基于ZigBee無線傳感器網絡的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

出處：dyidtm 發(fā)布于：2012-04-12 15:03:18

　　摘要：設計了一種基于ZigBee 無線傳感器網絡的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；描述了該系統(tǒng)的構成原理與整體結構，以及基于CC2430 芯片的傳感器節(jié)點和網關的硬件設計和系統(tǒng)軟件工作流程。采用的星-簇首-路由的拓撲結構，具有低成本、易于部署、使用壽命長等優(yōu)點。

　　森林環(huán)境監(jiān)測是森林資源保護與管理的基礎，是建設現代林業(yè)、實現森林科學經營的重要保障。第七次全國森林資源清查結果顯示，僅森林的固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、保育土壤等6 項生態(tài)價值就超過了10.01萬億元。此外，森林是社會、經濟發(fā)展不可或缺的資源，它作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在減少溫室氣體排放中發(fā)揮著舉足輕重的作用。因此，做好森林環(huán)境監(jiān)測工作對于我國可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排具有重要的價值與意義。

　　本文設計了一種森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于ZigBee 無線傳感器網絡（ wireless sensor network,WSN） ,能夠實時監(jiān)測林區(qū)的大氣溫濕度及火災煙霧濃度等參數，具有監(jiān)測范圍廣、部署性好、數據傳輸可靠性高、對生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)點，在森林環(huán)境監(jiān)測中有著廣闊的應用前景。

　　1 ZigBee 無線傳感器網絡技術

　　無線傳感器網絡是部署在區(qū)域內的大量具有傳感、計算和通信能力的傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的多跳無線網絡，是無線通信、嵌入式計算和分布式數據處理等多領域技術的交叉融合。傳感器節(jié)點通常包括處理器、存儲器、傳感器、無線通訊和電源等組件，能夠同時進行數據的采集、處理以及無線傳輸，具有低功耗、小體積等優(yōu)點。傳感器節(jié)點之間分工協作，可實時感知、監(jiān)測和采集分布區(qū)域內監(jiān)測對象或周圍環(huán)境的信息。

　　ZigBee 基于IEEE 802.15.4 協議標準，是一種短距離、低速率的無線通信技術。 ZigBee 采用了直接序列擴頻技術，可以工作在868MHz、915MHz 或2.4GHz 頻段。與其它無線通信技術相比，ZigBee 具有架構簡單、成本低、可靠性高、組網能力強等特點，因此，ZigBee 非常適用于無線傳感器網絡。

　　2 系統(tǒng)的組成與原理

　　按照功能的不同，ZigBee 定義了3 種類型的設備，即終端設備、協調器和路由器。在系統(tǒng)中，終端設備就是傳感器節(jié)點，節(jié)點隨機部署在森林內，配置有低成本、低功耗的微處理器，可采集大氣相對濕度、空氣溫度等環(huán)境監(jiān)測參數。若干個相鄰的傳感器節(jié)點構成一個稱為簇的自組織網絡，簇中的傳感器節(jié)點又可以分為簇首和普通節(jié)點。簇首是全功能設備，主要用于數據的融合及轉發(fā)。簇首可以將所轄簇中普通節(jié)點采集到的數據發(fā)送到上層的協調器，也能將協調器接收到的信息在簇內進行廣播；普通節(jié)點是精簡功能設備，它只能與簇首通信，即把采集到的數據跳轉至本簇的簇首。協調器的功能是建立網絡，對網絡進行管理和控制，并保存網絡的一些基本信息；終協調器將監(jiān)測到的數據轉發(fā)到網關，經過處理后，再由網關通過GPRS 網絡將數據發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心包括通信服務器和數據服務器，通信服務器與網關通過GPRS 網絡進行數據交換，數據服務器保存接收到的森林環(huán)境數據，并且提供了數據的管理、查詢和編輯等服務。

　　ZigBee 網絡主要有星狀和網狀2 種拓撲。星狀拓撲結構簡單、使用壽命長，但是網絡覆蓋有限，并且一旦簇首節(jié)點發(fā)生故障，整個簇與網絡的連接都將中斷。與星狀拓撲相比，網狀拓撲網絡覆蓋廣、可靠性高，但是結構復雜、使用壽命短。通常情況下，森林地區(qū)地形復雜、氣象多變、植被覆蓋茂密，這些不利因素會縮短ZigBee 網絡中傳感器節(jié)點的有效通信距離，或者造成節(jié)點與協調器連接中斷，導致數據丟失。為了提高ZigBee 網絡的魯棒性，避免數據丟失，系統(tǒng)采用星狀-簇首-路由拓撲結構。這種分級的混合拓撲綜合了以上星狀和網狀拓撲的優(yōu)點，提高了網絡的可靠性和靈活性。系統(tǒng)的整體結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構

　　3 硬件結構設計

　　3.1 傳感器節(jié)點設計

　　傳感器節(jié)點是組成ZigBee 無線傳感器網絡的基本單位，是構成無線傳感器網絡的基礎平臺。傳感器節(jié)點一般由數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。傳感器節(jié)點的組成如圖2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點的組成

　　其中，數據采集模塊主要由溫度、濕度、煙霧濃度傳感器以及A/D 轉換器組成，負責采集區(qū)域內大氣溫濕度及當有火災發(fā)生時的煙霧濃度等數據，并且完成數據的A/D 轉換。數據處理模塊負責處理、存儲數據采集模塊得到的數據。無線通信模塊與簇首節(jié)點或協調器交換控制信息，并收發(fā)數據以及中轉其它節(jié)點發(fā)送的數據。電源模塊包括數據采集模塊、數據處理模塊以及無線通信模塊。

　　傳感器節(jié)點選用TI 公司生產的CC2430 作為器件。 CC2430 集成了符合IEEE 802.15.4 標準的射頻收發(fā)器，工作于2. 4 GHz 頻段，內置了高性能、低功耗的8051 微控制器，以及14 位的A/D 轉換器。

　　CC2430 的靈敏度為- 91dBm,輸出是+ 0.6 dBm,傳送速率為250 Kbps,并且具有良好的抗干擾性能。 CC2430 采用低電壓（ 2.0 - 3.6 V）供電，休眠狀態(tài)時電流消耗僅0.9 μA,從休眠模式切換到主動模式只需要15 ms. 這些特性使得CC2430 適合于能量有限但又要求長期連續(xù)工作的森林環(huán)境監(jiān)測。

　　溫濕度傳感器（ SHT11）是Sensirion 公司生產的。它采用I2C 總線的數字輸出接口，提供全校準相對溫度和濕度輸出，具有露點值計算輸出功能，可以與微控制器直接連接，具有免調試、免標定、高、自動休眠以及可完全浸沒水中等特點。其體積小巧、功耗低，工作電流僅550 μA.

　　煙霧傳感器采用半導體氣體煙霧傳感器（ MS5100） . 其響應時間短、穩(wěn)定性好，在較寬的濃度范圍內對煙霧、碳氫化合物和氧化物等有較高的靈敏度。

　　傳感器節(jié)點中的模塊均為低功耗器件，并且大部分時間節(jié)點處于休眠模式，因此電源模塊采用2 節(jié)AA 電池即可，通常可供節(jié)點工作6 個月至2 a 不等。由于簇首節(jié)點頻繁轉發(fā)數據需要耗費大量的能量，必要時可采用光電池等電源進行供電。

　　3.2 網關設計

　　網關主要用于將監(jiān)測數據由ZigBee 網絡通過GPRS 網絡傳輸到監(jiān)控中心，以及數據的處理與存儲。網關包括控制模塊、電源模塊、存儲模塊、射頻模塊、GPRS 無線通信模塊以及其它I /O 接口（圖3） .

圖3 網關的結構

　　網關的數據流量遠遠高于傳感器節(jié)點，需要較強的數據處理與控制能力，因此選用Atmel 公司生產的AT91SAM9261 微處理器。該處理器基于ARM926EJ-S 內核，是一款高性能、低功耗的32 位RISC 嵌入式處理器，時鐘頻率為190 MHz 時，處理能力高達210 MIPS; 外設全部啟動時，工作電流只有65 mA. 射頻收發(fā)模塊是CC2430,負責與ZigBee 無線傳感器網絡進行雙向通信。 GPRS 無線通信模塊選用Motorola 公司生產的G20,通過GPRS 網絡與監(jiān)控中心建立連接，實現數據的遠程無線通信。

　　4 系統(tǒng)工作流程

　　為了降低能耗，系統(tǒng)采用休眠- 喚醒的工作方式。 ZigBee 無線傳感器網絡中的節(jié)點并不是總處于工作狀態(tài)，只有在接收到監(jiān)控中心發(fā)送的查詢數據命令時，節(jié)點被喚醒并轉入工作狀態(tài)，完成數據的采集與轉發(fā)等工作；否則，節(jié)點將處于休眠狀態(tài)[9],系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。

　　系統(tǒng)啟動后，首先完成設備的參數設定等初始化工作。 ZigBee 協調器負責建立網絡，并等待其它節(jié)點加入網絡，隨后節(jié)點進入休眠狀態(tài)。監(jiān)控中心通過GPRS 網絡向ZigBee 網關發(fā)出查詢數據的命令之后，協調器對隸屬于它的簇網絡進行通訊廣播，喚醒需要查詢數據的簇首，簇首再向本簇其它節(jié)點進行廣播并喚醒休眠節(jié)點；節(jié)點采集數據后再發(fā)送到簇首，簇首進行數據合成處理后沿原路反饋給網關；，網關再通過GPRS 網絡將數據傳輸到監(jiān)控中心。

圖4 系統(tǒng)工作流程

　　5 結論

　　本文設計了一種基于ZigBee 無線傳感器網絡的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用星-簇首-路由的拓撲結構，既延長了網絡生命周期，又保證了數據傳輸效率。傳感器節(jié)點采用的CC2430 芯片具有低功耗、低成本等特點，適用于只能依靠電池供電的場合。系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測大氣相對濕度、溫度等數據，并能通過檢測煙霧濃度實現火災預警，具有很好的實用性[10].