基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳昊

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著巨大的潛力。該文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)目不等的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的傳感器及ZigBee技術(shù)以自組織和多跳的方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成，能夠環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知與采集，如溫濕度、氣壓、氣體濃度等，再對(duì)所采集的信息進(jìn)行融合與處理后以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給接收方，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交換。經(jīng)測(cè)試和使用，該系統(tǒng)可提供遠(yuǎn)距離、可靠的數(shù)據(jù)采集服務(wù)。系統(tǒng)具有優(yōu)越的抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息的智能化管理。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；環(huán)境監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）20-0203-02

Abstract： Wireless sensor networks have attracted significant attention among researchers and practitioners， and it have been shown to have a high potential to be the hotspot technology in environmental monitoring area. In this paper， an environmental monitoring system based on wireless sensor network was designed. The variable numbers of static or dynamic sensors and ZigBee technology form a transmission network by means of self-organization and multi-jump. Wireless sensor network is able to collect and monitor environmental information such as temperature， humidity， pressure and so on， the information is transmitted by wireless network after being processed in order to realize the fusion of data. After using and testing， the system provides long-term and reliable service， and it has superior anti-interference ability， the system accomplishes intelligent management of environmental information.

Key words： Wireless sensor network； ZigBee； Environmental Monitor

環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者和研究員的廣泛關(guān)注，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)伴隨著嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的進(jìn)步得到快速地發(fā)展。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已在智能家居、工業(yè)控制、生物醫(yī)療等領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用：紀(jì)晴等以ZigBee技術(shù)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)以瀏覽Web頁面的方式對(duì)家庭內(nèi)部子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制 [1]；龔發(fā)根等研究員以AVR系列芯片為控制器、CC2430為射頻收發(fā)器，詳細(xì)規(guī)劃了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 [2]；趙澤等以ZigBee技術(shù)作為近距離通信方式，同時(shí)引入Internet網(wǎng)絡(luò)、GSM短消息通信方式實(shí)現(xiàn)家庭、社區(qū)和醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng) [3]。本設(shè)計(jì)綜合以上各方案的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)依托分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee技術(shù)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行精確感知，并通過GPRS智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)至控制中心及云服務(wù)器，建立基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和分析的環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，允許移動(dòng)設(shè)備對(duì)云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)訪問，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理功能。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS智能網(wǎng)關(guān)，云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)以及ZigBee技術(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織和收集實(shí)時(shí)環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和融合，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心及管理中心。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置為路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的中轉(zhuǎn)，從而擴(kuò)大無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和數(shù)據(jù)傳輸能力。

1.2 GPRS智能網(wǎng)關(guān)

系統(tǒng)的GPRS智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)雙向交互和有效結(jié)合?？刂浦行呢?fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)并發(fā)至管理中心，并將來自管理中心的指令發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)。管理中心負(fù)責(zé)將來自控制中心的數(shù)據(jù)利用LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示并用SD卡保存，同時(shí)通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器。

1.3 云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS智能網(wǎng)關(guān)傳輸至云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，并完成特征級(jí)數(shù)據(jù)融合。當(dāng)存在安全隱患時(shí)，該管理平臺(tái)自動(dòng)報(bào)警，協(xié)助維護(hù)部門采取有效措施，降低系統(tǒng)使用環(huán)境的安全隱患。用戶可通過移動(dòng)終端如手機(jī)、平板等訪問云服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)部分包括GPRS智能網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)，各類傳感器節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片作為核心芯片。

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、甲烷氣體傳感器和氣壓傳感器。路由節(jié)點(diǎn)的硬件體系與傳感器節(jié)點(diǎn)相同。

2.2 GPRS智能網(wǎng)關(guān)

系統(tǒng)的GPRS智能網(wǎng)關(guān)由控制中心和管理中心兩部分組成。控制中心負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和相關(guān)控制，接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)送命令到各節(jié)點(diǎn)，與管理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。管理中心完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理工作，計(jì)算機(jī)通過管理中心可以對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成相關(guān)的配置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)GSM模塊與LCD顯示模塊與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)合。數(shù)據(jù)可保存到SD卡，保存周期可按需設(shè)置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)算法設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)與控制中心以主從工作模式進(jìn)行通信，控制中心在主程序中以主動(dòng)的方式按照固定周期發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而傳感器節(jié)點(diǎn)以中斷的方式向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的周期可以通過控制中心進(jìn)行設(shè)置。如圖3（a）所示。

3.2 管理中心算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的管理中心主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：LCD對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；傳感器數(shù)據(jù)通過GPRS上傳至服務(wù)器；數(shù)據(jù)保存至SD卡；ZigBee網(wǎng)絡(luò)的配置；接收GSM短信命令包并發(fā)送至控制中心。這些功能的實(shí)現(xiàn)必須由軟件編程實(shí)現(xiàn)，管理中心主函數(shù)的流程如圖3（b）所示。

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，我們采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)關(guān)來構(gòu)建系統(tǒng)。如圖4（a）所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選用CC2530片上系統(tǒng)作為傳感器節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)的核心芯片。路由節(jié)點(diǎn)放置在傳感器節(jié)點(diǎn)和GPRS網(wǎng)關(guān)的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。同時(shí)，用戶可在傳感器節(jié)點(diǎn)上直接獲取環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

上位機(jī)在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)展示，如圖4（b）所示，用戶通過該上位機(jī)可準(zhǔn)確地進(jìn)行參數(shù)配置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取。該上位機(jī)允許監(jiān)管部門查詢歷史趨勢(shì)曲線，便于共享數(shù)據(jù)資源。

5 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其低功耗、協(xié)議靈活性和自組織等特性在日常生活中得到了廣泛地應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)軟硬件工作良好，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息的低功耗、智能化采集。未來將在數(shù)據(jù)的傳輸速率和無線信號(hào)的覆蓋范圍方面進(jìn)一步拓展，提升系統(tǒng)的性能。

參考文獻(xiàn)：

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