基于WSN空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

屠暢++宋露露++孫鑒波+++王鋼++周細(xì)紅

摘 要：文章針對(duì)當(dāng)前空氣環(huán)境監(jiān)測中面臨的監(jiān)測點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等難題，提出來一種在測試區(qū)域無線隨機(jī)分布傳感器節(jié)點(diǎn)采集空氣環(huán)境參數(shù)，通過協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析，遠(yuǎn)程終端用戶可以通過Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)不但有效地克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低可靠性問題， 而且增加了新的監(jiān)測功能，很好地解決了空氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題，在條件惡劣和無人堅(jiān)守的環(huán)境監(jiān)測和事件跟蹤中顯示了很大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CC2520；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；空氣環(huán)境監(jiān)測；實(shí)時(shí)監(jiān)測

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，隨之而來的是環(huán)境污染事故頻發(fā)，造成了大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成不良的社會(huì)影響。空氣污染已經(jīng)成為人類身體健康的無形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經(jīng)成為當(dāng)今刻不容緩的難題。傳統(tǒng)人工取樣實(shí)驗(yàn)室分析的方法，只能得到監(jiān)測現(xiàn)場某段時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測氣體的平均濃度，不能夠提供實(shí)時(shí)值，且監(jiān)測結(jié)果受人為的影響很大，對(duì)有害氣體濃度很高的現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，現(xiàn)場擺放氣體吸收液會(huì)嚴(yán)重?fù)p害環(huán)境監(jiān)測人員的健康[1]。國外進(jìn)口的自動(dòng)化大氣環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行在線監(jiān)測的方法存在所用設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、國產(chǎn)化率低、難以維護(hù)、運(yùn)營成本高等缺陷，很難在大范圍內(nèi)普及。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用PC機(jī)作為基站監(jiān)控中心上位機(jī)，基于MSP430F2618處理器的開發(fā)平臺(tái)作為下位機(jī)，由傳感器節(jié)點(diǎn)采集化工區(qū)環(huán)境信息，經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，將所采集的信息傳送到基站的上位機(jī)中，經(jīng)過上位機(jī)軟件的在線監(jiān)測[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工區(qū)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視，如圖1所示。

圖1 空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2.1 Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是基于Zigbee無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee， 在中國被譯為“紫蜂”，與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無線技術(shù)[3-4]。它類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信接力傳輸。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有微型化、擴(kuò)展性和靈活性、穩(wěn)定性和安全性、低成本等要求。

CC2520為IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設(shè)置寄存器改變，采用16位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)接口電路設(shè)計(jì)

TI公司的MSP430F2618。通過高度模擬的集成，TI公司的MSP430F2618微控制器架構(gòu)能夠滿足新一代控制系統(tǒng)的要求。該器件集成了高達(dá)120KB的片上存儲(chǔ)器，并支持20位地址字，因此將總體為尋址存儲(chǔ)容量提升至1MB，從而支持更復(fù)雜程序的開發(fā)。3通道直接存儲(chǔ)區(qū)存取、8通道12位ADC與雙通道12位DAC等。通用串行通信接口能通過靈活的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方案來縮短開發(fā)時(shí)間。

圖2給出CC2520與MSP430F2618單片機(jī)的接口電路。CC2520通過簡單的四線（SI、SO、SCLK、CSn）與SPI兼容串行接口配置，這時(shí)CC2520是受控的。MSP430F2618的SPI接口工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品剑籆C2520設(shè)為從機(jī)工作方式。當(dāng)MSP430F2618的SPI接口設(shè)為主機(jī)工作方式時(shí)，其硬件電路不會(huì)自動(dòng)控制SS引腳。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2520模塊、處理器模塊、電源模塊四部分組成，如圖3所示。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃裕捎肅C2520模塊負(fù)責(zé)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線通信；處理器模塊是由MSP430F2618型單片機(jī)應(yīng)用程序組成，此模塊負(fù)責(zé)向基站監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收基站發(fā)出的命令。電源模塊負(fù)責(zé)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供能量，按工作模式可劃分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，本節(jié)點(diǎn)是利用太陽能電池板實(shí)現(xiàn)可供高效蓄電池充電，這樣可以有效的解決此節(jié)點(diǎn)的能耗大問題，延長了此節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間。

4 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

網(wǎng)關(guān)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。應(yīng)用程序主要包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理程序。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，各功能子程序分開編寫，以庫的形式給出供主程序調(diào)用。而網(wǎng)關(guān)的分Zigbee模塊充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)作用[4-5]，因此網(wǎng)關(guān)也稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

系統(tǒng)上電后，初始化應(yīng)用程序，選定一個(gè)PANID作為網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)并通知其他節(jié)點(diǎn)加入。通過發(fā)送AT指令啟動(dòng)GPRS模塊，設(shè)定串口的通信速率，建立socket連接準(zhǔn)備數(shù)據(jù)通信。初始化完畢后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，等候外部事件中斷的產(chǎn)生，并通過判斷響應(yīng)的類型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。

5 系統(tǒng)性能測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測量精度，進(jìn)行了實(shí)地測量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇4個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模測試。選擇節(jié)點(diǎn)功耗和視距傳輸距離作為評(píng)價(jià)參數(shù)。經(jīng)測試傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)使用3.3V供電，低功耗模式小于1uA，發(fā)射接收平均在18.5mA，軟件采用ZigBee節(jié)能算法，節(jié)點(diǎn)一般2節(jié)電池可以工作3個(gè)月，單點(diǎn)測試20m，基本性能可靠。

6結(jié)束語

作者設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線傳感器網(wǎng)關(guān)硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過驗(yàn)證可以達(dá)到實(shí)時(shí)低功耗的測試要求。隨著IC技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)商用價(jià)值越來越明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]張粵，倪桑晨，倪偉.基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012（2）：140-145.

[2]孫學(xué)嚴(yán).基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（8）：47-49.

[3]趙琦.基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2013.

[4]欒學(xué)德.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國海洋大學(xué)，2012.

[5]羅瀚.基于ZigBee技術(shù)的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué)，2013.

[6]艾海峰.基于ZigBee的倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.endprint

摘 要：文章針對(duì)當(dāng)前空氣環(huán)境監(jiān)測中面臨的監(jiān)測點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等難題，提出來一種在測試區(qū)域無線隨機(jī)分布傳感器節(jié)點(diǎn)采集空氣環(huán)境參數(shù)，通過協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析，遠(yuǎn)程終端用戶可以通過Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)不但有效地克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低可靠性問題， 而且增加了新的監(jiān)測功能，很好地解決了空氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題，在條件惡劣和無人堅(jiān)守的環(huán)境監(jiān)測和事件跟蹤中顯示了很大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CC2520；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；空氣環(huán)境監(jiān)測；實(shí)時(shí)監(jiān)測

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，隨之而來的是環(huán)境污染事故頻發(fā)，造成了大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成不良的社會(huì)影響。空氣污染已經(jīng)成為人類身體健康的無形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經(jīng)成為當(dāng)今刻不容緩的難題。傳統(tǒng)人工取樣實(shí)驗(yàn)室分析的方法，只能得到監(jiān)測現(xiàn)場某段時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測氣體的平均濃度，不能夠提供實(shí)時(shí)值，且監(jiān)測結(jié)果受人為的影響很大，對(duì)有害氣體濃度很高的現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，現(xiàn)場擺放氣體吸收液會(huì)嚴(yán)重?fù)p害環(huán)境監(jiān)測人員的健康[1]。國外進(jìn)口的自動(dòng)化大氣環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行在線監(jiān)測的方法存在所用設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、國產(chǎn)化率低、難以維護(hù)、運(yùn)營成本高等缺陷，很難在大范圍內(nèi)普及。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用PC機(jī)作為基站監(jiān)控中心上位機(jī)，基于MSP430F2618處理器的開發(fā)平臺(tái)作為下位機(jī)，由傳感器節(jié)點(diǎn)采集化工區(qū)環(huán)境信息，經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，將所采集的信息傳送到基站的上位機(jī)中，經(jīng)過上位機(jī)軟件的在線監(jiān)測[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工區(qū)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視，如圖1所示。

圖1 空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2.1 Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是基于Zigbee無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee， 在中國被譯為“紫蜂”，與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無線技術(shù)[3-4]。它類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信接力傳輸。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有微型化、擴(kuò)展性和靈活性、穩(wěn)定性和安全性、低成本等要求。

CC2520為IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設(shè)置寄存器改變，采用16位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)接口電路設(shè)計(jì)

TI公司的MSP430F2618。通過高度模擬的集成，TI公司的MSP430F2618微控制器架構(gòu)能夠滿足新一代控制系統(tǒng)的要求。該器件集成了高達(dá)120KB的片上存儲(chǔ)器，并支持20位地址字，因此將總體為尋址存儲(chǔ)容量提升至1MB，從而支持更復(fù)雜程序的開發(fā)。3通道直接存儲(chǔ)區(qū)存取、8通道12位ADC與雙通道12位DAC等。通用串行通信接口能通過靈活的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方案來縮短開發(fā)時(shí)間。

圖2給出CC2520與MSP430F2618單片機(jī)的接口電路。CC2520通過簡單的四線（SI、SO、SCLK、CSn）與SPI兼容串行接口配置，這時(shí)CC2520是受控的。MSP430F2618的SPI接口工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品剑籆C2520設(shè)為從機(jī)工作方式。當(dāng)MSP430F2618的SPI接口設(shè)為主機(jī)工作方式時(shí)，其硬件電路不會(huì)自動(dòng)控制SS引腳。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2520模塊、處理器模塊、電源模塊四部分組成，如圖3所示。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃裕捎肅C2520模塊負(fù)責(zé)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線通信；處理器模塊是由MSP430F2618型單片機(jī)應(yīng)用程序組成，此模塊負(fù)責(zé)向基站監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收基站發(fā)出的命令。電源模塊負(fù)責(zé)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供能量，按工作模式可劃分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，本節(jié)點(diǎn)是利用太陽能電池板實(shí)現(xiàn)可供高效蓄電池充電，這樣可以有效的解決此節(jié)點(diǎn)的能耗大問題，延長了此節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間。

4 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

網(wǎng)關(guān)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。應(yīng)用程序主要包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理程序。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，各功能子程序分開編寫，以庫的形式給出供主程序調(diào)用。而網(wǎng)關(guān)的分Zigbee模塊充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)作用[4-5]，因此網(wǎng)關(guān)也稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

系統(tǒng)上電后，初始化應(yīng)用程序，選定一個(gè)PANID作為網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)并通知其他節(jié)點(diǎn)加入。通過發(fā)送AT指令啟動(dòng)GPRS模塊，設(shè)定串口的通信速率，建立socket連接準(zhǔn)備數(shù)據(jù)通信。初始化完畢后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，等候外部事件中斷的產(chǎn)生，并通過判斷響應(yīng)的類型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。

5 系統(tǒng)性能測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測量精度，進(jìn)行了實(shí)地測量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇4個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模測試。選擇節(jié)點(diǎn)功耗和視距傳輸距離作為評(píng)價(jià)參數(shù)。經(jīng)測試傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)使用3.3V供電，低功耗模式小于1uA，發(fā)射接收平均在18.5mA，軟件采用ZigBee節(jié)能算法，節(jié)點(diǎn)一般2節(jié)電池可以工作3個(gè)月，單點(diǎn)測試20m，基本性能可靠。

6結(jié)束語

作者設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線傳感器網(wǎng)關(guān)硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過驗(yàn)證可以達(dá)到實(shí)時(shí)低功耗的測試要求。隨著IC技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)商用價(jià)值越來越明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]張粵，倪桑晨，倪偉.基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012（2）：140-145.

[2]孫學(xué)嚴(yán).基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（8）：47-49.

[3]趙琦.基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2013.

[4]欒學(xué)德.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國海洋大學(xué)，2012.

[5]羅瀚.基于ZigBee技術(shù)的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué)，2013.

[6]艾海峰.基于ZigBee的倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.endprint

摘 要：文章針對(duì)當(dāng)前空氣環(huán)境監(jiān)測中面臨的監(jiān)測點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等難題，提出來一種在測試區(qū)域無線隨機(jī)分布傳感器節(jié)點(diǎn)采集空氣環(huán)境參數(shù)，通過協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析，遠(yuǎn)程終端用戶可以通過Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)不但有效地克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低可靠性問題， 而且增加了新的監(jiān)測功能，很好地解決了空氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題，在條件惡劣和無人堅(jiān)守的環(huán)境監(jiān)測和事件跟蹤中顯示了很大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CC2520；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；空氣環(huán)境監(jiān)測；實(shí)時(shí)監(jiān)測

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，隨之而來的是環(huán)境污染事故頻發(fā)，造成了大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成不良的社會(huì)影響。空氣污染已經(jīng)成為人類身體健康的無形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經(jīng)成為當(dāng)今刻不容緩的難題。傳統(tǒng)人工取樣實(shí)驗(yàn)室分析的方法，只能得到監(jiān)測現(xiàn)場某段時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測氣體的平均濃度，不能夠提供實(shí)時(shí)值，且監(jiān)測結(jié)果受人為的影響很大，對(duì)有害氣體濃度很高的現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，現(xiàn)場擺放氣體吸收液會(huì)嚴(yán)重?fù)p害環(huán)境監(jiān)測人員的健康[1]。國外進(jìn)口的自動(dòng)化大氣環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行在線監(jiān)測的方法存在所用設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、國產(chǎn)化率低、難以維護(hù)、運(yùn)營成本高等缺陷，很難在大范圍內(nèi)普及。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用PC機(jī)作為基站監(jiān)控中心上位機(jī)，基于MSP430F2618處理器的開發(fā)平臺(tái)作為下位機(jī)，由傳感器節(jié)點(diǎn)采集化工區(qū)環(huán)境信息，經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，將所采集的信息傳送到基站的上位機(jī)中，經(jīng)過上位機(jī)軟件的在線監(jiān)測[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工區(qū)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視，如圖1所示。

圖1 空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2.1 Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是基于Zigbee無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee， 在中國被譯為“紫蜂”，與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無線技術(shù)[3-4]。它類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信接力傳輸。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有微型化、擴(kuò)展性和靈活性、穩(wěn)定性和安全性、低成本等要求。

CC2520為IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設(shè)置寄存器改變，采用16位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)接口電路設(shè)計(jì)

TI公司的MSP430F2618。通過高度模擬的集成，TI公司的MSP430F2618微控制器架構(gòu)能夠滿足新一代控制系統(tǒng)的要求。該器件集成了高達(dá)120KB的片上存儲(chǔ)器，并支持20位地址字，因此將總體為尋址存儲(chǔ)容量提升至1MB，從而支持更復(fù)雜程序的開發(fā)。3通道直接存儲(chǔ)區(qū)存取、8通道12位ADC與雙通道12位DAC等。通用串行通信接口能通過靈活的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方案來縮短開發(fā)時(shí)間。

圖2給出CC2520與MSP430F2618單片機(jī)的接口電路。CC2520通過簡單的四線（SI、SO、SCLK、CSn）與SPI兼容串行接口配置，這時(shí)CC2520是受控的。MSP430F2618的SPI接口工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品剑籆C2520設(shè)為從機(jī)工作方式。當(dāng)MSP430F2618的SPI接口設(shè)為主機(jī)工作方式時(shí)，其硬件電路不會(huì)自動(dòng)控制SS引腳。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2520模塊、處理器模塊、電源模塊四部分組成，如圖3所示。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃裕捎肅C2520模塊負(fù)責(zé)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線通信；處理器模塊是由MSP430F2618型單片機(jī)應(yīng)用程序組成，此模塊負(fù)責(zé)向基站監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收基站發(fā)出的命令。電源模塊負(fù)責(zé)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供能量，按工作模式可劃分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，本節(jié)點(diǎn)是利用太陽能電池板實(shí)現(xiàn)可供高效蓄電池充電，這樣可以有效的解決此節(jié)點(diǎn)的能耗大問題，延長了此節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間。

4 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

網(wǎng)關(guān)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。應(yīng)用程序主要包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理程序。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，各功能子程序分開編寫，以庫的形式給出供主程序調(diào)用。而網(wǎng)關(guān)的分Zigbee模塊充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)作用[4-5]，因此網(wǎng)關(guān)也稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

系統(tǒng)上電后，初始化應(yīng)用程序，選定一個(gè)PANID作為網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)并通知其他節(jié)點(diǎn)加入。通過發(fā)送AT指令啟動(dòng)GPRS模塊，設(shè)定串口的通信速率，建立socket連接準(zhǔn)備數(shù)據(jù)通信。初始化完畢后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，等候外部事件中斷的產(chǎn)生，并通過判斷響應(yīng)的類型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。

5 系統(tǒng)性能測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測量精度，進(jìn)行了實(shí)地測量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇4個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模測試。選擇節(jié)點(diǎn)功耗和視距傳輸距離作為評(píng)價(jià)參數(shù)。經(jīng)測試傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)使用3.3V供電，低功耗模式小于1uA，發(fā)射接收平均在18.5mA，軟件采用ZigBee節(jié)能算法，節(jié)點(diǎn)一般2節(jié)電池可以工作3個(gè)月，單點(diǎn)測試20m，基本性能可靠。

6結(jié)束語

作者設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線傳感器網(wǎng)關(guān)硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過驗(yàn)證可以達(dá)到實(shí)時(shí)低功耗的測試要求。隨著IC技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)商用價(jià)值越來越明顯。

參考文獻(xiàn)

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[2]孫學(xué)嚴(yán).基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（8）：47-49.

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[4]欒學(xué)德.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國海洋大學(xué)，2012.

[5]羅瀚.基于ZigBee技術(shù)的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué)，2013.

[6]艾海峰.基于ZigBee的倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.endprint