基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)及在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，提出并設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)方案。希望能夠通過文章的介紹與分析，能夠給相關(guān)工作人員帶來一定啟示，僅供參考。

關(guān)鍵詞：ZigBee；PM2.5；環(huán)境監(jiān)測(cè)

引言

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及工業(yè)化的迅速推進(jìn)帶來了工業(yè)廢氣和溫室氣體排放量的急劇增加，導(dǎo)致環(huán)境的進(jìn)一步惡化和全球溫度上升，尤其是我國(guó)北方進(jìn)入冬季供暖期后，部分地區(qū)霧霾嚴(yán)重，較差的空氣質(zhì)量影響了人們的生活、工作，不利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。人們迫切需要對(duì)大氣環(huán)境開展監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，以便合理的安排工作和出行，采取更廣泛、有效的措施控制污染。因此，建立大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。

隨著嵌入式技術(shù)及傳感器技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入到人類生活的各個(gè)方面。Zigbee技術(shù)作為短距離無線通信技術(shù)的代表之一，具有低功耗、短時(shí)延、組網(wǎng)靈活、自愈力強(qiáng)等諸多特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于低速無線傳感網(wǎng)絡(luò)中?；谏鲜鲈?，文章提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本方案在特定區(qū)域中建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，通過終端節(jié)點(diǎn)采集溫度、濕度，PM2.5和有毒有害氣體等數(shù)據(jù)信息，并將傳感器信息由協(xié)調(diào)器傳給嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)處理后，將直觀的信息顯示在QT界面、PC機(jī)串口，并以信息的形式發(fā)動(dòng)到手機(jī)終端，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與外部Internet網(wǎng)絡(luò)的通信。

1 硬件電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要分為三大模塊：無線通信采集模塊、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊和信息傳輸模塊，無線通信采集模塊主要實(shí)現(xiàn)大氣監(jiān)測(cè)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)的組建、傳感器采集節(jié)點(diǎn)的控制和數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)間的傳送，其中傳感器采集節(jié)點(diǎn)用來采集二氧化碳、一氧化碳、PM2.5、溫度、濕度等大氣環(huán)境信息，系統(tǒng)使用基于ZigBee協(xié)議的CC2530芯片進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)控制。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊主要實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集來的信息處理，主要功能體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）采集信息再通過GPRS模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的協(xié)議數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換；（2）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的搭建。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器作為硬件平臺(tái)的核心，實(shí)施中采用的是博創(chuàng)公司的S3C2410開發(fā)板，配以Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)配置以太網(wǎng)接口和BOA服務(wù)器。信息傳輸模塊包括三部分，分別為本地?cái)?shù)據(jù)顯示模塊、GPRS通信模塊和Internet網(wǎng)絡(luò)訪問模塊。GPRS通信模塊主要實(shí)現(xiàn)采集來的數(shù)據(jù)與用戶終端設(shè)備的通信，Internet網(wǎng)絡(luò)訪問模塊主要通過PC機(jī)或手機(jī)終端，以網(wǎng)頁的形式訪問采集的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)不同應(yīng)用的需求，可以構(gòu)建成星型、樹型和網(wǎng)狀型三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，可以有多個(gè)路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理者可以選擇信道的頻段，允許添加或刪除路由器和終端設(shè)備。路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，延伸ZigBee網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，主要用于樹型和網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，路由器不能休眠。終端設(shè)備主要任務(wù)是發(fā)送和接收信息。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備這三種設(shè)備類型都是網(wǎng)絡(luò)層的概念。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況文章中只采用協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備來實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，采用的是TI公司的CC2530 ZigBee無線通信模塊，協(xié)調(diào)器由數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、電源管理單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等組成。CC2530不僅可以組成協(xié)調(diào)器的收發(fā)模塊，其內(nèi)部還包含業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程內(nèi)存、8KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用CC2530負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集和對(duì)數(shù)據(jù)的初步處理。網(wǎng)關(guān)部分主要負(fù)責(zé)接收終端設(shè)備所發(fā)來的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過USB接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。終端設(shè)備由傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等組成。傳感器單元負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息，數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)處理采集到的信息，通過數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送給協(xié)調(diào)器。采集的信息包括溫度、濕度，PM2.5和有毒有害氣體等；數(shù)據(jù)處理單元以CC2530為核心的處理器負(fù)責(zé)控制終端設(shè)備的操作、功耗管理以及任務(wù)處理等；數(shù)據(jù)傳輸單元由功放和天線等組成。協(xié)調(diào)器的硬件框圖如圖3所示，終端設(shè)備的硬件框圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench來完成。IAR Embedded Workbench軟件是一種用于編譯和調(diào)試嵌入式應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境，可支持種類眾多的8051芯片。

2.2 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理。系統(tǒng)上電以后，首先初始化硬件和協(xié)議棧。初始化完畢后，系統(tǒng)開始組網(wǎng)。組網(wǎng)完畢后，協(xié)調(diào)器開始接收終端設(shè)備上傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并通過USB接口將其傳輸?shù)絇C機(jī)。協(xié)調(diào)器程序流程如圖5所示。

2.3 終端設(shè)備程序設(shè)計(jì)

終端設(shè)備主要是傳輸傳感器所采集到的數(shù)據(jù)。終端設(shè)備完成硬件和協(xié)議棧初始化后，開始搜尋協(xié)調(diào)器，并申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。完成以上工作后，終端設(shè)備開始向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)。終端設(shè)備程序流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

將協(xié)調(diào)器通過USB線纜連接上位機(jī)，文章中采用超級(jí)終端作為上位機(jī)軟件，該軟件是Windows系統(tǒng)自帶的通用串行交互軟件。測(cè)試時(shí)，選用如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，將三個(gè)終端設(shè)備依次上電，系統(tǒng)初始化后，協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備自動(dòng)組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，超級(jí)終端窗口依次顯示三個(gè)終端設(shè)備上傳感器所采集的數(shù)據(jù)。本次調(diào)試中，對(duì)節(jié)點(diǎn)1連接溫、濕度傳感器，當(dāng)改變溫、濕度時(shí)，可以觀察到溫、濕度有明顯變化；節(jié)點(diǎn)2連接氣體傳感器，改變節(jié)點(diǎn)2周圍的氣體環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有明顯改變；節(jié)點(diǎn)3連接PM2.5傳感器，進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將傳感器放到粉塵較多的位置，終端窗口中數(shù)值變化明顯。PM2.5傳感器測(cè)量的結(jié)果精度高于天氣預(yù)報(bào)的數(shù)值。當(dāng)串口長(zhǎng)時(shí)間（10S以上）沒有收到某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，證明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)脫網(wǎng)，應(yīng)檢查該節(jié)點(diǎn)電路，重新上電或復(fù)位。為了確保數(shù)據(jù)的精確程度，應(yīng)該增加終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集頻率，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)的基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，在試驗(yàn)環(huán)境中系統(tǒng)的軟硬件均穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。通過改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可在各種不同地域應(yīng)用；配合不同的傳感器，布置于適合的場(chǎng)合即可完成各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立。通過研究和應(yīng)用表明，無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其在抗干擾、抗衰減等方面存在著不足。本系統(tǒng)在室內(nèi)測(cè)試時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換沒有問題，但是在室外，受到周圍環(huán)境的影響，比如電磁環(huán)境、建筑物等，會(huì)發(fā)生丟包現(xiàn)象，所以，在系統(tǒng)安裝時(shí)要注意終端節(jié)點(diǎn)的擺放位置、周圍電磁信號(hào)的干擾等因素，并盡量減少或排除干擾的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]韓華峰，杜克明.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（7）：158-162.

[2]殷松遷，郭培源，王建華.基于嵌入式及ZigBee技術(shù)的居室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（8）：23-25.

[3]李洋.ZigBee在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技通報(bào)，2012，28（8）：19-21.

[4]青島東合信息技術(shù)有限公司.ZigBee開發(fā)技術(shù)及實(shí)踐[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[5]張永梅，王凱峰，馬禮，等.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012，39（6）：222-226.

作者簡(jiǎn)介：李麗芬（1982-），女，河北承德人，燕京理工學(xué)院副教授，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。