基于ZigBee无线传感网络技术的污染气体监测系统

摘要：无线传感器网络技术已日趋成熟，为了能实时、有效地对污染气体排放企业进行监控，可采用Zigbee技术对污染气体进行自动监测。设计中的无线收发模块采用XBee-PRO DigiMesh 900芯片，利用单片机作为控制芯片，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，将采集的数据经过处理变成串行数据后发送给汇聚节点，再由汇聚节点发送到控制中心。利用NS2进行了网络仿真，通过仿真，网络运行良好，丢包率低，延迟时间短，满足系统自动监测的需求。
关键词：无线传感器网络；NS2仿真；ZigBee技术；污染气体

0 引言
    空气质量监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学决策的依据，目前我国对污染气体的监测主要采用2种方法：一种是传统人工取样实验室分析的方法；另一种是采用国外进口的自动化污染气体监测进行在线监测的方法。这2种方法都有监测成本过高，移动不便的不足之处。为应对现有污染气体监测设备的不足而设计了基于无线传感器网络的污染气体监测系统，取2种监测方法的长处，切实地满足了环境监测部门的需要。监测人员只需在易发大气污染事件的现场布置传感器节点，就可以实时的监测污染突发现场的各种污染气体浓度，为及时处置大气污染突发事件提供有力的技术保证。

1 无线传感器网络的系统结构
    本文设计的污染气体自动监测系统需要监测一个城市内的各种化工厂以及发电厂的空气环境质量。本文的无线传感器网络的系统架构如图1所示，通常包括传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点(Sink)和监测中心。在图1中大量的传感器节点分别放置在工厂内的各个角落以及周边环境，通过自组织的方式构成网络(即子站)，各子站之间相互独立，互不通信，只有子站内部节点可以相互交换数据，子站内的传感器节点负责对数据的感知和采集，数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经多跳路由后到达汇聚节点(各子站网关)。汇聚节点对收集到的数据进行处理分析并通过以太网将结果传送到监测中心，监测中心的管理员通过对收集到的数据，做出判断或者决策。

2 Zigbee技术简介
    ZigBee无线传感器网络是由许多传感器以自组织方式构成的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和ZigBee技术，可广泛应用于工业监测、安全系统、环境监测和军事等领域。ZigBee技术是一种低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信网络技术。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。通过路由和各节点问通信的接力，传输距离将可以更远。它工作在868 MHz，915 MHz和2．4 GHz3个频段上，采用直接序列扩频技术(DSSS)，共有27个信道。ZigBee的技术优势有：低功耗、低成本、低速率、短时延、高容量、高安全、免执照频段等。由这些技术优势，选择进行了支持ZigBee 802．15．4协议的无线传感器网络节点的硬件设计。

3 节点的硬件电路设计
    本文无线收发模块采用芯片XBee-PRO DigiMesh900。XBee-PRO DigiMesh 900是长距离通信的嵌入式无线射频模块。它充分结合了易于使用的网状网络和900 MHz工作频段通信距离长的优势，基于快速的156 Kb／s无线射频平台，实现了DigiMesh对等构架，简化了网状网网络，同时提供了先进的网络功能如支持路由器休眠模式和更高的网络节点密度。从而可以使OEM厂商延长依靠电源供电的网络运行时间，确保网络的稳定性。产品特点如下：
    (1)支持路由器休眠模式，延长电池寿命。
    (2)高级的网状网功能包括自愈和自动搜索。
    (3)支持通过无线配置。
    (4)采用2．1 dB全向天线最大1．8 mile／3 km可视通信距离。
    (5)采用高增益天线最大6 mile／10 km可视通信距离。
    (6)工业级宽温(-40～+85℃)等。
    利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传感器硬件节点组成框图如图2所示。

3．1 处理器无线模块接口设计
    C8051F系列单片机是真正能独立工作的片上系统，SOCCPU有效地管理模拟和数字外设可以关闭单个或全部外设以节省功耗，FLASH存储器还具有在线重新编程的能力即可用作程序存储器又可用作于非易失性数据存储。其主要具有以下几方面的特点：
    (1)集成了丰富的模拟资源和外部设备接口，具有8～12位多通道ADC，1～2路12位DAC。在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换。带有I2C／SMBusSPI 1～2个UART多类型串行总线，此外还根据不同的需要集成了SPI、USB、CAN、LIN等接口，外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗。
    (2)增加了中断源，标准的8051只有7个中断源，C8051F系列单片机扩展了中断处理这对于时实多任务系统的处理是很重要的，扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源。
    (3)高速指令处理能力，基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构。CIP-51采用流水线结构，70％的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍。
    (4)复位方式多样化，C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位，提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、引脚配置复位等。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。
    综上所述，我们采用C8051F340作为处理模块，主要任务是完成对所采集的信息进行转换、处理以及存储并将处理好的数据转发给无线收发模块。处理模块与无线收发模块之间的连接非常简单，处理模块将接收到的数据转换成串行数据发给无线收发模块，所有只需要将单片机端的TXD(发送数据)、RXD(接受数据)分别于无线收发模块的DIN，DOUT相连就可以了。
3．2 数据采集模块
    数据采集单元用于实时采集周围空气中污染气体的信息，主要由各种传感器及其接口电路组成。本文采用的传感器包括一氧化碳传感器、一氧化氮传感器、氯气传感器、二氧化硫传感器等，这些属于采集环境污染气体信息的最基本传感器。各传感器的基本信息如下表1所示。

3．3 电源模块
    作为环境监测的无线传感器网络的应用，节点需要在无人看守的情况下工作，能量供应是系统持续工作的重要保证，本设计采用市面上最常用的锂电池作为电源，可充电的锂离子电池的额定电压为3．6 V。锂离子电池的放电曲线平坦，可以保证无线收发模块在正常工作时具有更好的线性特性。Linear Technology公司的LTC3440是一种高效率、固定频率、降压一升压型DC／DC转换器，能够用单个电感器调节输出电压，使其高于、低于或等于输入电源电压。其输入和输出电压范围均为2．5～5．5 V。LTC3440在所有工作模式下都具备连续输送功能，非常适用于延长单节锂电池、多节碱性或镍氢电池的工作时间，在这些电池中，输入电压随着电池放电而下降。锂离子电池在3．3 V左右放电时间较长，能更大限度提高电源效率，延长电池寿命。

    无线收发模块需要外部提供3．3 V的电压，数据采集模块需要5 V直流电压，采用LTC3440芯片可以将输入的电池电压转换为3．3 V，5 V，图3是将电源电压转换成3．3 V电压，转换成5 V电压只需要改变电阻、电容值就可以。

4 无线收发模块仿真
    无线收发模块负责节点间的数据传输及组网功能，利用NS2网络仿真软件对ADHOC自组织网络进行仿真。NS2(Network Simulator vers ion 2)是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。为了分析仿真结果，NS2提供了两种基本数据追踪能力跟踪和监视。跟踪生成“．nam”和“．tr”文件。能够将每个数据包在任何时刻的状态保存到指定文件中，记录包在队列或链路中丢弃、到达、离开等；监视用户有选择地记录自己需要的数据，利用Gawk，Gnuplot等工具统计发送包、接收包及丢弃包等结果进行分析。本文的MAC类型采用EEE80 2．15．4协议，路由采用DSR协议。20个节点，分布在300×300 m的正方形区域中，每个节点随机随机分布，仿真时间为60 s，pause time设为60 s，也就是在仿真这段时间里没有mobility，流量是设置为cbr流，速率为1．0 b／s，最大联机数目为6个，每一条数据流每秒送出5个封包(可以根据需要对设置进行修改)。利用setdest、cbrgen工具来完成所需的场景设置。图4为．nam的动画模拟图像。

5 结果分析
    仿真过程中同时生成一个仿真过程记录文件out．tr，是分析仿真过程的重要依据。以下是其中的一个片段：
   
    标号为9的节点在7．918327669秒时发送一个cbr分组，该分组的UID为32，长度36，目标接点的MAC地址为9，原节点的MAC地址为0，IP头的源地址为7节点的2号端口，目的地址为9号节点的0端口，分组的TTL(Time To Live)值为32。
    编写．awk文件，用于从跟踪文件中统计MAC层cbr包的丢包和延迟信息。得到数据如下：
    Toral packet sends：737
    Total packet receives：736
    Packet delivery fraction：99．8643
    以上数据说明发送737个包，接受到736个，丢包率为99．8643 ％，丢包率还是比较小的，这主要由WSNs的网络拥塞引起的。
    Average End_to_End delay：0．003912 s
    first packet received time：2．582152 s
    图5仿真实验封包传输延迟图。

    从图中可以看出延迟比较小，平均延迟只有3．912 ms，第一个包的接收时间为2．582 152 s，这主要是由于刚运行时查找路径表引起的。
    当将分布区域变为600 m×600 m时，得到如下数据：
    Total packet sends：740
    Total packet receives：648
    Packet delivery fraction：87．5676
    Average End_to_End delay：0．017172 s
    first packet received time：2．802245 s
    MAC层cbr封包的传输延迟图如图6所示。
    当将分布区域变为1 000 m×1 000 m时，得到如下数据：
    Total packet sends：755
    Total packet receives：379
    Packet delivery fraction：50．1987
    Average End_to_End delay：0．076575 s
    first packet received time：2．762081 s
    MAC层cbr封包的传输延迟图如图7所示。

    将3种情况分析对比可以看出，封包的丢失率和cbr流的传输延迟时间与无线传感器网络的分布范围有关，也就是和节点间的传输距离有关。在节点数不变和其他各种设置条件不变的情况下，网络范围越广，节点问的距离越长，封包的丢失率越大，cbr流的传输延迟时间也越长。

6 结语
    由于无线传感器网络的丢包率低，延迟时间短等特点，可以使人们在任何时间、地点和条件下，都能获取大量详实、可靠的信息。使得其在军事、农业、环境、医疗等领域都有广泛的应用。对于长距离节点间的数据传输，减少丢包率这方面还有待研究和改善。