基于無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)*

趙建華　張春曉

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710032)

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基于無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)*

趙建華張春曉

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710032)

針對(duì)我國(guó)環(huán)境檢測(cè)手段落后、自動(dòng)化程度低、能耗高、多數(shù)采用有線(xiàn)的傳輸方式等問(wèn)題,提出了一種基于Zigbee無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng),該檢測(cè)系統(tǒng)以CC2530為主控制器,綜合利用了Zigbee技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)等,設(shè)計(jì)了檢測(cè)環(huán)境中有毒氣體和灰塵的硬件設(shè)計(jì)的總體方案和軟件設(shè)計(jì)流程圖,并對(duì)無(wú)線(xiàn)通信能耗進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能耗低、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確,具有實(shí)用價(jià)值。

環(huán)境檢測(cè); Zigbee; CC2530; 通信能耗

Class NumberTN92

1　引言

環(huán)境是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ),但是近年來(lái)我國(guó)環(huán)境污染卻越來(lái)越嚴(yán)重,特別是大氣污染,大氣中的污染物主要有二氧化硫、氮氧化物及顆粒物等[1]。從霧霾天數(shù)的增加,人們外出需要戴上口罩來(lái)防止有毒氣體的吸入,可以看出我國(guó)的環(huán)境治理問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫了。環(huán)境檢測(cè)是解決環(huán)境問(wèn)題的有效手段,但是我國(guó)的環(huán)境檢測(cè)水平比較落后,自動(dòng)化程度比較低,而且數(shù)據(jù)傳送大多采用有線(xiàn)的方式,這極大地降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效率和數(shù)據(jù)的可靠性,針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。Zigbee作為一種新興的短距離、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),能廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療監(jiān)控各種領(lǐng)域[2]。文中設(shè)計(jì)的就是基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊組成,采集模塊采集到的信息經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與上位機(jī)相連實(shí)現(xiàn)通信,實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境中的一氧化碳、甲醛、二氧化硫等有毒氣體和灰塵的檢測(cè)。該環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)既適合室外的環(huán)境檢測(cè)測(cè)也適合室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè),例如對(duì)空氣質(zhì)量要求比較嚴(yán)格的公共場(chǎng)所：例如醫(yī)院、圖書(shū)館、大型會(huì)議室等室內(nèi)場(chǎng)所,并且能夠根據(jù)需要增加傳感器的種類(lèi)來(lái)適應(yīng)不同的場(chǎng)合。

2　幾種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較

GPRS 技術(shù)：GPRS 是常用的移動(dòng)數(shù)據(jù)的通信業(yè)務(wù),即無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)。任何用戶(hù)都以同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道,同一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道也能夠被多個(gè)用戶(hù)所共享,資源可以被有效的利用[3]。GPRS覆蓋范圍比較廣,信號(hào)比較穩(wěn)定,具有永遠(yuǎn)在線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),但是它的傳輸速率比較慢且沒(méi)有休眠機(jī)制,不能實(shí)現(xiàn)低功耗。

藍(lán)牙技術(shù)：藍(lán)牙技術(shù)工作在2.4GHZ頻段,應(yīng)用范圍廣泛,但傳輸距離比較短,一般在10m內(nèi)且傳輸速率比較低,網(wǎng)絡(luò)容量小,最多只能擁有八個(gè)節(jié)點(diǎn),而且成本也比較高,因此不適合用在需要多節(jié)點(diǎn)的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中。

WIFI技術(shù)：WIFI是屬于在辦公室內(nèi)、家庭中使用的無(wú)線(xiàn)技術(shù),在日常生活中WIFI技術(shù)已經(jīng)得到廣泛,它的覆蓋范圍比較大而且傳輸速率也比較快,使用靈活方便,因此得到廣大人民的喜愛(ài),但是WIFI技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅鼙容^低,而且耗能比較大,不符合本設(shè)計(jì)低功耗要求。

UWB:UWB是一種無(wú)載波通信技術(shù),利用納秒至微納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。它被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)展,認(rèn)為它將成為未來(lái)短距離無(wú)線(xiàn)通信的主流技術(shù)[4]。UWB技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高速率、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸,系統(tǒng)容量大,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗干擾能力強(qiáng),但是傳輸距離只有十米的距離,盡管如此UWB技術(shù)仍極具研究?jī)r(jià)值,前景廣闊。

Zigbee技術(shù)：Zigbee作為一種新興的短距離、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),能廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療監(jiān)控各種領(lǐng)域[5]。Zigbee最大的特點(diǎn)之一就是特別節(jié)約能源,可以組建很多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要大量節(jié)點(diǎn),因此ZIGBEE技術(shù)是最佳選擇。

3　Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及協(xié)議棧的介紹

Zigbee有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]：星型網(wǎng)(Star)、網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)、樹(shù)形網(wǎng)(tree)。星型網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,它不包含路由節(jié)點(diǎn),只由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端設(shè)備組成,它的節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較少,不適合用在需要多節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)合。網(wǎng)狀網(wǎng)的可靠性很高,節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行相互通信,它可以提供多個(gè)數(shù)據(jù)通信路徑,如果其中一條路徑發(fā)生故障,網(wǎng)狀網(wǎng)會(huì)自動(dòng)尋找其它適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?但這同時(shí)也增加了空間開(kāi)銷(xiāo)。樹(shù)形網(wǎng)是網(wǎng)狀網(wǎng)的子集,它增加了路由功能的概念,終端設(shè)備與自己的子節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)通信,其它必需通過(guò)樹(shù)形路由來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸。在本設(shè)計(jì)中采用了樹(shù)形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),能夠根據(jù)需要增加路由器的數(shù)量實(shí)現(xiàn)多跳通信,進(jìn)而增大傳輸距離。

圖1　Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee協(xié)議棧底層是由基于IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層(PHY)、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)構(gòu)成,上層包括應(yīng)用層(APL)網(wǎng)絡(luò)層(NWK),上層基于Zigbee協(xié)議[7]。

圖2　Zigbee協(xié)議框架

圖3　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

4　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中將一氧化碳、二氧化硫、甲醛等有毒氣體和灰塵作為環(huán)境檢測(cè)的主要參數(shù),系統(tǒng)采用Zigbee樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),系統(tǒng)由一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成,子節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式傳送到中心節(jié)點(diǎn),最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到監(jiān)控中心,整個(gè)系統(tǒng)的核心控制由中心控制節(jié)點(diǎn)完成,在完成環(huán)境監(jiān)測(cè)的同時(shí),在上位機(jī)進(jìn)行顯示。

5　硬件設(shè)計(jì)

5.1傳感器的選型

MQ系列傳感器是一種半導(dǎo)體氣體傳感器,它價(jià)格低廉,測(cè)量范圍廣,反應(yīng)靈敏,抗干擾能力強(qiáng),能夠?qū)Χ喾N氣體濃度進(jìn)行測(cè)量[8～9],例如：一氧化碳、二氧化硫、甲醛、苯等有毒氣體,該傳感器適應(yīng)環(huán)境能力比較強(qiáng),能夠在惡劣的環(huán)境條件下進(jìn)行工作。根據(jù)設(shè)計(jì)需要我們采用MQ138和MQ4傳感器。針對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的灰塵顆粒,系統(tǒng)采用了SYHITECH公司生產(chǎn)的DSM501粉塵傳感器。這款傳感器采用粒子計(jì)數(shù)原理,PWM脈寬調(diào)制輸出,可靈敏檢測(cè)直徑1μm以上的粒。

5.2傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端部分,它主要負(fù)責(zé)對(duì)空氣中二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮甲醛等有毒污染氣體的濃度以及粉塵顆粒物濃度進(jìn)行采集,并通過(guò)CC2530對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和發(fā)送。傳感器的種類(lèi)有很多,可以根據(jù)需要來(lái)選擇不同類(lèi)型的傳感器。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信和電源模塊。圖4為傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。

圖4　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

5.3協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、接受和上傳傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232與PC機(jī)進(jìn)行串口通信,協(xié)調(diào)器一般采用電池和DC供電。協(xié)調(diào)器硬件電路如圖5。

圖5　協(xié)調(diào)器原理圖

6　軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)空氣中的有毒氣體、粉塵的采集、處理和發(fā)送。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,整個(gè)節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài),等待下次激活,這極大地降低數(shù)據(jù)采集模塊的能耗。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖6所示。

協(xié)調(diào)器主要的功能是建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)、接受和上傳采集到的數(shù)據(jù)信息,協(xié)調(diào)器通過(guò)串口RS232與PC機(jī)進(jìn)行通信,管理人員可以在處理器終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令,控制數(shù)據(jù)采集模塊采集頻率并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、打印等操作。協(xié)調(diào)器工作流程圖如圖7所示。

7　無(wú)線(xiàn)通信能耗分析

基于無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,射頻部分占用了功率消耗的絕大部分,因此,對(duì)射頻模塊的能耗管理就顯得尤為重要[10]。該系統(tǒng)主要采用三種方案來(lái)減小通信模塊的能耗：功率控制、數(shù)據(jù)融合技術(shù)及休眠節(jié)能體制。

圖6　傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

圖7　協(xié)調(diào)器工作流程圖

1) 功率控制指節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置或動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率,在保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通、雙向連通或多連通的前提下,使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的電能消耗最小。通過(guò)采用功率控制機(jī)制,能夠減少傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)共享無(wú)線(xiàn)信道的干擾,通過(guò)空分復(fù)用允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),降低了節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率[5]。功率控制問(wèn)題主要通過(guò)以下幾種算法來(lái)解決：(1)統(tǒng)一功率分配算法，(2)基于節(jié)點(diǎn)度的算法，(3)基于方向的算法，(4)基于鄰近圖的算法。

2) 數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠剔除網(wǎng)絡(luò)中的冗余信息、減少射頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,是一種高效的節(jié)能手段,數(shù)據(jù)融合可以在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的多個(gè)層次實(shí)現(xiàn)。目前研究的方法主要基于以下兩種架構(gòu):(1)支持網(wǎng)內(nèi)局部數(shù)據(jù)處理，(2)用描述性的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)明數(shù)據(jù)的查詢(xún)。

3) 休眠節(jié)能體制通過(guò)關(guān)閉空閑狀態(tài)的射頻來(lái)降低節(jié)點(diǎn)能耗,每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的休眠,醒來(lái)后看是否有其它節(jié)點(diǎn)想和它通信。它主要有三個(gè)方面：休眠和喚醒機(jī)制、低占空比MAC協(xié)議和拓?fù)淇刂啤?/p>

8　結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是一種基于無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要是對(duì)環(huán)境中的有毒氣體和粉塵進(jìn)行監(jiān)測(cè),針對(duì)不同的對(duì)象可以選用不同的傳感器模塊。本文采用MQ系列氣體傳感器和DSM501粉塵傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)和室外的氣體和粉塵濃度,并將數(shù)據(jù)發(fā)送上傳,數(shù)據(jù)通過(guò)串口在PC機(jī)上顯示。實(shí)驗(yàn)證明,該環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定,檢測(cè)效率高,采集節(jié)點(diǎn)功耗比較低,施工成本和管理成本較低,達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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An Environment Detection System Based on Wireless Communication

ZHAO JianhuanZHANG Chunxiao

(School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710032)

According to our country environment detection means backward, low degree of automation, high energy consumption, most of using cable transmission way,this paper puts forward a kind of environment detection system which is based on Zigbee wireless communication, this detection system takes CC2530 as the primary controller, comprehensively utilizes of the Zigbee technology, sensor technology, embedded technology, multi-sensor data fusion technology so on.this paper designs the overall scheme of the hardware design and software design flow chart which are about detection of poisonous gas and dust in the environment.and discusses simply the energy consumption of wireless communication.the test shows that the system is low power consumption, stable performance, accurate data transmission and has practical value.

environment, , CC2530, energy consumption of communication

2016年4月8日,

2016年5月19日

趙建華,男,碩士,副教授,研究方向：電子技術(shù)信息控制。張春曉,女,碩士研究生,研究方向：電子信息與無(wú)線(xiàn)通信。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.021