基于Zigbee无线传感器网络的环境监测系统设计

沈益辉+秦会斌

摘要：

针对传统环境监测方法耗费人力、监测区域有限等问题，提出将Zigbee应用于环境监测系统。以CC2430模块为核心构建无线传感网络，将采集的土壤温湿度、空气温湿度数据传输至远程监测中心，通过上位机软件读取与储存环境数据，实现环境参数远程监测。测试结果表明，系统能有效监控环境参数。

关键词：

环境监测；Zigbee；无线传感网络

DOIDOI：10.11907/rjdk.172058

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）012-0102-04

Abstract：Aiming at problems of manpower and restricted area of traditional environmental monitoring system，propose using Zigbee inenvironmental monitoring system. Wirlesssensor networks（WSNs） is built，which uses CC2430，the temperature and humidity value of the soil and air are collected by sensor and sent to remote monitoring center. Environmental data can read and store by PC software which realizes remote monitoring of environmental variables. Test results show that the system can monitor environmental parameters effectively.

Key Words：environmental monitoring；Zigbee； wirless sensor networks（WSNs）

0 引言

传统环境监测方法一般通过人工方式使用温度、湿度等测量仪器测量环境参数，耗费大量人力、财力，而且在环境恶劣检测区很难使用人工方式实时监测，这些都是传统监测方法的弊端[1]。

近年，无线传感技术成为研究热点，该技术逐渐被引入环境监测系统。无线传感网络由传感器节点构成，通过无线通信方式形成一个自组织网络系统[2]。节点之间通过相互协作实现感知与采集环境信息参数，并可发送给远程用户。环境监测使用无线传感网络技术，可更智能与有效监测环境信息，这也是未来环境监测发展趋势。

Zigbee因功耗低、节点数多等优点得到广泛应用。无人居住恶劣环境下进行测量使用Zigbee技术能够实现无人看守、功耗低要求，Zigbee无线传感器网络将获得的土壤与空气温湿度数据发送用户监控中心，实现环境自动化监控。

1 系统设计

基于Zigbee无线传感器网络的环境监测系统由数据终端模块、数据中转器模块、采集节点组成。采集节点使用CC2430模块获得传感器获得的土壤与空气温湿度信息，以无线多跳方式传给汇聚节点[3]。数据中转器处理采集数据后传给数据终端；数据终端通过GPRS服务端获得数据使用上位机进行存储与显示，最终实现远程监控环境功能。基于Zigbee无线传感器网络的环境监测系统整体框架如图1所示。

1.1 采集节点

采集节点是Zigbee组网设备终端，采集与处理传感器数据并将环境参数发送汇聚节点。本系统采集节点由传感器、CC2430、信号调节电路组成。温度与湿度传感器采集土壤与空气温湿度环境参数；CC2430模块模拟化处理环境变量并发送汇聚节点；信号调节电路可实现对传感器供电等作用。采集节点框架如图2所示。

1.2 数据中转器

数据中转器由工控机、GPRS模块、汇聚节点组成。数据中转器既要处理所有采集节点数据，又要与远程数据处理中心上位机进行通信。汇聚节点为Zigbee组网中协调器角色，采集节点获得的环境参数通过Zigbee网络传输至汇聚节点，汇聚节点通过串口通信方式将数据传送工控机，接着使用GPRS模块将参数传输至中转服务器，等待远程上位机接收[4]。数据中转器框图如图3所示。

1.3 终端数据

远程数据终端由上位机、数据库与GPRS服务端组成。上位机从GPRS服务端获得数据中转器发送的环境参数，进行存储与显示，数据库管理得到的环境参数。终端数据框架如图4所示。

2 软件设计

系统采集节点通过传感器周期性采集土壤与空气温湿度环境参数并传输至汇聚节点。汇聚节点处理数据后以串口方式传给工控机，工控机通过GPRS方式将数据传给遠程上位机。因此，本系统软件设计主要包括环境数据采集与数据传输。

2.1 数据采集软件

2.1.1 传感器

传感器数据采集主要为获取待测环境里土壤与空气温湿度参数。传感器采集软件流程设计如图5所示。

传感器数据采集通过轮询方式实现。每次通过轮询判断待测环境变量传感器控制标志是否打开，若打开则控制信号调节电路打开传感器电源供电，传感器进行数据温湿度采集。

2.1.2 采集节点

采集节点数据采集主要通过CC2430模块获得传感器得到的原始环境参数。CC2430模块处理传感器采集的数字参数得到模拟量数据。采集节点数据采集软件流程设计如图6所示。

采集节点数据采集过程如下：①进行初始化操作，包括协议栈与SPI总线操作；②加入Zigbee网络，入网操作是指所有节点自组网过程；③在OSAL控制下查询有没有任务被置位，进行环境参数采集任务，没有采集任务或采集任务已完成进入休眠状态，同时采用时间校准方式保证各个节点时间同步。通过节点采集可获得传感器得到的环境参数。

2.2 数据通信

2.2.1 采集节点

采集节点数据通信主要为接收的传感器数据发送汇聚节点。采集节点通过z-stack协议栈与汇聚节点通信，进行初始化操作。采集节点数据通信软件流程设计如图7所示。

通过OSAL控制采集节点与汇聚节点间通信，进行无线传输，通过创建的SampleAPP进行处理。若引入的消息事件（SYS EVENT）被触发，判断触发事件类型。收到AF层数据时首先进行数据处理，之后判断与汇聚节点的通信事件是否被触发，被触发后即可进行采集节点与汇聚节点间通信。通信事件主要包括本地采集数据上传、节点配置、事件校准、本地节点邻居表上传及本地路由表上传[5]。

2.2.2 汇聚节点

匯聚节点数据通信主要是与采集节点、工控机的通信过程。采集节点得到环境数据通过Zigbee无线传感网络传输至汇聚节点，汇聚节点获得数据通过串口传给工控机[6]。创建一个SampleApp处理汇聚节点数据通信，此任务创建串口通信、无线通信、休眠3个事件。汇聚节点数据通信软件流程设计如图8所示。

汇聚节点数据通信流程如下：①汇聚节点完成z-stack初始化配置；②启动构建传感网络，首先本身加入网络系统，然后允许与本节点通信的节点加入网络，最后对采集的节点进行点名操作，判断网络是否构建完毕，此为Zigbee自组网过程[7]；③通知工控机可进行通讯，利用OSAL控制数据传输，当串口通信被置位，与工控机通讯。当无线通讯事件被置位，与采集的节点通讯，否则进入休眠降彽功耗。

2.2.3 数据终端

数据终端数据通信由上位机软件通过GPRS服务端接收数据中转器传输的环境参数。数据中转器的工控机接收环境变量后通过GPRS模块将Zigbee传感网络收集的环境参数传输至GPRS服务端，远程上位机读取GPRS服务端数据进行存储与可视化显示，方便用户实时监控待测环境变量[8]。

3 实验

选取一块草地对本系统进行测试。在大概150m＼+2范围使用采集节点，按正八边形顶点位置放置。使用1个汇集节点，放在8个采集节点中心区域。采集节点上布置土壤、空气温湿度传感器，每10min传感器采集1次环境变量，原始数据经处理后通过Zigbee无线传感器网络系统传至远程控制中心上位机软件，上位机读取得到温湿度环境参数（见表1）。

本系统环境数据处理方式是采集与传输，传输过程不会对系统待测参数带来误差，误差主要发生在数据采集过程。对比采集的温湿度数据与实际数据可知，误差原因在于温湿度传感器采集数据及CC2430模块数模转换的精度误差[9]。

4 结语

本文将Zigbee无线传感器网络应用于检测土壤与空气温湿度环境参数，通过GPRS传输数据至控制中心上位机软件，实现用户远程监控。Zigbee无线传感器网络环境监测系统设计具有智能化、实时性高、检测范围广等优点，对未来环境监测发展方向有重要指导意义[10]。但也存在不足，如何通过参数得到最优化的评估系统环境需要进一步探索。

参考文献：

[1] 张云龙.冻土区铁路路基GPS一机多天线远程监测系统的研究与设计[D].北京：北京交通大学，2013.

[2] 赵强利，蒋艳凰，徐明.无线传感器网络路由协议的分析与比较[J].计算机科学，2009（2）：35-41.

[3] 于亮.面向无线传感器网络的加密认证系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2015.

[4] 冯军，宁志刚，阳璞琼.基于ZigBee的无线抄表系统设计[J].电力自动化设备，2010（8）：108-111.

[5] 李强.基于无线传感器网络低功耗节点设计的关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011.

[6] 吴呈瑜，孙运强.基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统[J].仪表技术与传感器，2008（5）：38-39.

[7] 张松涛.无线传感器网络定位问题研究[D].武汉：华中科技大学，2010.

[8] 王侠.ZigBee无线传感器网络的研究与应用[D].武汉：同济大学，2007.

[9] 宁炳武，刘军民.基于CC2430的Zigbee网络节点设计[J].电子技术应用，2008，34（3）：95-99.

[10] 刘伟，胡安林.无线传感器网络覆盖率与节能性研究[J].电子技术应用，2016（6）：98-100.

（责任编辑：何 丽）