基于ZigBee技术的无线环保检测系统介绍

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