ZigBee無線傳感器網絡在遠程環境監測中的應用設計

摘要：為了解決使用傳統有線方式監測偏遠地區的環境參數不能滿足實時性的問題，提出了一種利用ZigBee無線傳感器網絡構建環境遠程監測系統的設計方案。該方案采用TI公司的無線射頻收發芯片CC2430和適量的外圍電路來設計傳感器節點和中心控制節點的硬件電路，然后在Zigbee協議棧的基礎上設計無線傳感器網絡中傳感器節點和中心控制節點的應用軟件。測試結果證明，該系統可長期穩定地對偏遠地區的環境進行有效監控。
關鍵詞：Zigbee；無線傳感器網絡；遠程環境監控系統；傳感器節點；中心控制節點

0 引言
2008年5月12日，8級強震襲擊了中國西南部，遇難69227人，受傷374643人，失蹤17923人，直接經濟損失達845l億元；2009年8月2日臺
風莫拉克登陸，造成財產損失至少34億美元。上述這些駭人的數據足以提醒人們迫切需要對環境進行精確、實時監控，以降低火災、自然災害等對人類造成的生命財產損失。但是，傳統的有線方式布線難度大、成本高且維護困難，因而需要另一種體系結構來對無人職守的環境進行實時連續地監控，從而讓監控網絡擺脫電纜布線和人工堅守的束縛。

1 Zigbee無線傳感器網絡
在無線傳感器網絡中，傳感器節點可通過飛機布撒，人工布置等方式，以一定的間隔距離分布在監控區域內。這些節點再通過自組織方式構成無線網絡，并以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中特定的信息，從而實現對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構成的網絡，可通過多跳中繼方式將數據傳回中心控制節點，最后將整個區域內的數據傳送到遠程控制中心來進行集中處理。
目前迫切需要一種符合低端、面向控制、應用簡單的專用標準，而Zigbee的出現正好解決了這一問題。Zigbee有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優點。這些優點使得Zigbee和無線傳感器網絡完美地結合在一起。目前，基于Zigbee技術的無線傳感器網絡的研究和開發已得到越來越多的關注。
ZigBee是基于IEEE802．15．4無線標準研制開發的一種短距離、低功耗、低成本的無線組網技術。ZigBee所使用的頻段是免費開放的，分別為2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)，傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環境，一般介于10米到100米之間，并支持無限擴展。在ZigBee網絡中存在三種邏輯設備類型：協調器、路由器和終端設備。協調器包含所有的網絡消息，并具有存儲容量大、計算能力強等特點，其主要任務是發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息和不斷地接收信息；路由器的功能主要是允許其他設備加入網絡、多跳路由和協助自己由電池供電的子終端設備的通訊；終端設備沒有特定的維持網絡結構的責任?？梢运呋蛘邌拘?，因此，它可作為一個電池供電設備。
本文提出的無線傳感器解決方案的體系結構由傳感器節點、中心控制節點和環境信息監控中心三部分組成。其系統結構框圖如圖l所示。
基于實時性、便捷性和運行成本的考慮，本系統采用基于ZigBee技術的無線傳感器網絡來實現環境數據的采集和上傳。傳感器節點則通過人工布置或飛機分撒等方式分布在監測區域內，通過自組織形式形成無線多跳網絡，在采集環境數據后，可直接或經路由器間接地將環境數據上傳到中心控制節點，中心控制節點則通過串口將環境數據傳輸到監控中心計算機上進行環境數據分析、存儲和預警。

2 無線傳感器網絡硬件設計
無線傳感器網絡是整個系統的核心，也是本設計的重點。它主要由一個中心控制節點和多個傳感器節點構成，主要功能是利用傳感器技術采集環境數據，同時采用ZigBee技術形成無線多跳網絡，從而實現環境數據在無線傳感器網絡中的傳輸。