基于AVR和ZigBee技術的工業園區環境監測系統

一、項目概述

1.1 引言

早在上世紀70年代，就出現了用單片機控制的將傳統傳感器采用點對點傳輸，連接控制器而構成傳感器網絡的雛形。隨著科學技術的不斷發展和進步，傳感器網絡同時還具有了獲取多種信號的綜合能力，并通過與傳感控制器的連接，組成了有信息綜合處理能力的傳感網絡；從上世紀末開始，現場總線技術開始應用到傳感器網絡，人們用其組建智能化傳感器網絡，大量多功能傳感器被運用于無線技術連接，無線傳感器網絡逐漸形成，因為無線技術低能，低耗的特點，并得到迅速發展。

現今基于單片機技術的傳感器的設計和無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監測和采集網絡分布區域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發送到網關節點，以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，具有廣闊的應用前景，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感網絡列為第一項未來新興技術，探索其在應用領域的實用性尤其重要。

1.2 項目背景/選題動機

隨著我國經濟的發展，工業園區的發展日成規模，帶動了我國GDP的大幅增加。但是日益加劇的環境污染與破壞也成了我們目前面臨的首要問題，無論是煤化工業園區、鋼鐵工業園區、蔬菜工業園區、還是一些核工業園區，一些環境因素諸如二氧化硫濃度，一氧化碳濃度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等對產品以及人們的生活和工作環境都有著至關重要的影響。因此做好這些環境因素的檢測工作是對產品質量和員工身體健康的重要保證。

眾所周知，環境變量的精確監測與管理對于提高環境控制精度、節約能源及促進生產等有著重要的作用。目前我國工業園區環境監測系統缺乏，即便是有，往往采用一些生物檢測法，布線檢測法等，嚴重浪費能源。在應用方面，缺乏有效的監測管理機制，還未將檢測、報警、預處理有機地結合起來；工業園區不同位置的各項參數值往往是不均勻的,所以需要采集多個不同點的溫度值進行綜合評判，而目前大多數工業園區的環境監測系統不能有效地覆蓋整個工業園區，難以實現各個參數的統一性。同時，多數工業園區的數據采集采用人工和有線布網方式，前者消耗大量人力，且采集的信息缺乏一定的實時性；后者雖然比較成熟，但線路布置易受環境影響，安裝程序復雜，維修、更新的費用和難度都較大，這給廣大工廠帶來一定的不便。

基于以上需求，我們將無線傳感網絡應用于環境監測，通過探索搭建一個穩定的傳感器網絡，在此基礎上研發一種體積小、覆蓋面廣、功能多樣化、便捷穩定的工業園區實時監測系統。尤其對于一些危險的生產車間我們可以采用無人操作模式，只要把傳感器平臺置于生產車間，采用無線收發數據模式就可以進行環境監測，使它易于操作，便于管理，可直接監測工業園區中各項環境因素的指標，進而解決環境監測成本高、監測難的問題。

本項目是將Atmel AVR單片機和無線傳感網絡投入具體領域的實用性研究。近年來興起的ZigBee無線傳輸技術具有低能耗、較遠傳輸距離、組網簡單、抗毀性強等優點，因而得到廣泛地推廣和應用。其與Atmel AVR單片機的結合，必將增加該領域的又一解決方案，為環境監測和保護做出巨大貢獻。同時也激勵我們進一步探索基于ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產品的創新設計，爭做21世紀有用的創新人才。

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統在大范圍環境監測的基礎上，以無線傳感網絡為研究平臺，主要進行工業園區或生產車間內的環境數據的有效采集和傳輸。各采集節點分布于所需檢測的環境中，采用Atmel AVR單片機控制各個傳感器，節點之間由ZigBee協議搭建無線局域網，將數據傳送到控制中心，以實現環境的無線實時檢測。下面為系統的整體架構圖：

圖1 系統架構

2.2 性能要求

本系統分為兩部分，由上層控制中心和下層傳感節點組成。生產管理人員可以通過監控中心的上位機讀取當前的環境參量，對當前的車間環境進行管理；同時還可以使用自定義的中斷查詢機制，通過向網絡發送讀取請求，使網絡中的節點響應中斷，上傳當前檢測值。當然，根據需要，節點本身也可以采用LCD即時顯示采集結果。眾多傳感節點共同組成無線傳感網絡，該網絡具有很好的擴展性，可以隨意地增減節點，對網絡的拓撲結構和組網模式無太大影響，因而可以根據實際需要增加或減少監控節點的數量，以達到最優化監測。