基于ZigBee技术大气污染无线监测系统作品

摘要大气污染问题突出且日益严重， 对大气环境实时准确地监测具有重大社会意义。现有的监测手段实时性差、 维护困难， 难以满足实际需求。针对上述情况， 设计了一种基于 Zig Bee 技术的大气监测系统， 并详细阐述了系统的整体框架结构和实现方案。系统包括无线传感器网络和远程监测中心 2 个部分。其中无线传感器网络包括传感器节点和网关节点。传感器节点以 CC2530 为核心搭建， 负责采集大气环境数据并通过多跳方式将数据实时发送至网关节点， 负责汇总传感器节点的数据并通过 GPS 实现与远程监测中心的通信。远程监测中心使用在 Microsoft Visual C +6.0 环境下编制的监测软件， 通过网络模块完成数据接收、 显示及存储， 为用户提供一个友好的人机界面。近些年来，随着大气环境污染问题的不断加重和人们的环保意识不断增强， 环境监测问题日渐得到了越来越广泛的关注。我国的空气质量影响着人们的生活环境，为了保证空气质量，急需在设备能力和管理上加快步伐。期待今后，对空气污染的环境监测上，会有更好的方法和技术工具出现并应用进来目录一.总体技术方案4。二总体解决方案4。2.1方案思路4。2.2业务流程5。2.3系统构架5。三硬件设计6。3.1现场设备产品组成 6。3.2产品硬件设计6。3.3设计目标7。四软件设计7。4.1参数设定7。4.2无线协议选择8。4.3 CC2530软件流程设计8。五相关技术介绍9。5.1zigbee技术9。5.2定位技术10。5.3无线通信技术11。六产品前景11。6.1市场背景分析11。6.2产品竞争力分析12。6.3产品潜在价值13。一、 总体技术方案该大气监测系统主要由无线传感器网络和远程监测中心组成， 无线传感器网络包括 Zig Bee 网络和 GPS 网络。本系统采用树状网络拓扑结构组建 Zig Bee 网络。为了使采集的气体体积分数数据实现远程传输通过 GPS 网络完成与远程监测中心通信。硬件方面，网络中的节点包括传感器节点和网关节点，网关节点主要负责汇总数据并通过 GPS 与远程监测中心进行通信，将汇总的数据进行上传。远程监测中心负责数据的接收、存储及显示。二、 总体解决方案2.1方案思路2.1.1采用RFID 技术对大气污染源位置进行监测主要包括以下部分：位置标签，与大气污染源绑定登记标签和RSSI 识别根据标签的位置确定污染源的位置2.1.2大气污染源探测器对大气污染源实行实时监测2.1.3通过网络技术实现本地和远程管理（1）架设ZigBee 无线网络或有线网络，使网络覆盖整个作业区，所有作业数据可以通过探测器中端实时进行传输。探测器中端具有接受作业指令、确认大气污染源位置与返回作业实况等功能。（2）通过数据库和计算机网络实现作业点的数据交互，可以实现远程即时查询、统计、汇总各作业点的作业信息，并生成各种报表。2.2 业务流程三、 硬件设计3.1 现场设备产品组成产品分为四部分：探测器部分，大气污染源跟踪标签，读卡器+GPRS 部分，无线路由。探测器部分采用改进的探测器，CC2530芯片大气污染源跟踪标签采用现有CC2530标签探测器+GPRS 部分包括新的探测器CC2530，GPRS 模块（设计PCB 时留出探测器接口电路，便于用在一些移动信号良好且只安装一台设备的企业）无线采用CC2530 ，实现无线数据的中转和传递。该部分也可以省去。3.2 产品硬件设计3.2.1电子标签：采用CC2530 ，天线使用PCB 天线，设计程序是增益设置在低增益的条件小通信，减小功耗。电池可以适当的使用电量大的电池，同时考虑电池可以更换的设计。3.2.2探测器+读卡器部分，主要用来读取大气污染源信息、大气污染源位置信息和传递无线信号。设计时最好能同时设计出GPRS 模块的焊接电路，所以设计时可以考虑将探测器、CC2530 77读卡器、GPRS 模块设计在一张板子上，然后根据具体的使用目的焊接相应的模块。使用CC2530F256 芯片型号，设计PCB 板时主要考虑各个模块的布局。3.2.3另外可以考虑把CC2530 单独作为一个模块来设计，这样可以将其作为无线路由单独使用，同时在现有的CC2530 模块不能满足距离要求时，换用CC2530+PA 模块（可以另外设计）达到加大传输距离的目的。3.2.4再设计是CC2530 和GPRS 通过USART 主动传输数据，CC2530 和探测器通过SPI 被动的接收数据。硬件设计出RS232 接口备用。3.3 设计目标：1)标签的通信距离能够到达100 米以上2)探测器部分尽可能的使用低功耗设计3)GPRS 中端能够扩展直接链接通过RS232 转以太网四、 软件设计4.1 参数设定标签的数据构成：包括标签ID、实时电源电压、标签位置的温度等探测器的数据构成：ID、探测器数值、标签的数据和RSSI 值、时间、电压等GPRS数据构成：ID 、接收的探测器数据、时间、信号链接状况、电压等产品软件设计主要包括通信协议设计，探测器数据的接收，GPRS 信号的传输，标签的低功耗协议设计等4.2 无线协议选择几种CC2530 支持的协议对比：最终决定通信协议目前决定使用ZigBee 协议，采用星状网络结构。标签和探测器作为网络终端采用低功耗设计，GPRS 作为中心节点实时链接网络将数据传给服务器。4.3 CC2530 软件流程设计4.3.1 标签的程序流程设计标签程序设计要求：1)通讯频率，即考虑节电，又要考虑一旦发生移动，及时报警2)100% 消除移动报警误报现象，（需要测试，了解定位的误差，把报警控制在误差之上，举例：距离值为平均1.25 ，当测定值为1.28 或1.20 时，认为仍没有移动，但测定值变为2.5时，就认为已经发生移动。）3)考虑标签电池亏电报警。4.3.2 探测器的流程设计探测器计算辐射强度的计算由他人设计，我们需要考虑ZigBee 通信协议的移植，是该中端功耗降低，在电池供电的状态线能够供电3 个月以上。4.3.3GPRS 中端程序流程设计能够实时传输数据，尽可能的节省通信时间和频率，使之达到节省流量、降低功耗的目的。（因为程序是移植ZigBee 协议，并且现在对ZigBee 协议的了解还不是很深入，所以具体的程序流程还没确定）五、 相关技术介绍5.1 Zigbee技术ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。其功能特点1) 低功耗：由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。2) 成本低：ZigBee模块的初始成本很低, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。3) 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。4) 网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。5) 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。6) 安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。5.2定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。现有的WSN定位算法根据定位机制的不同，可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。基于测距的定位机制利用到达时间延迟、信号到达时差和接收信号强度来估计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。距离无关的定位机制的定位性受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的需求，是目前大家重点关注的定位机制。5.3无线通信技术传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，因此很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN的数据传输开辟了一种崭新的方六、 产品前景6.1市场背景分析2015年3月12日，全国政协委员、民建天津市委会副主委、天津市庆达投资集团有限公司董事长孙太利作客新华访谈两会特别节目。，与广大网友在线交流治理大气污染的过程中遇到的困难中提及目前针对治理大气污染，中央和地方均出台了一系列的法规，这些法规的出台给我们指明了方向，但是在执行中却遇到了监管不到位、执法不到位、措施不到位和落实不到位这几个困难。孙太利认为，执行中遇到的困难是因为执法力量不足和监测手段不完善。孙太利建议，加大对县或区级的执法力度，加强执法队伍建设和培训力度。同时，完善大气污染监测设备，加强对大气污染的检测和诊断。目前我国对污染气体的监测主要采用2种方法：一种是传统人工取样实验室分析的方法；另一种是采用国外进口的自动化污染气体监测进行在线监测的方法。这2种方法都有监测成本过高，移动不便的不足之处。为应对现有污染气体监测设备的不足而设计的基于无线传感器网络的污染气体监测系统，取2种监测方法的长处，切实地满足了环境监测部门的需要。监测人员只需在易发大气污染事件的现场布置传感器节点，就可以实时的监测污染突发现场的各种污染气体浓度，为及时处置大气污染突发事件提供有力的技术保证。6.2产品竞争力分析ZigBee 大气污染无线监测系统使用了多种现代新型技术，如ZigBee 无线网络、传感器技术、RFID 技术、RSSI 识别技术等，此外产品的电子标签采用CC2530 ，天线使用PCB 天线，设计程序是增益设置在低增益的条件小通信，减小了功耗，力争前端完全用电池供电可维持3-6 个月，基本可排除供电中断的干扰。而且产品硬件增强抗恶劣环境能力，力争做到100% 防水、防尘，并增强系统的GPRS 通讯能力（直接连接以太网）。大大改善了以往监测系统存在的弊端，开启了新一代监测系统的序幕。我们以CC2530为核心，设计了基于ZigBee协议的无线传感器网络，既可以克服有线传感器网络的局限性，又可以做到低成本、低功耗。其中，CC2530 和GPRS 通过USART 主动传输数据，CC2530 和探测器通过SPI 被动的接收数据。硬件设计出RS232 接口备用。本产品先进的技术与超现代的系统完善，必然会在市场上对同类型产品造成巨大的冲击并在市场上占领一席之地。6.3产品潜在价值 ZigBee 大气污染无线监测系统在降低能耗，排除供电中断干扰的能力、增强系统的GPRS 通讯能力（直接连接以太网）并增强抗恶劣环境能力、防水、防尘方面做出了做出贡献，并把ZigBee技术和CC2530芯片探测器联系在一起运用到空气污染监测中，改善了以往空气监测设备中存在的弊端，为以后的空气监测设备研发提供了思路。 随着技术不断发展与更新，我们的ZigBee 大气污染无线监测系统将不断完善其弊端，陪同国家一起还大家一个清新和谐的家园。14 / 14文档可自由编辑打印