基于Zig Bee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

王文博，趙培陸，梅笑冬，王 彪，盧革宇

（1.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，集成光電子學(xué)國家重點實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū)，吉林長春 130012;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

0 引言

近些年來，隨著大氣環(huán)境污染問題的不斷加重和人們的環(huán)保意識不斷增強，環(huán)境監(jiān)測問題日漸得到了越來越廣泛的關(guān)注。目前，國內(nèi)的大氣環(huán)境監(jiān)測方法主要有2種:一種是人工取樣實驗室分析法，這種方法設(shè)備條件要求低、操作相對簡單，但是整個監(jiān)測過程耗時較長，不能滿足對大氣環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測的要求;另一種是在線監(jiān)測法，雖然這種方法具有監(jiān)測準(zhǔn)確、分辨率高以及靈敏度高等優(yōu)點，但是目前此方法主要依賴于國外進(jìn)口設(shè)備，依然無法為全面準(zhǔn)確監(jiān)測大氣環(huán)境提供一個有力的保障［1］。針對這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種基于Zig Bee技術(shù)［2］的大氣監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本低廉，可以在大范圍內(nèi)對多種不同的大氣污染物進(jìn)行監(jiān)測，并且操作簡便，具有良好的實時性。

1 系統(tǒng)總體概述

該大氣監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心組成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括Zig Bee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)有3種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的終端節(jié)點需要在網(wǎng)關(guān)節(jié)點的范圍內(nèi)，從而限制了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍;網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然具有可靠性高和覆蓋范圍大的優(yōu)點，但是同樣存在著管理復(fù)雜、電池使用壽命短等缺點［3］;鑒于樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有靈活、可靠、高效的特點，所以，本系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建Zig Bee網(wǎng)絡(luò)。為了使采集的氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)完成與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心通信。硬件方面，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點包括傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其中傳感器節(jié)點又包括終端節(jié)點和路由節(jié)點。終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集大氣中的氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，并將其傳送至路由節(jié)點，再通過路由節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)多跳方式的數(shù)據(jù)傳輸［4］。路由節(jié)點負(fù)責(zé)實現(xiàn)路由功能，同時為了在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中獲取更多的環(huán)境信息，路由節(jié)點還具有數(shù)據(jù)采集功能。網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負(fù)責(zé)匯總數(shù)據(jù)并通過GPRS與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心進(jìn)行通信，將匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳［5］。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲及顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Block diagram of whole structure of system

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點包括終端節(jié)點和路由節(jié)點，兩者的硬件設(shè)計相同，都具有數(shù)據(jù)采集和無線通信功能［6］。唯一的區(qū)別在于終端節(jié)點只負(fù)責(zé)發(fā)送自身采集的數(shù)據(jù)，而路由節(jié)點除了發(fā)送自身采集的數(shù)據(jù)外，還要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其子節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)。

2.1.1 硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點由電源模塊、傳感器模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和核心處理模塊組成。電源模塊使用干電池對整個節(jié)點進(jìn)行供電，并具有低電量檢測功能［7］。

傳感器模塊選用的是費加羅公司的TGS2201型氣體傳感器，對NO2和CO氣體的靈敏度較高，并且具有壽命長、功耗低等優(yōu)點。TGS2201傳感器是電阻型的器件，信號處理電路只需選擇合適的負(fù)載電阻器與傳感器電阻串聯(lián)采集其分壓信號即可。由于測量不同氣體濃度時的傳感器電阻值變化很大，為了提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度，選擇3只電阻器串聯(lián)，利用MAX4620模擬開關(guān)控制其3只電阻器實現(xiàn)3個不同的負(fù)載電阻檔位，其信號處理電路圖如圖2所示。

圖2 信號處理電路Fig 2 Signal processing circuit

模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將從傳感器模塊上采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并最終傳送給核心處理模塊。模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊基于Maxim公司生產(chǎn)的16位的MAX1300芯片設(shè)計完成，此芯片具有8個模擬輸入信號通道，能夠處理多只傳感器的輸入，因此，在一個監(jiān)測點上能夠方便地獲取多個環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，此外該芯片還具有功耗低、精度高等特點，能夠很好地滿足系統(tǒng)需要。

核心處理模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530作為主控制器，此芯片基于增強型8051內(nèi)核設(shè)計而成，外設(shè)資源較豐富，內(nèi)置了德州儀器的單元Zig Bee協(xié)議棧，提供了一個強大和完整的Zig Bee解決方案，另外，CC2530芯片還集成了一個IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器，用于完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能。

2.1.2 軟件設(shè)計

由于傳感器節(jié)點主要被使用于戶外環(huán)境，因此，需要使用獨立便攜的電源系統(tǒng)，在本設(shè)計中選擇干電池進(jìn)行供電。因為干電池的電量有限，而當(dāng)電池電量耗盡時節(jié)點就會停止工作，并且導(dǎo)致部分網(wǎng)絡(luò)終斷［8］，所以，當(dāng)終端節(jié)點不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時應(yīng)該盡量減少節(jié)點的功耗，使其進(jìn)入睡眠模式，即只有低頻晶振工作而數(shù)字核心模塊關(guān)閉，同時設(shè)定其睡眠計數(shù)器初值，當(dāng)睡眠計數(shù)器溢出時再喚醒節(jié)點，對傳感器上的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和發(fā)送，之后再次進(jìn)入睡眠模式［9］。當(dāng)終端節(jié)點由于距離問題而無法直接與協(xié)調(diào)器通信時，就會自動向其周圍節(jié)點廣播自身信息，如果在其廣播范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點，就將其中最匹配的路由節(jié)點確定為自身的父節(jié)點，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳傳輸。路由節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)其子節(jié)點的數(shù)據(jù)。路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)之后，一方面與終端節(jié)點建立父子關(guān)系，接收其子節(jié)點傳送的數(shù)據(jù);另一方面，自身采集環(huán)境數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到它的上一級路由節(jié)點或者網(wǎng)關(guān)節(jié)點中［10］，路由節(jié)點與終端節(jié)點程序流程圖如圖3所示。

圖3 路由節(jié)點與終端節(jié)點程序流程圖Fig 3 Program flow chart of routing and end node

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

2.2.1 硬件設(shè)計網(wǎng)關(guān)節(jié)點由電源模塊、主控制器模塊、Zig Bee無線通信模塊及GPRS通信模塊組成。因為網(wǎng)關(guān)節(jié)點對處理能力和運算速度的要求比較高，所以，采用基于ARM7TDMI—S內(nèi)核的LPC2138作為主控制器。LPC2138是Philips Semiconductors公司生產(chǎn)的16/32位微控制器，其最高CPU操作頻率可達(dá)60 MHz。Zig Bee無線通信模塊與傳感器節(jié)點相同都是基于TI公司的CC2530芯片設(shè)計完成。GPRS模塊基于SIMCOM公司的SIM900芯片搭建完成，該芯片是緊湊型、高可靠性的四頻GSM/GPRS模塊 ，且內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，使模塊開發(fā)變得簡單、方便。網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig 4 Structure block diagram of gateway node

2.2.2 軟件設(shè)計

Zig Bee無線通信模塊實現(xiàn)2個功能:一是組建Zig Bee網(wǎng)絡(luò)并與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點進(jìn)行通信，二是通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至LPC2138。系統(tǒng)上電后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點上的Zig Bee無線通信模塊（即協(xié)調(diào)器）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，找到在工作頻率范圍內(nèi)的最優(yōu)信道建立網(wǎng)絡(luò)，并確定一個PANID網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識;然后協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通知其加入網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點收到參數(shù)之后即加入網(wǎng)絡(luò)［11］。網(wǎng)絡(luò)建立完成后，協(xié)調(diào)器接收網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包并通過中斷的方式將這些數(shù)據(jù)包傳送給LPC2138主控制器。主控制器接收到數(shù)據(jù)包之后通過向GPRS模塊中寫入相應(yīng)的AT指令，將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線公網(wǎng)，移動基站再將獲取到的GPRS信號轉(zhuǎn)到Internet，等待監(jiān)測中心接收數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測中心設(shè)計

監(jiān)測中心利用Microsoft Visual C++6.0開發(fā)基于Socket的通信模塊完成數(shù)據(jù)接收，同時監(jiān)測中心能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲功能。通信模塊的實現(xiàn)主要是采用socket套接字的非阻塞形式，創(chuàng)建套接字將其綁定到一個固定IP和端口上，再將其設(shè)為監(jiān)聽模式，準(zhǔn)備接收請求，當(dāng)有連接請求到來時建立接收和發(fā)送數(shù)據(jù)線程，從而接收GPRS模塊傳送的數(shù)據(jù)。監(jiān)測中心接收到數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，分離數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，將節(jié)點自身16位短地址以及其父節(jié)點地址、氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換并保存;數(shù)據(jù)顯示模塊能夠?qū)崿F(xiàn)列表顯示與波形顯示，方便監(jiān)測人員了解相關(guān)監(jiān)測信息;同時實現(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲在Excel表格中以便日后對數(shù)據(jù)的處理與分析［12］。

4 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)做了小規(guī)模的測試，搭建一個模擬的大氣污染環(huán)境，即搭建了多個氣室，選擇監(jiān)測的氣體是NO2和CO。在實驗現(xiàn)場部署了多個相互間距在100 m左右的傳感器節(jié)點，組建成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中，路由節(jié)點每30 s傳送一次數(shù)據(jù)，終端節(jié)點每10 s傳送一次數(shù)據(jù)，并且利用GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，再由遠(yuǎn)程監(jiān)測中心軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與存儲。表1列出網(wǎng)絡(luò)中的一個路由節(jié)點和一個終端節(jié)點采集的歷史數(shù)據(jù)，完成了一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點—路由節(jié)點—終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)分支，其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的自身短地址是0x0000，路由節(jié)點的自身短地址是0x39D1，終端節(jié)點的自身短地址是0x2024，通過父節(jié)點地址和自身短地址可以看出它們是父子關(guān)系。

5 結(jié)論

針對大氣監(jiān)測的需求，實現(xiàn)了一個基于Zig Bee技術(shù)的大氣監(jiān)測系統(tǒng)，解決了目前大氣監(jiān)測維護(hù)困難、實時性差等問題。系統(tǒng)利用Zig Bee協(xié)議組建樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，并完成網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了多節(jié)點數(shù)據(jù)采集，多跳傳輸?shù)姆绞綌U大了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍;利用LPC2138作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的主控制器提高了系統(tǒng)的運行速度和數(shù)據(jù)處理能力。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，利用GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸;利用Microsoft Visual C++6.0編寫的上位機監(jiān)測中心軟件，完成數(shù)據(jù)的接收、顯示以及存儲，大大加強了監(jiān)測軟件的可操作性，并且使得監(jiān)測界面更加友好。

表1 大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab 1 Monitoring data of air environment

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