基于Zig Bee的無線傳感器網絡大氣監測系統設計*

王文博，趙培陸，梅笑冬，王 彪，盧革宇

（1.吉林大學電子科學與工程學院，集成光電子學國家重點實驗室吉林大學實驗區，吉林長春 130012;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033）

0 引言

近些年來，隨著大氣環境污染問題的不斷加重和人們的環保意識不斷增強，環境監測問題日漸得到了越來越廣泛的關注。目前，國內的大氣環境監測方法主要有2種:一種是人工取樣實驗室分析法，這種方法設備條件要求低、操作相對簡單，但是整個監測過程耗時較長，不能滿足對大氣環境進行實時監測的要求;另一種是在線監測法，雖然這種方法具有監測準確、分辨率高以及靈敏度高等優點，但是目前此方法主要依賴于國外進口設備，依然無法為全面準確監測大氣環境提供一個有力的保障［1］。針對這一現狀，本文設計了一種基于Zig Bee技術［2］的大氣監測系統。該系統成本低廉，可以在大范圍內對多種不同的大氣污染物進行監測，并且操作簡便，具有良好的實時性。

1 系統總體概述

該大氣監測系統主要由無線傳感器網絡和遠程監測中心組成，無線傳感器網絡包括Zig Bee網絡和GPRS網絡。Zig Bee網絡有3種類型的網絡拓撲結構，分別是星型網絡拓撲結構、網狀網絡拓撲結構和樹狀網絡拓撲結構。星型網絡拓撲結構中的終端節點需要在網關節點的范圍內，從而限制了網絡的覆蓋范圍;網狀網絡拓撲結構雖然具有可靠性高和覆蓋范圍大的優點，但是同樣存在著管理復雜、電池使用壽命短等缺點［3］;鑒于樹狀網絡拓撲結構具有靈活、可靠、高效的特點，所以，本系統采用樹狀網絡拓撲結構組建Zig Bee網絡。為了使采集的氣體體積分數數據實現遠程傳輸，通過GPRS網絡完成與遠程監測中心通信。硬件方面，網絡中的節點包括傳感器節點和網關節點，其中傳感器節點又包括終端節點和路由節點。終端節點主要負責采集大氣中的氣體體積分數數據，并將其傳送至路由節點，再通過路由節點進行轉發實現多跳方式的數據傳輸［4］。路由節點負責實現路由功能，同時為了在監測網絡中獲取更多的環境信息，路由節點還具有數據采集功能。網關節點主要負責匯總數據并通過GPRS與遠程監測中心進行通信，將匯總的數據進行上傳［5］。遠程監測中心負責數據的接收、存儲及顯示。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖Fig 1 Block diagram of whole structure of system

2 無線傳感器網絡設計

2.1 傳感器節點設計

傳感器節點包括終端節點和路由節點，兩者的硬件設計相同，都具有數據采集和無線通信功能［6］。唯一的區別在于終端節點只負責發送自身采集的數據，而路由節點除了發送自身采集的數據外，還要負責轉發其子節點所采集的數據。

2.1.1 硬件設計

傳感器節點由電源模塊、傳感器模塊、模/數轉換模塊和核心處理模塊組成。電源模塊使用干電池對整個節點進行供電，并具有低電量檢測功能［7］。

傳感器模塊選用的是費加羅公司的TGS2201型氣體傳感器，對NO2和CO氣體的靈敏度較高，并且具有壽命長、功耗低等優點。TGS2201傳感器是電阻型的器件，信號處理電路只需選擇合適的負載電阻器與傳感器電阻串聯采集其分壓信號即可。由于測量不同氣體濃度時的傳感器電阻值變化很大，為了提高模/數轉換精度，選擇3只電阻器串聯，利用MAX4620模擬開關控制其3只電阻器實現3個不同的負載電阻檔位，其信號處理電路圖如圖2所示。

圖2 信號處理電路Fig 2 Signal processing circuit

模/數轉換模塊負責將從傳感器模塊上采集到的模擬電壓信號轉換成數字信號，并最終傳送給核心處理模塊。模/數轉換模塊基于Maxim公司生產的16位的MAX1300芯片設計完成，此芯片具有8個模擬輸入信號通道，能夠處理多只傳感器的輸入，因此，在一個監測點上能夠方便地獲取多個環境參數的數據，此外該芯片還具有功耗低、精度高等特點，能夠很好地滿足系統需要。

核心處理模塊采用TI公司生產的CC2530作為主控制器，此芯片基于增強型8051內核設計而成，外設資源較豐富，內置了德州儀器的單元Zig Bee協議棧，提供了一個強大和完整的Zig Bee解決方案，另外，CC2530芯片還集成了一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器，用于完成數據的無線收發功能。

2.1.2 軟件設計

由于傳感器節點主要被使用于戶外環境，因此，需要使用獨立便攜的電源系統，在本設計中選擇干電池進行供電。因為干電池的電量有限，而當電池電量耗盡時節點就會停止工作，并且導致部分網絡終斷［8］，所以，當終端節點不進行數據發送時應該盡量減少節點的功耗，使其進入睡眠模式，即只有低頻晶振工作而數字核心模塊關閉，同時設定其睡眠計數器初值，當睡眠計數器溢出時再喚醒節點，對傳感器上的相關數據進行采集和發送，之后再次進入睡眠模式［9］。當終端節點由于距離問題而無法直接與協調器通信時，就會自動向其周圍節點廣播自身信息，如果在其廣播范圍內發現路由節點，就將其中最匹配的路由節點確定為自身的父節點，從而實現數據的多跳傳輸。路由節點主要負責采集數據并轉發其子節點的數據。路由節點加入網絡之后，一方面與終端節點建立父子關系，接收其子節點傳送的數據;另一方面，自身采集環境數據，再將數據轉發到它的上一級路由節點或者網關節點中［10］，路由節點與終端節點程序流程圖如圖3所示。

圖3 路由節點與終端節點程序流程圖Fig 3 Program flow chart of routing and end node

2.2 網關節點設計

2.2.1 硬件設計網關節點由電源模塊、主控制器模塊、Zig Bee無線通信模塊及GPRS通信模塊組成。因為網關節點對處理能力和運算速度的要求比較高，所以，采用基于ARM7TDMI—S內核的LPC2138作為主控制器。LPC2138是Philips Semiconductors公司生產的16/32位微控制器，其最高CPU操作頻率可達60 MHz。Zig Bee無線通信模塊與傳感器節點相同都是基于TI公司的CC2530芯片設計完成。GPRS模塊基于SIMCOM公司的SIM900芯片搭建完成，該芯片是緊湊型、高可靠性的四頻GSM/GPRS模塊 ，且內部集成了TCP/IP協議棧，使模塊開發變得簡單、方便。網關節點結構框圖如圖4所示。

圖4 網關節點結構框圖Fig 4 Structure block diagram of gateway node

2.2.2 軟件設計

Zig Bee無線通信模塊實現2個功能:一是組建Zig Bee網絡并與網絡中的其他節點進行通信，二是通過串口將數據傳輸至LPC2138。系統上電后，網關節點上的Zig Bee無線通信模塊（即協調器）進行網絡初始化，找到在工作頻率范圍內的最優信道建立網絡，并確定一個PANID網絡標識;然后協調器向網絡中的各個節點發送網絡參數，通知其加入網絡，傳感器節點收到參數之后即加入網絡［11］。網絡建立完成后，協調器接收網絡中各個節點發送的數據包并通過中斷的方式將這些數據包傳送給LPC2138主控制器。主控制器接收到數據包之后通過向GPRS模塊中寫入相應的AT指令，將數據發送到無線公網，移動基站再將獲取到的GPRS信號轉到Internet，等待監測中心接收數據。

3 監測中心設計

監測中心利用Microsoft Visual C++6.0開發基于Socket的通信模塊完成數據接收，同時監測中心能夠實現數據顯示與數據存儲功能。通信模塊的實現主要是采用socket套接字的非阻塞形式，創建套接字將其綁定到一個固定IP和端口上，再將其設為監聽模式，準備接收請求，當有連接請求到來時建立接收和發送數據線程，從而接收GPRS模塊傳送的數據。監測中心接收到數據之后，對數據包進行解析，分離數據包中的數據，將節點自身16位短地址以及其父節點地址、氣體體積分數數據進行數據類型轉換并保存;數據顯示模塊能夠實現列表顯示與波形顯示，方便監測人員了解相關監測信息;同時實現將數據存儲在Excel表格中以便日后對數據的處理與分析［12］。

4 實驗結果

本系統做了小規模的測試，搭建一個模擬的大氣污染環境，即搭建了多個氣室，選擇監測的氣體是NO2和CO。在實驗現場部署了多個相互間距在100 m左右的傳感器節點，組建成一個無線傳感器網絡，其中，路由節點每30 s傳送一次數據，終端節點每10 s傳送一次數據，并且利用GPRS模塊將數據發送至遠程監測中心，再由遠程監測中心軟件進行數據顯示與存儲。表1列出網絡中的一個路由節點和一個終端節點采集的歷史數據，完成了一個網關節點—路由節點—終端節點的網絡分支，其中，網關節點的自身短地址是0x0000，路由節點的自身短地址是0x39D1，終端節點的自身短地址是0x2024，通過父節點地址和自身短地址可以看出它們是父子關系。

5 結論

針對大氣監測的需求，實現了一個基于Zig Bee技術的大氣監測系統，解決了目前大氣監測維護困難、實時性差等問題。系統利用Zig Bee協議組建樹狀拓撲結構的網絡，并完成網絡中傳感器節點的軟硬件設計，實現了多節點數據采集，多跳傳輸的方式擴大了監測網絡的覆蓋范圍;利用LPC2138作為網關節點的主控制器提高了系統的運行速度和數據處理能力。為了實現遠程監測功能，利用GPRS模塊實現數據的遠距離傳輸;利用Microsoft Visual C++6.0編寫的上位機監測中心軟件，完成數據的接收、顯示以及存儲，大大加強了監測軟件的可操作性，并且使得監測界面更加友好。

表1 大氣環境監測數據Tab 1 Monitoring data of air environment

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