ZigBee无线瓦斯传感器的研制可行性研究报告.docx
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ZigBee无线瓦斯传感器的研制可行性研究报告
编号：
太原市科技项目立项可行性研究报告
项目名称：
ZigBee无线瓦斯传感器的研制
所属领域：
电子信息
申报单位：
协作单位：
无
起止时间：
2008年3月至2010年1月
太原市科学技术局
填报时间：
二00八年九月
附件：
项目查新报告书
高新技术企业认证
ISO9001认证
企业营业执照
组织机构代码
法人证明
上一年度财务报表
一、总论
1．项目概述
本项目旨在研制开发一套“ZigBee无线瓦斯传感器”，为用于煤矿安全监控的，具有人员定位功能的，以固定安装与人员携带移动方式相结合的无线传感器。
其中包括无线传感器节点的硬件设计，无线传感器网络系统的设计、无线传感器系统软件及控制软件的设计。
本项目所研制的产品，将会对煤炭产业的生产安全威胁降低，对煤炭安全生产产生越来越深远的影响。
2．项目的社会经济意义、目前的进展情况。
（1）项目的社会经济意义
安全生产是社会进步和人类发展的重要保证。
尽管20世纪科学技术的发展已经为未来的进步构筑了坚实的平台,新的采矿方法和技术将不断被采用、采矿业将向智能化和无人化的方向发展。
但是,目前传统的采矿方法依然占据着主导地位,是其他采矿方法在短时间内仍无法完全替代的,传统的采矿方法所面临的安全问题仍将困扰着人类。
由于缺乏对入井人员的有效检测、定位手段,难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况,一旦发生事故,对井下人员的抢救缺乏可靠信息,抢险救灾、安全救护的成功率低,造成重大的人员伤亡。
在我国煤矿安全事故中,由于矿井内温度过高,压力过大,通风不良等原因可能造成可燃气体爆炸或有毒有害气体中毒等事故,这些事故成为实现安全生产的最大障碍。
因此,及时准确地检测矿井内的温度、压力、可燃气体和有毒有害气体含量,在煤矿安全生产中具有重要意义。
目前煤矿监控系统多为有线形式,实现对全矿井环境参数的无线监测还具有一定的局限性,不可避免地留下大量的安全隐患。
当煤矿地面监管中心的测控主机距离矿井很远,井上部分总线铺设的距离会很大,硬件投入成本、运行成本和维护成本都会很高。
如果井下传感器的分布比较分散,适合多条总线从不同出口上传到地面,再由这些位置连接到煤矿相关部门服务器上时,布线量就会成倍增加,各类成本也会成倍增加。
因此，设计这种以煤矿安全检测为中心的，有人员定位功能的以两种方式来布置安装的无线传感器就成为迫切需求。
传统的有线方式的煤矿安全监测有成本高，布线难度大，耗能等缺点；相比较而言，无线传感器的安装就比较容易，不会受到设备结构的限制，尤其在难以接近的位置、危险区域，而且无线传感器网络可扩展性强，在需要添加传感器节点时，只要布置好该节点，网络就会自动探测并将之归入网络当中。
无线传感器网络以其分布式的信息处理、更高的系统可靠性，以及无线传输和自组织特性，在节约成本、降低布线难度、可动态扩展等方面具有明显优势。
（2）目前进展情况
我公司现已对“ZigBee无线瓦斯传感器的研制”进行了详细调研和具体分析，得出该系统在煤炭行业有相当大的市场，研制可定位人员信息的，既可固定安装，也可由人员携带移动的无线瓦斯传感器系列产品在国内外并不见报道，在山西省目前还没有此项技术，我公司根据目前市场的需要，结合公司现有的技术已经着手此技术的研究。
项目完成后达国内领先水平，根据市场需要，准备在山西省范围内首推试用，然后推向全国，必将带来极大的经济和社会效益。
目前该项目的进展：
在2008年03月—2008年06月间进行了项目调研工作，在此基础上，项目向前推进至传感器节点硬件设计阶段。
3．项目计划目标
（1）总体目标
力争在2010年1月以前实施完成该项目，并进行产业化推广，促进煤炭行业及其相关行业的安全生产及管理的规范性和有效性，提高行业的总体水平。
（2）经济目标
山西现有煤矿约为2700个，如按每个矿分布20个各种无线传感器节点，每个传感器节点平均为5000元计算，则能创造效益2亿7千万元，利税4860万元。
该项目实施后，若年产量为8000套/年，则年增产值为4000万元，年新增利润为600万元；年新增销售收入为3200万元，年新增利税660万元。
据省级查新表示：
在全国尚未出现类似系统，如果在全国范围内的产煤大省，如陕西、河南、江西、内蒙古、甘肃等及时推广该系统则将产生更大的经济效益.
（3）技术、质量指标
技术指标：
Ø满足煤矿井下瓦斯实时监测数据采集、处理和无线传输，数据采集误差不超过1%
Ø以固定安装与人员携带移动方式相结合，使安全监控范围更广，数据更全面
Ø通过无线传感器网络的自定位技术加强对人员位置信息的跟踪；
Ø针对功能不同，研制不同种类传感器，如协调器节点、路由器节点、FFD端设备和RFD端设备，使得组织方式更灵活
Ø自组织使得系统的安全性，稳定性更强
质量指标：
Ø所有的设计文档资料规范齐全，便于维护人员与用户使用
Ø传感器硬件的分析设计遵循国际标准化组织（ISO）开发的ISO9001标准规范
Ø传感器软件系统的设计遵循国家软件质量标准和ISO9001标准规范
Ø传感器的设计要有足够的先进性，保证用户使用的稳定性与扩展
Ø传感器必须有安全策略，以保证产品在应用时可以识别所属，保证数据安全保密
二、申报企业情况
1、企业基本情况
公司全称：
通讯地址：
太原市长治路创业街3号盈和科技3层
注册时间：
1996.10
注册资金：
1000万元
企业登记注册类型：
有限责任公司
2、企业人员及开发能力论述
拥有丰富的人才资源，目前在公司专业技术人员中，具有研究生学历的占38%，本科学历的占50%。
公司现有员工108人，大专学历以上人员（专职）98人。
公司从事高新技术产品研究开发人员56人，公司每年软件研发投入平均占企业年销售收入的7.5%以上；研发队伍全部为大学本科以上学历，硕士以上学历人员占到研发人员总数的70%。
企业法人代表王庆生即为本项目的负责人，介绍如下。
3、
4、人才培养
的宗旨之一是以人才为核心，人才是企业生存与发展的根本，尊重知识、尊重人才一直是我公司的基本方针。
通过该项目的实施，我公司一个主要目标就是培养青年科技创新人才以及项目管理人才，对人才培养的具体实施包括：
Ø培养目标：
争取通过本项目的研发与实施，培养出两位项目负责人，三个项目主要研发人员，使他们在今后的研发工作中能独当一面，更好地把理论与实践相结合，为实现产、学、研一体化培养更多人才。
Ø培养方式：
根据能力及其所掌握的技术将任务分工，在完成各自任务的基础上，继续为其提供研发条件，在为项目提供后续改进的同时，结合项目负责人实时指导的方式，进行全面培养。
Ø步骤及措施：
在项目负责人的带领与指导下，先熟悉工作内容，在工作过程中加强培训，如：
项目管理、风险管理等知识。
Ø本项目中承担项目科技攻关人员中大都是24-26岁之间的青年科技人员，硕士学位的占绝大多数，且都有着丰富的研发经验。
主要课题组青年科技人员年龄、学历、承担任务、工作时间和工作量如下表所示：
姓名
年龄
专业
学位
项目中分工
工作时间（%）
闫伟东
25
计算机应用技术
硕士
网络设计
40
杨新芳
26
计算机应用技术
硕士
软件设计
40
张莎莎
25
计算机应用技术
硕士
网络设计
25
周小青
29
计算机应用技术
硕士
网络测试
20
刘冠举
24
计算机应用技术
硕士
软件测试
20
三．项目的技术可行性和成熟性分析
1．项目的技术创新性论述
（1）本项目的基本原理、关键技术内容及创新点。
项目原理：
“ZigBee无线瓦斯传感器”，研制应用于煤矿安全监控的，具有人员定位功能的，以固定安装与人员携带移动方式相结合的无限传感器。
该项目包括无线传感器节点的硬件设计，无线传感器节点的网络协议栈的设计、以及传感器系统软件控制软件的设计等。
其中，无线传感器节点是由瓦斯监测传感器、控制器单元，无线收发单元，存储器单元以及供电单元组成。
无线传感器节点的网络协议栈则是根据在IEEE发布的IEEE802.15.4的基础上经ZigBee项目小组完善而成的协议族完成数据的传输。
控制器处理程序用C程序完成后留在控制器存储器中，一个功能是对传感传送的电子信号进行处理，得到煤炭瓦斯监测数据并贮存在寄存器中，另一个功能是设置传感器的参数，如传感器编号，用于识别矿井。
传感器节点的模型如图3.1所示：
图3.1无线传感器节点结构图
关键技术：
1）节点的能耗问题
无线传感器节点一般采用电池供电，因此可以使用的电量是很有限的，尤其是面对煤矿安全这种实时性强且要长期监控的需求，这就需要无线传感器节点的稳定感应传输时间要长达数月甚至数年。
而网络节点的功耗的主要方面就是通讯消耗。
因此，我们计划采用新型的无线通讯技术ZigBee技术，相比较，蓝牙只能工作数周、WiFi只可工作数小时，ZigBee技术使用2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
这是ZigBee的突出优势。
2）无线通信协议：
物理层:
研究在实际环境频繁变化和节点密集时，低功耗通信的复杂行为特征。
MAC层:
避免冲突的信道分配和调度机制，节省能耗的分布式MAC协议研究.路由层:
高效、鲁棒的拓扑形成和控制协议，自适应网络覆盖算法，低功耗、实时、自组织的信息传输路径的建立机制，面向数据的传感网通信模式。
根据上述各项要求，在综合了各个无线网络协议的基础上，计划采用由IEEE发布的IEEE802.15.4标准，经ZigBee项目小组完善而成的协议族完成数据的传输。
3）数据聚合技术
节点冗余造成数据冗余。
传感器节点在收集和转发数据的过程中，可以根据数据的特点和查询要求进行数据聚合，去除冗余信息，融合相关数据，挖掘高层知识。
4）自定位技术
传感器节点所采集的数据必须和位置相关对用户才有意义。
传感器节点对监测到的事件也应该指出它所发生的位置。
这将对于煤矿产量的位置监测起到很好得效果。
5）网络的可扩展性
无线传感器节点在网络组建过程中通过自组织的方式进行网络的自动生成，是完全自治的。
在网络形成之后，如果在其中加入新的节点或者因为节点故障，电池能量耗尽等，这就要求传感器网络进行重新生成。
因此节点的可扩展性体现了这个网络的健壮性。
与以太网相比较，无线网因其自身的低成本特点，故障率是大于以太网的；再加上以太网在系统崩溃之后还可以通过重启来恢复，而无线网络只能通过自身的网络对系统进行修复了。
针对此特点，我们计划采用定期查询策略，更新网络系统路由表，另外增加系统冗余来实现。
6）网络的快速收敛性
鉴于无线网络较之以太网故障率大的特点，在设置节点网络协议时，如何在某个节点失效之后，迅速进行调整，做出反应，使得网络传输不中断，这就必须对其进行快速收敛功能的强调。
7）覆盖控制技术
对于无线传感器网络中存在的冗余节点，如何利用节点的冗余特性进行休眠调度，延长网络生存时间，是一个重要研究内容。
覆盖控制技术通过节点调度等手段，在不影响网络覆盖性和连通性的前提下，控制网络中活跃节点的数量，使冗余节点交替工作，从而达到延长网络生存时间的目的。
8）网络安全技术
无线传感器网络需要实现一些基本的安全机制：
如机密性、消息认证、消息完整性鉴别、认证广播和安全管理等。
虽然在安全研究方面，无线传感器网络并没有引入太多新的内容，但是无线传感器网络的特点决定了它的安全与传统网络的安全在研究方法和实现手段上存在明显的区别。
创新点：
1）研制可综合使用的固定安装传感器和人员携带移动传感器，使得侦测范围更广，数据更全面；
2）原有煤矿安全检测技术没有自定位功能，而人员定位系统也没有加上瓦斯监控单元，使得监控与定位两张皮，在此使用自定位技术加强对位置信息的跟踪；
3）节点按功能分别研制，包括协调器、路由器、FFD端设备和RFD端设备4种；
4）在使用了无线传感器网络之后，由其自组织的特性使得系统安全性更强，更加稳定；
5）利用了ZigBee新技术之后，使原来蓝牙，WiFi等能耗过大的问题得到了解决；
6）目前，使用ZigBee技术对煤矿的瓦斯监控尚处于研究阶段，本公司申请产品的研制与开发。
（2）项目的技术来源
“ZigBee无线瓦斯传感器的研制”属企业自主开发项目，开发完成后具有自主知识产权。
（3）本项目国内外发展现状、存在的主要问题及近期发展趋势。
从21世纪开始，以无线方式传输的片上集成传感器技术便引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无限传感器网络的研究计划。
特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。
美国国防部把SmartSensorWeb（SSW）定为国防部科学技术5个尖端研究领域之一。
美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划。
目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，以便成倍地提高单一传感器的能力，从而提高未来战系统的生存能力。
美国能源部与美国Sandia国家实验室合作，共同研究用于地铁、车站等场所的防范恐怖袭击的对策系统。
美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，表明它将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。
我国对新型片上集成无线传感器的研究启动较晚，因此在这个领域的研究相比与国外的程度较低。
较早进行无线传感器网络相关研究的单位包括哈尔滨工业大学、清华大、湖南大学、复旦大学、南京大学、国防科技大学、东北大学、西北工业大学、北京理工大学、电子科技大学、浙江大学、中国科技大学、北京邮电大学和北京交通大学等院校，以及中科院软件所、计算所、电子所、自动化所、合肥智能机械所、沈阳自动化所近年来，更多院校和科研机构加入到无线传感器网络的研究工作中来。
目前，国家973计划、国家自然科学基金和国家863高技术计划都设立专项资助该领域的理论、方法和关键技术研究。
总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还很少。
由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家、社会及经济将有重大的战略意义。
目前煤矿监控系统多为有线形式,实现对全矿井环境参数的无线监测还具有一定的局限性,不可避免地留下大量的安全隐患。
当煤矿地面监管中心的测控主机距离矿井很远,井上部分总线铺设的距离会很大,硬件投入成本、运行成本和维护成本都会很高。
如果井下传感器的分布比较分散,适合多条总线从不同出口上传到地面,再由这些位置连接到煤矿相关部门服务器上时,布线量就会成倍增加,各类成本也会成倍增加。
有一些采取无线方式的，使用人员手持式瓦斯监控器，这种方式可以让地下作业的人员实时地测量瓦斯浓度，井上却无法获取该数据，无法达到完全控制安全隐患的程度。
综合研制固定安装传感器和人员携带移动传感器以及将无线传感器定位技术与瓦斯监控技术相结合在国内外并不见报道，在山西省目前还没有此项技术，我公司根据目前市场的需要，结合公司现有的技术已经着手此技术的研究。
2、项目提出背景、意义及必要性
（1）项目技术攻关的必要性
开发一套用于煤矿安全监控的，具有人员定位功能的，以固定安装与人员携带移动方式相结合的无线传感器，是由其社会及经济需求所决定的。
安全生产是社会进步和人类发展的重要保证。
尽管20世纪科学技术的发展已经为未来的进步构筑了坚实的平台,新的采矿方法和技术将不断被采用、采矿业将向智能化和无人化的方向发展。
但是,目前传统的采矿方法依然占据着主导地位,是其他采矿方法在短时间内仍无法完全替代的,传统的采矿方法所面临的安全问题仍将困扰着人类。
由于缺乏对入井人员的有效检测、定位手段,难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况,一旦发生事故,对井下人员的抢救缺乏可靠信息,抢险救灾、安全救护的成功率低,造成重大的人员伤亡，因此，设计这种以煤矿安全检测为中心的，有人员定位功能的以两种方式来布置安装的无线传感器就成为迫切需求。
（2）项目的市场需求分析
在我国煤矿安全事故中,由于矿井内温度过高,压力过大,通风不良等原因可能造成可燃气体爆炸或有毒有害气体中毒等事故,这些事故成为实现安全生产的最大障碍。
因此,及时准确地检测矿井内的温度、压力、可燃气体和有毒有害气体含量,在煤矿安全生产中具有重要意义。
目前煤矿监控系统多为有线形式,实现对全矿井环境参数的无线监测还具有一定的局限性,不可避免地留下大量的安全隐患。
当煤矿地面监管中心的测控主机距离矿井很远,井上部分总线铺设的距离会很大,硬件投入成本、运行成本和维护成本都会很高。
如果井下传感器的分布比较分散,适合多条总线从不同出口上传到地面,再由这些位置连接到煤矿相关部门服务器上时,布线量就会成倍增加,各类成本也会成倍增加。
有一些采取无线方式的，使用人员手持式瓦斯监控器，这种方式可以让地下作业的人员实时地测量瓦斯浓度，井上却无法获取该数据，无法达到完全控制安全隐患的程度。
随着国家对煤矿生产管理工作的日益重视，企业和国家对煤矿产量监管投入的加大，国家“十一五”期间对煤炭工业的机构调整，以及煤炭生产企业自身现代化管理的需求，为煤矿安全监控产品的研制提供了一个很好的发展机遇。
煤矿安全监控平台的搭建将为煤矿企业、各级政府监管部门提供统一、完整的监管平台，为及时发现煤矿生产安全隐患、提高生产效率、减少安全事故发挥重要的作用。
同时国家生产安全监督管理局已经建立了煤矿产量数据采集、连网、系统等标准，为煤矿安全监控产品的研制打下了较好的技术基础。
综上所述，研制以人为本、采集各种安全生产实时数据、以危险因素分析、事故预防、抢险救灾为主要目标的数字化、智能化煤矿安全监控产品是形势所需，市场所求。
3．项目的成熟性和可靠性论述
目前项目已经过初期调研和可行性分析，一致认定该项目切实可行，且具有非常好的市场推广前景，因此在前一阶段调研的基础上，下一步将进行传感器硬件设计，网络协议设计开发以及片上应用程序开发等关键技术的攻关。
拥有丰富的人才资源，参与该项目的研发人员全部为大学本科以上学历，具有很强的研发能力，为本项目的开发提供了高可靠性。
四、项目主要研究方案和工艺路线
1、主要研究方案
无线传感器节点的硬件设计思路为，采集煤矿瓦斯，温湿度等安全信息的传感器元件；处理器单元使用AVR单片机，配合使用TinyOS操作系统；无线收发单元采用SoC芯片CC2430。
该项目包括无线传感器节点的硬件设计，无线传感器节点的网络协议栈的设计、以及传感器系统软件控制软件的设计。
其中，无线传感器节点是由瓦斯监测传感器、控制器单元，无线收发单元，存储器单元以及供电单元组成。
无线传感器节点的网络协议栈则是根据在IEEE发布的IEEE802.15.4的基础上经ZigBee项目小组完善而成的协议族完成数据的传输。
控制器处理程序用C程序完成后留在控制器存储器中，一个功能是对传感传送的电子信号进行处理，得到煤炭瓦斯监测数据并贮存在寄存器中，另一个功能是设置传感器的参数，如传感器编号，用于识别矿井。
2、主要工艺路线
（1）硬件设计
无线节点部件的设计，按功能强弱分类有4种,分别为协调器节点、路由器节点、FFD端设备和RFD端设备。
节点功能越强,相应的功耗也就越大。
网络中采用不同功能的节点,合理分配,一方面，有利于兼顾网络对低功耗和高性能的要求；另外，也为节点设计固定安装与人员携带移动方式相结合提供便利。
协调器节点主要负责网络的建立、维护和监测数据的汇聚,并作为接入点与有线骨干网相连,在无线传感器网络中只有1个,功耗最大;路由器负责网络扩展和数据路由,功耗次之;2种端设备负责数据的采集和发送,功耗最小。
相比于RFD端设备,FFD端设备还具有简单的路由功能,增加了数据传输的灵活性,功耗相对较大。
该网络中除RFD端设备外,节点间若能彼此收到对方的无线信号,就可以进行直接通信,不需其他节点的转发，这种终端设备最适合于人员携带移动方式进行。
数据在多个方向上以多跳的方式灵活传输，当节点位置变化或个别节点失效时，对信息传递影响很小,提高了信息传输的可靠性。
新设备通过与网络中的协调器或路由器连接的方式加入网络,此时该设备成为相应协调器或路由器的子节点,而相应协调器或路由器成为其父节点,父节点和相应的子节点间可直接通信。
因此,端设备只能成为子节点,协调器只能成为父节点（网络中只有1个协调器）,而路由器则可能是父节点或子节点,也可能二者兼是,由具体的路由机制确定。
因此，在矿井中提前布置FFD端设备，使用协调器、路由器搭建网络，形成固定安装部分。
就已经可以实现采集、存储、转发煤矿安全相关数据。
而当矿井继续深入，还有在坑道弯较多且地形复杂的情况下，使用人员携带方式，可以方便，灵活，全面地采集数据。
对所设计的无线传感器网络就是要合理利用协调器、路由器、FFD端设备和RFD端设备4种节点,构建一个可靠性高、连通性好和能耗小的网络。
在瓦斯传感器的选用上，采用KGS-20低功耗热效式瓦斯传感器。
KGS-20以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。
它的基本特征是：
极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗。
KGS-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。
该传感器体积小，耗电低，应用电路简单，报警浓度为甲烷≥1％，响应时间≤20s，恢复时间≤30s，工作温度范围-15℃～+50℃，湿度≤97％RH，静态功耗为150mW，报警状态功耗为300mW，供电电压为3～5VDC。
传感器敏感组件的电阻RS的变化表现为负载电阻RL上的电压变化。
驱动电压VH、负载电阻RL以及检测电压VD的取值参照公司提供的典型资料，以使传感器处于最佳工作状态。
存储模块采用1Mb串行EEPROM芯片。
采用微型SO8N封装，封装外壳宽度仅为150mil（3.8mm），内置I2C双线串口，是保存参数经常被修改的海量数据的理想选择，存储密度从1Kb～1Mb。
M24M01支持100kHz和400kHz时钟频率，全面兼容I2C规范，1.8～5.5V的宽工作电源电压。
128Kb×8存储结构，支持字节和页式写模式，写操作极快，256B写操作低于5ms。
数据保存能力超过40年，耐擦写能力不低于100万次擦写循环，工作温度范围-40℃～+85℃。
电源模块，依据现在无线传感器节点供电的趋势，采用两节1.5v干电池供电。
（2）网络系统设计
对网络系统的设计，可在ZigBee网络协议标准基础上进行改进，以适应煤矿网络实际情况。
ZigBee标准定义了一种堆栈协议，这种协议可以确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。
ZigBee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。
ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4协议基础上建立的。
因此ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4协议（该协议定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信）的PHY层和MAC层，以及ZigBee堆栈层:
网络层、应用层和安全服务提供层。
（3）软件系统设计
对软件系统的设计，由UCBerkeley（加州大学伯克利分校）开发的开放源代码操作系统TinyOS为蓝本，该操作系统专为嵌入式无线传感网络设计，TinyOS的程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往都很小（一般来说核心代码和数据大概在400Bytes左右），能够突破传感器存
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