基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的污染氣體監測系統

摘要：無(wú)線(xiàn)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)行監控，可采用Zigbee技術(shù)對污染氣體進(jìn)行自動(dòng)監測。設計中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采用XBee-PRO DigiMesh 900芯片，利用單片機作為控制芯片，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )，將采集的數據經(jīng)過(guò)處理變成串行數據后發(fā)送給匯聚節點(diǎn)，再由匯聚節點(diǎn)發(fā)送到控制中心。利用NS2進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò )仿真，通過(guò)仿真，網(wǎng)絡(luò )運行良好，丟包率低，延遲時(shí)間短，滿(mǎn)足系統自動(dòng)監測的需求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)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)量監測是環(huán)境保護的基礎，其目的是為環(huán)境保護提供科學(xué)決策的依據，目前我國對污染氣體的監測主要采用2種方法：一種是傳統人工取樣實(shí)驗室分析的方法；另一種是采用國外進(jìn)口的自動(dòng)化污染氣體監測進(jìn)行在線(xiàn)監測的方法。這2種方法都有監測成本過(guò)高，移動(dòng)不便的不足之處。為應對現有污染氣體監測設備的不足而設計了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的污染氣體監測系統，取2種監測方法的長(cháng)處，切實(shí)地滿(mǎn)足了環(huán)境監測部門(mén)的需要。監測人員只需在易發(fā)大氣污染事件的現場(chǎng)布置傳感器節點(diǎn)，就可以實(shí)時(shí)的監測污染突發(fā)現場(chǎng)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統結構
本文設計的污染氣體自動(dòng)監測系統需要監測一個(gè)城市內的各種化工廠(chǎng)以及發(fā)電廠(chǎng)的空氣環(huán)境質(zhì)量。本文的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統架構如圖1所示，通常包括傳感器節點(diǎn)(Sensor Node)、匯聚節點(diǎn)(Sink)和監測中心。在圖1中大量的傳感器節點(diǎn)分別放置在工廠(chǎng)內的各個(gè)角落以及周邊環(huán)境，通過(guò)自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò )(即子站)，各子站之間相互獨立，互不通信，只有子站內部節點(diǎn)可以相互交換數據，子站內的傳感器節點(diǎn)負責對數據的感知和采集，數據沿著(zhù)其他傳感器節點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監測數據可能被多個(gè)節點(diǎn)處理，經(jīng)多跳路由后到達匯聚節點(diǎn)(各子站網(wǎng)關(guān))。匯聚節點(diǎn)對收集到的數據進(jìn)行處理分析并通過(guò)以太網(wǎng)將結果傳送到監測中心，監測中心的管理員通過(guò)對收集到的數據，做出判斷或者決策。

2 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介
ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由許多傳感器以自組織方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和ZigBee技術(shù)，可廣泛應用于工業(yè)監測、安全系統、環(huán)境監測和軍事等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)是一種低速率、低功耗、低復雜度、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)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(guò)路由和各節點(diǎn)問(wèn)通信的接力，傳輸距離將可以更遠。它工作在868 MHz，915 MHz和2．4 GHz3個(gè)頻段上，采用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS)，共有27個(gè)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計。

3 節點(diǎn)的硬件電路設計
本文無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采用芯片XBee-PRO DigiMesh900。XBee-PRO DigiMesh 900是長(cháng)距離通信的嵌入式無(wú)線(xiàn)射頻模塊。它充分結合了易于使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )和900 MHz工作頻段通信距離長(cháng)的優(yōu)勢，基于快速的156 Kb／s無(wú)線(xiàn)射頻平臺，實(shí)現了DigiMesh對等構架，簡(jiǎn)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 )節點(diǎn)密度。從而可以使OEM廠(chǎng)商延長(cháng)依靠電源供電的網(wǎng)絡(luò )運行時(shí)間，確保網(wǎng)絡(luò )的穩定性。產(chǎn)品特點(diǎn)如下：
(1)支持路由器休眠模式，延長(cháng)電池壽命。
(2)高級的網(wǎng)狀網(wǎng)功能包括自愈和自動(dòng)搜索。
(3)支持通過(guò)無(wú)線(xiàn)配置。
(4)采用2．1 dB全向天線(xiàn)最大1．8 mile／3 km可視通信距離。
(5)采用高增益天線(xiàn)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(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳感器硬件節點(diǎn)組成框圖如圖2所示。