一種基于ZigBee無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

摘要：針對(duì)某些區(qū)域特殊環(huán)境核輻射的監(jiān)測(cè)需要，提出了一種基于ZigBee無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。以TI公司的CC2530芯片為核心，CC2591芯片及PC上位機(jī)構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)。該系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測(cè)γ輻射劑量，而且還可以監(jiān)測(cè)溫濕度、雨量等大氣參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、顯示以及超限報(bào)警。

0 引言

由于核輻射恐怖事件及核輻射事故具有突發(fā)性，對(duì)國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全有巨大危害，容易造成社會(huì)動(dòng)蕩，其次核電是清潔安全的能源，雖然重大事故的發(fā)生概率很低，但必須做好充分的核事故應(yīng)急準(zhǔn)備。我國(guó)現(xiàn)在大部分的核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是有線傳感網(wǎng)絡(luò)，本研究提出的ZigBee技術(shù)在核輻射監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，很好地解決了有線傳輸?shù)男盘?hào)遲滯、信號(hào)失真、信號(hào)精確度低的缺點(diǎn)。同時(shí)能夠監(jiān)測(cè)的區(qū)域溫濕度、雨量等大氣參數(shù)，可作為對(duì)γ輻射劑量進(jìn)行綜合分析與判斷的參考參數(shù)。

1 系統(tǒng)的原理和框架

1.1 基本原理

ZigBee技術(shù)是一種新型的、基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是組網(wǎng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低?；赯igBee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種，分別是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、樹(shù)狀形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中全功能設(shè)備代表協(xié)調(diào)器或傳感器節(jié)點(diǎn)，它可以和任何其他的設(shè)備通訊;而半功能設(shè)備只能是傳感器節(jié)點(diǎn)。圖中所示星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和數(shù)個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，適用于一定范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用;樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)組成，適用于數(shù)據(jù)量小但規(guī)模較大的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合;網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中各個(gè)設(shè)備之間是對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與在通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互相通信。由于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)較多，規(guī)模較大，考慮到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸可以選擇有多個(gè)路徑，可靠性高。當(dāng)某一路徑出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)其他路徑繼續(xù)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)避免數(shù)據(jù)的丟失或遺漏有很好的保障，因此，本設(shè)計(jì)的傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)、協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)以及傳感器終端節(jié)點(diǎn)組成，其中路由器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)路由器相互通信而成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的各種傳感器分別采集γ輻射劑量及各種大氣數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給路由器，經(jīng)過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)之間的互相通訊以及數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器傳至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)測(cè)得的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析處理，得出的數(shù)據(jù)如超過(guò)設(shè)定的γ輻射劑量則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)上位機(jī)能夠管理和顯示數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控與查詢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的芯片選擇及總體硬件設(shè)計(jì)

目前針對(duì)ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的芯片種類較多，比較常用的有TI公司的、CC2530、CC1110和飛思卡爾公司的MCI3192/3芯片等。基于傳輸頻率、功耗以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，本系統(tǒng)采用TI公司推出的CC2530作為核心，CC2591為前端傳輸。

CC2530芯片是集IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE于一體的系統(tǒng)解決方案，工作頻段在2.4GHz。其包含了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型的8051CPU、擁有8k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和1256kFlash的大容量程序存儲(chǔ)器等，所需電壓的范圍在2.0～3.6V之間，只需兩節(jié)五號(hào)電池就可以滿足供電要求。

CC2591也是TI公司推出的工作頻段在2.4GHz，面向低電壓與低功耗、集成度很高的前端芯片。CC2591的內(nèi)部集成功率放大器(PA)的增益為22dB，最大發(fā)射功率為+22dBin(輸入+5dBm)，4.8dB的噪聲系數(shù)，接收靈敏度改善6dB，接收部分內(nèi)部集成的LNA分接收增益在1～11dBm之間。

系統(tǒng)下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。主要由多個(gè)帶有CC2591的傳感器節(jié)點(diǎn)連接路由器，再由路由器連接主協(xié)調(diào)器而構(gòu)成。

2.2 系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)及傳感器的選取

系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)以核心芯片2530結(jié)合外圍模塊)如A/D基準(zhǔn)電壓、存儲(chǔ)器、調(diào)試接口及傳感器等，加上必需的射頻前端芯片CC2591以及電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

系統(tǒng)選用GM計(jì)數(shù)管作為γ輻射探測(cè)器的探頭。GM管的輸出信號(hào)大、功耗低、能夠適應(yīng)環(huán)境的溫濕度范圍寬和使用耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，符合監(jiān)測(cè)需求;大氣傳感器包括：溫、濕度的測(cè)量元件選用數(shù)字型插針式的DHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有抗干擾性強(qiáng)、精度高、反應(yīng)快，可根據(jù)單片機(jī)的不同指令，來(lái)選擇測(cè)量溫度和濕度;風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量元件選用ZP—WVD型風(fēng)速風(fēng)向傳感器，同時(shí)測(cè)量風(fēng)速與風(fēng)向，該傳感器功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好。雨量的測(cè)量采用FY-Y2型雨量傳感器，可同時(shí)測(cè)量降水量、降水強(qiáng)度等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要是采集γ輻射劑量與各大氣數(shù)據(jù)，通過(guò)路由器將采集的數(shù)據(jù)打包以無(wú)線的方式送達(dá)協(xié)調(diào)器，并完成協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的指令。啟動(dòng)后先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化，然后開(kāi)始信道掃描并通過(guò)協(xié)調(diào)器組建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定且開(kāi)始采集各數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器采集到γ輻射劑量與大氣數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖5所示。