基于Zigbee无线网络技术的水环境监测系统设计

基于Zigbee无线网络技术的水环境监测系统设计
摘要：为了更好地对各种水环境进行监测，在zigbee协议的基础上，以ti的cc2430/cc2431无线芯片为核心构成的无线传感器网络，在实验室用水槽模拟的水环境中对水温、电导率（以电压形式）指标进行了实时监测。

实践证明：该方法构成的水环境监测系统组网简单、方便、便宜，也易于维护、扩展，有很大的推广前景。

关键词：zigbee，cc2430，无线网络，节点，组网
【基金项目】武汉科技大学基金资助项目（2010050x）；武汉科技大学创新基金。

随着我国工业水平的迅速发展，在给我们创造巨大的经济效益的同时，环境问题也越来越突出。

水乃生命之源，对水环境监测以保证生活、工业、农业用水安全，成为人们越来越关注的焦点。

目前国内水环境监测大都采用两种方式：
便携式水质监测仪进行人工采样，由于无法远程实时检测水质参数，该方法监测周期长、劳动强度大、时效性差、针对性差；采用有线在线监测，因为采用有线，所以对环境的破坏性大、监测范围小，同时费用也比较高。

以上两种方法都不能适应和满足当前信息化管理的要求。

由国外自上世纪90年代后期大力发展水环境实时自动监测系统，并已实现产品化，应用广泛，数据采集和传输速度较快。

主要有美国ysi的水质垂直剖面自动监测系统，美国hach公司的供水管网水质监测系统等。

虽然他们提供的系统测量参数多、精度高、性能
好，但价格昂贵、操作复杂、安装环境要求高，不适合我国现状。

因此由无线传感器组成的网络监测系统越来越受到人们的青睐。

zigbee与其他的蓝牙和wi-fi等无线通信标准相比，有功耗低，成本小，网络容量大，时延短，安全性高等优点。

它的通信距离可达10~100m。

鉴于以上分析，本文设计的无线网络是建立在zigbee协议的基础上的组网方案，以ti(texas instruments)的cc2430/31芯片为硬件电路的核心构成各个节点，最后编写上位机分析软件来处理并显示传感器送回的数据。

1 .zegbee协议栈
zegbee协议栈体系结构如图1所示。

它是对标准的7层开放式系统互联（osi）模型中对那些涉及zegbee的层予以定义的。

iee802.15.4对物理层phy(physical layer)和介质控制子层
mac(media access control)进行定义的，zegbee联盟定义了网络层和应用层。

其中zegbee的通信频率由物理层来规范，负责开启和关闭无线收发信机、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、信道选择、数据收发和接送；
mac层组要负责协调器产生网络信标、信标同步、支持pan关联和解关联、处理和维护保证时隙机制等。

网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保zegbee的mac 层正常工作并为应用层提供合适的服务接口（通过服务实体和管理
实体）。

应用层包括应用支持子层aps, zegbee设备对象zdo和厂商定义的应用对象。

2.基于zegbee的网络组建
在zigbee网络有全功能设备ffd(full fuction device)和精简功能设备rfd(reduced fuction device)两种类型。

ffd不仅可以发送和接受数据，还具有路由功能，可以充当zigbee终端节点
zed(zigbee end device)，还可以充当zigbee协调器zc(zigbee coordinater)和路由节点zr(zigbee router)。

而rfd只能充当zigbee终端节点。

其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络；路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发；终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。

zigbee协议标准中定义了三种网络拓扑形式，分别为星型、树型、网状拓扑。

如图2所示。

如上所述的三种网络中，星型网络组网最简单。

但是所有的数据都要通过zc转发，节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，并且协调器的容量限定了整个网络最大节点数目。

树型网络中，每个节点是只能和他的父节点和子节点通信，缺点仍然是信息只有唯一的路由通道。

网状拓扑解决了上述问题，网络通过“多跳级”的方式来通信，
可以形成复杂的网络。

以增加存取空间换取更小的消息延时和更高的可靠性。

a.zc初始化网络
三种基本网络拓扑，可以认为星型和树型拓扑都是网状拓扑的特例。

针对本设计的特点，zc初始化网络，流程图如图3所示。

上述建网的过程的首先节点上电激活后会判断自己是否为ffd节点，接着判断该ffd节点是否在其他网络中和网络中是否已经有协调者节点。

然后进行能量检测确定合适的信道。

主动扫描用来检测附近的其他网络，以此保证选取本网络pan id不会与附近的网络重复。

b.zr/zed加入网络
上面zc建成的网络，当zr、zed加入该zc所建的网络后这个网络就具有实际的使用意义。

加入的方式有两种：一是直接通过zc 加入；或者通过已有的节点加入。

下面以节点直接通过zc加入网络为例介绍节点入网的过程:
(1)节点上电激活；
(2)发送主动扫描，扫描附近的协调器zc；
(3)在预定的时间检测到协调器的信标，就向该协调器发送请求关联加入命令。

否则一段时间后返回（2）重新扫描；
(4)若协调器资源不够，等待一段时间后重复（3）。

若zc资源足够并且在节点设定的时间内处理并接受节点的请求，节点接下来向协调器发送数据请求命令。

(5)协调器将关联命令发给节点，节点入网成功；
(6)上面（4）中，zc资源足够，但是没有在节点设定的时间内处理并接受节点的请求，节点会直接从协调器的信标帧中提取关联响应命令，若提取成功则节点入网成功，否者会重新向zc发送关联加入命令。

3 .方案设计
系统设计大致分两部分：一部分是基于zigbee的无线网络；另一部分是上位机的分析处理软件。

框图如图4所示。

因为是在实验的环境下，要处理的数据并不多，故
mcu(microprogrammed control unit)主要用ti的cc2430/31芯片。

如果数据比较多可以考虑把中心节点的mcu换成16位或者32位的处理器;cc2430/31内部其实已经集成了无限收发模块rf(radio frequency)部分，其集成度较高，因而只需要外接天线；上位机部分，主要主要是处理并分析无线网络中各节点的数据，同时发送命令改变采集参数等。

a.无线模块电路
节点硬件电路图如下图5所示。

该图的主要部分是cc2430/31的外围电路和天线部分。

为了传感器扩展的方便，把p0/p1口用排阵引出，并扩展了一个串口接口。

方便各种外来传感器电路的直接接入。

b.上位机的数据分析处理
上位机部分主要是处理来自无线网络中各节点发来的数据，以实
现对数据的储存,处理及分析。

用上位机处理起来能使数据显示更直接,处理更方便,人机互动更友好。

根据本文设计的需要，以visual c++6.0的mfc为平台量身编写了上位机数据分析处理软件。

该软件能够将所无线网络中各节点发来的温度及电压等各种数据储存到access数据库中,并能实时显示数据曲线,通过对access操作实现查询历史数据以及显示历史数据曲线等功能。

虽然界面简洁，但是处理数据方面更为灵活、自如，足以满足设计的需要。

本文在zigbee协议的框架下，概括地介绍了基于zigbee的无线网络的组网过程，并在实验室内通过水槽来模拟一般的水环境对水环境中水温、电导率等指标进行了测量。

该方案组网简单，操作简单，有大面积推广的意义。

参考文献
[1]李善仓，张克旺.无线传感器网络原理与应用.机械工业出版社.2008
[2] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.zigbee技术及应用.北京航空航天大学出版社.2007
[3] jennie zigbee home snesordemonstrationuser guide．jn-ug 一3033 revision1.0.2007.02。