基于Zigbee无线网络技术的水环境监测系统设计.doc

基于Zigbee无线网络技术的水质环境监测零碎设计
云南民族大学陈楠

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（以电压方式）目标进行了实时监测。实践证明：该方法构成的水环境监测零碎组网简单、方便、便宜，也易于维护、扩展，有很大的推广前景。
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：(1)便携式水质监测仪进行人工采样，由于没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；(2)采用有线在线监测，由于采用有线，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零碎，并已实现产品化，运用广泛，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零碎，美国HACH公司的供水管网水质监测零碎等。虽然他们提供的零碎测量参数多、精度高、功能好，但价格昂贵、操作复杂、安装环境要求高，不适合我国现状。因而由无线传感器组成的网络监测零碎越来越受到人们的青睐。ZigBee与其他的蓝牙和Wi-Fi等无线通信标准比拟，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(TexasInstruments)的CC2430/31芯片为硬件电路的核心构成各个节点，最初编写上位机分析软件来处理并显示传感器送回的数据。1Zegbee协议栈Zegbee协议栈体系结构如图1所示。它是对标准的7层开放式零碎互联（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(PhysicalLayer)和介质控制子层MAC(MediaAccessControl)进行定义的，Zegbee联盟定义了网络层和运用层。(1)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、链路质量指点、空闲信道评估、信道选择、数据收发和接送；(2)MAC层组要负责调和器产生网络信标、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。(3)网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保Zegbee的MAC层正常工作并为运用层提供合适的服务接口（通过服务实体和管理实体）。(4)运用层包括运用支持子层APS,Zegbee设备对象ZDO和厂商定义的运用对象。2基于Zegbee的网络组建在ZigBee网络有全功能设备FFD(FullFuctionDevice)和精简功能设备RFD(ReducedFuctionDevice)两品种型。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(ZigbeeEndDevice)，还可以充当ZigBee调和器ZC(Zigbeecoordinater)和路由节点ZR(Zigbeerouter)。而RFD只能充当Zigbee终端节点。其中，调和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；路由器节点支持网络链路结构，完成数据包的转发；终端节点是网络的感知者和履行者，负责数据采集和可履行的网络动作。ZigBee协议标准中定义了三种网络拓扑方式，分别为星型、树型、网状拓扑。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需唯一的一个路径，并且调和器的容量限定了全部网络最大节点数目。树型网络中，每个节点是只能和他的父节点和子节点通信，缺点仍然是信息只需唯一的路由通道。网状拓扑解决了上述问题，网络通过“多跳级”的方式来通信，可以构成复杂的网络。以增加存取空间换取更小的消息延时和更高的可靠性。2.1ZC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本人是否为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曾经有调和者节点。然后进行能量检测确定合适的信道。自动扫描用来检测附近的其他网络，以此保证拔取本网络PANID不会与附近的网络反复。2.2ZR/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意图义。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。下方以节点直接通过ZC加入网络为例介绍节点入网的过程:(