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1、基于无线模块的环境检测系统的设计【摘要】随着我国经济的迅速发展，环境保护也日益受到国家和广大群众的保护，全国各级环保机构也在环境保护方面加大力度。近年来国民经济飞速发展，工业企业不断增多，由此带来的问题就是环境污染源的增加和分布的复杂。与此同时，以城市为中心的环境污染通过乡镇企业扩散到农村，严重影响我国的可持续发展进程。 随着射频技术、集成电路技术的发展, 无线通信功能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快, 并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是计算机、通信和传感器3项技术相结合的产物，近年来得到了飞速发展，已成
2、为计算机科学领域一个活跃的研究分支。而Zigbee是部署无线传感器网络的新技术，是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。【关键字】无线传感器网络 ；ZigBee ；IEEE 802.15.4 ；无线电技术目 录 摘要及关键字2 目录3一、 绪论4 （
3、一）课题的简介及其意义4 （二）环境检测的历史、现状和发展4 （三）国内现有环境检测面临的问题4二、关于zigbee的简单介绍5 （一）最大的1 2个zigbee应用5 （二）应用结构5 （三）zigbee 的概述5三、基于zigbee 的无线定位系统研究6 （一）定位系统节点类型6 （二）定位基本原理介绍8四、基于zigbee技术的环境检测系统的开发9 （一）引言9 （二）zigbee协议框架及其网络拓扑结构9 （三）无线传感器节点硬件设计10 （四）节点的软件设计10 （五）zigbee网关设计11 （六）监控终端软件设计11五、总结与展望11参考文献12致谢13湖南广播电视大学毕业作业写
4、作过程记录表14湖南广播电视大学毕业作业评审表15基于无线模块的环境检测系统的设计一、绪论（一） 课题的简介及其意义环境，是人类赖以生存和活动的场所，也是向人类提供生产和生活所必须的自然资源的供应基地。环境问题可分为两大类：一类是由于自然环境因素的破坏和污染所引起的。如：火山活动，地震，风暴，海啸等产生的自然灾害，因环境中元素自然分布不均引起的地方病，以及自然界中放射物质产生的放射病等。另一类是人为因素造成的环境污染和自然资源与生态环境的破坏。本课题目的是构架一个能使环保部门监控、管理环境的监测系统。通过对环境的全天候，全方位的控制，借助于完整可靠的通讯协议，利用实时的传输系统，准确及时地反映
5、监控对象的变化状态，为环境管理者提供管理决策的依据，提高环境监管的效率，提升环保监测的现代化水平。传统的检测方法需要环保部门将大量的精力投入到环境现场的数据采集工作之中。但是随着污染源的增加，这种原有的检测方式，已经无法起到实时监控污染的目的。利用现代化最先进的电子技术，通讯技术，软件技术，建立一套环境自动监控系统，实现监控系统的自动化，从更高的层次上对环境污染进行有效的管理，体现了环保作为一个新兴行业的发展方向；有利于监控污染企业，增加企业的自律。促进他们履行自己的环境业务，帮助企业提高治理设施的水平；可以大大降低环境污染，提高企业经济效益的同时，也提高了环保投资的社会效益。因此，做好各项环
6、境保护工作，特别是做好环境管理工作，必须充分重视、依靠和发挥环境检测的作用，需要不断加强环境检测技术的开发研究和更新。（二） 环境检测的历史、现状和发展20世纪60年代以来，环境问题逐渐从地区性问题演变为全球性问题。在解决环境问题的长期探索中，国际社会已经逐渐认识到，单纯依靠污染源控制技术已经解决不了日趋复杂和广泛的环境问题，只有按照生态可持续性和经济可持续性要求，改革传统意义上单纯追求经济增长的战略和政策，对传统的经济增长模式，包括生态和消费模式做出重大的改革，加强对人口的控制，改变现有的技术和生产结构，减少自然资源的消耗，人类才有可能实现自身的可持续发展。作为环境保护的重要组成部分。环境检
7、测曾被形象的地比喻为环境保护的耳目、哨兵和尺子，是获取环境信息、认识环境变化、评价环境质量、监督排污状况的重要途径，是监督执行环境法规、环境标准的重要技术手段。70年代，是我国环境检测的起步阶段，颁布了一系列的法规文献，标志着我国环保事业开始起步。在大众的观念中，政府过去所提出的“三废”处理和综合利用的思想开始逐步地被“环境保护”的概念所代替。开展对重点区域的的污染调查和检测。各级政府部门也通过制定一系列的环境保护规划，开始实行污染源限期治理等管理制度。80年代，我国的环境检测进入了调整和巩固发展的阶段，制定我国环保事业的战略方针，标志我国 环保工作进入发展阶段。90年代之后，充实提高深化阶段
8、，可持续发展成为社会和经济发展的基本思想，我国已初步形成了具有中国特色社会主义的环境检测技术规范、环境检测分析方法、环境质量标准体系和环境质量报告制度，并逐步迈向标准化的轨道。环境检测实现了监测信息公开，环境管理政务公开，检测系统紧扣环境管理和社会公众的需要，在提高公众环保意识的同时也极大提升了环境检测的地位和形象。（三） 国内现有环境检测面临的问题1.环境检测仪器的落后。2.传统的环境检测系统采用的数据传输通信方式包括有线modem或者光纤灯方式。3.传统的环境检测系统在结构上，通常采用的都是封闭式的自动化检测体系，监测站点监测中心通过某种特定的专用网络进行信息和数据交换。4.环保职能部门所
9、采用标准和规范不统一。二、关于zigbee的简单介绍(一) 最大的12个zigbee应用1.监控照明、HVAC和写字楼安全。2.配合传感器和激励器对制造、过程控制、农田耕作、环境及其它区域进行工业监控。3.带负载管理功能的自动抄表(AMR)，这可使得地产管理公司削减成本和节省电气能源。4.对油气生产、运输和勘测进行管理、控制、数据采集及其它遥感勘测。5.家庭控制照明、HVAC、安全和其它系统。6.对病患、设备及设施进行医疗和健康监控。7.军事应用，包括战场监控和机器人控制。8.汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。9.消费电子应用，对玩具、游戏机、电视、立体音响、DVD播放机和其它家
10、电设备进行遥控。10.应用于计算机外设，如鼠标、键盘、游戏控制器及打印机。11.有源RFID应用，例如电池供电标签，它可用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理。12.基于互联网的设备之间的机器对机器通信（M2M）（二） 应用结构APSDESAP中的应用结构是ZigBee设备上的应用对象中的环境。在应用结构内，这个应用设备发送和接收数据直接通过APSDESAP。这个应用对象在完成以下任务后直接接到ZDO公共部分。1. 控制和管理在ZigBee设备中的协议层。2. 创建标准网络功能。这个数据服务倘若通过APSDESAP，包括请求、确认、回答和指出原始的传递数据。在同等应用实体之间请求支持原
11、始数据传送。请求原语呼叫的结果确定原始报告。指出原始的用于指出数据来自于应用对象目的地文件APS.（三） zigbee的概述ZigBee栈体系包含一系列的层原件，包含IEEE802.15.4 2003标准MAC层和PHY层，当然也包括ZigBee的NWK层。每个层的原件提供相关的服务功能。图1为ZigBee栈结构框架图。 图1 zigbee栈结构框架图三、 基于zigbee的无线定位系统研究（一） 定位系统节点类型无线定位主要由ZigBee网关（location）、参考节点(reference nodes)以及盲节点（blind nodes）组成。ZigBee网关：无线定位系统的网络协调器，通
12、过RS232串口延长线与PC相连。它在整个系统中起着至关重要的作用，首先它要接收由监控系统提供的各种参考节点和移动节点的配置数据，并发送给相应的节点；其次还要接收各节点反馈的有效数据并传送给监控 系统。网关工作 流程如图2所示。是是开始收到PC机数据？收到各个节点数据？通过串口发送发送至节点计算出校验值从串口发出结束否校验正确图2 网关工作流程图参考节点：无线定位系统中已知坐标的节点是ZigBee网络中的路由器，为使参考节点能提供RSSI值以及一个准确的包含自己位置（X,Y）的坐标的信息包给移动点，所以参加节点必须精确地配置在需要定位的区域中。参考节点工作流程如图3所示。开始收到数据RSSI请
13、求？收到RSSI？参考节点请求配置？多考节点配置？结束多次手机RSSI发送RSSI平均值将配置收到数据RSSI请求？多考节点配置？参考节点请求配置？收到RSSI？发送RSSI平均值将配置信息写入Flash取出配置值发送给协调器多次手机RSSI信息写入Flash取出配置值发送给协调器否是否否否否是是是是图3 参考节点工作流程图盲节点：无线定位系统中移动节点，它通过已知参考节点的坐标来计算自身坐标值的节点，是ZigBee网络中的路由器，移动节点能够与离自己最近的参考节点通信，收集这些节点的（X,Y）坐标和RSSI值，根据这些信息和输入参数（A,N）一起计算自己坐标信息。将适当的信息发送给网关，通过
14、RS232传给计算机定位监控系统。盲节点定位流程图如图4所示。开始收到数据RSSI请求？盲节点请求配置？盲节点发现请求？收集RSSI应答？盲节点配置？结束强制位置发现将配置信息写入Flash取出配置值发送给协调器接收RSSI平均值强制位置发现否是是否是是是是否否否否图4 盲节点定位流程图（二） 定位基本原理介绍本研究采用CC2431无线定位引擎技术，该技术基于RSSI，定位系统由参考节点组成。参考节点是已知自身位置并可以将其位置通过发送数据包的方式通知其邻节点。盲节点接收参考节点发出的数据包信号，从数据包中获取参考节点位置坐标及相应的RSSI值，并将其写入定位引擎，然后利用定位引擎计算可以读出
15、自身位置，RSSI值是由接收节点（盲节点）计算获得。在参考节点发送给盲节点的数据包内，至少包含参考节点的水平位置坐标参数X和竖直位置坐标参数Y，定位原理如图5所示。图5 定位原理示意图硬件定位引擎CC2341在速度、精度、占用处理器时间等方面都比软件定位方法更有优势。定位引擎的特点：定位估计算法需3到16个参考节点；定位估计分辨率为0.25m;少于50us的计算节点位置耗时；定位偏差小于3m；采用分布式计算定位估计方法，该方法是使用已知参考节点的RSSI信息进行定位。集中计算方法带来的大量网络运输与通信延迟问题分布式定位计算都可避免。四、基于zigbee技术的环境监测系统的开发（一） 引言Zi
16、gBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌人各种设备。Zigbee技术有如下几点优势:(1)成本低，Zigbee技术是免协议专利费的，而且每块芯片的价格大约为2美元左右;(2)低功耗，在低耗电待机模式下，两节五号干电池可支持1个节点工作半年至两年时间甚至更长;)(3)低速率，Zigbee工作在20一250kbps的较低速率，在
17、不同频带间分别提供250kbps(2.4GHz),40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率满足低速率传输数据的应用需求;(4)近距离，其传输范围一般介于10一100m之间，在增加射频(RF)发射功率后，亦可增加到1一3km;(5)短时延，Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转人工作状态只需15ms，节点连接进人网络只需30ms，进一步节省了电能;(6)大容量，Zigbee可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网;(7)安全性能好，Zig
18、bee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。（二） zigbee协议框架及其网络拓扑结构ZigBee协议是一种低成本、低功耗、低速率嵌入式设备互相间及与外界网络通信的组网解决方案，它是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee协议栈结构如图6所示。应用层 网络安全层媒体接入控制物理层 图6 ZigBee协议框架在标准规范的制订方面，主要是IE
19、EE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC与PHY（物理层）规范，在2003年5月通过802.15.4标准； ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了ZigBee联盟。 在网络层方面，ZigBee联盟制订可以采用星形和网状拓扑，也允许两者的组合，称为丛集树状。根据节点的不同角色，可分为全功能设备（Full
20、-Function Device；FFD）与精简功能设备（Reduced-Function Device；RFD）。相较于FFD，RFD的电路较为简单且存储体容量较小。FFD的节点具备控制器（Controller）的功能，能够提供数据交换，而RFD则只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。 ZigBee协议套件紧凑且简单，具体实现的硬件需求很低，8位微处理器80c51即可满足要求，全功能协议软件需要32K字节的ROM，最小功能协议软件需求大约4K字节的ROM。（三） 无线传感器节点硬件设计无线传感器网络的节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。节点的硬件原理框图如图7。处理器
21、模块和无线通信模块采用CC2430 芯片, CC2430是一个真正的系统芯片( SoC) , 它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列扩频) 射频收发器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工艺生产, 工作时的电流损耗为27 mA; 在接收和发射模式下, 电流损耗分别小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合无线传感器网络的应用。大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器SHT10。电源模块采用3V 纽扣电池。图7 节点硬件设计 SHT10 用于采集周围环境中的温度和湿度
22、, 其工作电压为2.45.5V, 测湿精度为4.5%RH, 25时测温精度为0.5。采用SMD 贴片封装, 与处理器的通信电路I2C通信协议。（四） 节点的软件设计节点软件设计采用了TinyOS操作系统，TinyOS 是美国的伯克利大学开发的,专为嵌入式无线传感器网络而设计，是一款自由和开放源码的操作系统和平台, 它采用面向元件结构,确保快速响应和执行,同时减小了代码量,以适应无线传感器网络严格的存储空间需要。它运行在每个网络节点上,是其他上层应用和协议运行的前提。其操作系统、库和程序服务程序是用nesC 写的。nesC 是一种开发组件式结构程序、具有C 语法风格的语言,其组件层次结构就如同一
23、个网络协议栈,底层的组件负责接收和发送原始的数据位,而高层的组件对这些数据进行编码、解码,更高层的组件负责数据打包、路由和传输数据。组件用接口互相连接。TinyOS为普通的抽象描述提供了接口和组件，例如数据包通信，路由，感知，行为和储存。 无线传感器节点的应用程序采用nesC编写，分为数据采集、电池能量检测和无线通信这三个分别设计的模块。无线路由节点和无线终端节点比无线终端节点多一个数据汇集和上传的功能。（五） ZigBee网关设计在该系统中，需要实现ZigBee无线传感器网络与以太网的互联，把网络中监测的温湿度数据需要发送到监测中心主机进行分析和显示。ZigBee网关实现该功能, 担当Zig
24、Bee网络和以太网的协议转换。ZigBee网关由下列部分组成: 内部集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频(RF) 收发器的CC2430无线单片机; 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太网控制器芯片等。（六） 监控终端软件设计作为一个完整的环境监控系统，除了无线传感器网络技术研究，运行在计算机服务器上的上层管理软件必不可少。本系统中，上层管理软件采用三层C/S 模式，实时对传感器网络送来的数据进行处理，形成用户最终关心的数据表现形式，局域网内的办公用户在经过授权后，可以读取监控主机上的实时数据，实现远程的监测。监控应用软件还对传感器网络
25、中的每个节点进行跟踪管理。对于监控到异常情况，上层管理软件使用声光、短信、电话实时报警方式。可显示参数列表、实时曲线图（对应具体数值并任意调整坐标）、实时数据、折算数据、累计数据、历史、报警画面、报表等多种显示、统计功能更加贴近用户需求。五、总结与展望为了推动ZigBee技术的发展，Chipcon（已被TI收购）与Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee联盟（ZigBee Alliance），目前该联盟已经包含130多家会员。该联盟主席Robert F.Haile曾于2004年11月亲
26、自造访中国，以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。据市场研究机构预测，低功耗、低成本的ZigBee技术将在未来两年内得到快速增长，2005年全球ZigBee器件的出货量将达到100万个，2006年底将超过8000万个，2008年将超过1.5亿个。这一预言正在从ZigBee联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林立的短距离无线通信领域，ZigBee的快速发展可以说是有些令人始料不及的，从2004年底标准确立，到2005年底相关芯片及终端设备总共卖出1500亿美元，应该说比被业界“炒”了多年的蓝牙、Wi-Fi进展都要快。 ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的
27、推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，我们还应该清楚的认识到，基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。参考文献1刘士俊 温彦平，环境检测技术研发与可持续发展，科技情报开发与经济，2003年第七期，108-1092刘建
28、国 刘文清 魏庆农，环境检测技术及其发展方向，2001年4月，7-113田劲松，环境在线检测信息系统的研究与开发，武汉理工大学，2004年5月4周广辉，基于无线网络和Internet的环境检测系统，大连理工大学，2005年12月5孙利民 李建中 陈渝，无线传感器网络，北京清华大学出版社，2005年6郑增成 吴朝晖，若干无线传感器网络路由协议比较研究，计算机工程与设计，2006年7zigbee无线网络技术入门与实战8zigbee2006无线网络与无线定位实9zigbee应用方案与典型应用10zigbee各领域应用简介致谢历时将近一个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和
29、障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。从论文的选题到资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，尤其要强烈感谢我的论文指导老师王老师，他对我进行了无私的指导和帮助，在忙碌的教学工作中挤出时间来，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多模板素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。在论文完成之际，我的心情万分激动。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！13