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。