基于ZigBee的环境监测系统设计

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!基于ZigBee的环境监测系统设计 摘 要：文章介绍了ZigBee技术的特点及在环境监测中的应用，提出并设计了一种基于Zigbee技术的环境监测系统，详细介绍了该系统的软件和硬件设计方案。希望能够通过文章的介绍与分析，能够给相关工作人员带来一定启示，仅供参考。 关键词：ZigBee；PM2.5；环境监测 引言 当前经济的迅速发展及工业化的迅速推进带来了工业废气和温室气体排放量的急剧增加，导致环境的进一步恶化和全球温度上升，尤其是我国北方进入冬季供暖期后，部分地区雾霾严重，较差的空气质量影响了人们的生活、工作，不利于社会的可持续发展。人们迫切需要对大气环境开展监测和预报，以便合理的安排工作和出行，采取更广泛、有效的措施控制污染。因此，建立大气环境的监测系统至关重要。 随着嵌入式技术及传感器技术的进步，无线传感器网络已经深入到人类生活的各个方面。Zigbee技术作为短距离无线通信技术的代表之一，具有低功耗、短时延、组网灵活、自愈力强等诸多特点，可以广泛应用于低速无线传感网络中。基于上述原因，文章提出了无线传感网络大气环境监测系统的设计方案。本方案在特定区域中建立ZigBee无线网络，通过终端节点采集温度、湿度，PM2.5和有毒有害气体等数据信息，并将传感器信息由协调器传给嵌入式网关，网关处理后，将直观的信息显示在QT界面、PC机串口，并以信息的形式发动到手机终端，同时实现与外部Internet网络的通信。 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!1 硬件电路设计及应用 1.1 系统总体结构设计 该系统主要分为三大模块：无线通信采集模块、网关节点模块和信息传输模块，无线通信采集模块主要实现大气监测区域的无线网络的组建、传感器采集节点的控制和数据信息在网络间的传送，其中传感器采集节点用来采集二氧化碳、一氧化碳、PM2.5、温度、湿度等大气环境信息，系统使用基于ZigBee协议的CC2530芯片进行传感器节点控制。网关节点模块主要实现无线传感器网络采集来的信息处理，主要功能体现在两个方面：（1）采集信息再通过GPRS模块进行转发时的协议数据帧的转换；（2）网络服务器的搭建。网关节点使用基于ARM体系结构的处理器作为硬件平台的核心，实施中采用的是博创公司的S3C2410开发板，配以Linux操作系统，系统配置以太网接口和BOA服务器。信息传输模块包括三部分，分别为本地数据显示模块、GPRS通信模块和Internet网络访问模块。GPRS通信模块主要实现采集来的数据与用户终端设备的通信，Internet网络访问模块主要通过PC机或手机终端，以网页的形式访问采集的数据信息。系统总体结构如图1所示。 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!1.2 组网结构 根据不同应用的需求，可以构建成星型、树型和网状型三种网络拓扑结构。在ZigBee网络中只能有一个协调器，可以有多个路由器和终端设备。协调器作为整个网络的管理者可以选择信道的频段，允许添加或删除路由器和终端设备。路由器可以转发数据，延伸ZigBee网络规模，主要用于树型和网型拓扑结构中，路由器不能休眠。终端设备主要任务是发送和接收信息。ZigBee网络中的协调器、路由器和终端设备这三种设备类型都是网络层的概念。根据环境监测的实际情况文章中只采用协调器和终端设备来实现环境监测的功能，整个网络如图2所示。 1.3 硬件设计 在本系统的硬件设计中，采用的是TI公司的CC2530 ZigBee无线通信模块，协调器由数据处理单元、数据传输单元、电源管理单元和数据存储单元等组成。CC2530不仅可以组成协调器的收发模块，其内部还包含业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程内存、8KB RAM和许多其他强大的功能。数据采集系统选用CC2530负责传感器的数据采集和对数据的初步处理。网关部分主要负责接收终端设备所发来的信息并进行数据处理，通过USB接口与上位机实现通信。终端设备由传感器单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等组成。传感器单元负责采集监测区域的信息，数据处理单元负责处理采集到的信息，通过数据传输单元发送给协调器。采集的信息包括温度、湿度，PM2.5和有毒有害气体等；数据处理单元以CC2530为核心的处理器负责控制终端设备的操作、功耗管理以及任务处理等；数据传输单元由功放和天线等组成。协调器的硬件框图如图3所示，终端设备的硬件框图如图4所示。 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2 系统软件设计 2.1 开发环境 系统的软件设计采用IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench来完成。IAR Embedded Workbench软件是一种用于编译和调试嵌入式应用程序的集成开发环境，可支持种类众多的8051芯片。 2.2 协调器程序设计 协调器是整个网络的核心，负责网络的建立与管理。系统上电以后，首先初始化硬件和协议栈。初始化完毕后，系统开始组网。组网完毕后，协调器开始接收终端设备上传感器所采集的数据，并通过USB接口将其传输到PC机。协调器程序流程如图5所示。 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2.3 终端设备程序设计 终端设备主要是传输传感器所采集到的数据。终端设备完成硬件和协议栈初始化后，开始搜寻协调器，并申请加入网络。完成以上工作后，终端设备开始向协调器传输数据。终端设备程序流程如图6所示。 3 系统调试 将协调器通过USB线缆连接上位机，文章中采用超级终端作为上位机软件，该软件是Windows系统自带的通用串行交互软件。测试时，选用如图2所示的网络监测结构，将三个终端设备依次上电，系统初始化后，协调器与终端设备自动组成ZigBee网络，超级终端窗口依次显示三个终端设备上传感器所采集的数据。本次调试中，对节点1连接温、湿度传感器，当改变温、湿度时，可以观察到温、湿度有明显变化；节点2连接气体传感器，改变节点2周围的气体环境进行测试，会发现数据有明显改变；节点3连接PM2.5传感器，进行测试时，将传感器放到粉尘较多的位置，终端窗口中数值变化明显。PM2.5传感器测量的结果精度高于天气预报的数值。当串口长时间（10S以上）没有收到某个节点的数据，证明该节点已经脱网，应检查该节点电路，重新上电或复位。为了确保数据的精确程度，应该增加终端节点的数据采集频率，测试数据如图7所示。 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!4 结束语 文章设计的基于ZigBee的环境监测系统具有较强的实用性，在试验环境中系统的软硬件均稳定可靠，实时性强。通过改变网络的拓扑结构，可在各种不同地域应用；配合不同的传感器，布置于适合的场合即可完成各种无线传感器网络的建立。通过研究和应用表明，无线网络与有线网络相比，具有很多优点，但是其在抗干扰、抗衰减等方面存在着不足。本系统在室内测试时，节点之间数据交换没有问题，但是在室外，受到周围环境的影响，比如电磁环境、建筑物等，会发生丢包现象，所以，在系统安装时要注意终端节点的摆放位置、周围电磁信号的干扰等因素，并尽量减少或排除干扰的影响。 参考文献 1韩华峰，杜克明.基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用J.农业工程学报，2009，25（7）：158-162. 2殷松迁，郭培源，王建华.基于嵌入式及ZigBee技术的居室环境监测系统J.电子技术应用，2012，38（8）：23-25. 3李洋.ZigBee在远程监护系统中的应用J.科技通报，2012，28（8）：19-21. 如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!4青岛东合信息技术有限公司.ZigBee开发技术及实践M.西安：西安电子科技大学出版社，2012. 5张永梅，王凯峰，马礼，等.基于ZigBee和GPRS的嵌入式远程监测系统的设计J.计算机科学，2012，39（6）：222-226. 作者简介：李丽芬（1982-），女，河北承德人，燕京理工学院副教授，硕士，研究方向：嵌入式系统设计。 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）