0 引言
ZigBee數(shù)傳技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的新一代無線通信技術(shù)。它具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，兼容性、安全性強，實現(xiàn)成本低等特點，而被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控領(lǐng)域。通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，具有充分利用已有網(wǎng)絡(luò)、資源利用率高、始終在線、傳輸速率高、資費合理等特點。
GPRS通信模塊可應(yīng)用于遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)等。近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及人們對環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來越多的企事業(yè)單位研究環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用鉛塵檢測裝置檢測空氣中的鉛含量，借助于ZigBee無線模塊無線通信技術(shù)，傳輸和收集局部區(qū)域多點鉛含量數(shù)據(jù)，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)GPRS，將局部區(qū)域的檢測數(shù)據(jù)實時傳輸至監(jiān)測中心，構(gòu)建了城市空氣鉛塵含量的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)概述
基于ZigBee與GPRS的無線鉛塵監(jiān)測系統(tǒng)是通過高精度的鉛塵傳感器，采集空氣中的有害物質(zhì)鉛，自動分析其含量；利用高速存儲器將這些數(shù)據(jù)存儲起來，再利用ZigBee無線模塊通信技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)傳到一個集中控制點；通過數(shù)據(jù)匯總分析，形成高質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合一定的有害物質(zhì)指標控制數(shù)據(jù)自動報警；使系統(tǒng)在無人值守的條件下實時監(jiān)控，逐步替代人工取樣的檢測方式。
2 系統(tǒng)分析
基于ZigBee與GPRS的無線鉛塵監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了區(qū)域鉛塵含量ZigBee數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理與分析等功能，改進了Pro部分協(xié)議，增強了通信的穩(wěn)定性，延長了ZigBee無線模塊的在網(wǎng)時間。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 基于ZigBee的鉛塵無線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
其中區(qū)域ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)小范圍區(qū)域的鉛含量檢測、數(shù)據(jù)匯總，而ZigBee數(shù)傳模塊模塊將區(qū)域數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，同時也負責(zé)監(jiān)控中心向區(qū)域傳送數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心接收所有區(qū)域數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并能向它們發(fā)送一定的控制指令，同時還向用戶提供一定的鉛塵信息；它能夠在無人值守情況下可靠運行，在污染嚴重的情況下告警。
2．1 區(qū)域數(shù)據(jù)采集模塊
區(qū)域ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)檢測有害物質(zhì)分布較多的子區(qū)域有害物質(zhì)含量的功能。本系統(tǒng)用于整個城市的鉛塵檢測，鉛塵污染通常分布在城市的部分區(qū)域(例如大型冶煉廠附近)。根據(jù)污染企業(yè)分布，將城市劃分為若干個污染區(qū)域，在每一個區(qū)域內(nèi)設(shè)置若干個ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊；每個模塊檢測本區(qū)域的鉛塵含量，并收集、存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。
區(qū)域數(shù)據(jù)采集模塊包括大量的鉛塵傳感器以及ZigBee無線模塊，它的穩(wěn)定運行對系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 區(qū)域采集模塊結(jié)構(gòu)圖
圖2中網(wǎng)狀紋路的節(jié)點是由ZigBee無線模塊和鉛塵傳感器構(gòu)成的；鉛塵傳感器負責(zé)檢測節(jié)點附近區(qū)域的鉛塵，形成一定的數(shù)據(jù)量，保證穩(wěn)定、不失真地傳輸數(shù)據(jù)；而ZigBee無線模塊則負責(zé)將鉛塵傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送到其他地方。通過在廠區(qū)以及廠區(qū)周邊布設(shè)若干個這樣的節(jié)點，能夠監(jiān)測廠區(qū)及其附近的環(huán)境。因鉛塵傳感器的檢測范圍非常有限，為了提高檢測精度，通常在小范圍內(nèi)布設(shè)多個鉛塵傳感器。
ZigBee數(shù)傳模塊的最遠通信距離只有70 m，為了延長ZigBee數(shù)傳模塊通信距離，在采集節(jié)點的邊緣區(qū)域再布設(shè)一個只負責(zé)傳送數(shù)據(jù)而不負責(zé)采集數(shù)據(jù)的ZigBee數(shù)傳模塊。對某個小范圍采集區(qū)域而言，該節(jié)點通常只設(shè)置一個起到數(shù)據(jù)路由作用的路由節(jié)點，圖2中的空心節(jié)點就是路由節(jié)點。為了延長ZigBee傳送距離，可以再布設(shè)更多的路由節(jié)點，不斷增強它的傳送能力，圖2中虛線連接的節(jié)點便是這樣的節(jié)點，通過布設(shè)這些節(jié)點，基本上滿足了廠區(qū)及其周邊環(huán)境鉛塵的檢測需求。圖2中虛線連接的節(jié)點不僅起到延長傳輸距離的作用，而且保證了信號傳輸?shù)目煽啃浴＿@里采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將路由節(jié)點兩兩連接，任意兩個路由節(jié)點之間都存在通路，只要采集區(qū)域中的路由節(jié)點能夠接入路由網(wǎng)絡(luò)，那么，它必能通過路由網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到目的地。只要有少數(shù)幾個路由節(jié)點正常工作，路由網(wǎng)絡(luò)便可保證采集數(shù)據(jù)的正常傳輸。另外，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也給數(shù)據(jù)傳輸提供了若干條通道，避免出現(xiàn)單路傳輸擁塞、數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，也提高了通信線路的使用率和分時復(fù)用率，在一定程度上提高了通信效率和檢測頻率。
節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)過采集節(jié)點采集、路由節(jié)點傳輸，匯集到區(qū)域數(shù)據(jù)采集模塊的核心位置即協(xié)調(diào)節(jié)點，圖2中的黑色實心節(jié)點為協(xié)調(diào)節(jié)點。協(xié)調(diào)節(jié)點匯集了區(qū)域各采集節(jié)點的所有數(shù)據(jù)，經(jīng)簡單處理后，發(fā)至監(jiān)控中心。協(xié)調(diào)節(jié)點數(shù)據(jù)處理能力是有限的，只對數(shù)據(jù)進行一定的裁剪、裝幀發(fā)送。協(xié)調(diào)節(jié)點直接與外部網(wǎng)絡(luò)連接，其他節(jié)點只在本區(qū)域模塊中使用，和外部沒有聯(lián)系，因此，協(xié)調(diào)節(jié)點是與其他模塊連接的關(guān)鍵。它協(xié)調(diào)其他節(jié)點，為其他節(jié)點提供安全管理、網(wǎng)絡(luò)建立等服務(wù)。
2．2數(shù)據(jù)傳輸模塊
ZigBee數(shù)傳模塊僅適于檢測廠區(qū)及其周邊環(huán)境的鉛塵。為了滿足遠距離通信需求，需要加入數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊由GPRS模塊以及GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。GPRS網(wǎng)絡(luò)是中國移動公司提供的無線通信網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)僅使用了它的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。只有通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域采集數(shù)據(jù)才能高速、安全地傳到監(jiān)控中心。如果沒有該網(wǎng)絡(luò)，GPRS無線模塊將無法工作。
GPRS模塊是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，區(qū)域數(shù)據(jù)在協(xié)調(diào)節(jié)點匯總后，通過GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心。GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)的是某個區(qū)域的所有檢測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)只是單個區(qū)域數(shù)據(jù)的匯總，如果將這樣的數(shù)據(jù)直接發(fā)至監(jiān)控中心，則監(jiān)控中心無法區(qū)分數(shù)據(jù)來自哪個區(qū)域模塊。為了區(qū)分不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，在發(fā)往監(jiān)控中心之前，對數(shù)據(jù)進行匯總、裝幀處理。
在數(shù)據(jù)幀中添加幀頭、幀尾、幀長和區(qū)域標識，以便區(qū)分數(shù)據(jù)來自哪個區(qū)域。考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕€可在數(shù)據(jù)幀中加入幀序、時間戳等，以便在數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)延遲時重傳數(shù)據(jù)。
GPRS無線模塊可以采用短消息方式和數(shù)據(jù)鏈路方式傳輸數(shù)據(jù)。短消息方式又分為傳統(tǒng)的短信和承載在GPRS網(wǎng)絡(luò)之上的彩信業(yè)務(wù)兩種方法，為了保證實時傳輸數(shù)據(jù)，本文采用彩信傳輸方法。單次采集的數(shù)據(jù)可以一次發(fā)送完畢，這樣既可消除因多次發(fā)送數(shù)據(jù)出現(xiàn)的誤碼現(xiàn)象，降低數(shù)據(jù)重傳的概率，也便于監(jiān)控中心對區(qū)域一次數(shù)據(jù)的處理。
2．3監(jiān)控中心模塊
監(jiān)控中心模塊是系統(tǒng)的集中控制中心，它包括數(shù)據(jù)服務(wù)器以及由路由器、集線器構(gòu)建的功能子網(wǎng)，它的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)圖
監(jiān)控中心模塊主要負責(zé)收集各個區(qū)域的數(shù)據(jù)，并分析、處理收集的數(shù)據(jù)，同時，也能設(shè)置通信模塊參數(shù)、區(qū)域ZigBee無線模塊及鉛塵傳感器的參數(shù)。數(shù)據(jù)采集器負責(zé)收集各區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將收集的數(shù)據(jù)存儲到SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中。它與GPRS模塊直接相連，數(shù)據(jù)采集頻率較高，為了保證數(shù)據(jù)采集的實時性，它只具有數(shù)據(jù)采集及存儲功能。
就數(shù)據(jù)采集而言，數(shù)據(jù)采集程序需要專門設(shè)置一個線程，以單獨實現(xiàn)采集功能；采集頻率要控制在秒級以下，防止因數(shù)據(jù)采集頻率過低而丟失數(shù)據(jù)。對于采集器程序來說，除了采集線程、存儲線程外，不要開辟過多的線程，以免影響采集線程。
另外，在系統(tǒng)的起初設(shè)計階段，監(jiān)控中心只需要一個GPRS模塊，所有的區(qū)域數(shù)據(jù)通過這個GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)；這將造成數(shù)據(jù)采集的負擔(dān)，容易引起數(shù)據(jù)丟失。為了消除這種現(xiàn)象，可以在監(jiān)控中心增加多個GPRS模塊，將GPRS模塊劃分為若干個子模塊，實際上增加的GPRS模塊只是邏輯上的模塊，監(jiān)控中心的一個GPRS模塊對應(yīng)一個邏輯模塊。這樣可以減輕單個GPRS模塊的壓力，提高數(shù)據(jù)采集效率。
該部分設(shè)計可由圖4說明。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)采集程序控制m個GPRS無線通信模塊，這m個模塊負責(zé)傳輸采集點區(qū)域模塊采集的數(shù)據(jù)。每一個區(qū)域模塊包含若干個采集區(qū)域，例如，區(qū)域模塊1包含區(qū)域A、B、C，模塊2包含區(qū)域D、E、F；與之對應(yīng)的是監(jiān)控中心模塊1負責(zé)與區(qū)域模塊1通信，即區(qū)域A、B、C的數(shù)據(jù)發(fā)到模塊1。這樣劃分，監(jiān)測的26個區(qū)域分別由監(jiān)控中心的m個模塊負責(zé)，分區(qū)域傳輸數(shù)據(jù)，提高了傳輸效率。但要注意，劃分監(jiān)測區(qū)域后，發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)幀格式需要附加邏輯模塊標識，以保證各模塊數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)性。在采集監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)采集器可采用原始數(shù)據(jù)存儲方式存儲這些數(shù)據(jù)。
圖4 通信模塊綺構(gòu)圖
另外，由于監(jiān)控中心要向監(jiān)控區(qū)域下發(fā)控制指令，而傳輸下發(fā)指令仍然要使用GPRS模塊，需要該程序具有下發(fā)指令功能。可將控制指令分發(fā)在數(shù)據(jù)庫中，附加相應(yīng)的標識，讓采集程序判斷是否需要下發(fā)指令數(shù)據(jù)，如果需要下發(fā)則自動下發(fā)。數(shù)據(jù)采集器主要負責(zé)檢測數(shù)據(jù)的采集、控制指令的自動下發(fā)，而數(shù)據(jù)分析控制器主要負責(zé)采集數(shù)據(jù)的分析以及控制指令的生成。數(shù)據(jù)分析主要是實時顯示區(qū)域數(shù)據(jù)，以便直觀地看到污染數(shù)據(jù)，當(dāng)實時數(shù)據(jù)超過指標控制閾值時，立即告警。另外，它還可匯總實時數(shù)據(jù)，繪出污染的階段曲線。數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析控制器的穩(wěn)定運行有賴于數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要存放系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫主要包含實時數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及控制指令。另外，也需要重視數(shù)據(jù)庫的日常管理，特別是告警的使用。
為了能夠遠程地使用該系統(tǒng)，監(jiān)控中心還設(shè)置了其他計算機及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，所有接入監(jiān)控中心服務(wù)器的計算機都可以瀏覽監(jiān)控信息，并發(fā)送一定的控制指令，但對于數(shù)據(jù)瀏覽以及控制指令下發(fā)需要嚴格控制，需要設(shè)計用戶權(quán)限，以便合理控制。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)主要分硬件、軟件兩部分。硬件部分采用鉛塵傳感器及ZigBee無線模塊，主要完成接口電路設(shè)計、ZigBee協(xié)議修改任務(wù)和實現(xiàn)通信模塊串口控制、鉛塵數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能；軟件部分實現(xiàn)區(qū)域、城市數(shù)據(jù)采集及分揀、數(shù)據(jù)分析及顯示等功能。鉛塵數(shù)據(jù)監(jiān)測及節(jié)電控制選用韓國SYHITECH的DSM501粉塵傳感器。該款傳感器采用粒子計數(shù)原理，輸出PWM脈寬調(diào)制信號，可靈敏地檢測直徑1um以上的粒子，如香煙、灰塵、霉菌、孢子等。
鉛塵數(shù)據(jù)監(jiān)測依賴于被檢信號，本系統(tǒng)使用傳感器提供的PWM信號，通過檢測PWM信號獲得鉛塵含量數(shù)據(jù)。
通過檢測占空比即檢測正負脈沖時間，實現(xiàn)PWM信號檢測功能。考慮到節(jié)電效果，需要在指定時間開啟／關(guān)閉傳感器，在開啟傳感器時間段內(nèi)測量占空比。占空比測量過程見圖5，等待正跳變到來時開始記錄時間，直到負跳變到來時停止記錄正脈沖時間；等下一個正跳變到來時停止記錄單周期時間。用正脈沖時間除以單周期時間即得占空比。
圖5 鉛塵監(jiān)測流程圖
一般一個周期為30 S，為了增強測量的準確性，測量多個周期的占空比。將檢測數(shù)據(jù)裝幀并發(fā)至服務(wù)器端的協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)幀格式及說明見表1。
表1 數(shù)據(jù)幀格式及數(shù)據(jù)說明
系統(tǒng)通過配置ZigBee協(xié)議，實現(xiàn)硬件節(jié)電控制。ZigBee協(xié)議中主要設(shè)置預(yù)編譯選項POWER_SAVING以及將f8wConfig．cfg中的RFD_RCVC_ALWAYS_ON設(shè)置為FALSE。另外，需要設(shè)置預(yù)編譯NV_RESTORE，讓終端能夠記錄網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，防止斷網(wǎng)再次重新搜索。系統(tǒng)通過ZigBee的IO口繼電器實現(xiàn)傳感器的通斷電功能。
3．1 區(qū)域數(shù)據(jù)采集及分揀
通過與串口連接的多個協(xié)調(diào)器采集區(qū)域數(shù)據(jù)，傳感器終端通過路由或直接將數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳至計算機。
區(qū)域數(shù)據(jù)采集模塊首先為每個串口開辟線程，輪詢訪問串口，讀緩沖；如果有數(shù)據(jù)則按照字節(jié)接收數(shù)據(jù)，按照上報數(shù)據(jù)幀格式處理數(shù)據(jù)。解析格式正確的數(shù)據(jù)幀，并存至數(shù)據(jù)庫中。詳細流程如圖6所示。
圖6 區(qū)域數(shù)據(jù)采集及分揀流程圖
3．2 區(qū)域數(shù)據(jù)分析及顯示
該部分實現(xiàn)了實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)及告警功能，也能查詢歷史數(shù)據(jù)的圖形界面，可以靈活配置相關(guān)圖形。實時監(jiān)測界面如圖7所示。
圖7 區(qū)域數(shù)據(jù)分析及顯不
3．3 區(qū)域數(shù)據(jù)上報及城市數(shù)據(jù)接收與分揀
該部分通信利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)成本較高，只選擇上報告警數(shù)據(jù)。將多個告警數(shù)據(jù)依次裝幀，在不突破短信限制的前提下，盡量裝入同一幀，以減少通信成本。主要技術(shù)有手機初始化配置、短信接收提醒、短信接收、短信發(fā)送等。手機初始化設(shè)置包括移動信號檢測、短信模式設(shè)置、存儲位置設(shè)置、短信中心號碼設(shè)置、新短信體型模式設(shè)置等。數(shù)據(jù)接收部分需要開辟線程，接收新短信提醒。如有新短信到達，開始讀短信，并解析短信數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)正確入庫
。
圖8 GPRS接收端界面
數(shù)據(jù)上報部分同樣需要開辟線程，定時判斷是否有新的告警數(shù)據(jù)。如有，將告警數(shù)據(jù)裝幀，并通過短信發(fā)至服務(wù)端。相關(guān)程序截圖如圖8所示。城市數(shù)據(jù)分析及顯示與區(qū)域數(shù)據(jù)分析及顯示部分相似，在此不再贅述。
4 結(jié)束語
本文利用傳感器技術(shù)與ZigBee無線模塊技術(shù)，研究了無線監(jiān)測系統(tǒng)。采用ZigBee數(shù)傳模塊和網(wǎng)狀拓撲布設(shè)傳感器節(jié)點，實現(xiàn)了某高污染企業(yè)廠區(qū)及其周邊環(huán)境的ZigBee數(shù)傳采集監(jiān)測功能；利用GPRS技術(shù)，綜合無線監(jiān)測了多個企業(yè)廠區(qū)及其周邊環(huán)境，實現(xiàn)城區(qū)環(huán)境污染的無線監(jiān)測功能；采用實時遠程監(jiān)控，提高了工作效率，節(jié)省了人力資源；采用無線方式，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕徊捎?span lang="EN-US">ZigBee無線模塊通信方式，擴大了監(jiān)控范圍，降低了能耗，節(jié)約了能源。
本系統(tǒng)可實現(xiàn)無線遠程監(jiān)測高污染企業(yè)及其周邊環(huán)境的功能，為環(huán)保部門治理環(huán)境提供了技術(shù)支持。使用結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡便，提高了鉛塵監(jiān)測工作效率，具有重要的推廣應(yīng)用價值。