基于WSN空气环境监测系统设计和实现

基于WSN空气环境监测系统设计和实现
文章针对当前空气环境监测中面临的监测点分散、布线困难和实时性差等难题，提出来一种在测试区域无线随机分布传感器节点采集空气环境参数，通过协调器与数据中心进行实时处理与分析，远程终端用户可以通过Internet实现对空气质量全天候的实时监测。

系统不但有效地克服了传统环境监测系统的低可靠性问题，而且增加了新的监测功能，很好地解决了空气环境实时监测的问题，在条件恶劣和无人坚守的环境监测和事件跟踪中显示了很大的应用价值。

标签：CC2520；无线传感器网络；空气环境监测；实时监测
1 概述
随着我国经济的快速增长，随之而来的是环境污染事故频发，造成了大量的人员伤亡和严重的经济损失，甚至造成不良的社会影响。

空气污染已经成为人类身体健康的无形杀手，如何防治空气污染，净化我们的空气已经成为当今刻不容缓的难题。

传统人工取样实验室分析的方法，只能得到监测现场某段时间内被监测气体的平均浓度，不能够提供实时值，且监测结果受人为的影响很大，对有害气体浓度很高的现场进行监测时，现场摆放气体吸收液会严重损害环境监测人员的健康[1]。

国外进口的自动化大气环境监测进行在线监测的方法存在所用设备结构复杂、价格昂贵、国产化率低、难以维护、运营成本高等缺陷，很难在大范围内普及。

2 系统构成
系统采用PC机作为基站监控中心上位机，基于MSP430F2618处理器的开发平台作为下位机，由传感器节点采集化工区环境信息，经Zigbee无线网络将数据传送到网关节点，再经网关节点转发，将所采集的信息传送到基站的上位机中，经过上位机软件的在线监测[2]，实现对化工区环境的实时监视，如图1所示。

图1 空气环境监测系统框图
2.1 Zigbee无线数据传输模块设计
本节点的网络设计是基于Zigbee无线传输系统网络的一种无线传感器网络。

Zigbee，在中国被译为“紫蜂”，与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线技术[3-4]。

它类似于CDMA和GSM网络。

Zigbee的节点与节点之间可以互相通信接力传输。

通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

Zigbee 网络节点的设计具有微型化、扩展性和灵活性、稳定性和安全性、低成本等要求。

CC2520为IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。

其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧；PHY层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，
帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。

发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。

2.2 数据传输模块的电路设计接口电路设计
TI公司的MSP430F2618。

通过高度模拟的集成，TI公司的MSP430F2618微控制器架构能够满足新一代控制系统的要求。

该器件集成了高达120KB的片上存储器，并支持20位地址字，因此将总体为寻址存储容量提升至1MB，从而支持更复杂程序的开发。

3通道直接存储区存取、8通道12位ADC与双通道12位DAC等。

通用串行通信接口能通过灵活的标准实施方案来缩短开发时间。

图2给出CC2520与MSP430F2618单片机的接口电路。

CC2520通过简单的四线（SI、SO、SCLK、CSn）与SPI兼容串行接口配置，这时CC2520是受控的。

MSP430F2618的SPI接口工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方；CC2520设为从机工作方式。

当MSP430F2618的SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制SS引脚。

3 网关节点的系统构成
图3 网关节点的设计框图
基于无线传感器网络的化工区环境监测系统的网关节点由CC2520模块、处理器模块、电源模块四部分组成，如图3所示。

为了保证数据传输的安全性、可靠性，采用CC2520模块负责与传感器节点之间的无线通信；处理器模块是由MSP430F2618型单片机应用程序组成，此模块负责向基站监控中心传送数据，同时也接收基站发出的命令。

电源模块负责为网关节点提供能量，按工作模式可划分为工作状态和休眠状态，本节点是利用太阳能电池板实现可供高效蓄电池充电，这样可以有效的解决此节点的能耗大问题，延长了此节点的有效工作时间。

4 网关的软件设计
图4 网关节点主程序流程图
网关的主要功能就是实现串口数据和网络数据的转发。

应用程序主要包括串口数据收发程序和数据转发处理程序。

软件采用模块化的设计方案，各功能子程序分开编写，以库的形式给出供主程序调用。

而网关的分Zigbee模块充当无线传感器网络的网关作用[4-5]，因此网关也称为无线传感器网络的网关节点，如图4所示。

系统上电后，初始化应用程序，选定一个PANID作为网关的网络标识，创建路由表，建立Zigbee网络并通知其他节点加入。

通过发送AT指令启动GPRS 模块，设定串口的通信速率，建立socket连接准备数据通信。

初始化完毕后监听网络，等候外部事件中断的产生，并通过判断响应的类型进行相应的数据转发动
作。

5 系统性能测试
为了验证系统的测量精度，进行了实地测量。

无线传感器网络选择4个节点和1个网关的网络规模测试。

选择节点功耗和视距传输距离作为评价参数。

经测试传感器节点，硬件设计使用3.3V供电，低功耗模式小于1uA，发射接收平均在18.5mA，软件采用ZigBee节能算法，节点一般2节电池可以工作3个月，单点测试20m，基本性能可靠。

6结束语
作者设计了一种基于无线传感器网络的空气环境监控系统，主要包括无线传感器节点和无线传感器网关硬件和软件设计。

通过验证可以达到实时低功耗的测试要求。

随着IC技术的发展，基于无线传感器网络技术的空气环境监控系统商用价值越来越明显。

参考文献
[1]张粤，倪桑晨，倪伟.基于智能传感器网络的环境信息监测系统的设计[J].传感器与微系统，2012（2）：140-145.
[2]孙学严.基于Zigbee无线传感器网络的温室测控系统[J].仪表技术与传感器，2010（8）：47-49.
[3]赵琦.基于无线网络的温室环境监控系统的设计[D].哈尔滨理工大学，2013.
[4]栾学德.基于ZigBee无线网络的智能温室环境监控系统设计[D].中国海洋大学，2012.
[5]罗瀚.基于ZigBee技术的温室无线传感器网络环境监测系统研究[D].吉林大学，2013.
[6]艾海峰.基于ZigBee的仓储环境监测无线节点设计与实现[D].电子科技大学，2013.。