基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的污染氣體監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已日趨成熟，為了能實(shí)時(shí)、有效地對污染氣體排放企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，可采用Zigbee技術(shù)對污染氣體進(jìn)行自動監(jiān)測。設(shè)計(jì)中的無線收發(fā)模塊采用XBee-PRO DigiMesh 900芯片，利用單片機(jī)作為控制芯片，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理變成串行數(shù)據(jù)后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送到控制中心。利用NS2進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真，通過仿真，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，丟包率低，延遲時(shí)間短，滿足系統(tǒng)自動監(jiān)測的需求。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；NS2仿真；ZigBee技術(shù)；污染氣體

0 引言
空氣質(zhì)量監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)，其目的是為環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)決策的依據(jù)，目前我國對污染氣體的監(jiān)測主要采用2種方法：一種是傳統(tǒng)人工取樣實(shí)驗(yàn)室分析的方法；另一種是采用國外進(jìn)口的自動化污染氣體監(jiān)測進(jìn)行在線監(jiān)測的方法。這2種方法都有監(jiān)測成本過高，移動不便的不足之處。為應(yīng)對現(xiàn)有污染氣體監(jiān)測設(shè)備的不足而設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污染氣體監(jiān)測系統(tǒng)，取2種監(jiān)測方法的長處，切實(shí)地滿足了環(huán)境監(jiān)測部門的需要。監(jiān)測人員只需在易發(fā)大氣污染事件的現(xiàn)場布置傳感器節(jié)點(diǎn)，就可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測污染突發(fā)現(xiàn)場的各種污染氣體濃度，為及時(shí)處置大氣污染突發(fā)事件提供有力的技術(shù)保證。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的污染氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測一個城市內(nèi)的各種化工廠以及發(fā)電廠的空氣環(huán)境質(zhì)量。本文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)和監(jiān)測中心。在圖1中大量的傳感器節(jié)點(diǎn)分別放置在工廠內(nèi)的各個角落以及周邊環(huán)境，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)(即子站)，各子站之間相互獨(dú)立，互不通信，只有子站內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以相互交換數(shù)據(jù)，子站內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和采集，數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)(各子站網(wǎng)關(guān))。匯聚節(jié)點(diǎn)對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并通過以太網(wǎng)將結(jié)果傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心的管理員通過對收集到的數(shù)據(jù)，做出判斷或者決策。

2 Zigbee技術(shù)簡介
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和ZigBee技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)測、安全系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測和軍事等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)是一種低速率、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。通過路由和各節(jié)點(diǎn)問通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。它工作在868 MHz，915 MHz和2．4 GHz3個頻段上，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，共有27個信道。ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢有：低功耗、低成本、低速率、短時(shí)延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等。由這些技術(shù)優(yōu)勢，選擇進(jìn)行了支持ZigBee 802．15．4協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。

3 節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)
本文無線收發(fā)模塊采用芯片XBee-PRO DigiMesh900。XBee-PRO DigiMesh 900是長距離通信的嵌入式無線射頻模塊。它充分結(jié)合了易于使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和900 MHz工作頻段通信距離長的優(yōu)勢，基于快速的156 Kb／s無線射頻平臺，實(shí)現(xiàn)了DigiMesh對等構(gòu)架，簡化了網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提供了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)功能如支持路由器休眠模式和更高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度。從而可以使OEM廠商延長依靠電源供電的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。產(chǎn)品特點(diǎn)如下：
(1)支持路由器休眠模式，延長電池壽命。
(2)高級的網(wǎng)狀網(wǎng)功能包括自愈和自動搜索。
(3)支持通過無線配置。
(4)采用2．1 dB全向天線最大1．8 mile／3 km可視通信距離。
(5)采用高增益天線最大6 mile／10 km可視通信距離。
(6)工業(yè)級寬溫(-40～+85℃)等。
利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳感器硬件節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖2所示。