基于無線通信的環境檢測系統*

趙建華　張春曉

(西安工業大學電子信息工程學院　西安　710032)

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基于無線通信的環境檢測系統*

趙建華張春曉

(西安工業大學電子信息工程學院西安710032)

針對我國環境檢測手段落后、自動化程度低、能耗高、多數采用有線的傳輸方式等問題,提出了一種基于Zigbee無線通信的環境檢測系統,該檢測系統以CC2530為主控制器,綜合利用了Zigbee技術、傳感器技術、嵌入式技術、多傳感器數據融合技術等,設計了檢測環境中有毒氣體和灰塵的硬件設計的總體方案和軟件設計流程圖,并對無線通信能耗進行了簡單的探討。實驗結果表明：該系統能耗低、性能穩定、數據傳輸準確,具有實用價值。

環境檢測; Zigbee; CC2530; 通信能耗

Class NumberTN92

1　引言

環境是人類賴以生存的基礎,但是近年來我國環境污染卻越來越嚴重,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]。從霧霾天數的增加,人們外出需要戴上口罩來防止有毒氣體的吸入,可以看出我國的環境治理問題已經迫在眉睫了。環境檢測是解決環境問題的有效手段,但是我國的環境檢測水平比較落后,自動化程度比較低,而且數據傳送大多采用有線的方式,這極大地降低了監測系統的效率和數據的可靠性,針對傳統環境檢測系統中存在的問題,設計了一種基于無線通信的環境檢測系統。Zigbee作為一種新興的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術,能廣泛應用于工業控制、消費電子、家庭自動化、醫療監控各種領域[2]。文中設計的就是基于Zigbee技術的無線環境檢測系統,系統主要由數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據處理模塊組成,采集模塊采集到的信息經過無線的方式傳到協調器節點,協調器通過串口與上位機相連實現通信,實現了對環境中的一氧化碳、甲醛、二氧化硫等有毒氣體和灰塵的檢測。該環境檢測系統既適合室外的環境檢測測也適合室內的環境監測,例如對空氣質量要求比較嚴格的公共場所：例如醫院、圖書館、大型會議室等室內場所,并且能夠根據需要增加傳感器的種類來適應不同的場合。

2　幾種無線通信技術的比較

GPRS 技術：GPRS 是常用的移動數據的通信業務,即無線分組交換技術。任何用戶都以同時占用多個無線信道,同一個無線信道也能夠被多個用戶所共享,資源可以被有效的利用[3]。GPRS覆蓋范圍比較廣,信號比較穩定,具有永遠在線的優點,但是它的傳輸速率比較慢且沒有休眠機制,不能實現低功耗。

藍牙技術：藍牙技術工作在2.4GHZ頻段,應用范圍廣泛,但傳輸距離比較短,一般在10m內且傳輸速率比較低,網絡容量小,最多只能擁有八個節點,而且成本也比較高,因此不適合用在需要多節點的環境檢測系統中。

WIFI技術：WIFI是屬于在辦公室內、家庭中使用的無線技術,在日常生活中WIFI技術已經得到廣泛,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,但是WIFI技術的數據傳輸的安全性能比較低,而且耗能比較大,不符合本設計低功耗要求。

UWB:UWB是一種無載波通信技術,利用納秒至微納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。它被稱為無線電領域的一次革命性進展,認為它將成為未來短距離無線通信的主流技術[4]。UWB技術能夠實現高速率、低功耗的數據傳輸,系統容量大,并且結構簡單,抗干擾能力強,但是傳輸距離只有十米的距離,盡管如此UWB技術仍極具研究價值,前景廣闊。

Zigbee技術：Zigbee作為一種新興的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術,能廣泛應用于工業控制、消費電子、家庭自動化、醫療監控各種領域[5]。Zigbee最大的特點之一就是特別節約能源,可以組建很多網絡節點,本文設計的環境監測系統需要大量節點,因此ZIGBEE技術是最佳選擇。

3　Zigbee網絡拓撲結構及協議棧的介紹

Zigbee有三種網絡拓撲結構[6]：星型網(Star)、網狀網(Mesh)、樹形網(tree)。星型網網絡拓撲結構比較簡單,它不包含路由節點,只由一個協調器節點和多個終端設備組成,它的節點數量比較少,不適合用在需要多節點的場合。網狀網的可靠性很高,節點與節點之間可以進行相互通信,它可以提供多個數據通信路徑,如果其中一條路徑發生故障,網狀網會自動尋找其它適合數據傳輸的路徑,但這同時也增加了空間開銷。樹形網是網狀網的子集,它增加了路由功能的概念,終端設備與自己的子節點或父節點通信,其它必需通過樹形路由來完成數據的傳輸。在本設計中采用了樹形的網絡拓撲結構,能夠根據需要增加路由器的數量實現多跳通信,進而增大傳輸距離。

圖1　Zigbee網絡拓撲結構

Zigbee協議棧底層是由基于IEEE 802.15.4協議的物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)構成,上層包括應用層(APL)網絡層(NWK),上層基于Zigbee協議[7]。

圖2　Zigbee協議框架

圖3　系統整體結構圖

4　系統整體設計

在本系統中將一氧化碳、二氧化硫、甲醛等有毒氣體和灰塵作為環境檢測的主要參數,系統采用Zigbee樹形網絡拓撲結構,系統由一個中心控制節點和多個子節點組成,子節點采集到的數據通過無線的方式傳送到中心節點,最后進行數據處理后發送到監控中心,整個系統的核心控制由中心控制節點完成,在完成環境監測的同時,在上位機進行顯示。

5　硬件設計

5.1傳感器的選型

MQ系列傳感器是一種半導體氣體傳感器,它價格低廉,測量范圍廣,反應靈敏,抗干擾能力強,能夠對多種氣體濃度進行測量[8～9],例如：一氧化碳、二氧化硫、甲醛、苯等有毒氣體,該傳感器適應環境能力比較強,能夠在惡劣的環境條件下進行工作。根據設計需要我們采用MQ138和MQ4傳感器。針對監測環境中的灰塵顆粒,系統采用了SYHITECH公司生產的DSM501粉塵傳感器。這款傳感器采用粒子計數原理,PWM脈寬調制輸出,可靈敏檢測直徑1μm以上的粒。

5.2傳感器節點硬件設計

傳感器節點是整個監測系統的前端部分,它主要負責對空氣中二氧化硫、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行采集,并通過CC2530對數據進行處理和發送。傳感器的種類有很多,可以根據需要來選擇不同類型的傳感器。傳感器節點主要由四部分組成：數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信和電源模塊。圖4為傳感器節點的結構圖。

圖4　傳感器節點結構圖

5.3協調器節點硬件設計

協調器主要負責網絡的建立、接受和上傳傳感器節點采集的數據,協調器通過RS232與PC機進行串口通信,協調器一般采用電池和DC供電。協調器硬件電路如圖5。

圖5　協調器原理圖

6　軟件設計

傳感器節點主要負責對空氣中的有毒氣體、粉塵的采集、處理和發送。當傳感器節點數據發送完畢后,整個節點處于睡眠狀態,等待下次激活,這極大地降低數據采集模塊的能耗。傳感器節點的工作流程如圖6所示。

協調器主要的功能是建立網絡、管理網絡節點、儲存網絡、接受和上傳采集到的數據信息,協調器通過串口RS232與PC機進行通信,管理人員可以在處理器終端向協調器發送指令,控制數據采集模塊采集頻率并對監測數據進行分析、打印等操作。協調器工作流程圖如圖7所示。

7　無線通信能耗分析

基于無線通信的環境監測系統中,射頻部分占用了功率消耗的絕大部分,因此,對射頻模塊的能耗管理就顯得尤為重要[10]。該系統主要采用三種方案來減小通信模塊的能耗：功率控制、數據融合技術及休眠節能體制。

圖6　傳感器節點工作流程圖

圖7　協調器工作流程圖

1) 功率控制指節點通過設置或動態調整節點發射功率,在保證網絡拓撲連通、雙向連通或多連通的前提下,使得網絡中節點的電能消耗最小。通過采用功率控制機制,能夠減少傳感器節點對共享無線信道的干擾,通過空分復用允許多個節點同時發送數據,降低了節點發射功率[5]。功率控制問題主要通過以下幾種算法來解決：(1)統一功率分配算法，(2)基于節點度的算法，(3)基于方向的算法，(4)基于鄰近圖的算法。

2) 數據融合技術能夠剔除網絡中的冗余信息、減少射頻傳輸的數據量,是一種高效的節能手段,數據融合可以在網絡協議棧的多個層次實現。目前研究的方法主要基于以下兩種架構:(1)支持網內局部數據處理，(2)用描述性的語言來說明數據的查詢。

3) 休眠節能體制通過關閉空閑狀態的射頻來降低節點能耗,每個節點周期性的休眠,醒來后看是否有其它節點想和它通信。它主要有三個方面：休眠和喚醒機制、低占空比MAC協議和拓撲控制。

8　結語

本設計是一種基于無線通信的環境監測系統,主要是對環境中的有毒氣體和粉塵進行監測,針對不同的對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粉塵傳感器來監測室內和室外的氣體和粉塵濃度,并將數據發送上傳,數據通過串口在PC機上顯示。實驗證明,該環境監測系統性能穩定,檢測效率高,采集節點功耗比較低,施工成本和管理成本較低,達到了設計的要求。

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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：電子技術信息控制。張春曉,女,碩士研究生,研究方向：電子信息與無線通信。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.021