基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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1、基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計　　摘要：文章介紹了ZigBee技術(shù)的特點及在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，提出并設(shè)計了一種基于Zigbee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計方案。希望能夠通過文章的介紹與分析，能夠給相關(guān)工作人員帶來一定啟示，僅供參考?！　￡P(guān)鍵詞：ZigBee；PM2.5；環(huán)境監(jiān)測　　引言　　當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及工業(yè)化的迅速推進(jìn)帶來了工業(yè)廢氣和溫室氣體排放量的急劇增加，導(dǎo)致環(huán)境的進(jìn)一步惡化和全球溫度上升，尤其是我國北方進(jìn)入冬季供暖期后，部分地區(qū)霧霾嚴(yán)重，較差的空氣質(zhì)量影響了人們的生活、工作，不利于社會的可持

2、續(xù)發(fā)展。人們迫切需要對大氣環(huán)境開展監(jiān)測和預(yù)報，以便合理的安排工作和出行，采取更廣泛、有效的措施控制污染。因此，建立大氣環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要?！　‰S著嵌入式技術(shù)及傳感器技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入到人類生活的各個方面。Zigbee技術(shù)作為短距離無線通信技術(shù)的代表之一，具有低功耗、短時延、組網(wǎng)靈活、自愈力強等諸多特點，可以廣泛應(yīng)用于低速無線傳感網(wǎng)絡(luò)中?；谏鲜鲈?，文章提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。本方案在特定區(qū)域中建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，通過終端節(jié)點采集溫度、濕度，PM2.5和有毒有害氣體等數(shù)據(jù)信息，并將傳

3、感器信息由協(xié)調(diào)器傳給嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)處理后，將直觀的信息顯示在QT界面、PC機串口，并以信息的形式發(fā)動到手機終端，同時實現(xiàn)與外部Internet網(wǎng)絡(luò)的通信?！　?硬件電路設(shè)計及應(yīng)用　　1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計　　該系統(tǒng)主要分為三大模塊：無線通信采集模塊、網(wǎng)關(guān)節(jié)點模塊和信息傳輸模塊，無線通信采集模塊主要實現(xiàn)大氣監(jiān)測區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)的組建、傳感器采集節(jié)點的控制和數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)間的傳送，其中傳感器采集節(jié)點用來采集二氧化碳、一氧化碳、PM2.5、溫度、濕度等大氣環(huán)境信息，系統(tǒng)使用基于ZigBee協(xié)議的CC2530芯片進(jìn)行傳感器節(jié)點控制。網(wǎng)關(guān)節(jié)

4、點模塊主要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集來的信息處理，主要功能體現(xiàn)在兩個方面：（1）采集信息再通過GPRS模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時的協(xié)議數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換；（2）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的搭建。網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器作為硬件平臺的核心，實施中采用的是博創(chuàng)公司的S3C2410開發(fā)板，配以Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)配置以太網(wǎng)接口和BOA服務(wù)器。信息傳輸模塊包括三部分，分別為本地數(shù)據(jù)顯示模塊、GPRS通信模塊和Internet網(wǎng)絡(luò)訪問模塊。GPRS通信模塊主要實現(xiàn)采集來的數(shù)據(jù)與用戶終端設(shè)備的通信，Internet網(wǎng)絡(luò)訪問模塊主要通過PC機或手機終端，以網(wǎng)頁的形

5、式訪問采集的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?！　?.2組網(wǎng)結(jié)構(gòu)　　根據(jù)不同應(yīng)用的需求，可以構(gòu)建成星型、樹型和網(wǎng)狀型三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器，可以有多個路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器作為整個網(wǎng)絡(luò)的管理者可以選擇信道的頻段，允許添加或刪除路由器和終端設(shè)備。路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，延伸ZigBee網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，主要用于樹型和網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，路由器不能休眠。終端設(shè)備主要任務(wù)是發(fā)送和接收信息。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備這三種設(shè)備類型都是網(wǎng)絡(luò)層的概念。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測的實際情況文章中只采用協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備來實現(xiàn)

6、環(huán)境監(jiān)測的功能，整個網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。　　1.3硬件設(shè)計　　在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，采用的是TI公司的CC2530ZigBee無線通信模塊，協(xié)調(diào)器由數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、電源管理單元和數(shù)據(jù)存儲單元等組成。CC2530不僅可以組成協(xié)調(diào)器的收發(fā)模塊，其內(nèi)部還包含業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程內(nèi)存、8KBRAM和許多其他強大的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用CC2530負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集和對數(shù)據(jù)的初步處理。網(wǎng)關(guān)部分主要負(fù)責(zé)接收終端設(shè)備所發(fā)來的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過USB接口與上位機實現(xiàn)通信。終端設(shè)備由傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、

7、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等組成。傳感器單元負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的信息，數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)處理采集到的信息，通過數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送給協(xié)調(diào)器。采集的信息包括溫度、濕度，PM2.5和有毒有害氣體等；數(shù)據(jù)處理單元以CC2530為核心的處理器負(fù)責(zé)控制終端設(shè)備的操作、功耗管理以及任務(wù)處理等；數(shù)據(jù)傳輸單元由功放和天線等組成。協(xié)調(diào)器的硬件框圖如圖3所示，終端設(shè)備的硬件框圖如圖4所示?！　?系統(tǒng)軟件設(shè)計　　2.1開發(fā)環(huán)境　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用IARSystems公司的IAREmbeddedWorkbench來完成。IAREmbeddedWorkbench

8、軟件是一種用于編譯和調(diào)試嵌入式應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境，可支持種類眾多的8051芯片?！　?.2協(xié)調(diào)器程序設(shè)計　　協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理。系統(tǒng)上電以后，首先初始化硬件和協(xié)議棧。初始化完畢后，系統(tǒng)開始組網(wǎng)。組網(wǎng)完畢后，協(xié)調(diào)器開始接