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基于ZigBee无线传感器网络的环境监测系统
作者：陈昊
来源：《电脑知识与技术》2016年第20期
摘要：无线传感器网络是当前国际上备受关注的研究领域，在环境监测领域有着巨大的潜力。该文设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的环境监测系统，系统由数目不等的静态或动态的传感器及ZigBee技术以自组织和多跳的方式构成的网络组成，能够环境信息的实时监测、感知与采集，如温湿度、气压、气体浓度等，再对所采集的信息进行融合与处理后以无线传输的方式发送给接收方，实现数据之间的交换。经测试和使用，该系统可提供远距离、可靠的数据采集服务。系统具有优越的抗干扰性能，实现了环境信息的智能化管理。 关键词：无线传感器网络；ZigBee；环境监测
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）20-0203-02
Abstract： Wireless sensor networks have attracted significant attention among researchers and practitioners， and it have been shown to have a high potential to be the hotspot technology in environmental monitoring area. In this paper， an environmental monitoring system based on wireless sensor network was designed. The variable numbers of static or dynamic sensors and ZigBee technology form a transmission network by means of self-organization and multi-jump. Wireless sensor network is able to collect and monitor environmental information such as temperature， humidity， pressure and so on， the information is transmitted by wireless network after being processed in order to realize the fusion of data. After using and testing， the system provides long-term and reliable service， and it has superior anti-interference ability， the system accomplishes intelligent management of environmental information.
Key words： Wireless sensor network； ZigBee； Environmental Monitor
环境监测领域的研究逐渐引起国内外学者和研究员的广泛关注，无线传感器网络技术伴随着嵌入式技术、无线通信技术、传感器技术的进步得到快速地发展。因此，基于无线传感器网络的环境监控系统已在智能家居、工业控制、生物医疗等领域逐步得到应用：纪晴等以ZigBee技术及无线传感器网络设计了智能家居系统。系统以浏览Web页面的方式对家庭内部子节点进行监测和控制 [1]；龚发根等研究员以AVR系列芯片为控制器、CC2430为射频收发器，详细规划了无线传感器网络在工业废气监控系统中的应用 [2]；赵泽等以ZigBee技术作为近距离通信方式，同时引入Internet网络、GSM短消息通信方式实现家庭、社区和医院的医疗监护系统 [3]。本设计综合以上各方案的优点，系统依托分布式无线传感器网络及ZigBee技术对环境信息进行精确感知，并通过GPRS智能网关将数据发至控制中心及云服务器，建立基于
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无线传感器网络的数据采集和分析的环境监测体系，允许移动设备对云服务器中的数据访问，实现远程管理功能。 1系统设计方案
基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统主要由三个部分组成：分布式无线传感器网络，GPRS智能网关，云数据管理平台。系统框图如图1所示。 1.1 分布式无线传感器网络
分布式无线传感网络主要包括传感器节点以及ZigBee技术。传感器节点通过自组织和收集实时环境因子，实现环境数据的采集和融合，通过ZigBee无线网络节点协作将环境数据发送到控制中心及管理中心。当传感器节点设置为路由节点时，可以同时实现数据包的中转，从而扩大无线传感网络的覆盖范围和数据传输能力。 1.2 GPRS智能网关
系统的GPRS智能网关负责无线传感器网络与移动4G网络双向交互和有效结合。控制中心负责ZigBee网络的组建，接收来自传感器节点的传感数据并发至管理中心，并将来自管理中心的指令发送到传感器节点。管理中心负责将来自控制中心的数据利用LCD显示屏实时显示并用SD卡保存，同时通过4G网络将数据发送至云服务器。 1.3 云数据管理平台
系统中所有数据经过GPRS智能网关传输至云数据管理平台，并完成特征级数据融合。当存在安全隐患时，该管理平台自动报警，协助维护部门采取有效措施，降低系统使用环境的安全隐患。用户可通过移动终端如手机、平板等访问云服务器，以实现远程管理。 2 系统硬件设计
系统的下位机部分包括GPRS智能网关和传感器节点，各类传感器节点采用CC2530芯片作为核心芯片。 2.1传感器节点
传感器节点主要包括数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块，如图2所示。数据采集模块包括温度传感器、湿度传感器、甲烷气体传感器和气压传感器。路由节点的硬件体系与传感器节点相同。 2.2 GPRS智能网关
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系统的GPRS智能网关由控制中心和管理中心两部分组成。控制中心负责ZigBee网络的组建和相关控制，接收节点数据，发送命令到各节点，与管理中心实现数据交互。管理中心完成ZigBee网络的管理工作，计算机通过管理中心可以对ZigBee网络完成相关的配置，同时实现GSM模块与LCD显示模块与无线传感网络的功能结合。数据可保存到SD卡，保存周期可按需设置。 3 系统软件设计 3.1 传感器节点算法设计
传感器节点与控制中心以主从工作模式进行通信，控制中心在主程序中以主动的方式按照固定周期发送数据请求，而传感器节点以中断的方式向主机传送数据。传感器节点发送数据的周期可以通过控制中心进行设置。如图3（a）所示。 3.2 管理中心算法设计
系统的管理中心主要实现的功能包括：LCD对传感器数据进行显示；传感器数据通过GPRS上传至服务器；数据保存至SD卡；ZigBee网络的配置；接收GSM短信命令包并发送至控制中心。这些功能的实现必须由软件编程实现，管理中心主函数的流程如图3（b）所示。
4 测试结果
为了验证监测系统的可靠性，我们采用无线传感器网络与GPRS网关来构建系统。如图4（a）所示，无线传感器网络选用CC2530片上系统作为传感器节点及路由节点的核心芯片。路由节点放置在传感器节点和GPRS网关的无线网络覆盖范围内，来实现数据的实时传输。同时，用户可在传感器节点上直接获取环境数据信息。
上位机在环境监控系统中广泛地应用于数据信息的精准展示，如图4（b）所示，用户通过该上位机可准确地进行参数配置和实时数据获取。该上位机允许监管部门查询历史趋势曲线，便于共享数据资源。 5 结束语
无线传感器网络由于其低功耗、协议灵活性和自组织等特性在日常生活中得到了广泛地应用。本文设计了基于ZigBee无线传感器网络的环境监测系统，经试验测试，系统软硬件工作良好，实现了环境信息的低功耗、智能化采集。未来将在数据的传输速率和无线信号的覆盖范围方面进一步拓展，提升系统的性能。 参考文献：