摘 要：文章介紹了ZigBee技術的特點及在環(huán)境監(jiān)測中的應用，提出并設計了一種基于Zigbee技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)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(huán)境監(jiān)測

引言

當前經濟的迅速發(fā)展及工業(yè)化的迅速推進帶來了工業(yè)廢氣和溫室氣體排放量的急劇增加，導致環(huán)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(qū)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(xù)發(fā)展。人們迫切需要對大氣環(huán)境開展監(jiān)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(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)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?；谏鲜鲈颍恼绿岢隽藷o線傳感網絡大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。本方案在特定區(qū)域中建立ZigBee無線網絡，通過終端節(jié)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(fā)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(tǒng)總體結構設計

該系統(tǒng)主要分為三大模塊：無線通信采集模塊、網關節(jié)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(jiān)測區(qū)域的無線網絡的組建、傳感器采集節(jié)點的控制和數據信息在網絡間的傳送，其中傳感器采集節(jié)點用來采集二氧化碳、一氧化碳、PM2.5、溫度、濕度等大氣環(huán)境信息，系統(tǒng)使用基于ZigBee協議的CC2530芯片進行傳感器節(jié)點控制。網關節(jié)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(fā)時的協議數據幀的轉換；（2）網絡服務器的搭建。網關節(jié)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(chuàng)公司的S3C2410開發(fā)板，配以Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)數據，延伸ZigBee網絡規(guī)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(fā)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(huán)境監(jiān)測的實際情況文章中只采用協調器和終端設備來實現環(huán)境監(jiān)測的功能，整個網絡如圖2所示。

1.3 硬件設計

在本系統(tǒng)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(fā)模塊，其內部還包含業(yè)界標準的增強型8051 CPU、系統(tǒng)內可編程內存、8KB RAM和許多其他強大的功能。數據采集系統(tǒng)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(fā)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(jiān)測區(qū)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(fā)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(tǒng)軟件設計

2.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)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(fā)環(huán)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(tǒng)上電以后，首先初始化硬件和協議棧。初始化完畢后，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)測結構，將三個終端設備依次上電，系統(tǒng)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(jié)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(jié)點2連接氣體傳感器，改變節(jié)點2周圍的氣體環(huán)境進行測試，會發(fā)現數據有明顯改變；節(jié)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(jié)點的數據，證明該節(jié)點已經脫網，應檢查該節(jié)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(jié)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有較強的實用性，在試驗環(huán)境中系統(tǒng)的軟硬件均穩(wěn)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(yōu)點，但是其在抗干擾、抗衰減等方面存在著不足。本系統(tǒng)在室內測試時，節(jié)點之間數據交換沒有問題，但是在室外，受到周圍環(huán)境的影響，比如電磁環(huán)境、建筑物等，會發(fā)生丟包現象，所以，在系統(tǒng)安裝時要注意終端節(jié)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(tǒng)設計。