的主要因素。该课题对学生以后从事ZigBee网研发、组网、数据处理方面的工作具有参考价值。
本毕业设计论文主要工作是对基于ZigBee的智能小区监控系统方案设计，软硬件框架的系统设计以及按照任务书上的要求实现任务书上所要求的各个功能。无线传感网络是现在社会中的智能小区构建的重要部分，主要用于各个传感器的网络连接，将各个
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传感器布点到各个位置，再把收集到的数据经过无线网络传输，这样可以节约很多材料，应用起来也非常的方便，但是无线传感网络路由技术的好坏直接影响着网络的生命周期，实时性能，网络的兼容性等一系列性能。所以为了解决这一问题，满足需要，设计出更适合的网络协议是很重要的。
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第 2 章 ZigBee协议的概念及实现方法
ZigBee协议的分层结构
标准的ZigBee分层体系架构是建立在OSI的七层协议体系基础上的，然后再根据市场和实际应用需要而定义的。把IEEE 标准定义成为底层协议：物理层PHY( Physical Layer)和媒体访问控制层MAC(Medium Access Control)。ZigBee协议在这个基础上还定义了网络层NWK(Network Layer)和应用层APL(Application Layer)框架。
ZigBee协议的体系结构中物理层（PHY）主要功能包括了关闭和启动无线接收器、链路质量检测、信道能量检测信道选择、CCA空闲信道估测以及通过物理信道对所有的数据包进行接收和发送等等；媒体访问控制层（MAC）主要是用来实现信息标称管理、时隙管理、信道接入、接收与发送帧结构数据。提供安全的，合适的机制等等；网络安全层主要是用来对ZigBee网络的数据管理，组网连接和网络安全等等；应用层则主要是为ZigBee技术的实际应用搭建一些应用模型框架。如图所示：
物理层 图 ZigBee协议的分层结构
应用层 网络层 ZigBee 协议 MAC层 IEEE 应用层
应用层由应用层的结构、规范和上层应用组成，主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：维持绑定表、在绑定的设备之间进行信息传送。并在网络设备之间建立了比较安全的机制。同时还要负责查询搜索网络中的设备，再作出相应的决定，决定他们提供哪一种应用服务。
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网络层
ZigBee网络层可支持星形、树形与网状三种网络拓扑结构，如图所示。在星形拓扑结构网络中，整个网络是由协调器设备来控制。协调器主要负责发起和维持网络正常工作，保持同网络终端设备间的通信。在网状和树形拓扑结构中，协调器则负责启动网络以及选择网络参数。其中，树形网络可以采用信标的模式进行通信。而在网状网中，设备之间采用完全对等的方式通信，不再发送通信信标。ZigBee的网络中，定义了两种设备，全功能设备（Full-Function Device：FFD）和精简功能设备（Reduced-Function Device：RFD）。全功能设备（FFD）：可担任网络协调器，形成网络，把精简功能设备（RFD）或者是其它的FFD设备连接，可以提供信双向传输的信息，具备所指定的功能和其所有的特征。利用它更多的计算和存储器能力可以在空闲的时候可以充当网络路由器来使用，也可以作为设备终端使用。精简功能设备（RFD）：RFD只能单方面的传送资料给FFD或者是从FFD上接收资料。另外还附带复杂性和控制成本的有限的功能，在无线网络中一般将其做为终端设备。
网状网络协调器全功能设备精简指令设备簇状星形
图 ZigBee定义的拓扑结构
协议
ZigBee协议的媒体访问控制层MAC和物理层PHY完全的采用了协议。IEEE802由、、、四个工作群组组成，其应用范围各不相同。而工作组又被分为四个协议，四个协议间区别就在于服务品质、电源损耗程度、资料传输速率的不同。
物理层
IEEE 物理层PHY定义了三个频段，共27个物理信道，在868MHz频段定义了1个物理信道，在925MHz频段附近定义10个物理信道，物理信道间隔2MHz，在频段定义16个物理信道，物理信道间隔为5MHz。在频段采用准正交调制技术、直接序列
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扩频（DSSS），形成的偏移四相移相键控(O_QPSK)载波、CHIP序列被调制到半正弦脉冲波形上。在868/915MHZ物理层信道使用简单的直接序列扩频DSSS方法，每个数据传输位都会被15位序列所扩展，最后用二进制相位移键控技术来调制扩展的位元序列。调制过程如图所示。
Binary Data From PPDU250Kb/sb7b6b5b4b3b2b1b0Bit-to-Symbol4:162.5Ksymbols/s(b3b2b1b0)(b7b6b5b4)Symbol-to-Chip1:322Mchips/sModulated SignalO_QPSKModulator1:12Mhz(11011001110000110101001000101110)2450MHz 物理层调制流程DifferentialEncoder1:120Ksymbols/s40Ksymbols/sModulated SignalBPSKModulator1:1Binary Data From PPDU20kb/s40kb/sBit-to-Chip1:15300khz600khz300Ksymbols/s600Ksymbols/s868/915MHz 物理层调制流程图 物理层信号调制过程
MAC层的结构和接口图
MAC公共部分子层-服务接入点（MCPS-SAP） MAC层管理实体-服务接入点（MLME-SAP） MAC管理实体 MAC公共部分子层 MAC层个域网信息库 物理层数据-服务接入点（PD-SAP） 物理层管理实体-服务接入点（MLME-SAP） 媒体访问控制层MAC通过MCPS-SAP提供的数据服务，然后保证它协议数据单元
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的正确接收和发送，通过MLME-SAP来提供管理服务，并维护一个存储MAC层的子层协议状态的信息数据库。再向下通过PD-SAP和PLME-SAP实现与物理层PHY通信。根据定义的标准，MAC层有六个方面的功能需要完成，分别是：信标帧通过协调器的产生与发送，普通的只需两者同步即可；支持PAN网络的关联和网络的取消关联的操作；支持安全的无线信道通信；支持时隙保障机制；支持CSMA\\CA机制来共享物理信道；给两个相同的MAC实体可以提供安全可靠的数据链路。MAC层的结构框架和接口如图所示。
基于ZigBee无线传感器网络设计
网络拓扑设计
图 无线传感器网络体系结构
当传感器节点部署于某区域内，节点间能自主形成一个多跳网络。传感器网络边缘节点在采集到数据后，需通过其他节点多跳转发向汇聚节点发送数据。而每个传感区域都有一个充当网关的汇聚节点搜集该区域内其他节点发送来的数据。所有的汇聚节点都连接到上层传输网络。而在传输网络中，包括了多个持续供电的无线通信节点，具备数据计算、存储能力，提供汇聚节点和基站间的通信带宽及通信可靠性。当基站通过计算各汇聚节点传输到的数据，确认某监测区域内某物理量超标，将启动报警装置。考虑到一些特殊环境，以及以前处于偏远地区，基站可以无线接入方式连入Internet。将某些
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可用的传感数据交至后台数据中心处理存储。拓扑结构如图所示。
工作原理
为了使传感器节点能实时获取监控区域各种不同物理量（温度，湿度，压力等），并经过网络多跳转发监测数据至网络终端。如图。最底层为部署于检测区域的传感器节点，上层依次为传输网络，数据到达基站后跟Internet连接。在网络满足对整个监测区域的连通性及覆盖性的前提下，当某个监测物理量超标，将会触发节点传感器，从而根据软件设定响应某报警信息。由于部分环境在短期内不会出现太大变化,可以预设各节点同步检测周期为3s(假设按照标准巡检周期为30s) ,考虑到井下的各种复杂的干扰信号有可能造成传感器节点发生误报警，可以采用报警信号延时确认措施。即当某一节点检测到某物理量达到报警值时,延时0. 05s后重新检测一次，若检测没有达到报警值，说明上一次检测到的是干扰信号。在内所有节点没有监听到数据信息及报警信号时，全部节点都进入一个休眠的状态，等待下一个周期的到来。若某节点检测到报警值，那就采取延时后再次确认。若报警值为真，立即唤醒全部节点进行数据传送。若为无效的干扰信号，立即进入休眠状态，以节省传感器节点能量。当边缘的传感器节点确认该报警信号后，开始转发数据。根据拓扑结构和路由协议依次选择自己的下一跳节点只至数据传送到汇聚节点，汇聚节点负责将其他传感器节点转发的数据由传输网络发送到基站上。汇聚节点同时充当网关作用。传输网络将负责协同各个网络汇聚节点，并综合各节点信息。基站可由已连接Internet的计算机组成，当基站接收到采集数据后，进行单独处理，并将本地数据存入数据库副本，亦可将数据由Internet发送给终端访问数据中心。
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第 3 章 无线传感器
20世纪90年代，人们利用系统集成方法，将计算机技术，信息技术，通信技术，传感器技术与建筑艺术有机结合起来，通过对智能小区系统中各种设备自动进行监控，对信息资源的管理、对住户的信息服务及建筑物三者进行优化组合，使得智能小区具有安全的、高效的、便利的、舒适的、灵活的特点。信息采集、无线通信、数据处理等多种功能都是由微小体积的传感器完成。无线传感网络就是用分布在监测区域里成批的，大量的性价比比较高的微型传感器的节点而组成，再利用无线通信的方式组成一个多跳点的自由组织的网络系统。目的就是方便感知与采集以及处理网络区域中被被感知对象的信息，并发送给终端用户。
传感器在ZigBee中的应用
传感器作为人类感官的伸延,在当今社会中传感器越来越广泛的被应用到。随着传感器技术、嵌入式技术、通信技术的蓬勃发展, 传感器正一步一步向无线网络化、微型化、智能化发展。在本文中用到了很多类型的传感器,首先要使用模块化设计的思想, 来实现一个个无线传感网络。在传感器网络中融合了短程曲线通信技术、传感器技术、嵌入式技术。在环境科学上也可以用到无线传感器网络,可以很方便的为科学家随机的获取野外数据；在医疗健康上也应用到了传感器，比如说，在病人的身体某个部位上安装特殊的传感器，可以让医生监控病人的实时情况；在商业运营上也很巧妙的应用到了传感器，将中心主控的计算机和无线网络相结合，以此来给人们提供一个更加人性化、更加方便、更加舒适的智能小区环境。
普通节点rfd和汇聚节点coord的CPU模块都是采用了TI公司的MSP单片机系列，MSP430系列单片机它具有超低的功耗性能，它对于无线传感器网络整体来说，这个是非常很关键的。除此之外它还具有8个通道和12位高精度的A/D采样，它可以满足监控和数据采集的各种需要，还具有一定限度上的通用性。另外部分射频却采用了Chipcon公司符合协议的CC2420模块为核心来组成射频模块，ZigBee协议对于无线传感器网络无疑是最为合适的无线局域网通信协议。
ZigBee在无线传感器网络中的优点
ZigBee的传输速率比较低：发射功率只有1mW,还采用了休眠的模式,
功耗低：因而使得ZigBee的设备非常的省电。ZigBee 设备可以仅靠两节5号的电
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池即可维持6到24个月的时间这个优势是其他无线设备无法比拟的。
成本低: ZigBee协议是免专利费用的，并且ZigBee的模块初始成本也只有几十块人民币。所以低成本也是一个关键的优势。
延时短:时延通信和从休眠状态激活的时延都非常短, 设备搜索时延为30ms ,休眠激活的时延是15ms ,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。
网络容量大:星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备,而且网络组成灵活。
可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时间间隙,将发送数据的冲突和竞争避开。媒体访问控制层MAC运用了完全确认的模式来进行数据传输,发送方发送数据包都是要等待接收方的信息确认，若传输的中数据包出现了什么问题，可以进行立即重发。
安全:ZigBee采用了AES-128加密的算法，支持鉴权与认证，还提供了基于循环的冗余校验（CRC）检查数据包完整性的功能,各个应用都可以灵活的确定其安全性。
无线传感器
以下各类传感器就是在基于ZigBee的智能小区监控系统设计中广泛应用到的传感器件：
（1）红外线检测探头
将红外线探头安装在智能小区里的合适的位置，这样，就可防止陌生的人员非法侵入智能小区的住宅，若有人非法进入时，通过报警控制器，第一时间予以报警，告知安保物业及家人，有效的保护了智能小区各个家庭的人生财产安全。
（2）人物识别传感器
人物识别传感器是安装小区的进门口，凡是进出入小区的人都要到消息室去录入自己的面孔，以便人物识别器的运作，这样智能小区如果有陌生面孔进出入的话会在第一时间被检索出来，这样更加利于智能小区居民的安全生活，另外为了安全起见，可将人物识别器安装在小区楼房的进出口，一旦有目标被检索到，那么报警器立刻报警。
（3）烟感探测器
家庭火灾是常见事故之一 ，为避免和减少火灾事故，保护住户安全，要设置火灾自动报警系统。烟感探测器安装在起居室和卧室内，也可以安装在小区楼房的楼道里，这样房间中和小区中有可能发生的火灾隐患就会得到有效的监测，一旦发现后，可在第一时间发出报警信号进行报警。
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（4）可燃气体探测器
在城市以煤气、天然气、石油液化气等可燃气体为厨房燃料，由于使用及管理不当，常引起火灾、中毒和爆炸事故 ，在厨房安装可燃气体探测器，监测可燃气体泄漏，并且让其与外部的信息交流。这个是在智能家居中用的比较的多，但是在智能小区中也时常被用到，因为运输气体的管道还是贯穿整个小区的，这个安全还是要有保障，居民才会住的更加安心。
（5）玻璃破碎报警器
当小偷穿越层层保护警报（小偷就是小区内部人员）时，产别家住户不在时打碎住户玻璃进入室内打砸、偷盗、杀人等，在现实生活中都有发生。为了防止这些事件的发生，可以在住户的玻璃门、窗户安装玻璃破碎探测器。当玻璃被重力击碎时，或者被强震时，玻璃破碎报警器立即报警。
（6）门磁开关报警器（磁敏传感器）
门磁开关报警器一般安装在住户的大门上，或者是安装在智能小区的进门口刷卡器上，是为了防止非法人员的侵入而进行的设计，当有非法侵入时、使用的磁卡是住户登记遗失并实名登记补回的磁卡时、非本小区磁卡时，门磁开关便会发出报警信号，通知物业保安部门。有效的防范了这类事件。 （7）压力传感器
压力传感器是利用压力的作用力来识别是否通过，这个主要是安装在智能小区的车辆进出口的地面上，智能小区每辆车进行居住前的登记，每辆小车进出智能小区都要经过压力传感器，以此来识别车辆的进出，此时还需做一件事，就是司机都必须用自己唯一所拥有的智能小区一卡通进行刷卡，这样既满足了保证汽车的安全，由能合理的智能收取停车费。
（8）湿敏传感器
湿敏传感器是利用湿敏电阻对湿度的变化具有“湿滞特性”，在吸湿和脱湿两种状态下的特性曲线不能重复，造成测量误差来对智能小区的花草树木进行浇水工作，以增加花草树木的葱郁，在没有人工的实时巡视下能有效的，能高效的管理智能小区的花草树木。这个主要是安装在智能小区的花草树木的土壤里面，等到土壤干燥到一定的程度，便自动浇水，等到湿度达到一定的程度，便自动停止浇水，这样节约人力，物力及资源。
（9）光敏传感器
光敏元器件把光信号转换成电信号的传感器就是光敏传感器，光敏传感器的敏感波长是随着可见光波长而出现的，它包括红外线的波长和紫外线的波长。但是光传感器不仅仅局限在对光的感应，它还可以作为常规的探测元器件组成其他的传感器，对许多非
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电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化来控制灯光的亮暗度。这样的传感器一般安装在智能小区的路灯上，当时间到傍晚，光度暗淡了，传感器接收到信号，便开始启动亮灯模式，当有时候下雨的时候天空会比较的黑，这时候也会自动启用夜晚的亮灯模式；到了到了第二天的早上，阳光慢慢见好，于是，光敏检测器走动启用白天的灭灯模式。
本章小结
本章主要介绍了传感器在ZigBee协议应用、在这个应用中ZigBee在无线传感器网络中的优点使用到了的传感器，另外还介绍了一切关于本毕业设计的所有无线传感器，有红外线检测探头、人物识别传感器、烟感探测器、可燃气体探测器、玻璃破碎报警器、门磁开关报警器、压力传感器、湿敏传感器、光敏传感器等。
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第 4 章 智能小区监控系统的设计
现阶段智能小区监控系统的解决风湿有很多种，但还是离不开最关键的两种：无线方式和有线方式，在光缆与电缆构成的有线网络中，各站点之间不可以移动，因为布线安装的工程量大，线路会容易损坏，要铺设出专用的线路，那么施工就会比较久、难度相对比较大；而在无线局域网络中的网络用户更加容易删除和增加、安装的周期短、不须布线、后期维护也比较容易。在本文的智能小区网络建设当中，对小区的整个环境以及非常重要的地点的实时监测是需要进行全天二十四小时不间断的视频监控，这个是由监控的特点所决定的，但是这个采取模式智能是有源的摄像视频监控。然而对于智能小区住户的房间则不需要全天的视频监控和获取信息，那么选用无线传感网络则是一个很好的选择。本毕业设计论文就选取无线组网的方式应用于智能小区家庭里面的子监控系统，将无线家庭里面的子监控系统与有线小区视频监控很好的融合在一起，以满足居民对新型智能小区的居住要求。
总体设计方案
整个智能小区监控系统的设计分为两大类：安全防范子系统；管理与监控子系统。安全防范子系统分为：防盗监控报警系统，火灾报警系统，视频门禁系统等。管理与监控子系统分为：停车场收费系统，小区灯光控制系统，智能抄表系统，公共信息广播系统，花草自动浇水系统，环境平衡管理系统等。详见方框图。
防 盗监控报警系统 火灾报警系统 视频门禁系统 停车场收费系一卡通管理系统 小区灯光控制系统 智能抄表系统 公共信息广播系统 花草自动浇水系统 环境平衡管理系统 智能小区监控系统 统统 统
图4. 1智能小区监控系统总设计框图
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硬件系统
本设计论文中智能小区监控系统为一个基于网络的分布式系统结构，硬件框图如图 所示。其中电脑主控机主要负责对各个子系统的数据进行系统的采集和管理，电脑通过局域网再与各个子系统进行交互通讯。安全防范系统和管理与监控系统是相互独立的，它们都是通过路由器接入局域网中，来进行整体的数据处理。
安全防范系统终端1
图智能小区监控系统硬件框图
电脑主控机 路由器 安全防…… 范系统终端n 管理监控系统终端1 …… 安全防范系统终端n 防盗报警系统
防盗报警系统是一般的智能小区最基本的安全防范之一。防盗报警系统的设备一般分为：前端探测器，报警控制器。而报警控制器是一台主机是用来处理，包括有线/无线信号的处理，系统本身故障的检测，电源部分，信号输入，信号输出，内置拨号器等这个方面组成，一个防盗报警系统报警控制器是必不可少的。前端探测器包括有：门磁开关、玻璃破碎探测器、红外探测器和红外/微波双鉴器、紧急呼救按钮。它将建筑物内各个系统集成在一个计算机平台上，从而实现子系统间信息、资源和任务共享。它将为业主提供一个高效、便利、可靠的管理手段，给使用者提供全面、高质、安全、舒适的综合服务。安全的智能小区应该安装以防盗的自动报警和防劫的紧急报警为核心，兼备煤气泄露报警、医疗求助等作用的联网的多功能报警系统。智能小区中的住户报警系统通常由住宅报警控制单元、报警传输线路、各种探测器和报警中心接收的设备组成。智能小区住户报警系统采用了无线报警、电话线报警、专线报警等多种形势，小区应该优先采用总线制报警系统。
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图 防盗报警系统布点模拟图
如图所示，防盗报警系统是在全封闭式的智能小区的围墙上或栅栏上安装红外线探测器，和摄像机，一旦发生非法翻越的情况时报警器可以立即将警情识别并准确的发送到报警的主机，并由管理室的管理人员进行及时处理。小区的周围防范经常用主动红外对射系统和摄像机。其要求主要包括：
1、智能小区周界必须全面的设防，保证无死角无盲区，并具备防破坏、防拆功能；
2、防范区的定点分布要方便报警时的准确定位，管理中心接收到警情之后能发出及时的报警，并能识别报警区和对时间进行记录；
3、红外线探测器需要有较强的抗严寒抗高温的环境感染能力； 4、报警系统应该具备自我检测功能，自行调节探测器等设备； 5、系统应该配备可以供电24小时以上的后备电源； 6、具备与监控系统以及周界照明系统的报警有联动功能。
由图所示分别安装有摄像机和红外线发射器，摄像机主要是为闭路电视监控服务的，同时也是目前防盗报警的很重要的途径。闭路电视监控系统由控制核心是由摄像机、主机、录像机、监控器构成的，分别分布在小区的各个主要干道和边界，并把所拍摄到的图像第一时间传送到监控器，再用录像机对原始图像进行存档备案。主机则可以把系
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统内部所有的视频输入与视频输出进行切换，还可以通过键盘、自动切换序列、同步切换序列、定时调用或报警响应来控制，如图。
图 闭路电视监控服务图
摄像机1 报警区号 . . . 监视器1 摄像机2 监视器2 . . . 视屏切换器 摄像机n 监视器n 火灾报警系统
火灾报警系统，一般由集中报警器、区域报警器、火灾探测器组成；当然也可以根据各个工程的不同要求进行不同的布设通讯装置联动和灭火设施，以此来形成中心控制系统。那就是由自动灭火、自动报警、系统过程显示、安全疏散诱导、消防档案管理等来整合成一个比较完整的消防控制构架系统。集中报警器可以把接收到的信号以声光的方式显示出来，在屏幕上显示出具体位置，记录首次报警的时间，利用专用电话还能飞速懂得发出指令或者是向消防总队报警。除此之外，还可以控制相关的灭火系统或者是将火灾讯息传输到消防消息室；区域报警器就是能将所在那一层的探测器所发送出来的信号及时转化成声光报警，还能在视频上把发生火灾的具体位置显示出来，以此来输出信号或这是控制自行灭火的系统；火灾探测器就是探测火灾的仪器，当火灾刚刚发生的时候，会产生烟雾或者高温格火光等，火灾报警系统会通过各个传感器的探测到烟雾、温度以及光，以便在第一时间转变为电信号进行报警，或者是自动启动预安装的自动灭火系统，以便及时的将火灾消灭，如图。
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图 火灾报警结构图
火灾烟感探测器1 报警处理器 监控中心 火灾烟感探测器2 . . . 闭路电视系统 火灾烟感探测器n 视频门禁系统
视频门禁系统是现代化楼宇专门为住户与到来的访客间提供一个视频互换的控制系统。当有来访者时，来访者在门口主机按键区输入房间号，对住户进行呼叫，当住户听到视频铃声后，可以在屏幕上清楚的看到访客的容貌，如有疑问并可与来访者进行通话。如果住户愿意来访者进来，就按下开锁键开门，不想来访者进来，就可以不理睬甚至是报警求助。
智能小区门口的主机与小区管理中心的主机是联网的，管理人员可以及时的看到或听到相关的视频通话和视频图像，若住户遇到紧急情况比如说，身体突然不舒服，或者家庭内部突然爆发，再或者小孩子一个人在家无奈求助等等，都可以直接呼叫智能小区管理中心，当管理中心的管理人员接收到信号就会立即行动，同样，管理人员也可以呼叫住户家的分机进行沟通联系。如图所示：
图视频门禁防盗结构图
热感式探测器1 热感式探测器2 信息处理器 密码输入终端 发出警报信号 . . . 热感式探测器n 小区出入口关门信号 闭路电视切换信号 -21
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停车场收费系统
小区停车场收费系统采用非接触式智能卡，在小区停车场的进出口处设置一套进出口管理设备（一卡通），使小区停车场形成一个比较封闭的场所，进出车只需将IC一卡通在读卡设备前轻晃一下，系统就能瞬时的完成身份验证、记录、核算、收费等工作，挡车道闸自动启闭，方便快捷地进行着停小区车场的管理。进入小区停车场车主和停车场的管理人员都持有一张仅属于自己的智能IC卡，作为个人的身份识别，只有通过系统检验认可的智能一卡通才能进行操作（管理卡）或进出（停车卡），充分保证了系统的安全性、保密性，有效地防止车辆失窃，免除了住户车主的后顾之忧，如图所示。
控制管理中心 车牌号显示出场时间并自动记录 一卡通计费器 车牌号录入入场时间并自动记录 读写器 自动刷卡收费机 电子显示屏 入口监控设备 语音提示 对讲系统 自动道闸 读写器 自动刷卡收费机 电子显示屏 出口监控设备 管理控制中心 临时卡 计费器 语音提示 对讲系统 自动道闸 图停车收费系统方框图
小区停车场自动收费系统是通过路边车道设备控制系统的信号发射与接收装置，识别车辆上设备内特有编码，判别车型，计算通行费用，并自动从车辆用户的专用帐户中扣除通行费。
一卡通管理系统
一卡通是由一张卡、器具和上位管理软件所构成的特殊信息管理系统。其关键内容是利用卡这种特定的物理媒介，实现从业务数据信息的生成、采集、传输到汇总分析的
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信息资源管理的规范化和自动化。
一卡通就一张卡可以实现多个功能，一张卡能通行很多不同的设备，简而言之就是一张卡解决一切问题，将多种不一样的设备挂在一个数据线上，再通过管理计算机的通讯和数据线在相同的软件系统，相同的数据库进行不相同的数据信息交换，从而实现卡片的发行、损坏、丢失、以及资料的查询等。这样一来，各种使用功能都准确明了了，而且还方便快捷。以致一卡通广泛的应用在各个城市的公交自动收费、告诉自动收费、智能大厦、智能小区的物业管理等等一些公共场合中。它是集RF射频技术、自动控制技术、计算机、智能卡应用技术于一体，从而来实现智能小区的集中管理。
在本文设计中，一卡通涵盖了防盗系统，门禁系统，自动停车收费系统、智能广播系统等等，一卡通也可以当做是一个身份的象征，在智能小区门口进门的时候需要刷卡进入，当住户走到自己的楼宇时还需刷卡才能进入楼宇，当住户开车回来的时候，使用一卡通进行缴费和通行，当住户要驱车外出的时候同样需要一卡通方能顺利出行。如图所示。
图一卡通管理系统方框图
认证成功 语音提示 住户读卡 身份认证 认证失败 闭路监控录像 报警器报警 小区灯光控制系统
小区灯光控制系统只要是指小区的物业管理方面，旁晚时分到第二天的黎明时分的一个灯光自动调度问题，或者是在阴雨天气简单的照明等问题。
智能灯光控制系统主要试用于智能小区，智能楼宇，智能家居等，本毕业设计主要介绍应用于智能小区的。智能灯控开关根据试用环境的不同分为遥控智能开关、光控智能开关。一直开关控制一个路灯的时代已经过去了，现在的智能灯控开关全采用光控设备，其具有强大的灯光控制功能，可直接取代普通开关，其外观优雅，内置光控芯片及操作软件，另配有红外线遥控（非常时期使用，一般时候采用自动光控设备）且没有任何的附加设备，比较节约。
智能抄表系统
智能抄表系统采用了集散性的结构设计,很大程度上提高系统的可靠性和可扩容性。
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与管理中心计算机的通讯采用标准RS485实现远距离的数据传输，独特灵活的组网方式,适合于各种安装使用环境。《智能抄表总线制抄表系统》软件,与本系统硬件无缝集成,共同构成一个功能强大、稳定可靠、数据精确、容易管理、可伸缩(扩展)性非常强的多功能智能三表管理网络。
软件部分作为系统的最终实现,为用户提供了一个使用、管理本系统的工具,它具有如下特点: 系统以数据库为核心,提供方便的数据处理、查询、统计、报表、备份等功能。采用面向对象和模块化相结合的设计方法,支持不同客户的独特要求(如报表打印格式,操作员权限控制等)。支持住户原有综合管理系统,并且可以和住户原有的管理系统集成在一起，如图。
图 智能抄表图
数据采集器用于实时数据采集、故障判断、数据传输等。数据采集器与直读远传表之间采用RS485进行信号传输；数据采集器与燃气泄漏报警器、电动阀之间采用多芯电缆进行点到点的方式传输。数据采集器与主站之间采用RS485进行信号传输。数据采集器可以就地取220V市电，也可使用UPS外加蓄电池供电。用户机直读远传户表：采用本公司研制的具有“直读”数据输出的直读表。燃气泄漏报警器：采用具有声光报警+切断燃气阀门+联网信号功能的报警器。从而实现实时抄取任一户表或全部户表当前数据和工作状态。自动校时功能:系统在抄表时能自动校准系统时间。
公共信息广播系统
公共广播系统：由使用单位自行管理的。在一个区间范围内对公共区域进行信息广播、背景广播和紧急广播的声音广播系统。 公共广播系统广泛用于学校、公园、住宅小区、车站、宾馆、机场、商厦、医院、商场超市和各类大厦提供背景音乐和广播节目，
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近几年来，公共广播系统与消防报警中心结合，利用消防短路信号的方式来触发播放消防安全报警声音，因此又可以当作紧急广播使用。公共广播系统的主要用途是信息传递传、播送背景音乐、时事政策广播和广播寻找呼叫、火灾事故和突发事件的紧急广播。 公共广播系统主要分为三类，数字广播、模拟广播和无线调频广播。其中，数字广播中的“IP网络广播系统”是目前技术最完善、扩展性最好、施工最方便的公共广播系统。
在突飞猛进的现代化生活中，智能小区越来越收人们的欢迎，希望自己居住的小区要富有文娱气息，或者是有相应的文化传播和消息传播。所以广播系统是今后每个智能小区的不可缺少的基础设施之一，智能广播系统就是应用现代计算机、通讯等技术，以普通的广播系统做为基础，再根据各个用户对广播系统功能的需求，最后利用计算机来管理，控制，播放的广播系统。智能广播系统主要是把需要播放的内容以数字形式传输到存储器中，再通过控制软件按照客户的要求进行自动播放，自动播放有两种方式：软件方式和硬件方式，软件方式存储容量大，易于扩展但是价格比较高，而硬件方式操作简单，价格便宜，但是不易于扩展，一个小区并非一个广播就行，还需要在不同的地点布置广播，那么如何来控制呢？
分区域控制：分区域控制是由分区控制器结合计算机的控制软件来实现的。计算机要根据客户给出的指令给控制器发出命令，传送到分区域控制器的单片机中，这时，单片机接收到传送过来的命令后对分区域的电子开关进行控制，广播信号被上传到指定的区域，从而实现对分区域进行智能化的控制。
花草自动浇水系统
花草自动浇水系统主要由主回路、控制电路和传感器电路组成。本文中采用的是土壤湿度传感器TDR，而土壤湿度传感器TDR是测量土壤的常用介电常数，直接稳定地测量各种土壤的真实水分含量。传感器的信号输出可以用来直接控制灌溉。
其工作原理是：智能浇水控制器采用的是市电电源进行变压降压和整流，经三端稳压器产生固定的直流电压。在植被取样土壤中放置一个湿度传感器，当植物的土壤比较干燥时，湿敏电阻呈现大电阻，经内部反相器输出高电位继电器线圈因有电流通过导致常开触点闭合，电磁阀的阀门打开，接通喷水器水管的水路，喷水器开始喷水。当喷水到一定的时间，取样土壤湿度变小，湿敏电阻呈现小电阻经内部反相器后继电器线圈失电，断开常开触点，关闭电磁阀的阀门，喷水器停止喷水，直到土壤湿度再一次变高为止。其中电位器用于调节喷水灵敏度，开关为在湿敏电阻的支路上串联一个按钮开关，则该支路断开时，可强制打开电磁阀门进行喷水。
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环境平衡管理系统
，它是以现代化的数据库技术为核心，把环境信息存储到计算机中，配合着计算机的软硬件，来实现对环境信息的录入、导出、更改、删除、传送、搜索以及计算机的各种数据库技术操作，并结合规划决策模型、统计数学、制图输出、优化管理分析、预测评价建模等软件，以此来构成一个比较完整的功能技术系统。
环境平衡系统主要有以下功能：
1、能全面的，准确的查询和检索各个环境的实时信息。
2、能分析出各种空间数据。能采用数学模型的方式进行数据加工，还能进行区域的环境质量进行现状评价、污染控制的方案预测、污染源评价、经济发展中对环境的影响预测以及对区域环境的质量控制进行规划等。
3、具有决策支持作用。对于不同层次环境的管理部门有不同的要求，能输出各种不同的图件和不同的报告，这样为环境的管理工作提供辅助决策。
4、能很好的利用原系统本身的功能，还可降低系统的成本，从而提高效益。
软件系统
智能小区信息 管理中心 基于ZigBee的无线传感网络 ZigBee终端湿敏电容传感器 ZigBee终端红外线检测传感器 ZigBee终端烟雾检测传感器 ZigBee终端压力检测传感器
图 软件系统框图
ZigBee终端人物识别检测传感器 ZigBee终端光敏检测传感器 ZigBee终端磁敏检测传感器 整个智能小区监控系统的软件系统设计分为两大类：安全防范子系统；管理与监控子系统。安全防范子系统分为：红外线检测，烟雾检测，人物识别检测等传感器软件系
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统；管理与监控子系统分为：压力检测防盗监控报警系统，火灾报警系统，视频门禁系统等。管理与监控子系统分为：停车场收费系统，小区灯光控制系统，智能抄表系统，公共信息广播系统，花草自动浇水系统，环境平衡管理系统等。
在整个软件系统中最为关键的就是ZigBee网络协议。首要任务就是要强调，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，现阶段的计算机网络硬件设备和传输媒体种类比较多，当然通信手段也是不尽相同的，物理层的所起到的作用正是要尽可能的去屏蔽这些传输媒体和通信手段的差异，使得数据链路层不能感觉到他们之间的差异，这样，数据链路层就只要考虑怎样完成这一层的服务与协议，从而不要考虑到网络上的具体传输媒体和通信手段。
在本毕设中运用到的关键的协议是ZigBee协议，整个软件系统围绕ZigBee协议进行设计，将所有的子系统集中到传送到ZigBee协议中，以此来实现基于ZigBee的智能小区系统设计的毕业设计详见方框图。
安全防范子系统软件架构
图软件系统框图
ZigBee终端人物识别传感器 智能小区信息管理中心 基于ZigBee的无线传感网络 ZigBee终端红外线检测传感器 ZigBee终端烟感检测传感器 安全防范子系统的功能主要是对智能小区的环境信息进行监控和报警，当智能小区遭遇到小偷关顾的时候，当小区中有火灾发生的时候安全防范子系统会在第一时间响应主机，从而工作人员第一时间进行事情处理。安全防范子系统采用的是零缺陷制，避免安全隐患的发生，如图。
管理与监控子系统软件架构
管理与监控子系统的功能主要是对智能小区的环境信息进行实时记录和更改，以保
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证居民住的舒适，住的高雅。这个软件架构分为七个部分，当居民驱车回家时，不需要考虑停车的问题，用一卡通刷卡记录进行自助停车，有外围的安全保障和实时的环境监控，居民可以安心的停放车辆；一年四季有不同的天气和不同的降雨频率，那么要想小区的花草树木四季都生机勃勃的话，那就要保证花草树木的营养以及水分的补充，用湿敏电容传感器；现在社会比较快节奏，所以远程抄表可以解决这一问题。让居民可以在繁忙的快节奏生活中争取更多的空余时间进行休息，
本章小结
本章结合了智能小区监控系统的应用背景，分析了基于ZigBee的智能小区监控系统的网络设计方案。将整个设计分为了十个模块进行详略分析和图片展示。本章介绍了系统的硬件架构，即安全防范子系统；管理与监控子系统的硬件组成并对其硬件的组成部分进行简要说明，除此之外，本章还介绍了整个设计的软件系统，介绍软件的框架以及软件的形成结构功能。
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第 5 章 智能小区监控系统的软件设计
图基于ZigBee的智能小区监控系统设计的软件设计图
如图所示，在基于ZigBee的智能小区系统设计中，系统的实现主要分为有线部分软件设计和的实现以及无线部分的软件实现和实现，其中有线部分分别分布在摄像子系
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统，以及基本的线路连接。通过局域网连接至监控控制终端，用媒体服务器对视频的信息进行采集、处理和传输，很方便，很便捷的就可以获取到信息，这是最基本的，也是最原始的信息采集必备的，但是有线的始终会有一些缺点，比如，有时候设备一多，连接的线路必然增多，那么连接线也就越积越多，久而久之就有可能分不清楚每条连接线的始终端，这样一来，假如众多的设备中有一个设备因为线路问题导致不能正常工作，这时候，线路分布清楚就会对工作人员带来很大的困扰，既提高不了效率，反而耽误时间。为此，本毕业设计主要用的是无线设备，主要介绍无线部分的软件设计和软件实现。
安全防范子系统的实现
网络结构
在安全防范子系统中，各个数据采集节点与数据收集节点之间都是采用的无线传网络的方式进行连通，进而采用ZigBee网络协议来完成安全防范子系统的实现。之前说了，ZigBee 网络拓扑结构可以分为星状拓扑、网状拓扑、点对点拓扑等拓扑结构。在本设计中采用了ZigBee 网络拓扑结构中的星状拓扑结构，如图所示。
图星型网络拓扑结构
协调器coord 半功能节点rfd
如图所示，星型网络拓扑结构是由很多个ZigBee功能节点终端rfd和一个网络协调器节点coord所组成，在软件设计与实现中，rfd与各个功能的传感器相连接，用语采集各传感器的状态信息以及控制传感器的状态，并让所收集的环境信息及时的传送到调节器coord的节点中，同时接收来自coord节点的控制命令信息，及时的执行相应的信息处理。而coord节点则复杂泽组件传感网络，负责接收rfd节点传送来的信息。同时通过串口给终断处理器ARM服务器，并负责接收从串口发出的控制指令第一时间传送接收到的指令至各个rfd节点中，以这个来控制节点的各种状态。
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网络节点工作流程
（1）rfd 节点工作流程
第一步是对rfd 节点进行初始化，向传感网络发出申请，申请成功即可获得coord节点为自己自动分配的网络地址，并发送本节点的节点编号到coord。假若rfd节点在发送过程中发生了中断（有突发情况的发生），则网络会立即把药发送的信息存放到缓冲区 send_in，如果coord节点发生查询中断和控制中断，就把指令存放到缓冲区receive_in。每间隔n（n 可以用户任意选择）个时间点查询个传感器和指示灯的节点，并将实时的信息状态存进缓冲区send_in。rfd节点可将循环查询缓冲区send_in和receive_in，如果缓冲区receive_in里不为空，那么就执行、解析相应命令；如果缓冲区send_in里不为空，那么久将send_in 里的信息发送到coord节点。rfd 节点的处理流程图如图(a)-(c) 所示。
结束 图（a） rfd节点流程图
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开始 芯片初始化 发送网络信号 是否成功 是 获得coord所分配的地址并发送节点代号帧 否 定期查询本节点中的传感器与指示灯状态，并将信息存入无线发送缓冲send-in 查询缓冲区send-in与reieive-in，执行操作 - 好好学习，天天向上
报警中断
开始 将异常信息存入无线 发送缓冲区send-in 结束 图（b） rfd节点流程图
无线信息接收中断
开始 将接收到的信息存入无 线接收缓冲区reieive-in 结束 图（c） rfd节点流程图
（2）coord 节点工作流程
首先是对coord节点进行初始化，并建立起监控网络，当coord接收到rfd节点的入网申请时，给节点分配网络地址，同时把rfd节点发来的信息帧进行保存，并存至网络列表。coord节点把串口上发送来的指令存放到串口指令的缓冲区serial_in；把rfd节点发送来的信息存放到信息接收的缓冲区rfdnode_in，都是以串口中断方式来进行。coord节点循环查询两个缓冲区，若serial_in 缓冲区不是空缺的，则解析命令并传送给 rfd 节点；若rfdnode_in缓冲区不是空缺的，则通过串口传送给 ARM。这样就会有一个很好的处理流程，既方便又能很好的节约时间，在最短的时间里实现最好的效果。coord 节点的处理流程如图 (a)-(c)所示。
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开始 芯片初始化 新建网络信息表
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建立网络 给节点分配网络地址 判断有无加入网络申请 有 无 查询串口命令缓冲区serial-in与串口无线接收缓冲区rfdnode-in，并执行相应的操作 结束 图(a) coord节点流程图
串口中断
开始 将接收到的串口命令保存 至串口命令缓冲区 serial-in 结束 图 (b)coord节点流程图
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无线信息接收中断
开始 将接收到的信息存入无线 rfdnode-in 接收缓冲区 结束 图 (c)coord节点流程图
服务器的数据处理
在本毕业设计的监控系统中，服务器程序采用的组织结构是多线程制，线程之间是通过互斥方式和同步方式进行的交互。线程之间的公用信息存放在整个的变量区间。以方便共享数据。每一个子程序都是以一个单独的进程进行，但是必须是要被准程序调用才能使用，这样就能在显示界面实时的显示当时安插在各个区域的传感器节点上的信息状态。为了实现整个系统的具体功能必须要求各个线程之间相互协同。由ZigBee无线传感网络检测到数据信息并将监控到的信息传送到串口通信，串口信息又将接收到监控信息传送到接收数据端，接收数据端又将监控信息传送到检测信息表最后由监测信息表将监控信息传送到网络服务端。而信息控制则是一个相反的过程，由网络服务端将控制信息一级一级的往下传直至传送到ZigBee无线传感网络。具体流程如图(a)-(b) 所示。
图(a)数据处理流程图
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ZigBee无线传感网络 监控信息 串口通信 监控信息 接收数据 监控信息 网络服务 监控信息 监测信息表 - 好好学习，天天向上
网络服务 控制信息 接收并分析信息 控制信息 串口通信 控制信息 ZigBee无线传感网络 图(b)信息控制流程图
视频图像处理
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开始 打开视频设备 打开并设置设备信息 设置图片的属性（宽、高） 采集到的信息存放到内存 开始进行视频采集 否 是否直接读取 是 计算图片的大小并写入文件 传输每帧图像 否 是否结束 是 关闭设备 结束 图视频图像处理流程图
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视频图像处理这一块在摄像子监控系统中本设计采用的是调用的方式，用调用的方法打开视频设备并同时打开相应的设备文件，这样有利于接下来的设备相关信息的读取，假如有必要的话是可以适当的更改设备的原始设置；然后再进行视频的采集。也可以用内存映射的模式直接从视频设备中进行读取，在此，本毕业设计采用的是直接读取的模式；最后再对采集过来的视频信息进行相关的处理，也就是说计算视频信息的大小然后再开始传输。这样就可以将各个摄像机所录下来的视频全部进行实时的处理，也可以更加方便的数据的整理，实时情况或者是紧急情况能得到很及时的处理，不会漏掉什么信息，更加确保了小区的安全和便捷，不会因为一卡通被盗而导致盗窃的行为发生。视频采集程序的实现过程如图。
无线传感器路由协议
在基于ZigBee的智能小区监控系统设计中，包括安全防范子系统与和管理与监控子系统，在安全防范子系统中的视频摄像模块是通过有线方式来把主控端和检测端进行连接，这个是采用了TCP/IP 协议来将视频模块部分接到局域网络中。其中数据流的传输主要是用UDP包来实现的。现今计算机范畴中，有线的网络技术现已非常的成熟，能都满足视频模块的所有需求。在安全防范子系统的其他模块中，采用无线的传感网络方式来实现信息的采集和传输。但是无线传感网络的网络协议和组网与具体的实际应用联系非常的紧密。而没有一种非常适合全部的无线传感网络范畴的通用型路由协议。所以要保证基于ZigBee的智能小区安全防范系统中的一些信息的低能耗和实时采集以及数据的传输率就必须开发适应于基于ZigBee的智能小区安全防范监控子系统的无线传感网络的路由协议。
基于ZigBee的智能小区监控系统的设计中，怎么样来采集信息，信息的采集点需要具备什么样的生命周期，都是需要计算的，因为要一直供电才能工作，所以采集的节点是需要很长的网络生命周期的，这样才能对环境信息进行主动的监测，并能够在有紧急事件的时候做出反应及时的将信息采集后传回到控制端。还必须同时满足相应的分组接受率要求。
无线传感器网络中的路由协议是负责将源节点通过网络的转发进行分组的到达目的节点，它具有两个重要功能：优化路径目的节点和源节点的寻找、沿着优化的路径将数据分组进行正确的转发。无线局域网的目标是能提高服务质量好，效率高的宽带网络，而这些宽带网络的首要任务就是寻找源节点通往目的节点之间延迟时间最少的路径，与此同时将整个网络的利用率提高，以避免均衡流量的产生。能量消耗是整个网络需要考虑的，不管是路由协议中的单个单个的节点能量消耗，还是整个网络的整体消耗，要长
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时间的控制，才能将网络的生存期延长，无线传感网络它是以数据信息为主要的，这也是路由协议中尤为突出的特点，每一个节点并不需要归纳的全网进行统一的编址，可以根据自己擅长的或者是有兴趣的数据来建立源节点到总结点两者之间的转发路径，而不需要根据节点的地址来选择路径。与其他的网络路由协议相比较，无线传感网络路由具有比较独特的优点。
1）以数据为中心来形成消息的转发路径； 2）保证能量优先，延长网络的生存期；
3）配套使用相应的无线传感网络协议和网络环境； 4）使用了局部拓展信息来实现高效且简单的路由机制。
综上所述的四个方面是无线传感网络的特点，其在设计路由机制应用时还要满足一些要求：
1）能量高效。选择消耗小的，能量消耗均衡的；
2）能够快速的收敛，减少通信协议的资费，提高信息的传输效率；
3）具有容错性以致能量用尽了或者是环境因素造成的节点失效能将损失降到最低； 4）可扩展性，能够很好的适应网络结构的变化。
针对不同环境特点，不同的应用要求。要使用适用于环境特点和满足其不同要求的路由协议，为此研究人员有针对性的提出了各种路由协议。
1）能量感知路由协议。主要是考虑数据传输中的能量消耗。以致能量消耗路径最优化，网络生存期最长能量高效；
2）地理位置路由协议。将节点的位置信息当做是网络路由的核心依据来完成各节点间的路由功能，降低额外能耗；
3）可靠的路由协议。从实时性和可靠性出发考虑，设计相应的匹配网络性要求的路由协议；
4）基于查询的路由协议。适应于战场评估、环境监测等；
5）定向扩散路由协议。引用了梯度概念，结合局部算法，是一种查询驱动形式的数据传输模式。
软件仿真分析
仿真波形及分析
波形图分析:从图（a）-（c）中我们可以看出，架构一样，颜色一样，但是图标却不一样，这正是我想要表达的设计方案。架构就相当于固定定点的无线传感器，Matlab平台相当于ZigBee协议，当我输入不同的符号代码则显示出不同的图标，也就是，当
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10090807060504030201000102030405060708090100图（a）仿真波形图
10090807060504030201000102030405060708090100
图（b）仿真波形图
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10090807060504030201000102030405060708090100
图（c）仿真波形图
无线传感器检测到什么数据信息会第一时间传送给协调器，协调器也可以对所有的无线传感器做出指令。如图（a）中“:”代表点线，“p”代表正五角星，“*”代表星号，“+”代表加号，“o”代表小圆圈；如图（b）中“:”代表点线，“h”代表正六角星，“s”代表正方形，“x”代表交叉号，“v”代表向下三角形；如图（c）中“:”代表点线，“d”代表菱形，“^”代表向上三角形，“>”代表向右三角形，“<”代表向左三角形。这些符号都相当于一个个从无线传感器中收集到的数据信息一样，决定着要显示的图标内容。
仿真程序
n1=1:1:5;%1到5产生间隔为1的5个数 n2=1:1:5;%1到5产生间隔为1的5个数 xx=n1; yy=2*n2;
[xx yy]=meshgrid(13:13:100,18:13:100);%将向量x、y转化为矩阵，矩阵的行是向量x的复制，矩阵的列是向量y的复制
xx1=n1; yy1=2*n2+1;
[xx1 yy1]=meshgrid(20:13:106,11:13:90); [xx2 yy2]=meshgrid(10:7:100,3:1:3);
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[xx3 yy3]=meshgrid(3:1:3,3:7:100); figure(1)
plot(xx,yy,':p',xx1,yy1,':*',xx2,yy2,':+',xx3,yy3,':o'); figure(2)
plot(xx,yy,':h',xx1,yy1,':s',xx2,yy2,':x',xx3,yy3,':v'); figure(3)
plot(xx,yy,':d',xx1,yy1,':^',xx2,yy2,':>',xx3,yy3,':<');
本章小结
本章主要讲了在基于ZigBee的智能小区系统设计中软件实现的部分，文中采用的网络结构是星型网络结构，星型网络结构更加有利于节点的布置和信息的采集，更方便，更快捷。此外还介绍了网络节点相应的工作流程。特别介绍了视频图像处理、无线传感网络路由协议。最后进行软件仿真的分析和程序的讲解。
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结束语
整个设计是基于ZigBee的智能小区监控系统的设计展开，主要介绍了ZigBee协议，整体的硬件设计框图，整体的软件设计框图，小模块的框图或者是效果图，Matlab软件等。在智能小区监控系统设计中，本文重点介绍了安全防范子系统以及管理监控子系统。并对涉及到其中的无线传感器分别进行的详细的分析和研究。
本文的主要任务是：
智能小区是未来小区物业发展的重要方向，而智能小区监控系统对小区的管理、可靠性、优越性起决定性的作用。本课题的任务是以Matlab为工具，对基于ZigBee的智能小区监控系统在给定区间组网节点分布进行仿真，主要解决1、拓扑结构优化； 2、无线传感器的选择。综合分析影响智能小区监控系统通信质量的主要因素。该课题对学生以后从事ZigBee网研发、组网、数据处理方面的工作具有参考价值。
本毕业设计论文主要的工作是设计一个基于ZigBee的智能小区监控系统的解决方案，系统设计的软硬件架构以及其实现系统的各个功能。由于在智能小区的家庭子系统的监控应用中，其所采用了无线传感网络的解决方案，然而无线传感网络并没有一种非常适合所有应用背景的网络协议。无论怎样无线传感网络路由技术的优点和劣势都直接影响着网络的生命周期、实时性能、网络的容错性和网络的健壮性等等一系列功能应用。为了满足当前智能小区监控系统不同的，应时的，高水准的的需求，设计出更合适家庭子系统中无线传感应用的网络协议是本文的又一重要工作。本毕设论文通过分析智能小区各个子系统模块的特点，选取了以数据为中心的定向扩散路由协议为研究基础，创造智能小区监控系统更好的成果。
本毕业设计论文的探究工作还有很多的不足和缺陷，在将来的日子里，有待再更进一步的学习与研究：
（1）本文是基于ZigBee的智能小区监控系统设计，但文中只是用Matlab软件进行象征性的点对点和点对多点的仿真，在简单的仿真中虽能看出一定的效果，凡是效果还是不怎么明显，在今后的研究中要用专业的应用软件进行仿真或者是做模板搭建ZigBee系统做实物出来，那将更有实际意义。
（2）本文中很多地方都没有实际的数据说服，也没有实物作为本设计中的支撑，文字的魔力始终还是说服力大不过实物的说服力，但是由于能力有限，再说时间短暂，以致没有考虑数据的重要性，也没能做出实物来更有力的体现，这就是不足和缺陷，在未来的改进中定此项考虑进去。
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（3）本文提出了一种新的路由算法——定向扩散路由协议该算法引入了以延时估计为参考的部分信息扩散机制，引入了路径和信息的分级处理机制，大大改善了定向扩散协议的实时性以及节能性，但是这些算法借鉴了网上的和其他的论文的，自己都还有些不明白，但是本论文需要设计到那方面，所以这也是本论文的一个不足和缺陷。今后自己多学习这方面的知识，争取在下一个论文中不要出现这样的不足与缺陷。
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致 谢
专升本这两年的学习和生活，给我留下了许多美好的回忆，也遇到了很多对我影响重大的人。从他们身上我学到了很多的东西，这些对我未来的学习、工作和生活中产生积极的意义，同时也感谢他们长期以来的关心与支持。
首先，我要特别的感谢我的指导老师贺富朋老师。感谢他在学业上、工作上、生活上给与我的指导和关怀。贺老师丰富的学识。敏锐的思维、豁达的胸襟令我深深的折服，他对事业的执着是我永远学习的榜样，他严谨的治学风格不仅仅使我学到知识，更培养了我严肃认真的做事态度。他谆谆的教诲是我一生最宝贵的财富。在贺老师的细心指导与关怀下，我顺利的完成了我的毕业论文。在论文完成期间，贺老师无私的帮助我、指点我，为我的论文提供了很多宝贵的修改意见。再次感谢贺老师！
感谢我的同学，感谢我的室友，特别要感谢的是我的同学兼室友刘红红同学，我们是一起读的专升本，在这两年期间，在生活上、学习上、工作上都给与我很大的帮助和支持。我们一起学习、一起解决课题中难题的美好时光让我时常回味。
感谢大家对我热心的帮助，无论毕业以后我们在什么地方工作都希望我们的友谊能够天长地久。
在两年的学习生活中，我还得到了许多领导和老师的热情关心和帮助，在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！
最后我要感谢家人在我读专升本期间对我的大力支持和帮助。 衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！
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