基于Zigbee無線傳感器網絡的環境監測系統設計

沈益輝+秦會斌

摘要：

針對傳統環境監測方法耗費人力、監測區域有限等問題，提出將Zigbee應用于環境監測系統。以CC2430模塊為核心構建無線傳感網絡，將采集的土壤溫濕度、空氣溫濕度數據傳輸至遠程監測中心，通過上位機軟件讀取與儲存環境數據，實現環境參數遠程監測。測試結果表明，系統能有效監控環境參數。

關鍵詞：

環境監測；Zigbee；無線傳感網絡

DOIDOI：10.11907/rjdk.172058

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）012-0102-04

Abstract：Aiming at problems of manpower and restricted area of traditional environmental monitoring system，propose using Zigbee inenvironmental monitoring system. Wirlesssensor networks（WSNs） is built，which uses CC2430，the temperature and humidity value of the soil and air are collected by sensor and sent to remote monitoring center. Environmental data can read and store by PC software which realizes remote monitoring of environmental variables. Test results show that the system can monitor environmental parameters effectively.

Key Words：environmental monitoring；Zigbee； wirless sensor networks（WSNs）

0 引言

傳統環境監測方法一般通過人工方式使用溫度、濕度等測量儀器測量環境參數，耗費大量人力、財力，而且在環境惡劣檢測區很難使用人工方式實時監測，這些都是傳統監測方法的弊端[1]。

近年，無線傳感技術成為研究熱點，該技術逐漸被引入環境監測系統。無線傳感網絡由傳感器節點構成，通過無線通信方式形成一個自組織網絡系統[2]。節點之間通過相互協作實現感知與采集環境信息參數，并可發送給遠程用戶。環境監測使用無線傳感網絡技術，可更智能與有效監測環境信息，這也是未來環境監測發展趨勢。

Zigbee因功耗低、節點數多等優點得到廣泛應用。無人居住惡劣環境下進行測量使用Zigbee技術能夠實現無人看守、功耗低要求，Zigbee無線傳感器網絡將獲得的土壤與空氣溫濕度數據發送用戶監控中心，實現環境自動化監控。

1 系統設計

基于Zigbee無線傳感器網絡的環境監測系統由數據終端模塊、數據中轉器模塊、采集節點組成。采集節點使用CC2430模塊獲得傳感器獲得的土壤與空氣溫濕度信息，以無線多跳方式傳給匯聚節點[3]。數據中轉器處理采集數據后傳給數據終端；數據終端通過GPRS服務端獲得數據使用上位機進行存儲與顯示，最終實現遠程監控環境功能。基于Zigbee無線傳感器網絡的環境監測系統整體框架如圖1所示。

1.1 采集節點

采集節點是Zigbee組網設備終端，采集與處理傳感器數據并將環境參數發送匯聚節點。本系統采集節點由傳感器、CC2430、信號調節電路組成。溫度與濕度傳感器采集土壤與空氣溫濕度環境參數；CC2430模塊模擬化處理環境變量并發送匯聚節點；信號調節電路可實現對傳感器供電等作用。采集節點框架如圖2所示。

1.2 數據中轉器

數據中轉器由工控機、GPRS模塊、匯聚節點組成。數據中轉器既要處理所有采集節點數據，又要與遠程數據處理中心上位機進行通信。匯聚節點為Zigbee組網中協調器角色，采集節點獲得的環境參數通過Zigbee網絡傳輸至匯聚節點，匯聚節點通過串口通信方式將數據傳送工控機，接著使用GPRS模塊將參數傳輸至中轉服務器，等待遠程上位機接收[4]。數據中轉器框圖如圖3所示。

1.3 終端數據

遠程數據終端由上位機、數據庫與GPRS服務端組成。上位機從GPRS服務端獲得數據中轉器發送的環境參數，進行存儲與顯示，數據庫管理得到的環境參數。終端數據框架如圖4所示。

2 軟件設計

系統采集節點通過傳感器周期性采集土壤與空氣溫濕度環境參數并傳輸至匯聚節點。匯聚節點處理數據后以串口方式傳給工控機，工控機通過GPRS方式將數據傳給遠程上位機。因此，本系統軟件設計主要包括環境數據采集與數據傳輸。

2.1 數據采集軟件

2.1.1 傳感器

傳感器數據采集主要為獲取待測環境里土壤與空氣溫濕度參數。傳感器采集軟件流程設計如圖5所示。

傳感器數據采集通過輪詢方式實現。每次通過輪詢判斷待測環境變量傳感器控制標志是否打開，若打開則控制信號調節電路打開傳感器電源供電，傳感器進行數據溫濕度采集。

2.1.2 采集節點

采集節點數據采集主要通過CC2430模塊獲得傳感器得到的原始環境參數。CC2430模塊處理傳感器采集的數字參數得到模擬量數據。采集節點數據采集軟件流程設計如圖6所示。

采集節點數據采集過程如下：①進行初始化操作，包括協議棧與SPI總線操作；②加入Zigbee網絡，入網操作是指所有節點自組網過程；③在OSAL控制下查詢有沒有任務被置位，進行環境參數采集任務，沒有采集任務或采集任務已完成進入休眠狀態，同時采用時間校準方式保證各個節點時間同步。通過節點采集可獲得傳感器得到的環境參數。

2.2 數據通信

2.2.1 采集節點

采集節點數據通信主要為接收的傳感器數據發送匯聚節點。采集節點通過z-stack協議棧與匯聚節點通信，進行初始化操作。采集節點數據通信軟件流程設計如圖7所示。

通過OSAL控制采集節點與匯聚節點間通信，進行無線傳輸，通過創建的SampleAPP進行處理。若引入的消息事件（SYS EVENT）被觸發，判斷觸發事件類型。收到AF層數據時首先進行數據處理，之后判斷與匯聚節點的通信事件是否被觸發，被觸發后即可進行采集節點與匯聚節點間通信。通信事件主要包括本地采集數據上傳、節點配置、事件校準、本地節點鄰居表上傳及本地路由表上傳[5]。

2.2.2 匯聚節點

匯聚節點數據通信主要是與采集節點、工控機的通信過程。采集節點得到環境數據通過Zigbee無線傳感網絡傳輸至匯聚節點，匯聚節點獲得數據通過串口傳給工控機[6]。創建一個SampleApp處理匯聚節點數據通信，此任務創建串口通信、無線通信、休眠3個事件。匯聚節點數據通信軟件流程設計如圖8所示。

匯聚節點數據通信流程如下：①匯聚節點完成z-stack初始化配置；②啟動構建傳感網絡，首先本身加入網絡系統，然后允許與本節點通信的節點加入網絡，最后對采集的節點進行點名操作，判斷網絡是否構建完畢，此為Zigbee自組網過程[7]；③通知工控機可進行通訊，利用OSAL控制數據傳輸，當串口通信被置位，與工控機通訊。當無線通訊事件被置位，與采集的節點通訊，否則進入休眠降彽功耗。

2.2.3 數據終端

數據終端數據通信由上位機軟件通過GPRS服務端接收數據中轉器傳輸的環境參數。數據中轉器的工控機接收環境變量后通過GPRS模塊將Zigbee傳感網絡收集的環境參數傳輸至GPRS服務端，遠程上位機讀取GPRS服務端數據進行存儲與可視化顯示，方便用戶實時監控待測環境變量[8]。

3 實驗

選取一塊草地對本系統進行測試。在大概150m＼+2范圍使用采集節點，按正八邊形頂點位置放置。使用1個匯集節點，放在8個采集節點中心區域。采集節點上布置土壤、空氣溫濕度傳感器，每10min傳感器采集1次環境變量，原始數據經處理后通過Zigbee無線傳感器網絡系統傳至遠程控制中心上位機軟件，上位機讀取得到溫濕度環境參數（見表1）。

本系統環境數據處理方式是采集與傳輸，傳輸過程不會對系統待測參數帶來誤差，誤差主要發生在數據采集過程。對比采集的溫濕度數據與實際數據可知，誤差原因在于溫濕度傳感器采集數據及CC2430模塊數模轉換的精度誤差[9]。

4 結語

本文將Zigbee無線傳感器網絡應用于檢測土壤與空氣溫濕度環境參數，通過GPRS傳輸數據至控制中心上位機軟件，實現用戶遠程監控。Zigbee無線傳感器網絡環境監測系統設計具有智能化、實時性高、檢測范圍廣等優點，對未來環境監測發展方向有重要指導意義[10]。但也存在不足，如何通過參數得到最優化的評估系統環境需要進一步探索。

參考文獻：

[1] 張云龍.凍土區鐵路路基GPS一機多天線遠程監測系統的研究與設計[D].北京：北京交通大學，2013.

[2] 趙強利，蔣艷凰，徐明.無線傳感器網絡路由協議的分析與比較[J].計算機科學，2009（2）：35-41.

[3] 于亮.面向無線傳感器網絡的加密認證系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2015.

[4] 馮軍，寧志剛，陽璞瓊.基于ZigBee的無線抄表系統設計[J].電力自動化設備，2010（8）：108-111.

[5] 李強.基于無線傳感器網絡低功耗節點設計的關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

[6] 吳呈瑜，孫運強.基于ZigBee技術的短距離無線數據傳輸系統[J].儀表技術與傳感器，2008（5）：38-39.

[7] 張松濤.無線傳感器網絡定位問題研究[D].武漢：華中科技大學，2010.

[8] 王俠.ZigBee無線傳感器網絡的研究與應用[D].武漢：同濟大學，2007.

[9] 寧炳武，劉軍民.基于CC2430的Zigbee網絡節點設計[J].電子技術應用，2008，34（3）：95-99.

[10] 劉偉，胡安林.無線傳感器網絡覆蓋率與節能性研究[J].電子技術應用，2016（6）：98-100.

（責任編輯：何 麗）