基于AVR和ZigBee技術(shù)的工業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

一、項目概述

1.1 引言

早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了用單片機控制的將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸，連接控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時還具有了獲取多種信號的綜合能力，并通過與傳感控制器的連接，組成了有信息綜合處理能力的傳感網(wǎng)絡(luò)；從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用于無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，因為無線技術(shù)低能，低耗的特點，并得到迅速發(fā)展。

現(xiàn)今基于單片機技術(shù)的傳感器的設(shè)計和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，探索其在應(yīng)用領(lǐng)域的實用性尤其重要。

1.2 項目背景/選題動機

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)園區(qū)的發(fā)展日成規(guī)模，帶動了我國GDP的大幅增加。但是日益加劇的環(huán)境污染與破壞也成了我們目前面臨的首要問題，無論是煤化工業(yè)園區(qū)、鋼鐵工業(yè)園區(qū)、蔬菜工業(yè)園區(qū)、還是一些核工業(yè)園區(qū)，一些環(huán)境因素諸如二氧化硫濃度，一氧化碳濃度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等對產(chǎn)品以及人們的生活和工作環(huán)境都有著至關(guān)重要的影響。因此做好這些環(huán)境因素的檢測工作是對產(chǎn)品質(zhì)量和員工身體健康的重要保證。

眾所周知，環(huán)境變量的精確監(jiān)測與管理對于提高環(huán)境控制精度、節(jié)約能源及促進(jìn)生產(chǎn)等有著重要的作用。目前我國工業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)缺乏，即便是有，往往采用一些生物檢測法，布線檢測法等，嚴(yán)重浪費能源。在應(yīng)用方面，缺乏有效的監(jiān)測管理機制，還未將檢測、報警、預(yù)處理有機地結(jié)合起來；工業(yè)園區(qū)不同位置的各項參數(shù)值往往是不均勻的,所以需要采集多個不同點的溫度值進(jìn)行綜合評判，而目前大多數(shù)工業(yè)園區(qū)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)不能有效地覆蓋整個工業(yè)園區(qū)，難以實現(xiàn)各個參數(shù)的統(tǒng)一性。同時，多數(shù)工業(yè)園區(qū)的數(shù)據(jù)采集采用人工和有線布網(wǎng)方式，前者消耗大量人力，且采集的信息缺乏一定的實時性；后者雖然比較成熟，但線路布置易受環(huán)境影響，安裝程序復(fù)雜，維修、更新的費用和難度都較大，這給廣大工廠帶來一定的不便。

基于以上需求，我們將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，通過探索搭建一個穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)一種體積小、覆蓋面廣、功能多樣化、便捷穩(wěn)定的工業(yè)園區(qū)實時監(jiān)測系統(tǒng)。尤其對于一些危險的生產(chǎn)車間我們可以采用無人操作模式，只要把傳感器平臺置于生產(chǎn)車間，采用無線收發(fā)數(shù)據(jù)模式就可以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，使它易于操作，便于管理，可直接監(jiān)測工業(yè)園區(qū)中各項環(huán)境因素的指標(biāo)，進(jìn)而解決環(huán)境監(jiān)測成本高、監(jiān)測難的問題。

本項目是將Atmel AVR單片機和無線傳感網(wǎng)絡(luò)投入具體領(lǐng)域的實用性研究。近年來興起的ZigBee無線傳輸技術(shù)具有低能耗、較遠(yuǎn)傳輸距離、組網(wǎng)簡單、抗毀性強等優(yōu)點，因而得到廣泛地推廣和應(yīng)用。其與Atmel AVR單片機的結(jié)合，必將增加該領(lǐng)域的又一解決方案，為環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。同時也激勵我們進(jìn)一步探索基于ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，爭做21世紀(jì)有用的創(chuàng)新人才。

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統(tǒng)在大范圍環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為研究平臺，主要進(jìn)行工業(yè)園區(qū)或生產(chǎn)車間內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)的有效采集和傳輸。各采集節(jié)點分布于所需檢測的環(huán)境中，采用Atmel AVR單片機控制各個傳感器，節(jié)點之間由ZigBee協(xié)議搭建無線局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，以實現(xiàn)環(huán)境的無線實時檢測。下面為系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

本系統(tǒng)分為兩部分，由上層控制中心和下層傳感節(jié)點組成。生產(chǎn)管理人員可以通過監(jiān)控中心的上位機讀取當(dāng)前的環(huán)境參量，對當(dāng)前的車間環(huán)境進(jìn)行管理；同時還可以使用自定義的中斷查詢機制，通過向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送讀取請求，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點響應(yīng)中斷，上傳當(dāng)前檢測值。當(dāng)然，根據(jù)需要，節(jié)點本身也可以采用LCD即時顯示采集結(jié)果。眾多傳感節(jié)點共同組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴展性，可以隨意地增減節(jié)點，對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式無太大影響，因而可以根據(jù)實際需要增加或減少監(jiān)控節(jié)點的數(shù)量，以達(dá)到最優(yōu)化監(jiān)測。