zigbee的應(yīng)用滇池水環(huán)境監(jiān)測

1、基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的滇池水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、紫蜂簡介：Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的同義詞。根據(jù)該協(xié)議，該技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這個名字來源于蜜蜂的八字舞，因?yàn)槊鄯湟揽匡w翔的“舞蹈”和搖動翅膀的“之字形”與同伴傳遞花粉位置的信息，也就是說，蜜蜂依靠這種方式在群體中形成交流網(wǎng)絡(luò)。它具有距離短、復(fù)雜度低、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的特點(diǎn)。主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee是一種廉價、低功耗的短程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。工作頻率：2.4千兆赫-2.5千兆赫ISM微波波段識別距離：有效識別距離可達(dá)1500米識別速度：最高識別

2、速度可達(dá)200公里/小時識別能力：同時識別200個標(biāo)簽識別方法：全方位識別和定向識別環(huán)境溫度：-40-85使用壽命：30年抗干擾：使用通道隔離技術(shù)，多個設(shè)備不會相互干擾安全性能：防水、防雷、防沖擊，滿足工業(yè)環(huán)境要求通信接口：RS232/RS485/RJ45電源：9V/12V-3A DC電源天線極化：垂直數(shù)據(jù)速率：高達(dá)10M位/秒外形尺寸：15.5厘米* 14厘米* 5.5厘米產(chǎn)品重量：1千克Zigbee是一種高度可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)據(jù)傳輸模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通信距離范圍從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米和千米，并支持無限擴(kuò)展。Zigbee是由多達(dá)65000

3、個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。不同于移動通信的碼分多址網(wǎng)絡(luò)或GSM網(wǎng)絡(luò)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要用于工業(yè)領(lǐng)域的自動控制數(shù)據(jù)傳輸。因此，它必須簡單，使用方便，工作可靠，價格低廉。移動通信網(wǎng)絡(luò)主要是為語音通信而建立的，每個基站的價值一般在萬元人民幣以上，而每個Zigbee“基站”不到1000元人民幣。每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅可以作為監(jiān)控對象，例如，連接到它的傳感器可以直接采集和監(jiān)控數(shù)據(jù)，還可以自動傳輸來自其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。此外，每個紫蜂網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)可以無線連接到

4、在其自身信號覆蓋的范圍內(nèi)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸任務(wù)的多個隔離子節(jié)點(diǎn)(RFD)。二、正文：滇池是中國第六大內(nèi)陸淡水湖。過去，湖周圍地區(qū)經(jīng)常被洪水淹沒。早在1262年就在盤龍河上修建了松花江大壩，1268年又開鑿了海口河，增加了滇池的流量，減少了湖周的洪澇災(zāi)害。自1955年以來，在湖泊上游的河流上修建了10多座大中型水庫，并沿湖泊修建了數(shù)十座電動排灌站，以緩解洪水，確保農(nóng)田灌溉和城市工業(yè)及生活用水。鯉魚、鯽魚、金錢魚等等都產(chǎn)于湖里。滇池污染是一個令人擔(dān)憂的話題。為了凈化滇池渾濁的湖水，國家和云南省自“七五”計(jì)劃以來已投入40多億元用于污染控制。雖然中央和地方政府的這些資金以及世界銀行的貸款有效地緩解了

5、滇池生態(tài)環(huán)境的惡化，但并沒有完全根治滇池的污染。目前，它仍屬于五種嚴(yán)重污染的湖泊。近年來，滇池污染十分嚴(yán)重，被國務(wù)院列為“三湖三河”之一。滇池污染經(jīng)歷了一個漫長而復(fù)雜的過程。水污染始于20世紀(jì)70年代末，進(jìn)入80年代，尤其是90年代，富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重。滇池水污染的原因是：第一，滇池位于昆明市下游，是滇池流域最低的凹地；二是生活污水進(jìn)入滇池；第三，工業(yè)廢水進(jìn)入滇池；第四，農(nóng)業(yè)面源污染；第五，滇池流域城市化發(fā)展迅速；第六，滇池是一個半封閉的湖泊，缺乏足夠的清潔水來替代湖泊水體；第七，在自然演變過程中，湖面萎縮，湖盆變淺，進(jìn)入老化階段，內(nèi)源污染物積累，污染嚴(yán)重。近年來，隨著云南省的快速發(fā)展，滇池的水

6、環(huán)境問題一直是國家和社會關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，近年來，可以說在治理方面有了相對的改善。因此，滇池水環(huán)境監(jiān)測已成為越來越多關(guān)注的焦點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)定位等領(lǐng)域，能夠?qū)崟r感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)信息并發(fā)送給觀察者。它具有覆蓋范圍廣、遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)控精度高、網(wǎng)絡(luò)布局快、成本低的優(yōu)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在滇池水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用是近年來的研究熱點(diǎn)。與其他無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比，Zigbee適用于低吞吐量、低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資、高網(wǎng)絡(luò)安全性、不方便頻繁更換電源的場合。在工業(yè)控制領(lǐng)域，利用傳感器組成基于Zigbee技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)采集和分析變得方便和容易。Zigbe

7、e網(wǎng)絡(luò)在傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重點(diǎn)是功耗低，傳輸功率只有0 3.6 DBM；其通信距離可達(dá)30 70米，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，能自動調(diào)整自身發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的前提下，使能耗最小。網(wǎng)絡(luò)功能是Zigbee最重要的特征，也不同于其他無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在網(wǎng)絡(luò)層，Zigbee主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立和管理，具有自配置和自修復(fù)功能。IEEE 802.15.4是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 KB/s)的無線技術(shù)，工作頻率為2.4GHz和868/928 MHz。網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的zigBee協(xié)議集由高級應(yīng)用規(guī)范、

8、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。1傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成本文設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)檢測滇池的各種狀況，包括油污檢測、濁度測量、化學(xué)需氧量測量、海藻測量等。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)形成網(wǎng)絡(luò)，采集滇池中的各種參數(shù)，并以多跳的形式向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)初始化、拓?fù)湫纬珊途S護(hù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚和處理、通信以及與監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互。匯聚節(jié)點(diǎn)是能力較強(qiáng)的傳感器節(jié)點(diǎn)之一。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，校正并融合數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心發(fā)送的指令被相應(yīng)地處理以確定每個節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。后臺監(jiān)控中

9、心負(fù)責(zé)采集和處理從滇池發(fā)回的參數(shù)數(shù)據(jù)，控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜捅O(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。整個滇池監(jiān)控系統(tǒng)由一定數(shù)量的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)、少量的匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成。為了檢測某個區(qū)域，需要在該區(qū)域內(nèi)布置一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋整個區(qū)域，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要完成來自傳感器終端的數(shù)據(jù)融合并上傳到后臺監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析和處理。一般來說，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到監(jiān)控中心的距離比較長，所以現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)可以用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò)連接成本相對較低，傳輸速率高，性價比高，并且可以一直在線。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。傳感器終端節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)可以自動形成自組織多跳網(wǎng)絡(luò)。傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令采集數(shù)據(jù)，并及時通過自適應(yīng)路由和多

10、跳中繼將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)打包并轉(zhuǎn)發(fā)給后臺監(jiān)控系統(tǒng)。2硬件設(shè)計(jì)滇池監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的組成部分，其硬件包括微處理器單元、zigbee通信模塊和電源管理模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)硬件包括微處理器單元、兩個紫蜂通信模塊和一個電源管理模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件包括微處理器單元、Zigbee通信模塊、GPRS模塊和電源管理模塊。2.1節(jié)點(diǎn)微處理器MSP430F149單片機(jī)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，因此可以選擇集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的微控制器。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅完成數(shù)據(jù)采集功能，還完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，因此它們應(yīng)該有足夠的處理能力、程

11、序空間和數(shù)據(jù)空間。本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)是MSP-430F149單片機(jī)，是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗混合信號處理器，稱為混合信號處理器，主要是因?yàn)樗谝粋€芯片上集成了許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器，提供了一個“單芯片”的解決方案。其突出優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓和超低功耗。因?yàn)樗情W存類型，所以可以在線調(diào)試和下載程序。MSP430F149低頻輔助時鐘由32千赫時鐘晶振直接驅(qū)動，可作為后臺實(shí)時時鐘實(shí)現(xiàn)自喚醒功能。集成高速數(shù)字控制振蕩器(DCO)的頻率為8兆赫，可用作中央處理器的主系統(tǒng)時鐘源和中央處理器的子系統(tǒng)時鐘源。2.2節(jié)點(diǎn)紫蜂通信模塊該系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件中的Zigbee通信模塊由工作在全球2.4G

12、Hz頻段的低功耗高性能無線網(wǎng)絡(luò)模塊CC2420實(shí)現(xiàn)。CC2420是符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，性能穩(wěn)定，功耗極低。CC2420的選擇性和靈敏度指標(biāo)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠保證短距離通信的有效性和可靠性。利用該芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持高達(dá)250千字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。傳輸數(shù)據(jù)時，CC2420使用直接正交上變頻。基帶信號的同相分量和正交分量由數(shù)模轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后由低頻濾波器直接轉(zhuǎn)換成設(shè)定通道，再由天線發(fā)射出去。Zigbee通信模塊CC2420與單片機(jī)的連接電路如圖3所示。只需要很少的外圍電路，包括時鐘電路、射頻

13、輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路。芯片的本地振蕩器信號可以由外部有源晶體或內(nèi)部電路提供。當(dāng)由內(nèi)部電路提供時，它需要一個外部晶體振蕩器和兩個負(fù)載電容，其大小取決于晶體頻率和輸入容抗。例如，當(dāng)使用16MHz晶體振蕩器時，其電容約為22pF。射頻輸入輸出匹配電路主要用于匹配芯片的輸入輸出阻抗。與微處理器連接非常方便。它使用SFD、先進(jìn)先出、先進(jìn)先出和共同國家評估來指示發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。微處理器交換數(shù)據(jù)一旦接收到物理幀的SFD場，CC2420在SFD引腳輸出高電平，直到接收到該幀。如果啟用地址識別，地址識別失敗后，SFD引腳立即變?yōu)檩敵龅碗娖?。先進(jìn)先出和先進(jìn)先出引腳指示接收先進(jìn)先出的緩沖狀態(tài)。如

14、果接收先進(jìn)先出緩沖器中有數(shù)據(jù)，先進(jìn)先出引腳輸出高電平。當(dāng)接收先進(jìn)先出緩沖器為空時，先進(jìn)先出引腳輸出低電平；當(dāng)接收先進(jìn)先出緩沖器中的數(shù)據(jù)超過某個臨界值時，或者當(dāng)接收完整幀后，CC2420輸出高電平臨界值時，可以通過CC2420的寄存器設(shè)置先進(jìn)先出引腳。當(dāng)通道上有信號時，CCA引腳輸出高電平，僅在接收狀態(tài)下有效。只有在CC2420進(jìn)入接收狀態(tài)至少8個符號周期后，有效的信道狀態(tài)信息才會在CCA引腳上輸出。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成，微處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設(shè)備，它接收來自微處理器的時鐘信號和芯片選擇信號

15、，并在微處理器的控制下進(jìn)行輸入/輸出操作。當(dāng)SPI接口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，它與時鐘的下降沿對齊。CC2420和MSP430F149通過SPI連接，其中MSP430F149處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430F149還有四個I/o端口與CC2420相連，主要起到查詢CC2420狀態(tài)的作用。電源管理模塊為傳感器單元、處理器單元和無線通信模塊提供能量，并管理電源以提高能量利用率。2.3系統(tǒng)IEEE802.15.4工作模式IEEE802.15.4規(guī)定使用DSSS調(diào)制。CC2420的調(diào)制和擴(kuò)頻功能框圖如圖4所示。每個字節(jié)分為兩組符號，每組4位。首先傳輸?shù)碗A符號。對于多字節(jié)域，首先傳輸?shù)臀蛔止?jié)。

16、然而，安全相關(guān)域首先傳輸高階字節(jié)。每個符號被映射到一個超過16位的偽隨機(jī)序列，即32位碼片序列。碼片碼序列以2 mchip/s的速率傳輸，對于每個符號，首先傳輸?shù)臀淮a片碼。調(diào)制方法是偏移正交相移鍵控，它具有半正弦形狀，相當(dāng)于最小相移鍵控(MFSK)調(diào)制。每個芯片的形狀通過半正弦波在同相和正交相位通道中交替?zhèn)鬏敗?.4數(shù)據(jù)通信幀格式設(shè)置同步報頭包括前導(dǎo)序列和起始幀分隔符。前導(dǎo)序列和起始幀分隔符的長度可以在CC2420中設(shè)置。默認(rèn)值為4字節(jié)和1字節(jié)，符合IEEE.802.15.4協(xié)議。物理報頭位為1字節(jié)，幀控制和序列號分別為2字節(jié)和1字節(jié)；地址和源地址總共是6個字節(jié)，要發(fā)送的數(shù)據(jù)段的長度是幀長度減

17、去地址和幀校驗(yàn)序列。當(dāng)調(diào)制解調(diào)器ctrl 0。autocrc控制位置1時，該幀校驗(yàn)序列自動產(chǎn)生2個字節(jié)，由CC2420硬件自動插入。3軟件設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個多通道自組織無線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)、自動路由查詢、自動數(shù)據(jù)采集和傳輸。軟件設(shè)計(jì)必須能夠?qū)崿F(xiàn)多跳自組織功能。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)必須要求極低的功耗，低功耗不僅是硬件設(shè)計(jì)中的低功耗，也是軟件設(shè)計(jì)中的低功耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端啟動后首先進(jìn)行自檢，如果自檢失敗，則提示硬件故障并自動關(guān)機(jī)。自檢合格后，進(jìn)一步判斷工作模式。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自檢后進(jìn)入接入狀態(tài)，如果接入失敗，則進(jìn)入等待狀態(tài)。處于等待狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻收發(fā)器以節(jié)省功耗。當(dāng)?shù)却〞r器溢出時，節(jié)點(diǎn)再次返回訪問狀態(tài)，進(jìn)行新的干預(yù)嘗試。如果節(jié)點(diǎn)訪問成功，它將被轉(zhuǎn)移到服務(wù)狀態(tài)。處于業(yè)務(wù)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集和傳輸，中繼和轉(zhuǎn)發(fā)附近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并確認(rèn)新節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的干預(yù)。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，節(jié)點(diǎn)必須在業(yè)務(wù)狀態(tài)