基于AVR和ZigBee技術(shù)的工業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了用單片機(jī)控制的將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，連接控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信號(hào)的綜合能力，并通過(guò)與傳感控制器的連接，組成了有信息綜合處理能力的傳感網(wǎng)絡(luò)；從上世紀(jì)末開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用于無(wú)線技術(shù)連接，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，因?yàn)闊o(wú)線技術(shù)低能，低耗的特點(diǎn)，并得到迅速發(fā)展。

現(xiàn)今基于單片機(jī)技術(shù)的傳感器的設(shè)計(jì)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。美國(guó)的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)，探索其在應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用性尤其重要。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)園區(qū)的發(fā)展日成規(guī)模，帶動(dòng)了我國(guó)GDP的大幅增加。但是日益加劇的環(huán)境污染與破壞也成了我們目前面臨的首要問(wèn)題，無(wú)論是煤化工業(yè)園區(qū)、鋼鐵工業(yè)園區(qū)、蔬菜工業(yè)園區(qū)、還是一些核工業(yè)園區(qū)，一些環(huán)境因素諸如二氧化硫濃度，一氧化碳濃度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等對(duì)產(chǎn)品以及人們的生活和工作環(huán)境都有著至關(guān)重要的影響。因此做好這些環(huán)境因素的檢測(cè)工作是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和員工身體健康的重要保證。

眾所周知，環(huán)境變量的精確監(jiān)測(cè)與管理對(duì)于提高環(huán)境控制精度、節(jié)約能源及促進(jìn)生產(chǎn)等有著重要的作用。目前我國(guó)工業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏，即便是有，往往采用一些生物檢測(cè)法，布線檢測(cè)法等，嚴(yán)重浪費(fèi)能源。在應(yīng)用方面，缺乏有效的監(jiān)測(cè)管理機(jī)制，還未將檢測(cè)、報(bào)警、預(yù)處理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)；工業(yè)園區(qū)不同位置的各項(xiàng)參數(shù)值往往是不均勻的,所以需要采集多個(gè)不同點(diǎn)的溫度值進(jìn)行綜合評(píng)判，而目前大多數(shù)工業(yè)園區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能有效地覆蓋整個(gè)工業(yè)園區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的統(tǒng)一性。同時(shí)，多數(shù)工業(yè)園區(qū)的數(shù)據(jù)采集采用人工和有線布網(wǎng)方式，前者消耗大量人力，且采集的信息缺乏一定的實(shí)時(shí)性；后者雖然比較成熟，但線路布置易受環(huán)境影響，安裝程序復(fù)雜，維修、更新的費(fèi)用和難度都較大，這給廣大工廠帶來(lái)一定的不便。

基于以上需求，我們將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，通過(guò)探索搭建一個(gè)穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)一種體積小、覆蓋面廣、功能多樣化、便捷穩(wěn)定的工業(yè)園區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。尤其對(duì)于一些危險(xiǎn)的生產(chǎn)車間我們可以采用無(wú)人操作模式，只要把傳感器平臺(tái)置于生產(chǎn)車間，采用無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)模式就可以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，使它易于操作，便于管理，可直接監(jiān)測(cè)工業(yè)園區(qū)中各項(xiàng)環(huán)境因素的指標(biāo)，進(jìn)而解決環(huán)境監(jiān)測(cè)成本高、監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題。

本項(xiàng)目是將Atmel AVR單片機(jī)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)投入具體領(lǐng)域的實(shí)用性研究。近年來(lái)興起的ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)具有低能耗、較遠(yuǎn)傳輸距離、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛地推廣和應(yīng)用。其與Atmel AVR單片機(jī)的結(jié)合，必將增加該領(lǐng)域的又一解決方案，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)也激勵(lì)我們進(jìn)一步探索基于ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，爭(zhēng)做21世紀(jì)有用的創(chuàng)新人才。

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統(tǒng)在大范圍環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為研究平臺(tái)，主要進(jìn)行工業(yè)園區(qū)或生產(chǎn)車間內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)的有效采集和傳輸。各采集節(jié)點(diǎn)分布于所需檢測(cè)的環(huán)境中，采用Atmel AVR單片機(jī)控制各個(gè)傳感器，節(jié)點(diǎn)之間由ZigBee協(xié)議搭建無(wú)線局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的無(wú)線實(shí)時(shí)檢測(cè)。下面為系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

本系統(tǒng)分為兩部分，由上層控制中心和下層傳感節(jié)點(diǎn)組成。生產(chǎn)管理人員可以通過(guò)監(jiān)控中心的上位機(jī)讀取當(dāng)前的環(huán)境參量，對(duì)當(dāng)前的車間環(huán)境進(jìn)行管理；同時(shí)還可以使用自定義的中斷查詢機(jī)制，通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送讀取請(qǐng)求，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)中斷，上傳當(dāng)前檢測(cè)值。當(dāng)然，根據(jù)需要，節(jié)點(diǎn)本身也可以采用LCD即時(shí)顯示采集結(jié)果。眾多傳感節(jié)點(diǎn)共同組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性，可以隨意地增減節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式無(wú)太大影響，因而可以根據(jù)實(shí)際需要增加或減少監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，以達(dá)到最優(yōu)化監(jiān)測(cè)。