基于Zigbee無線網(wǎng)絡技術的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計1

1、.：.；基于Zigbee無線網(wǎng)絡技術的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計云南民族大學 陳 楠 為了更好地對各種水環(huán)境進展監(jiān)測，在Zigbee協(xié)議的根底上，以TI的CC/CC無線芯片為中心構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡，在實驗室用水槽模擬的水環(huán)境中對水溫、電導率以電壓方式目的進展了實時監(jiān)測。實際證明：該方法構(gòu)成的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)簡單、方便、廉價，也易于維護、擴展，有很大的推行前景。 隨著我國工業(yè)程度的迅速開展，在給他們發(fā)明宏大的經(jīng)濟效益的同時，環(huán)境問題也越來越突出。水乃生命之源，對水環(huán)境監(jiān)測以保證生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用程度安，成為人們越來越關注的焦點。 目前國內(nèi)水環(huán)境監(jiān)測大都采用兩種方式：()便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀進展人工采樣

2、，由于無法遠程實時檢測水質(zhì)參數(shù)，該方法監(jiān)測周期長、勞動強度大、時效性差、針對性差；()采用有線在線監(jiān)測，由于采用有線，所以對環(huán)境的破壞性大、監(jiān)測范圍小，同時費用也比較高。以上兩種方法都不能順應和滿足當前信息化管理的要求。由國外自上世紀年代后期大力開展水環(huán)境實時自動監(jiān)測系統(tǒng)，并已實現(xiàn)產(chǎn)品化，運用廣泛，數(shù)據(jù)采集和傳輸速度較快。主要有美國YSI的水質(zhì)垂直剖面自動監(jiān)測系統(tǒng)，美國HACH公司的供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等。雖然他們提供的系統(tǒng)丈量參數(shù)多、精度高、性能好，但價錢昂貴、操作復雜、安裝環(huán)境要求高，不適宜我國現(xiàn)狀。因此由無線傳感器組成的網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)越來越遭到人們的青睞。ZigBee與其他的藍牙和Wi-F

3、i等無線通訊規(guī)范相比，有功耗低，本錢小，網(wǎng)絡容量大，時延短，平安性高等優(yōu)點。它的通訊間隔 可達m。鑒于以上分析，本文設計的無線網(wǎng)絡是建立在ZigBee協(xié)議的根底上的組網(wǎng)方案，以TI(Texas Instruments)的CC/芯片為硬件電路的中心構(gòu)成各個節(jié)點，最后編寫上位機分析軟件來處置并顯示傳感器送回的數(shù)據(jù)。 Zegbee協(xié)議棧Zegbee協(xié)議棧體系構(gòu)造如下圖。它是對規(guī)范的層開放式系統(tǒng)互聯(lián)OSI模型中對那些涉及Zegbee的層予以定義的。IEE.對物理層PHY(Physical Layer)和介質(zhì)控制子層MAC(Media Access Control)進展定義的，Zegbee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡

4、層和運用層。() 其中Zegbee的通訊頻率由物理層來規(guī)范，擔任開啟和封鎖無線收發(fā)信機、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評價、信道選擇、數(shù)據(jù)收發(fā)和接送；() MAC層組要擔任協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡信標、信標同步、支持PAN關聯(lián)和解關聯(lián)、處置和維護保證時隙機制等。() 網(wǎng)絡層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保Zegbee的MAC層正常任務并為運用層提供適宜的效力接口經(jīng)過效力實體和管理實體。() 運用層包括運用支持子層APS, Zegbee設備對象ZDO和廠商定義的運用對象?；赯egbee的網(wǎng)絡組建在ZigBee網(wǎng)絡有全功能設備FFD(Full Fuction Device)和精簡功能設備RFD(R

5、educed Fuction Device)兩種類型。FFD不僅可以發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，還具有路由功能，可以充任Zigbee終端節(jié)點ZED(Zigbee End Device)，還可以充任ZigBee協(xié)調(diào)器ZC(Zigbee coordinater)和路由節(jié)點ZR(Zigbee router)。而RFD只能充任Zigbee終端節(jié)點。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點擔任發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡，識別網(wǎng)絡中的設備參與網(wǎng)絡；路由器節(jié)點支撐網(wǎng)絡鏈路構(gòu)造，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點是網(wǎng)絡的感知者和執(zhí)行者，擔任數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡動作。ZigBee協(xié)議規(guī)范中定義了三種網(wǎng)絡拓撲方式，分別為星型、樹型、網(wǎng)狀拓撲。如上所述的三種網(wǎng)

6、絡中，星型網(wǎng)絡組網(wǎng)最簡單。但是一切的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過ZC轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只需獨一的一個途徑，并且協(xié)調(diào)器的容量限定了整個網(wǎng)絡最大節(jié)點數(shù)目。樹型網(wǎng)絡中，每個節(jié)點是只能和他的父節(jié)點和子節(jié)點通訊，缺陷依然是信息只需獨一的路由通道。網(wǎng)狀拓撲處理了上述問題，網(wǎng)絡經(jīng)過“多跳級的方式來通訊，可以構(gòu)成復雜的網(wǎng)絡。以增加存取空間換取更小的音訊延時和更高的可靠性。. ZC初始化網(wǎng)絡三種根本網(wǎng)絡拓撲，可以以為星型和樹型拓撲都是網(wǎng)狀拓撲的特例。針對本設計的特點，ZC初始化網(wǎng)絡，流程圖如下圖。上述建網(wǎng)的過程的首先節(jié)點上電激活后會判別本人能否為FFD節(jié)點，接著判別該FFD節(jié)點能否在其他網(wǎng)絡中和網(wǎng)絡中能否曾經(jīng)有協(xié)調(diào)者節(jié)點

7、。然后進展能量檢測確定適宜的信道。自動掃描用來檢測附近的其他網(wǎng)絡，以此保證選取本網(wǎng)絡PAN ID不會與附近的網(wǎng)絡反復。. ZR/ZED參與網(wǎng)絡上面ZC建成的網(wǎng)絡，當ZR、ZED參與該ZC所建的網(wǎng)絡后這個網(wǎng)絡就具有實踐的使意圖義。參與的方式有兩種：一是直接經(jīng)過ZC參與；或者經(jīng)過已有的節(jié)點參與。下面以節(jié)點直接經(jīng)過ZC參與網(wǎng)絡為例引見節(jié)點入網(wǎng)的過程:() 節(jié)點上電激活；() 發(fā)送自動掃描，掃描附近的協(xié)調(diào)器ZC；() 在預定的時間檢測到協(xié)調(diào)器的信標，就向該協(xié)調(diào)器發(fā)送懇求關聯(lián)參與命令。否那么一段時間后前往重新掃描；() 假設協(xié)調(diào)器資源不夠，等待一段時間后反復。假設ZC資源足夠并且在節(jié)點設定的時間內(nèi)處置并

8、接受節(jié)點的懇求，節(jié)點接下來向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)懇求命令。能量檢測() 協(xié)調(diào)器將關聯(lián)命令發(fā)給節(jié)點，節(jié)點入網(wǎng)勝利；() 上面中，ZC資源足夠，但是沒有在節(jié)點設定的時間內(nèi)處置并接受節(jié)點的懇求，節(jié)點會直接從協(xié)調(diào)器的信標幀中提取關聯(lián)呼應命令，假設提取勝利那么節(jié)點入網(wǎng)勝利，否者會重新向ZC發(fā)送關聯(lián)參與命令。 方案設計系統(tǒng)設計大致分兩部分：一部分是基于ZigBee的無線網(wǎng)絡；另一部分是上位機的分析處置軟件?？驁D如下圖。() 由于是在實驗的環(huán)境下，要處置的數(shù)據(jù)并不多，故MCU(Microprogrammed Control Unit)主要用TI的CC/芯片。假設數(shù)據(jù)比較多可以思索把中心節(jié)點的MCU換成位或者位的處

9、置器;() CC/內(nèi)部其實曾經(jīng)集成了無限收發(fā)模塊RF(Radio Frequency)部分，其集成度較高，因此只需求外接天線；() 上位機部分，主要主要是處置并分析無線網(wǎng)絡中各節(jié)點的數(shù)據(jù)，同時發(fā)送命令改動采集參數(shù)等。.無線模塊電路主要部分是CC/的外圍電路和天線部分。為了傳感器擴展的方便，把P/P口用排陣引出，并擴展了一個串口接口。方便各種外來傳感器電路的直接接入。. 上位機的數(shù)據(jù)分析處置上位機部分主要是處置無線網(wǎng)絡中各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的儲存,處置及分析。用上位機處置起來能使數(shù)據(jù)顯示更直接,處置更方便,人機互動更友好根據(jù)本文設計的需求，以Visual C+.的MFC為平臺量身編寫了上位機數(shù)據(jù)分析處置軟件。該軟件可以將所無線網(wǎng)絡中各節(jié)點發(fā)來的溫度及電壓等各種數(shù)據(jù)儲存到Access數(shù)據(jù)庫中,并能實時顯示數(shù)據(jù)曲線,經(jīng)過對Access操作實現(xiàn)查詢歷史數(shù)據(jù)以及顯示歷史數(shù)據(jù)曲線等功能。雖然界面簡約，但是處置數(shù)據(jù)方面更為靈敏、自若，足以滿足設計的需求。. 終了語本文在ZigBee協(xié)議的框架下，概括地引見了基于ZigBee的無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)過程，并在實驗室內(nèi)經(jīng)過水槽來模擬普通的水環(huán)境對水環(huán)境中水溫、電導率等目的進展了丈量。該方案組網(wǎng)簡單，操作簡單，有大面積推行的意義。參考文獻李善倉，張克旺