基于ZigBee技术的无线环保检测系统介绍———基于ZigBee技术的无

关键词：Zigbee、无线网络、GPRS/CDMA
   一、应用需求
        在人类生存环境日益恶化的今天，建立完整的环境监测系统是非常必要的，我国继续把环境保护放在突出的战略位置。致力于重点流域的水污染防治工程及城镇污水和垃圾处理。环保仪器仪表主要用在环境质量监测和污染源监测等方面环保主要是解决我国水环境、大气环境两个战略性和全局性的大环境生态污染问题。
  具体说来，环保仪器仪表的主要需求如下：
  (1)环境质量监测：目前全国环保系统及各部门、行业、企业已建监测站4000多个，国家环保局计划在全国装备400多个国家网络监测站；350多个环境信息中心；100个城市空气地面自动监测系统。
  (2)污染源监测：国家要对全国1.8万个重点污染企业实施主要污染物排放总量控制和消减，以改善环境质量，因此要求1.8万个污染大户要逐步安装在线连续自动监控系统。
  3)遥感遥测仪器仪表：包括对荒漠、草原、森林、海洋、农业生态环境进行监测，也需要对大气污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源进行遥感遥测。
   
  二、行业现状
        当前我国生产的环境监测仪器仪表大多是中低档产品，产品功能单一，故障率高，附加值低，在品种和数量上也远远不能满足实际需求。
  有关专家认为我国环境监测仪器的发展趋势有以下几点：
  1、向三化即自动化、智能化和网络化方向发展；
  2、由劳动密集型向技术密集型方向发展；
  3、由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展；
  4、由单纯的地面环境监测向遥感环境监测相结合的方向发展。
        处理分布在各处的环境检测点的数据传输问题一直是建立环境监测系统的难点，如果没有将分布在各处的环境检测点的数据进行实时的在线的管理则会给管理部门带来很多的问题。无法实施实时的管理及24小时监控和监管。本系统就是在现有的仪器设备的基础上采用ZIGBEE无线技术实现实时的管理及24小时监控和监管。随着我国对于环境监测越来越重视，在原有的单点环境监测的基础上，各地的环境监测站纷纷建立了一些无人值守的检测点，以监测更广更实时的监测环境质量需要我们有更好方法将各个不同地方的测量设备的信息进行上传共享处理。这里我们技术一种给予ZIGBEE 技术的无线技术来解决这样的应用。
   三、Zigbee技术简介
        zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。
         国际上，IEEE802.15.4工作组及zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的zigbee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的zigbee开发平台。
        ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。
   
   
  图一  ZIGBEE星型网络结构
   
   
  星型网络结构特点
    支持点对点、点对多点通信
    中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备
    所有数据经过中心节点
    适合圆形分散、距离较近的设备联网
   
   
   
  图二  ZIGBEE网状网络结构
   
  MESH网状网络结构特点
    系统采用多跳式路由通信
    网络容量很大
    可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构
   
       MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。
   
  Zigbee技术特点
  设备省电
      zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间；
  通信可靠
        zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
  网络的自组织、自愈能力强
        zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；
        zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
  具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式。
  成本低廉
  设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本；
   Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。
  网络容量大
       一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络；
  数据安全
         ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
   
  五、基于ZigBee技术的无线环保检测系统的方案
        通过前面对环保检测系统的技术要求分析，结合zigbee技术特点和技术优势，采用zigbee技术来实现无线环保检测系统是一个非常理想的解决方案：
  系统组成：
  一套完整的环境监测系统由各种环境监测的传感器的设备和通信网络组成：
  环境监测传感器
  包括有：1）颗粒物监测子系统： （1）测尘仪
  2) 烟气参数测量子系统：（1）流量测量仪 （2）温度测量仪 （3）压力测量仪
  3）采样和预处理系统： （1）伴热处理测量 （2）冷凝除水测量（3）过滤测量
  4）气态污染物监测子系统：（1）SO2 分析仪（2）NOX 分析仪 (3) 氧分析仪
  通信网络：
       如图所示：传感器（测尘仪；烟气参数测量子系统；流量测量仪；温度测量仪；压力测量仪；冷凝除水测量过滤测量；SO2 分析仪；NOX分析仪 ； 氧分析仪）通过RS232 或者RS485 接口跟ZIGBEE 模块相连。通过ZIGBEE 模块跟中央处理与数据传输系统相连。完成传感器数据的无线上传及上位控制器指令的无线下发功能。同时中央处理与数据传输系统可以使用ZIGBEE 网络或者GPRS 网络实现本地节点数据的无线上转（包括企业环境监测系统和环保局环境监控系统）。
  系统特点：
  1、建立一个综合监测系统，每隔一段时间就可对本网络的各个节点的监控信息进行一次收集，及时准确地掌握环境污染情况。
  2、全无线系统，方便布线及安装调试。
  3、系统采用模块化结构，可方便扩充，且具有远程诊断功能，安装维护方便。
         将远端采集点的数据实时、可靠地发送到各级监控中心。并接收各级监控中心的控制指令。随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为zigbee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，
        主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网，我们采用zigbee 技术和GPRS/CDMA 技术结合，可以为环境监控系统的远程数据传输通信提供很好的解决方案。
  
   
  基于ZigBee技术的无线环保检测系统方案
         在实际应用中，我们选择了将zigbee技术与GPRS/CDMA结合起来，根据检测点的不同分布，来灵活地构建抄表的无线网络。
  4）完全支持国家标准通讯协议《污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》
    （HJ/T212-2005）
5）满足《污染源在线自动监控（监测）数据采集传输仪技术要求(征求意见稿)》
6）满足各地方省市环境在线自动监控（监测）系统数据传输和联网技术规范
7）同时支持上百种不同通讯协议（现场机和中心站协议），并可根据用户要求编程添加新协议
   
  六、Zigbee技术方案优势
   
  

   
  七、悦动电子的的ZIGBEE模块
      1）ZIGBEE通信模块：
   
   
  悦动电子科技YD02-ZIGBEE通信模块
   
   
  参数名称
性能参数

频  段
2.4-2.483GHz

通讯协议标准
IEEE 802.15.4  zigbee

网络拓扑结构
网状网、星型

调制方式
DSSS （O-QPSK）

数据传输速率
最大250KBps

寻址方式
64位IEEE地址，8位网络地址

数据加密
128-bit AES

错误校验
CRC-16/32

信道接入方式
CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA

信道数
16

通信时延
15ms（激活或信道接入），30ms（设备搜索）

最大发射功率
25dbm

接收灵敏度
-92dbm

工作温度
-40-85℃

天线
2.4G外置天线

通信距离
2000米

数据接口
RS485/USB

电源
9V（标准工业接线端子）

工作功耗
2.2W

   
   
  悦动ZIGBEE无线采集模块：
     
   
           ZIGBEE无线采集模块
  1.       采样模块参数：
  1）    电量电量模块参数：
  （1）电流：0.2级  全量程
  （2）电压：0.2级  输入大于量程20%时,从10%到20%量程范围内只能保证0.5级
  （3)有功功率：0.2级  在功率因数角ф>70度时,在ф小于70度时为0.5 级
  （4）无功功率：0.5级  
  （5)功率因数：0.5级
  （6)电量：0.5级
        具体参数请看使用手册。
  2)     4-20MA工业标准电流信号采样电路：16位A/D采样；采样速率: 3000次采样/S。输出真有效值。
  3)     0-5V工业标准电压信号采样电路：16位A/D采样；采样速率: 3000次采样/S。输出真有效值。
  4)     温度采样电路：精度：0.4℃；分辨率0.1℃
  2.ZIGBEE 无线通信参数：
     最大传输距离：模块间无障碍 通信距离2000M。
  ·  抗干扰能力强：2.4G DSSS扩频技术；  
  ·  串口应用灵活：RS232/RS485/TTL数据接口，最高波特率57600bps；
  ·  发送模式灵活：广播发送或目标地址发送模式可选；
  ·  节点类型灵活：中心节点、路由节点、终端节点可通过跳线选择；  
  ·  组网能力强：星型网、树型网、链型网、网状网；
  ·  网络容量大：16信道可指定或自动选择，255个网络ID任意设置；
  ·  最大数据包：256字节；
  ·  工业级应用标准。
  3.   通讯输出接口
         接口1：ZIGBEE无线接口。
           接口2：RS-485接口，二线制，±15KV ESD保护。
           协议：标准MODBUS
           波特率：1200-57600 Bps ， 可软件设定。
           模块地址：00～FF 可软件设定。