基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的污染氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：無(wú)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(duì)污染氣體排放企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，可采用Zigbee技術(shù)對(duì)污染氣體進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)中的無(wú)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(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)監(jiān)測(cè)的需求。
關(guān)鍵詞：無(wú)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(cè)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(guó)對(duì)污染氣體的監(jiān)測(cè)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(guó)外進(jìn)口的自動(dòng)化污染氣體監(jiān)測(cè)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法。這2種方法都有監(jiān)測(cè)成本過(guò)高，移動(dòng)不便的不足之處。為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有污染氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備的不足而設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污染氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，取2種監(jiān)測(cè)方法的長(zhǎng)處，切實(shí)地滿足了環(huán)境監(jiān)測(cè)部門的需要。監(jiān)測(cè)人員只需在易發(fā)大氣污染事件的現(xiàn)場(chǎng)布置傳感器節(jié)點(diǎn)，就可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)污染突發(fā)現(xiàn)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)一個(gè)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(wú)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(cè)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(gè)角落以及周邊環(huán)境，通過(guò)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(duì)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(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)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(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并通過(guò)以太網(wǎng)將結(jié)果傳送到監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心的管理員通過(guò)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)，做出判斷或者決策。

2 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介
    ZigBee無(wú)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(wú)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(cè)、安全系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)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(guò)路由和各節(jié)點(diǎn)問(wèn)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(gè)頻段上，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，共有27個(gè)信道。ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(shì)，選擇進(jìn)行了支持ZigBee 802．15．4協(xié)議的無(wú)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(wú)線收發(fā)模塊采用芯片XBee-PRO DigiMesh900。XBee-PRO DigiMesh 900是長(zhǎng)距離通信的嵌入式無(wú)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(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，基于快速的156 Kb／s無(wú)線射頻平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了DigiMesh對(duì)等構(gòu)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(jié)點(diǎn)密度。從而可以使OEM廠商延長(zhǎng)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(zhǎng)電池壽命。
    (2)高級(jí)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(jí)寬溫(-40～+85℃)等。
    利用此芯片開發(fā)的無(wú)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。

3．1 處理器無(wú)線模塊接口設(shè)計(jì)
    C8051F系列單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，SOCCPU有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器還具有在線重新編程的能力即可用作程序存儲(chǔ)器又可用作于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其主要具有以下幾方面的特點(diǎn)：
    (1)集成了豐富的模擬資源和外部設(shè)備接口，具有8～12位多通道ADC，1～2路12位DAC。在片內(nèi)模擬開關(guān)的作用下可實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換。帶有I2C／SMBusSPI 1～2個(gè)UART多類型串行總線，此外還根據(jù)不同的需要集成了SPI、USB、CAN、LIN等接口，外設(shè)接口在不使用時(shí)可以分別禁止以降低系統(tǒng)功耗。
    (2)增加了中斷源，標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個(gè)中斷源，C8051F系列單片機(jī)擴(kuò)展了中斷處理這對(duì)于時(shí)實(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的處理是很重要的，擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供22個(gè)中斷源。
    (3)高速指令處理能力，基于增強(qiáng)的CIP-51內(nèi)核，其指令集與MCS-51完全兼容，具有標(biāo)準(zhǔn)8051的組織架構(gòu)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，70％的的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍。
    (4)復(fù)位方式多樣化，C8051F把80C51單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位，提供了上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、引腳配置復(fù)位等。眾多的復(fù)位源為保障系統(tǒng)的安全、操作的靈活性以及零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的好處。
    綜上所述，我們采用C8051F340作為處理模塊，主要任務(wù)是完成對(duì)所采集的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理以及存儲(chǔ)并將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線收發(fā)模塊。處理模塊與無(wú)線收發(fā)模塊之間的連接非常簡(jiǎn)單，處理模塊將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)發(fā)給無(wú)線收發(fā)模塊，所有只需要將單片機(jī)端的TXD(發(fā)送數(shù)據(jù))、RXD(接受數(shù)據(jù))分別于無(wú)線收發(fā)模塊的DIN，DOUT相連就可以了。
3．2 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集單元用于實(shí)時(shí)采集周圍空氣中污染氣體的信息，主要由各種傳感器及其接口電路組成。本文采用的傳感器包括一氧化碳傳感器、一氧化氮傳感器、氯氣傳感器、二氧化硫傳感器等，這些屬于采集環(huán)境污染氣體信息的最基本傳感器。各傳感器的基本信息如下表1所示。

3．3 電源模塊
    作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)需要在無(wú)人看守的情況下工作，能量供應(yīng)是系統(tǒng)持續(xù)工作的重要保證，本設(shè)計(jì)采用市面上最常用的鋰電池作為電源，可充電的鋰離子電池的額定電壓為3．6 V。鋰離子電池的放電曲線平坦，可以保證無(wú)線收發(fā)模塊在正常工作時(shí)具有更好的線性特性。Linear Technology公司的LTC3440是一種高效率、固定頻率、降壓一升壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器，能夠用單個(gè)電感器調(diào)節(jié)輸出電壓，使其高于、低于或等于輸入電源電壓。其輸入和輸出電壓范圍均為2．5～5．5 V。LTC3440在所有工作模式下都具備連續(xù)輸送功能，非常適用于延長(zhǎng)單節(jié)鋰電池、多節(jié)堿性或鎳氫電池的工作時(shí)間，在這些電池中，輸入電壓隨著電池放電而下降。鋰離子電池在3．3 V左右放電時(shí)間較長(zhǎng)，能更大限度提高電源效率，延長(zhǎng)電池壽命。

    無(wú)線收發(fā)模塊需要外部提供3．3 V的電壓，數(shù)據(jù)采集模塊需要5 V直流電壓，采用LTC3440芯片可以將輸入的電池電壓轉(zhuǎn)換為3．3 V，5 V，圖3是將電源電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V電壓，轉(zhuǎn)換成5 V電壓只需要改變電阻、電容值就可以。

4 無(wú)線收發(fā)模塊仿真
    無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)功能，利用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)ADHOC自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。NS2(Network Simulator vers ion 2)是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器，本質(zhì)上是一個(gè)離散事件模擬器。為了分析仿真結(jié)果，NS2提供了兩種基本數(shù)據(jù)追蹤能力跟蹤和監(jiān)視。跟蹤生成“．nam”和“．tr”文件。能夠?qū)⒚總€(gè)數(shù)據(jù)包在任何時(shí)刻的狀態(tài)保存到指定文件中，記錄包在隊(duì)列或鏈路中丟棄、到達(dá)、離開等；監(jiān)視用戶有選擇地記錄自己需要的數(shù)據(jù)，利用Gawk，Gnuplot等工具統(tǒng)計(jì)發(fā)送包、接收包及丟棄包等結(jié)果進(jìn)行分析。本文的MAC類型采用EEE80 2．15．4協(xié)議，路由采用DSR協(xié)議。20個(gè)節(jié)點(diǎn)，分布在300×300 m的正方形區(qū)域中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)隨機(jī)分布，仿真時(shí)間為60 s，pause time設(shè)為60 s，也就是在仿真這段時(shí)間里沒(méi)有mobility，流量是設(shè)置為cbr流，速率為1．0 b／s，最大聯(lián)機(jī)數(shù)目為6個(gè)，每一條數(shù)據(jù)流每秒送出5個(gè)封包(可以根據(jù)需要對(duì)設(shè)置進(jìn)行修改)。利用setdest、cbrgen工具來(lái)完成所需的場(chǎng)景設(shè)置。圖4為．nam的動(dòng)畫模擬圖像。

5 結(jié)果分析
    仿真過(guò)程中同時(shí)生成一個(gè)仿真過(guò)程記錄文件out．tr，是分析仿真過(guò)程的重要依據(jù)。以下是其中的一個(gè)片段：
   
    標(biāo)號(hào)為9的節(jié)點(diǎn)在7．918327669秒時(shí)發(fā)送一個(gè)cbr分組，該分組的UID為32，長(zhǎng)度36，目標(biāo)接點(diǎn)的MAC地址為9，原節(jié)點(diǎn)的MAC地址為0，IP頭的源地址為7節(jié)點(diǎn)的2號(hào)端口，目的地址為9號(hào)節(jié)點(diǎn)的0端口，分組的TTL(Time To Live)值為32。
    編寫．a(chǎn)wk文件，用于從跟蹤文件中統(tǒng)計(jì)MAC層cbr包的丟包和延遲信息。得到數(shù)據(jù)如下：
    Toral packet sends：737
    Total packet receives：736
    Packet delivery fraction：99．8643
    以上數(shù)據(jù)說(shuō)明發(fā)送737個(gè)包，接受到736個(gè)，丟包率為99．8643 ％，丟包率還是比較小的，這主要由WSNs的網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。
    Average End_to_End delay：0．003912 s
    first packet received time：2．582152 s
    圖5仿真實(shí)驗(yàn)封包傳輸延遲圖。

    從圖中可以看出延遲比較小，平均延遲只有3．912 ms，第一個(gè)包的接收時(shí)間為2．582 152 s，這主要是由于剛運(yùn)行時(shí)查找路徑表引起的。
    當(dāng)將分布區(qū)域變?yōu)?00 m×600 m時(shí)，得到如下數(shù)據(jù)：
    Total packet sends：740
    Total packet receives：648
    Packet delivery fraction：87．5676
    Average End_to_End delay：0．017172 s
    first packet received time：2．802245 s
    MAC層cbr封包的傳輸延遲圖如圖6所示。
    當(dāng)將分布區(qū)域變?yōu)? 000 m×1 000 m時(shí)，得到如下數(shù)據(jù)：
    Total packet sends：755
    Total packet receives：379
    Packet delivery fraction：50．1987
    Average End_to_End delay：0．076575 s
    first packet received time：2．762081 s
    MAC層cbr封包的傳輸延遲圖如圖7所示。

    將3種情況分析對(duì)比可以看出，封包的丟失率和cbr流的傳輸延遲時(shí)間與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布范圍有關(guān)，也就是和節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離有關(guān)。在節(jié)點(diǎn)數(shù)不變和其他各種設(shè)置條件不變的情況下，網(wǎng)絡(luò)范圍越廣，節(jié)點(diǎn)問(wèn)的距離越長(zhǎng)，封包的丟失率越大，cbr流的傳輸延遲時(shí)間也越長(zhǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)
    由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的丟包率低，延遲時(shí)間短等特點(diǎn)，可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和條件下，都能獲取大量詳實(shí)、可靠的信息。使得其在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。對(duì)于長(zhǎng)距離節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，減少丟包率這方面還有待研究和改善。