基于Zigbee无线网络技术的水环境监测系统设计

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。Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ与其他 的蓝牙和 Ｗｉ ｉ ． 等无线通信标准相 比，有功耗 Ｆ 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 １－ ０ ｍ。 ０ １０
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 ： ｉｂ ｅ Ｃ ４ ０ Ｚｇ ｅ ，Ｃ ２ ３ ，无 线 网络 ，节 点 ，组 网
【 基金项目】武汉科技大学基金资助项 目 （００５Ｘ） ２１００ ；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 ； 在 Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ网络有全功能设备 Ｆ Ｄ（ｕｌ ｕ ｔ ｎＤ ｖｃ） Ｆ Ｆ ｌＦ ｃｉ ｅ ｉ 和精 ｏ ｅ 简功能设备 Ｒ Ｄ （ ｄ ｃｄＦ ｃｏ ｖｃ）两种类型。Ｆ Ｄ不仅 Ｆ Ｒｅｕ ｅ ｕｔ ｎ ｉ Ｄｅｉｅ Ｆ 可 以发送和接受数据 ，还具有路由功能 ，可以充 当 Ｚｇ ｅ 终端节 ｉ ｅ ｂ
式系统互联 （ Ｉ ＯＳ ）模型中对那些涉及 Ｚ ｇ ｅ ｅｂ ｅ的层予 以定义的。 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 Ｉ Ｅ ０ ．５ Ｅ ８２１ ． ４对物理层 Ｐ Ｙ（ｈ ｓ ａＬ ｙ ｒ Ｈ Ｐ ｙｉ ｌ ａ ｅ） ｃ 和介质控 制嚣 噩
８ ８ ９ ５ Ｈ ＨＹ层 ６ ／ １ Ｍ ＺＰ
２４ ＧＨＺＰ ＨＹ 层
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 ， Ｃ初始化网络 ， Ｚ 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 Ｆ Ｄ节点 ， Ｆ 接着 判断该 Ｆ Ｄ节点是否在其他 网络中和 网络中是否 Ｆ 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 Ｐ Ｄ 不会 ＡＮ Ｉ 与 附 近 的 网络 重 复 。
Ｂ． Ｒ Ｚ Ｄ加人 网络 Ｚ ／Ｅ
图 １ ｅ ｂｅ 议栈 体系结构 Ｚ ｇ ｅ 协
上面 Ｚ Ｃ建 成 的 网络 ，当 Ｚ Ｚ Ｄ 加入 该 Ｚ Ｒ、 Ｅ Ｃ所 建 的 网络 后 其 中 Ｚ ｇｅ ｅｂ ｅ的通信频率由物理层来规范 ， 负责开启和关 闭无 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 线 收发信机、能量检测 、链路质量指示 、空闲信道评估 、信道选 通过 Ｚ Ｃ加入 ：或者通过已有的节点加入。 择 、数据收发和接送 ： 下面以节点直接通过 Ｚ Ｃ加入网络 为例介绍节点入网的过程： ＭＡＣ层组要负责协调器产生网络信标 、 信标同步 、 支持 Ｐ Ｎ Ａ 关联和解关联、处理和维护保证 时隙机制等。 （）节 点上 电激 活 ： １ 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数 ， 确保 Ｚ ｇ ｅ ｅ ｂ ｅ的 （）发送主动扫描 ，扫描附近的１ ２ 办调器 Ｚ Ｃ： ＭＡ Ｃ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 （） ３在预定的时间检测到协调器 的信标 ， 向该协调器发送请 就 和 管理 实体 ） 。 求关联加入命令。否则一段时间后返回 （ ２）重新扫描 ： 应用层包括应用支持子层 ＡＰ ，Ｚ ｇ ｅ Ｓ ｅｂ ｅ设备对象 Ｚ ＤＯ和厂 （） ４ 若协调器 资源不够，等待一段 时间后重复 （ ３ ｏ若 Ｚ Ｃ资 商定义的应用对象。 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 ２ 基 于 Ｚ ｇ ｅ 的 网络组建 ． ｅｂｅ 下来向协调器发送数据请 求命令。
Ｃ １－４９ ＩＳ １０． ０ Ｎ １ ５／ Ｓ Ｎ ０５ ９ １ ３ Ｆ ４
第４ ２ ２ １ 卑篱 囊 ．Ｉ ｎ — ２ 期 ０１ ｆ— １
环球市场信息导报 ｅｓ ８＠１ ．ｍ ｍ９ ６ ６ｔ ５ ３ｏ
土地与环境资源
基于 Ｚｇ ｅ 无线网络技术的水环境监测系统设计 ｉ ｅ ｂ
付 红桥 张 涛 李述 元 （ 武汉科技 大 学信息科 学与工程 学院 湖北武汉 ４０８ ） ３０ １ 摘 要： 了更好地 对各种 水环境进行 监测 ，在 Ｚｇ ｅ 为 ｉｂ ｅ协议的基础上 ，以 Ｔ 的 Ｃ ２ ３ ／Ｃ ４ １ Ｉ Ｃ ４ ０Ｃ ２ ３ 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
点 Ｚ Ｄ （ｉｂ ｅＥ ｄＤｅｉｅ，还 可 以 充 当 Ｚｇ ｅ协 调 器 Ｚ Ｅ Ｚｇ ｅ ｎ ｖｃ） ｉ Ｂｅ Ｃ （ｉｂ ｅｃ ｏｄｎ ｔ ）和 路 由节 点 Ｚ （ ｉｂｅｒｕｅ） Ｚｇ ｅ ｏ ｒｉａ ｒ ｅ Ｒ Ｚｇ ｅ ｏ ｔ 。而 Ｒ Ｄ 只 ｒ Ｆ 能充当 Ｚｇｅ 终端节点。 ｉｂ ｅ 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 其中 ，协调器节点负责发起并维护一个无线网络 ，识别网络 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 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 当前信 息化管理的要 求。 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 由国外 自上世纪 ９ Ｏ年代后期大力发展水环境 实时 自动监测 执行的网络动作 。 系统 ， 已实现产品化， 并 应用广泛 ， 数据采集和传输速度较快。主 Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ协议标； 隹中定义 了三种 网络拓扑形式，分别为星型、 要有美国 ＹＳ 的水质垂直剖面 自动监测 系统 ， Ｉ 美国 ＨＡＣ Ｈ公司的 树型、网状拓扑 。如图 ２所示。
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星 型 拓 扑 树 型 拓 扑 网 状 拓 扑 图 ２ 三 种 网 络 拓 扑 结 构
Ｏ Ｚ Ｄ Ｅ
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如上 所 述 的三 种 网络 中 ，星 型 网络 组 网 最简 单 。 但 是 所 有 的 鉴于以上分析 ， 本文设计 的无线网络是建立在 Ｚｇ ｅ 协议 的 ｉＢ ｅ Ｃ 基础上 的组网方案，以 Ｔ （ｅ ａ ｓｕ ｎｓ Ｃ ２ ３ ／１ Ｉ Ｔ ｘ ｓｎｔ ｍｅｔ）的 Ｃ ４ ０３ 芯片 数据 都 要 通过 Ｚ 转 发 ，节 点 之 间 的数 据 路 由只 有 唯一 的 一 个路 Ｉ ｒ 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 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 ， 理 并显示传感器送 回的数据。 缺点仍然是信息只有唯一 的路由通道。 １． ｅ ｂ ｅ 议 栈 Ｚ ｇｅ 协 网状拓扑解决了上述 问题 ，网络通过 “ 多跳级”的方式来通 Ｚ ｇ ｅ 协议栈体系结构如图 １所示。 ｅｂ ｅ 它是对标准 的 ７层开放
（ ｄ Ａｃｅｓ ｏ ｔ １进 行 定 义 的 ， ｅｂ ｅ 盟 定 义 了网络 层 和 Ｍｅ ｉ ｃｓ ｎｒ ） ａ Ｃ ｏ Ｚ ｇｅ 联 应 用层 。
Ｚ ｇ ｅ 用 层 ｅ ｂｅ应 Ｚ ｇ ｅ 络 层 ｅ ｂｅ网
Ｉ ８０ ５４ＭＡＣ 层 ＥＥ ２ １ ．
Ｉ Ｅ８ ２ １ Ｅ ０ ．５４ Ｉ ＥＥ８ ２ １ ． ０ ５４