ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠程環(huán)境監(jiān)測中的應用設(shè)計

摘要：為了解決使用傳統(tǒng)有線方式監(jiān)測偏遠地區(qū)的環(huán)境參數(shù)不能滿足實時性的問題，提出了一種利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案采用TI公司的無線射頻收發(fā)芯片CC2430和適量的外圍電路來設(shè)計傳感器節(jié)點和中心控制節(jié)點的硬件電路，然后在Zigbee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點和中心控制節(jié)點的應用軟件。測試結(jié)果證明，該系統(tǒng)可長期穩(wěn)定地對偏遠地區(qū)的環(huán)境進行有效監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；傳感器節(jié)點；中心控制節(jié)點

0 引言
2008年5月12日，8級強震襲擊了中國西南部，遇難69227人，受傷374643人，失蹤17923人，直接經(jīng)濟損失達845l億元；2009年8月2日臺
風莫拉克登陸，造成財產(chǎn)損失至少34億美元。上述這些駭人的數(shù)據(jù)足以提醒人們迫切需要對環(huán)境進行精確、實時監(jiān)控，以降低火災、自然災害等對人類造成的生命財產(chǎn)損失。但是，傳統(tǒng)的有線方式布線難度大、成本高且維護困難，因而需要另一種體系結(jié)構(gòu)來對無人職守的環(huán)境進行實時連續(xù)地監(jiān)控，從而讓監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)擺脫電纜布線和人工堅守的束縛。

1 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點可通過飛機布撒，人工布置等方式，以一定的間隔距離分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。這些節(jié)點再通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，并以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，從而實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回中心控制節(jié)點，最后將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程控制中心來進行集中處理。
目前迫切需要一種符合低端、面向控制、應用簡單的專用標準，而Zigbee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。Zigbee有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得Zigbee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。
ZigBee是基于IEEE802．15．4無線標準研制開發(fā)的一種短距離、低功耗、低成本的無線組網(wǎng)技術(shù)。ZigBee所使用的頻段是免費開放的，分別為2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)，傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，一般介于10米到100米之間，并支持無限擴展。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，并具有存儲容量大、計算能力強等特點，其主要任務(wù)是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息和不斷地接收信息；路由器的功能主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、多跳路由和協(xié)助自己由電池供電的子終端設(shè)備的通訊；終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責任。可以睡眠或者喚醒，因此，它可作為一個電池供電設(shè)備。
本文提出的無線傳感器解決方案的體系結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點、中心控制節(jié)點和環(huán)境信息監(jiān)控中心三部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
基于實時性、便捷性和運行成本的考慮，本系統(tǒng)采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和上傳。傳感器節(jié)點則通過人工布置或飛機分撒等方式分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織形式形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，在采集環(huán)境數(shù)據(jù)后，可直接或經(jīng)路由器間接地將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到中心控制節(jié)點，中心控制節(jié)點則通過串口將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計算機上進行環(huán)境數(shù)據(jù)分析、存儲和預警。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的核心，也是本設(shè)計的重點。它主要由一個中心控制節(jié)點和多個傳感器節(jié)點構(gòu)成，主要功能是利用傳感器技術(shù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時采用ZigBee技術(shù)形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。