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【摘要】本文针对我国雾霾天气频发空气质量不断恶化的情况，设计了一种基于ZigBee无线网络技术的空气质量监测系统。该系统以ZigBee无线网络为核心搭配GPRS通讯技术，通过布置在监测区域的ZigBee节点驱动传感器采集空气质量数据，由一个ZigBee协调器及多个路由器节点构成一个监测网，协调器负责整个区域数据收集并通过GPRS网络传输给远程数据管理中心，实时监测空气质量变化并及时发布空气质量信息。
【关键词】空气质量监测；ZigBee；GPRS；远程管理
Abstract：In this paper，our frequent fog and haze situation deteriorating air quality，air quality monitoring system is designed based on ZigBee wireless network technology.The system is the core of ZigBee wireless network with GPRS communication technology，driven by the sensor arrangement of air quality data collected in the ZigBee node monitoring area by a ZigBee coordinator and a number of router nodes constitute a monitoring network，the coordinator is responsible for the entire area of data collectionand through the GPRS network to a remote data center management，real-time monitoring of air quality changes and the timely release of air quality information.
Keyword：Air Quality Monitoring；ZigBee；GPRS；Remote Management
伴隨我国经济的高速发展，大气环境污染问题也随之诞生，针对日益严重的大气污染问题，各种监测手段应运而生。经过对现有监测手段进行详细研究后，本文提出一种基于ZigBee技术的空气质量监测系统。本系统利用ZigBee技术进行组网，使用GPRS技术向远程数据管理中心发送监测到的数据，无需铺设电线、电缆等线路，非常适合于对场地线路铺设要求苛刻及铺设电线困难的地区，为大气质量监测提供了一种新的监测方法。
一、ZigBee技术简介与系统总体设计
ZigBee技术是一种低功、短距离、低成本的无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE 802.15.4标准协议，网络层是由ZigBee技术联盟制定，应用层的程序开发根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式[3]。ZigBee无线网络技术支持三种网络拓扑结构，即星型拓扑结构、网状拓扑结构、树状拓扑结构。
基于ZigBee无线网络的空气质量监测系统总体结构如图1所示，系统主要由带有传感器的路由器节点、协调器节点和管理控制中心组成，方案中路由器节点采用树状拓扑结构分布在某一监测区域，多个路由器节点与1个协调器节点构成1个监测子网，协调器节点通过ZigBee协议与各个路由器节点进行通信，获取各个路由器节点采集到的数据，再通过3G网络直接将数据发送到远程管理控制中心，远程管理控制中心配有1台设置了固定IP地址的Web通信服务器，负责与各个子检测区域协调器节点之间的数据通信，所有采集的数据都会保存到数据库中，用户可以通过终端登录查看整个系统的运行情况，对所有采集的数据进行统计与分析。按照国家标准，系统将会对空气当中的臭氧、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、PM2.5、空气温湿度、风速等参数。
二、系统硬件设计
方案中ZigBee节点采用TI公司生产的CC2530为核心构成ZigBee节点，节点分为路由器节点和协调器节点，其中路由器节点带有传感器模块用于采集当前空气质量参数并逐级将数据发送给协调器，协调器节点搭配GPRS无线模块将数据发送给远程服务器。
（一）路由器节点硬件设计
路由器节点是网络的基本单元，以CC2530芯片为核心包括无线通信模块和传感器组成，路由器节点硬件结构如图2所示。
CC2530采用CMOS解决方案，内部含有增强型8051内核和频率为2.4GHz的信号发射器，发射功率为4.5dBm。CC2530采用可分散的算法，使网络传输数据量减少从而降低能耗，适用于IEEE802.15.4、ZigBee协议标准下的应用，可以建立庞大的网络节点，而且具有非常低的成本。另外，CC2530整合了一个16位的数模转换器，可以直接采集传感器的模拟信号。系统中用到的传感器有MQ131臭氧传感器、WSP1110二氧化氮传感器、2SH12二氧化硫传感器、MQ7一氧化碳传感器、GP2Y1010AU粉尘传感器、DHT21数字式温湿度传感器、三杯式风速仪。
方案中，臭氧传感器、臭氧传感器、二氧化硫传感器、二氧化硫传感器为模拟量输出采用模块化设计，它们的模块采用同一套电路如图3一氧化碳模块电路，电路中加入比较器LM393，当被测浓度高于设定值时DOUT会输出TTL低电平信号，并引亮LED显示灯报警。AUTO模拟量输出直接发给CC2530芯片，经过相应处理将数据传送到上级节点。
GP2Y1010AU粉尘传感器采用散射法进行检测，即在粉尘性质一定的条件下给暗室的浮游粉尘进行照射时，粉尘的散射光强与质量浓度成正比，利用此原理将散射光强度转变为电信号，通过在芯片中设定好的程序计算出粉尘的相对质量浓度，经过A/D转换后发给CC2530芯片，供监测系统使用。 DHT21数字式温湿度传感器采用复杂温湿度传感技术和专用的数字模块采集技术进行数据监测，确保传感器具有很高的精确性和可靠性。传感器还包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并有一个高效的数字式串口输出。因此该传感器具有抗干扰能力强、采样精度高、采样周期短、性价比极高等优点。
三杯式脉冲型风速仪采用RS548通讯标准，风速越高转速越快输出的脉冲也越多，CC2530可根据每秒采集到的脉冲数判断风速大小，平均1秒12个脉冲对应风速为1M/S。
（二）协调器节点硬件设计
协调器节点是监测子网的核心，负责收集整个子网的数据并通过加装的GPRS模块上传到远程服务器。协调器节点硬件结构如图4所示。
方案中使用的是3G网络的GPRS模块，3G系统采用无线宽带传输技术具有复杂的编译码及调制解调算法、快速功率控制和多址干扰对消智能天线等复杂技术，以提供更高的传输速率和更优质的服务，系统采用SIM5210模块可提供高达2Mb/s的数据传输速率，支持GSM和WCDMA双模式模式，内嵌标准的TCP/IP协议栈[4]；共有9种工作模式，各种模式均可通过串口指令进行控制和设置；它通过串口与CC2530构成的ZigBee节点进行通讯。
三、系统软件设计
系统软件主要包括路由器节点软件设计、协调器节点软件设计和管理控制中心软件设计3部分。路由器节点主要实现数据的采集和发送；协调器节点一方面负责ZigBee网络的配置和管理并收集各个路由器节点发送的数据，另一方面要将数据处理后通过GPRS模块用3G网络发给管理控制中心；管理控制中心主要实现数据的存储、管理及实时显示等功能。
（一）路由器节点软件设计
路由器节点主要功能有：（1）采集数据并进行AD转换，再将数据发送至其父节点路由器，最终发送到协调器节点；（2）转发其来自他路由器节点的数据；（3）接收并转发协调器节点发送的指令，例如打开或关闭传感器以及调整采集周期等。
路由器节点软件流程如图5所示，节点上电后，首先对软硬件进行初始化，然后发出入网请求，当得到网络协调器的响应则成为此网络的子节点，否则再次发出入网申请直到收到响应为止。为降低功耗，路由器节点采用休眠与唤醒机制，不工作时处在休眠模式，当定时时间到，CPU将会被唤醒读取传感器采集到的数据并进行数据传输，设置传感器的轮询周期为2秒，采集周期为20秒。如果有消息，CPU将会被中断叫醒进行消息处理；如果到了采样周期，则进行数据采集。消息主要有2种：一种是协调器节点发送的控制指令，另一种是其他路由器节点的转发数据指令。
（二）协调器节点软件设计
首先執行初始化，执行ZigBee模块GPRS模块的通信参数配置等操作，随后ZigBee的协调器开始扫描空信道用以建立一个新的网络。在建立网络时频带会把帧BEACON_REQ发送到第一个信道，若在信道内有对帧BEACON_REQ进行响应则表明在该信道内已经有另外一个ZigBee协调器的存在，在确认了该信道有响应后，则会切换到下一个信道并重复该过程直到找到1个空的信道并建立网络。网络建立后就开始接受来自路由器的入网请求，所有路由器入网后，形成完整的监测子网接收整个区域内路由器发来的空气质量参数。然后再将整个监测子网采集到的数据通过GPRS模块发送给远程控制中心。协调器程序运行流程图如图6所示。
（三）管理控制中心软件设计
管理控制中心是整个空气质量监测系统的中枢，主要功能是实现对整个无线监测网络采集数据的管理控制。管理控制中心采用C++语言进行软件开发，利用Oracle数据库进行数据管理与存储，使用TCP/IP协议进行通信并对外提供Web服务管理控制中心，接收各个监测子网节发送的数据，操作人员通过人机交互界面进行操作，实现对整个系统的管理与数据分析等功能。管理控制中心软件结构如图7所示。
参考文献
[1]CHONGCY，KUMARSP.Sensor networks：Evolution，opportunities，and challenges.Proc.of theIEEE2003，91（8）：1247- 1256.
[2]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4]Shahin Farahani.ZigBee Wireless Networks and Transceivers[M].Burlington：Newnes，2008.
[5]巩浩，屈玉贵.基于短距离无线通信与3G的无线集中抄表系统[M].计算机工程，2011，37（2）：290-292.
作者简介：
孙华伟（1988—），男，山东泰安人，硕士研究生，现就读于青岛理工大学，主要研究方向：控制工程。
王素珍（1975—），女，山东青岛人，博士，青岛理工大学副教授，主要研究方向：控制理论与控制工程，通讯工程，地理测绘。
温纪庆（1989—），男，山东济宁人，硕士研究生，现就读于青岛理工大学，主要研究方向：控制工程。
刘慧敏（1989—），女，山东潍坊人，硕士研究生，现就读于青岛理工大学，主要研究方向：控制工程。
【关键词】空气质量监测；ZigBee；GPRS；远程管理
Abstract：In this paper，our frequent fog and haze situation deteriorating air quality，air quality monitoring system is designed based on ZigBee wireless network technology.The system is the core of ZigBee wireless network with GPRS communication technology，driven by the sensor arrangement of air quality data collected in the ZigBee node monitoring area by a ZigBee coordinator and a number of router nodes constitute a monitoring network，the coordinator is responsible for the entire area of data collectionand through the GPRS network to a remote data center management，real-time monitoring of air quality changes and the timely release of air quality information.
Keyword：Air Quality Monitoring；ZigBee；GPRS；Remote Management
伴隨我国经济的高速发展，大气环境污染问题也随之诞生，针对日益严重的大气污染问题，各种监测手段应运而生。经过对现有监测手段进行详细研究后，本文提出一种基于ZigBee技术的空气质量监测系统。本系统利用ZigBee技术进行组网，使用GPRS技术向远程数据管理中心发送监测到的数据，无需铺设电线、电缆等线路，非常适合于对场地线路铺设要求苛刻及铺设电线困难的地区，为大气质量监测提供了一种新的监测方法。
一、ZigBee技术简介与系统总体设计
ZigBee技术是一种低功、短距离、低成本的无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE 802.15.4标准协议，网络层是由ZigBee技术联盟制定，应用层的程序开发根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式[3]。ZigBee无线网络技术支持三种网络拓扑结构，即星型拓扑结构、网状拓扑结构、树状拓扑结构。
基于ZigBee无线网络的空气质量监测系统总体结构如图1所示，系统主要由带有传感器的路由器节点、协调器节点和管理控制中心组成，方案中路由器节点采用树状拓扑结构分布在某一监测区域，多个路由器节点与1个协调器节点构成1个监测子网，协调器节点通过ZigBee协议与各个路由器节点进行通信，获取各个路由器节点采集到的数据，再通过3G网络直接将数据发送到远程管理控制中心，远程管理控制中心配有1台设置了固定IP地址的Web通信服务器，负责与各个子检测区域协调器节点之间的数据通信，所有采集的数据都会保存到数据库中，用户可以通过终端登录查看整个系统的运行情况，对所有采集的数据进行统计与分析。按照国家标准，系统将会对空气当中的臭氧、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、PM2.5、空气温湿度、风速等参数。
二、系统硬件设计
方案中ZigBee节点采用TI公司生产的CC2530为核心构成ZigBee节点，节点分为路由器节点和协调器节点，其中路由器节点带有传感器模块用于采集当前空气质量参数并逐级将数据发送给协调器，协调器节点搭配GPRS无线模块将数据发送给远程服务器。
（一）路由器节点硬件设计
路由器节点是网络的基本单元，以CC2530芯片为核心包括无线通信模块和传感器组成，路由器节点硬件结构如图2所示。
CC2530采用CMOS解决方案，内部含有增强型8051内核和频率为2.4GHz的信号发射器，发射功率为4.5dBm。CC2530采用可分散的算法，使网络传输数据量减少从而降低能耗，适用于IEEE802.15.4、ZigBee协议标准下的应用，可以建立庞大的网络节点，而且具有非常低的成本。另外，CC2530整合了一个16位的数模转换器，可以直接采集传感器的模拟信号。系统中用到的传感器有MQ131臭氧传感器、WSP1110二氧化氮传感器、2SH12二氧化硫传感器、MQ7一氧化碳传感器、GP2Y1010AU粉尘传感器、DHT21数字式温湿度传感器、三杯式风速仪。
方案中，臭氧传感器、臭氧传感器、二氧化硫传感器、二氧化硫传感器为模拟量输出采用模块化设计，它们的模块采用同一套电路如图3一氧化碳模块电路，电路中加入比较器LM393，当被测浓度高于设定值时DOUT会输出TTL低电平信号，并引亮LED显示灯报警。AUTO模拟量输出直接发给CC2530芯片，经过相应处理将数据传送到上级节点。
GP2Y1010AU粉尘传感器采用散射法进行检测，即在粉尘性质一定的条件下给暗室的浮游粉尘进行照射时，粉尘的散射光强与质量浓度成正比，利用此原理将散射光强度转变为电信号，通过在芯片中设定好的程序计算出粉尘的相对质量浓度，经过A/D转换后发给CC2530芯片，供监测系统使用。 DHT21数字式温湿度传感器采用复杂温湿度传感技术和专用的数字模块采集技术进行数据监测，确保传感器具有很高的精确性和可靠性。传感器还包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并有一个高效的数字式串口输出。因此该传感器具有抗干扰能力强、采样精度高、采样周期短、性价比极高等优点。
三杯式脉冲型风速仪采用RS548通讯标准，风速越高转速越快输出的脉冲也越多，CC2530可根据每秒采集到的脉冲数判断风速大小，平均1秒12个脉冲对应风速为1M/S。
（二）协调器节点硬件设计
协调器节点是监测子网的核心，负责收集整个子网的数据并通过加装的GPRS模块上传到远程服务器。协调器节点硬件结构如图4所示。
方案中使用的是3G网络的GPRS模块，3G系统采用无线宽带传输技术具有复杂的编译码及调制解调算法、快速功率控制和多址干扰对消智能天线等复杂技术，以提供更高的传输速率和更优质的服务，系统采用SIM5210模块可提供高达2Mb/s的数据传输速率，支持GSM和WCDMA双模式模式，内嵌标准的TCP/IP协议栈[4]；共有9种工作模式，各种模式均可通过串口指令进行控制和设置；它通过串口与CC2530构成的ZigBee节点进行通讯。
三、系统软件设计
系统软件主要包括路由器节点软件设计、协调器节点软件设计和管理控制中心软件设计3部分。路由器节点主要实现数据的采集和发送；协调器节点一方面负责ZigBee网络的配置和管理并收集各个路由器节点发送的数据，另一方面要将数据处理后通过GPRS模块用3G网络发给管理控制中心；管理控制中心主要实现数据的存储、管理及实时显示等功能。
（一）路由器节点软件设计
路由器节点主要功能有：（1）采集数据并进行AD转换，再将数据发送至其父节点路由器，最终发送到协调器节点；（2）转发其来自他路由器节点的数据；（3）接收并转发协调器节点发送的指令，例如打开或关闭传感器以及调整采集周期等。
路由器节点软件流程如图5所示，节点上电后，首先对软硬件进行初始化，然后发出入网请求，当得到网络协调器的响应则成为此网络的子节点，否则再次发出入网申请直到收到响应为止。为降低功耗，路由器节点采用休眠与唤醒机制，不工作时处在休眠模式，当定时时间到，CPU将会被唤醒读取传感器采集到的数据并进行数据传输，设置传感器的轮询周期为2秒，采集周期为20秒。如果有消息，CPU将会被中断叫醒进行消息处理；如果到了采样周期，则进行数据采集。消息主要有2种：一种是协调器节点发送的控制指令，另一种是其他路由器节点的转发数据指令。
（二）协调器节点软件设计
首先執行初始化，执行ZigBee模块GPRS模块的通信参数配置等操作，随后ZigBee的协调器开始扫描空信道用以建立一个新的网络。在建立网络时频带会把帧BEACON_REQ发送到第一个信道，若在信道内有对帧BEACON_REQ进行响应则表明在该信道内已经有另外一个ZigBee协调器的存在，在确认了该信道有响应后，则会切换到下一个信道并重复该过程直到找到1个空的信道并建立网络。网络建立后就开始接受来自路由器的入网请求，所有路由器入网后，形成完整的监测子网接收整个区域内路由器发来的空气质量参数。然后再将整个监测子网采集到的数据通过GPRS模块发送给远程控制中心。协调器程序运行流程图如图6所示。
（三）管理控制中心软件设计
管理控制中心是整个空气质量监测系统的中枢，主要功能是实现对整个无线监测网络采集数据的管理控制。管理控制中心采用C++语言进行软件开发，利用Oracle数据库进行数据管理与存储，使用TCP/IP协议进行通信并对外提供Web服务管理控制中心，接收各个监测子网节发送的数据，操作人员通过人机交互界面进行操作，实现对整个系统的管理与数据分析等功能。管理控制中心软件结构如图7所示。
参考文献
[1]CHONGCY，KUMARSP.Sensor networks：Evolution，opportunities，and challenges.Proc.of theIEEE2003，91（8）：1247- 1256.
[2]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4]Shahin Farahani.ZigBee Wireless Networks and Transceivers[M].Burlington：Newnes，2008.
[5]巩浩，屈玉贵.基于短距离无线通信与3G的无线集中抄表系统[M].计算机工程，2011，37（2）：290-292.
作者简介：
孙华伟（1988—），男，山东泰安人，硕士研究生，现就读于青岛理工大学，主要研究方向：控制工程。
王素珍（1975—），女，山东青岛人，博士，青岛理工大学副教授，主要研究方向：控制理论与控制工程，通讯工程，地理测绘。
温纪庆（1989—），男，山东济宁人，硕士研究生，现就读于青岛理工大学，主要研究方向：控制工程。
刘慧敏（1989—），女，山东潍坊人，硕士研究生，现就读于青岛理工大学，主要研究方向：控制工程。