摘要： 結(jié)合ZigBee無線短距離通信技術(shù)，提出一種應(yīng)用于工業(yè)廢氣監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。該方案網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件電路以ATmega128L 為控制器、CC2430為射頻收發(fā)器，詳細(xì)規(guī)劃了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，并對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)安全通信進行了充分考慮。該系統(tǒng)利用遺傳聚類思想實現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點能量均衡消耗，具有低成本、低功耗、易擴展、安全性高等特點，能實時監(jiān)測工業(yè)環(huán)境空氣中廢氣含量，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中工業(yè)廢氣監(jiān)控。

　　0 引言

　　大氣污染物可分為天然污染物和人為污染物2種，而引起公害的往往是人為污染物，來源于燃料燃燒和大規(guī)模的工礦企業(yè)的氣態(tài)污染物是大氣污染的重要來源之一。隨著我國工業(yè)化和城市化進程的不斷發(fā)展，我國空氣污染的情況已相當(dāng)嚴(yán)重，是三大酸雨區(qū)之一。為促成可持續(xù)的低碳經(jīng)濟發(fā)展模式形成，對大氣環(huán)境的監(jiān)測與治理是一件刻不容緩的任務(wù)。但是，傳統(tǒng)的有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)只能沿著固定的線路傳輸數(shù)據(jù)，傳輸介質(zhì)的架設(shè)不可避免地具有破壞建筑，存在檢修困難、擴展困難、安裝維護費用高的弊端；同時不能在某些惡劣環(huán)境（ 不易布線場所、人不宜到達的地方、臨時性場所、突發(fā)事故現(xiàn)場） 實現(xiàn)快速部署檢測系統(tǒng)，監(jiān)控方式不及時。為此，本文結(jié)合ZigBee 無線短距離通信技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計一種應(yīng)用于工業(yè)廢氣的無線組網(wǎng)監(jiān)測方案，對工業(yè)排放廢氣進行安全、靈活、有效的實時監(jiān)控，加快我國環(huán)境管理基礎(chǔ)能力和提高環(huán)境監(jiān)測能力及環(huán)境監(jiān)督執(zhí)法現(xiàn)代化水平具有重要意義。

　　1 ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)廢氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點、中繼站（簇首節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器） 和監(jiān)控中心三級構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋整個工廠的所有監(jiān)控環(huán)節(jié)，構(gòu)成一個嚴(yán)密的、全方位、立體式監(jiān)控體系。為提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和降低網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜度，本系統(tǒng)采用分簇的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個簇，每個簇由一個簇首節(jié)點和若干個普通節(jié)點組成，沿工廠中各監(jiān)控環(huán)節(jié)部署普通監(jiān)測節(jié)點，簇首節(jié)點負(fù)責(zé)管理和維護一定范圍內(nèi)的普通監(jiān)測節(jié)點，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中各監(jiān)測節(jié)點采集各種污染參數(shù)，每個簇選舉一個簇首節(jié)點，用于接收本簇內(nèi)所有節(jié)點送來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合功能，并發(fā)送到ZigBee 協(xié)調(diào)器。同時，簇首節(jié)點也可以接收ZigBee 協(xié)調(diào)器的控制命令，并發(fā)送給本簇內(nèi)的所有監(jiān)測節(jié)點。各簇首節(jié)點可通過ZigBee協(xié)調(diào)器定時向監(jiān)測中心發(fā)送信息，平時也可將其設(shè)置為休眠狀態(tài)，在收到監(jiān)測中心的上報數(shù)據(jù)指令后才開始啟動數(shù)據(jù)采集工作，將信息發(fā)送給監(jiān)測中心，各簇首節(jié)點有數(shù)據(jù)采集，指令解析與識別，數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

　　ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和維護，如為新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點的加入和離開等，并且將采集的數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控中心或者將監(jiān)控中心的命令在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點。系統(tǒng)監(jiān)測中心對各ZigBee協(xié)調(diào)器進行控制指揮，監(jiān)測中心既是各ZigBee 協(xié)調(diào)器的指揮中心，又是監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、處理和存儲的數(shù)據(jù)中心。

圖1 工業(yè)廢氣ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　2 節(jié)點硬件設(shè)計

　　無線傳感器終端節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊、各種信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源管理模塊組成。

　　節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要由各種氣體傳感器、濕度傳感器與溫度傳感器構(gòu)成，各傳感器單元對工廠監(jiān)測環(huán)境內(nèi)各種有機廢氣和無機廢氣濃度進行采集，然后根據(jù)氣體其排風(fēng)量、溫度、濃度及本身化學(xué)物理性質(zhì)不同將氣體濃度的物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號。信號調(diào)理單元電路將采集到的信號進行調(diào)理后送至數(shù)據(jù)處理模塊。

　　數(shù)據(jù)處理模塊的微處理器采用ATmel公司的ATmega128L微控制器，它是一種低功耗、高度集成的微處理芯片，具有片內(nèi)128 kB 的程序存儲器（ Flash ）、4 kB 的數(shù)據(jù)存儲器（SRAM ）和4kB 的EEPROM, 有8個10位ADC 通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器、8個PWM 通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器，片上模擬比較器，JTAG,UART, SPI, I2C總線等接口。ATm ega128L可在正常操作模式和6種不同等級的低能耗操作模式下工作，適合于低能耗的應(yīng)用場合。本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中ATm ega128L 采用7. 3728MH z晶振作為ATm ega128L 的工作時鐘，以32.768 kHz晶振作為實時時鐘源。

圖2 無線監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

　　無線通信模塊完成與協(xié)調(diào)器節(jié)點的交互工作，負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)收發(fā)和交換控制消息。無線傳感器終端節(jié)點以用德州儀器的CC2430無線模塊為，它是一種符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的Zig B ee片上系統(tǒng)CMOS解決方案，其內(nèi)部有2. 4GH z的RF 無線電收發(fā)機、內(nèi)存和微控制器。它使用一個高性能和低功耗的8位MCU（8051），具有128 kB的可編程閃存和8 kB的RAM, 同時包含有ADC、定時器、AES?? 128協(xié)同處理器、看門狗定時器、掉電檢測電路等。

　　微處理器全速工作時（ 32MH z），在接收和發(fā)射模式下，電流損耗約為27mA.CC2430 在休眠模式時僅0. 5uA 的流耗，外部的中斷或RTC 能喚醒系統(tǒng)； 在待機模式時少于0. 3 uA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。另外，由于CC2430有FLASH 存儲模塊，具有一定的數(shù)據(jù)存儲能力，因而可以減少射頻的工作次數(shù)，進而降低功耗。

　　工業(yè)廢氣監(jiān)控應(yīng)用往往需要長時間地進行，這就需要傳感器節(jié)點具有足夠的能量。為此在選擇節(jié)點芯片時均使用低功耗、低電壓工作的芯片。系統(tǒng)采用普通電池或可充電鋰離子電池工作，電源管理芯片采用AD 公司的ADP3338-3.3, SOT-223封裝。協(xié)調(diào)器由于一直處于收發(fā)狀態(tài)，采用外部電源供電。

　　為節(jié)省能量，終端監(jiān)測節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)，此時功耗小于1 ??A.當(dāng)監(jiān)測節(jié)點沒有傳感任務(wù)且不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，關(guān)閉節(jié)點通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊以節(jié)省能量。

　　協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)包后，將原路返回發(fā)送確認(rèn)信息至終端監(jiān)測節(jié)點，與監(jiān)測節(jié)點實現(xiàn)握手通信，如果監(jiān)測節(jié)點并未收到確認(rèn)消息，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到其收到確認(rèn)消息。另外，考慮到在同一傳感器網(wǎng)絡(luò)，不同節(jié)點對能量的需求與消耗有所不同，從而使得有些節(jié)點能量消耗較快，成為整個網(wǎng)絡(luò)的能量瓶頸。為均衡各節(jié)點能量消耗，本系統(tǒng)采用分簇網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集與傳輸， 首先依據(jù)傳感網(wǎng)節(jié)點分布密度確定分簇個數(shù)，并對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行K均值聚類； 然后結(jié)合節(jié)點剩余能量，利用遺傳算法的全局尋優(yōu)能力為各個分簇選擇合適的簇首節(jié)點。于是，簇內(nèi)各監(jiān)測節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給其對應(yīng)的簇首節(jié)點。簇首將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)融合處理后經(jīng)過單跳路由傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器，以完成數(shù)據(jù)傳送。

　　3 Z ig Bee無線傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

　　工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)軟件使用模塊化程序設(shè)計，主要由終端監(jiān)測節(jié)點和ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點組成。工業(yè)廢氣監(jiān)測終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)將傳感器組采集的數(shù)據(jù)傳遞給簇首節(jié)點，簇首節(jié)點再發(fā)送至協(xié)調(diào)器，經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心服務(wù)器； 同時，它也可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令： 如打開或關(guān)閉傳感器、調(diào)整采集時間、閾值設(shè)定等。每5 s輪詢，每50 s采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時間則處于休眠狀態(tài)，這樣可以降低功耗，延長電池使用壽命。協(xié)調(diào)器的主要工作是接收子節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機，轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心發(fā)來命令等。系統(tǒng)終端監(jiān)測節(jié)點流程圖與協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 監(jiān)測節(jié)點程序流程圖

圖4 Z ig Bee協(xié)調(diào)器程序流程圖

　　無線監(jiān)測系統(tǒng)開始工作后，終端監(jiān)測節(jié)點先進行軟件和硬件的初始化，然后查找是否有可加入的網(wǎng)絡(luò)。它加入網(wǎng)絡(luò)時，監(jiān)測節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，如果沒有監(jiān)測任務(wù)，則先進入休眠狀態(tài)； 若遇監(jiān)測任務(wù)或休眠周期結(jié)束，則產(chǎn)生中斷，激活節(jié)點使其進入工作模式，然后監(jiān)測節(jié)點開始采集、發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)內(nèi)簇首節(jié)點。ZigBee協(xié)調(diào)器收到終端節(jié)點的加入網(wǎng)絡(luò)的請求時，協(xié)調(diào)器會給該節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。然后接收由各簇首節(jié)點發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并經(jīng)路由器上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器上，以進行數(shù)據(jù)存儲與分析。同時，也可以向下轉(zhuǎn)發(fā)命令。

　　系統(tǒng)設(shè)計中將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點分為若干個自組織的簇。考慮到ZigBee 傳輸范圍一般介于10~ 75m 之間，因此，設(shè)計時要相鄰簇節(jié)點之間的距離在75 m 以內(nèi)以便于數(shù)據(jù)傳輸。各簇內(nèi)簇首節(jié)點用于接收本簇內(nèi)所有節(jié)點送來的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，并發(fā)送到Z ig Bee協(xié)調(diào)器。同時，也負(fù)責(zé)接收ZigBee 協(xié)調(diào)器的控制命令，并轉(zhuǎn)發(fā)至本簇內(nèi)的各終端監(jiān)測節(jié)點。系統(tǒng)采用遺傳聚類算法對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行劃分，以均衡各個節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

　　4 監(jiān)測系統(tǒng)安全性考慮

　　Z ig Bee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性直接影響到系統(tǒng)的可靠度，它主要包括2 個方面： 一是防止非法節(jié)點的加入，另一個是防止數(shù)據(jù)非法竊取。本系統(tǒng)設(shè)計中可先根據(jù)用戶密鑰與數(shù)據(jù)采集時間生成發(fā)送節(jié)點標(biāo)識信息（ 水?。?, 然后將其嵌入到發(fā)送數(shù)據(jù)中，接收節(jié)點只有檢測到水印信息存在才對數(shù)據(jù)進行存儲與分析，從而可有效防止非法節(jié)點的加入，并識別虛假數(shù)據(jù)，提高檢測。另外結(jié)合秘密共享與無損水印技術(shù)，通過將各分簇內(nèi)終端節(jié)點的協(xié)作分成，將關(guān)聯(lián)于各終端節(jié)點數(shù)據(jù)的水印信息，嵌入到各終端節(jié)點分存數(shù)據(jù)中，接收節(jié)點根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)提取協(xié)作水印，并計算各關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)之間的哈希值，通過水印信息與該哈希值的一致性來驗證數(shù)據(jù)真實性與完整性。

　　5 仿真實驗與性能測試

　　本文利用NS2 進行仿真實驗，實驗中建立了一個200m*200m 大小的實驗場景，場景內(nèi)隨機分布100個節(jié)點，各監(jiān)測節(jié)點每5 s輪詢，每50 s采樣數(shù)據(jù)，并向簇首節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)包長為40個字節(jié)，且在本地節(jié)點記錄發(fā)送時間。根據(jù)大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，給定足夠的（ 如表1所示），該系統(tǒng)能實時給出相應(yīng)告警信息。

　　為測試系統(tǒng)穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)壽命，對實驗過程中系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，圖5 給出了每天無線監(jiān)測系統(tǒng)成功收集的數(shù)據(jù)量情況，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，系統(tǒng)可較快進入穩(wěn)定狀態(tài)，具有較低的丟包率，系統(tǒng)生命周期可長達134 d, 網(wǎng)絡(luò)生存時間內(nèi)共收到有效數(shù)據(jù)包約12萬條，完全可滿足實際應(yīng)用要求。

表1 終端監(jiān)測節(jié)點測量

圖5 Z ig Bee無線監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量統(tǒng)計

　　為實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域長時間的有效監(jiān)控，系統(tǒng)中所部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)有足夠的存活時間。實驗中測試了提出ZigBee無線監(jiān)測方案的節(jié)點存活性能，測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出： 在120 d后才有節(jié)點消亡，監(jiān)測系統(tǒng)運行180 d后，全部節(jié)點才耗盡能量。當(dāng)然全系統(tǒng)中消亡節(jié)點達到一定數(shù)量時就不能有效完成數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸任務(wù)，若設(shè)定節(jié)點存活率不足80%時監(jiān)測無法正常工作，該系統(tǒng)有效生存時間為134 d, 可滿足監(jiān)測應(yīng)用環(huán)境對長時間有效監(jiān)測的需求。

圖6 系統(tǒng)節(jié)點存活率

　　6 結(jié)束語

　　針對在工業(yè)廢氣遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，存在須無人值守的設(shè)備或監(jiān)測點，及一些不適合用有線通信的應(yīng)用環(huán)境，本文結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)，提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案給出了詳細(xì)的傳感器節(jié)點硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，結(jié)合數(shù)字水印與秘密共享思想，為ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全通信提供了一種有效解決方案。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量高、功耗低、成本低、實時性好、安全性高，可廣泛用于電力、天然氣、煤炭、石油、化工、鋼鐵、紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)的工業(yè)污染源監(jiān)測。

參考文獻:

[1]. ATmega128L  datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/ATmega128L+_144616.html.
[2]. CC2430 datasheet http://www.58mhw.cn/datasheet/CC2430_1055132.html.