基于ZigBee的環境監測系統設計

摘 要：文章介紹了ZigBee技術的特點及在環境監測中的應用，提出并設計了一種基于Zigbee技術的環境監測系統，詳細介紹了該系統的軟件和硬件設計方案。希望能夠通過文章的介紹與分析，能夠給相關工作人員帶來一定啟示，僅供參考。

關鍵詞：ZigBee；PM2.5；環境監測

引言

當前經濟的迅速發展及工業化的迅速推進帶來了工業廢氣和溫室氣體排放量的急劇增加，導致環境的進一步惡化和全球溫度上升，尤其是我國北方進入冬季供暖期后，部分地區霧霾嚴重，較差的空氣質量影響了人們的生活、工作，不利于社會的可持續發展。人們迫切需要對大氣環境開展監測和預報，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，建立大氣環境的監測系統至關重要。

隨著嵌入式技術及傳感器技術的進步，無線傳感器網絡已經深入到人類生活的各個方面。Zigbee技術作為短距離無線通信技術的代表之一，具有低功耗、短時延、組網靈活、自愈力強等諸多特點，可以廣泛應用于低速無線傳感網絡中。基于上述原因，文章提出了無線傳感網絡大氣環境監測系統的設計方案。本方案在特定區域中建立ZigBee無線網絡，通過終端節點采集溫度、濕度，PM2.5和有毒有害氣體等數據信息，并將傳感器信息由協調器傳給嵌入式網關，網關處理后，將直觀的信息顯示在QT界面、PC機串口，并以信息的形式發動到手機終端，同時實現與外部Internet網絡的通信。

1 硬件電路設計及應用

1.1 系統總體結構設計

該系統主要分為三大模塊：無線通信采集模塊、網關節點模塊和信息傳輸模塊，無線通信采集模塊主要實現大氣監測區域的無線網絡的組建、傳感器采集節點的控制和數據信息在網絡間的傳送，其中傳感器采集節點用來采集二氧化碳、一氧化碳、PM2.5、溫度、濕度等大氣環境信息，系統使用基于ZigBee協議的CC2530芯片進行傳感器節點控制。網關節點模塊主要實現無線傳感器網絡采集來的信息處理，主要功能體現在兩個方面：（1）采集信息再通過GPRS模塊進行轉發時的協議數據幀的轉換；（2）網絡服務器的搭建。網關節點使用基于ARM體系結構的處理器作為硬件平臺的核心，實施中采用的是博創公司的S3C2410開發板，配以Linux操作系統，系統配置以太網接口和BOA服務器。信息傳輸模塊包括三部分，分別為本地數據顯示模塊、GPRS通信模塊和Internet網絡訪問模塊。GPRS通信模塊主要實現采集來的數據與用戶終端設備的通信，Internet網絡訪問模塊主要通過PC機或手機終端，以網頁的形式訪問采集的數據信息。系統總體結構如圖1所示。

1.2 組網結構

根據不同應用的需求，可以構建成星型、樹型和網狀型三種網絡拓撲結構。在ZigBee網絡中只能有一個協調器，可以有多個路由器和終端設備。協調器作為整個網絡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備。路由器可以轉發數據，延伸ZigBee網絡規模，主要用于樹型和網型拓撲結構中，路由器不能休眠。終端設備主要任務是發送和接收信息。ZigBee網絡中的協調器、路由器和終端設備這三種設備類型都是網絡層的概念。根據環境監測的實際情況文章中只采用協調器和終端設備來實現環境監測的功能，整個網絡如圖2所示。

1.3 硬件設計

在本系統的硬件設計中，采用的是TI公司的CC2530 ZigBee無線通信模塊，協調器由數據處理單元、數據傳輸單元、電源管理單元和數據存儲單元等組成。CC2530不僅可以組成協調器的收發模塊，其內部還包含業界標準的增強型8051 CPU、系統內可編程內存、8KB RAM和許多其他強大的功能。數據采集系統選用CC2530負責傳感器的數據采集和對數據的初步處理。網關部分主要負責接收終端設備所發來的信息并進行數據處理，通過USB接口與上位機實現通信。終端設備由傳感器單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元等組成。傳感器單元負責采集監測區域的信息，數據處理單元負責處理采集到的信息，通過數據傳輸單元發送給協調器。采集的信息包括溫度、濕度，PM2.5和有毒有害氣體等；數據處理單元以CC2530為核心的處理器負責控制終端設備的操作、功耗管理以及任務處理等；數據傳輸單元由功放和天線等組成。協調器的硬件框圖如圖3所示，終端設備的硬件框圖如圖4所示。

2 系統軟件設計

2.1 開發環境

系統的軟件設計采用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試嵌入式應用程序的集成開發環境，可支持種類眾多的8051芯片。

2.2 協調器程序設計

協調器是整個網絡的核心，負責網絡的建立與管理。系統上電以后，首先初始化硬件和協議棧。初始化完畢后，系統開始組網。組網完畢后，協調器開始接收終端設備上傳感器所采集的數據，并通過USB接口將其傳輸到PC機。協調器程序流程如圖5所示。

2.3 終端設備程序設計

終端設備主要是傳輸傳感器所采集到的數據。終端設備完成硬件和協議棧初始化后，開始搜尋協調器，并申請加入網絡。完成以上工作后，終端設備開始向協調器傳輸數據。終端設備程序流程如圖6所示。

3 系統調試

將協調器通過USB線纜連接上位機，文章中采用超級終端作為上位機軟件，該軟件是Windows系統自帶的通用串行交互軟件。測試時，選用如圖2所示的網絡監測結構，將三個終端設備依次上電，系統初始化后，協調器與終端設備自動組成ZigBee網絡，超級終端窗口依次顯示三個終端設備上傳感器所采集的數據。本次調試中，對節點1連接溫、濕度傳感器，當改變溫、濕度時，可以觀察到溫、濕度有明顯變化；節點2連接氣體傳感器，改變節點2周圍的氣體環境進行測試，會發現數據有明顯改變；節點3連接PM2.5傳感器，進行測試時，將傳感器放到粉塵較多的位置，終端窗口中數值變化明顯。PM2.5傳感器測量的結果精度高于天氣預報的數值。當串口長時間（10S以上）沒有收到某個節點的數據，證明該節點已經脫網，應檢查該節點電路，重新上電或復位。為了確保數據的精確程度，應該增加終端節點的數據采集頻率，測試數據如圖7所示。

4 結束語

文章設計的基于ZigBee的環境監測系統具有較強的實用性，在試驗環境中系統的軟硬件均穩定可靠，實時性強。通過改變網絡的拓撲結構，可在各種不同地域應用；配合不同的傳感器，布置于適合的場合即可完成各種無線傳感器網絡的建立。通過研究和應用表明，無線網絡與有線網絡相比，具有很多優點，但是其在抗干擾、抗衰減等方面存在著不足。本系統在室內測試時，節點之間數據交換沒有問題，但是在室外，受到周圍環境的影響，比如電磁環境、建筑物等，會發生丟包現象，所以，在系統安裝時要注意終端節點的擺放位置、周圍電磁信號的干擾等因素，并盡量減少或排除干擾的影響。

參考文獻

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作者簡介：李麗芬（1982-），女，河北承德人，燕京理工學院副教授，碩士，研究方向：嵌入式系統設計。