采用ZigBee无线通信技术的工业废气监控的无线传感器网络系统设计

引言

大气污染物可分为天然污染物和人为污染物2种，而引起公害的往往是人为污染物，于燃料燃烧和大规模的工矿企业的气态污染物是大气污染的重要之一。随着我国工业化和城市化进程的不断发展，我国空气污染的情况已相当严重，是全球三大酸雨区之一。为促成可持续的低碳经济发展模式形成，对大气环境的监测与治理是一件刻不容缓的任务。但是，传统的有线监测网络只能沿着固定的线路传输数据，传输介质的架设不可避免地具有破坏建筑，存在检修困难、扩展困难、安装维护费用高的弊端；同时不能在某些恶劣环境（ 不易布线场所、人不宜到达的地方、临时性场所、突发事故现场） 实现快速部署检测系统，监控方式不及时。为此，本文结合ZigBee 无线短距离通信技术的发展，设计一种应用于工业废气的无线组网监测方案，对工业排放废气进行安全、灵活、有效的实时监控，加快我国环境管理基础能力和提高环境监测能力及环境监督执法现代化水平具有重要意义。

1 ZigBee无线监测系统总体设计方案

基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监测网络由现场监测节点、中继站（簇首节点和ZigBee协调器） 和监控中心三级构成，该网络可以覆盖整个工厂的所有监控环节，构成一个严密的、全方位、立体式监控体系。为提高网络的可扩展性和降低网络管理复杂度，本系统采用分簇的结构设计思想，将网络划分为若干个簇，每个簇由一个簇首节点和若干个普通节点组成，沿工厂中各监控环节部署普通监测节点，簇首节点负责管理和维护一定范围内的普通监测节点，其系统总体结构如图1所示。系统中各监测节点采集各种污染参数，每个簇选举一个簇首节点，用于接收本簇内所有节点送来的数据，实现数据融合功能，并发送到ZigBee 协调器。同时，簇首节点也可以接收ZigBee 协调器的控制命令，并发送给本簇内的所有监测节点。各簇首节点可通过ZigBee协调器定时向监测中心发送信息，平时也可将其设置为休眠状态，在收到监测中心的上报数据指令后才开始启动数据采集工作，将信息发送给监测中心，各簇首节点有数据采集，指令解析与识别，数据发送等功能。

ZigBee协调器负责监测网络的建立、管理和维护，如为新加入的设备分配网络地址，节点的加入和离开等，并且将采集的数据上传给监控中心或者将监控中心的命令在网络中发送到ZigBee网络中的簇首节点。系统监测中心对各ZigBee协调器进行控制指挥，监测中心既是各ZigBee 协调器的指挥中心，又是监测数据的收集、处理和存储的数据中心。

图1 工业废气ZigBee无线监控网络结构图

2 节点硬件设计

无线传感器终端节点由数据采集模块、各种信号调理电路、数据处理模块、无线通信模块和电源管理模块组成。

节点硬件结构框图如图2所示。数据采集模块主要由各种气体传感器、湿度传感器与温度传感器构成，各传感器单元对工厂监测环境内各种有机废气和无机废气浓度进行采集，然后根据气体其排风量、温度、浓度及本身化学物理性质不同将气体浓度的物理量转换为相应电信号。信号调理单元电路将采集到的信号进行调理后送至数据处理模块。

数据处理模块的微处理器采用ATmel公司的ATmega128L微控制器，它是一种低功耗、高度集成的微处理芯片，具有片内128 kB 的程序存储器（ Flash ）、4 kB 的数据存储器（SRAM ）和4kB 的EEPROM, 有8个10位ADC 通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM 通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器，片上模拟比较器，JTAG,UART, SPI, I2C总线等接口。ATm ega128L可在正常操作模式和6种不同等级的低能耗操作模式下工作，适合于低能耗的应用场合。本监控系统设计中ATm ega128L 采用7. 3728MH z晶振作为ATm ega128L 的工作时钟，以32.768 kHz晶振作为实时时钟源。

图2 无线监测节点结构图

无线通信模块完成与协调器节点的交互工作，负责监测数据收发和交换控制消息。无线传感器终端节点以用德州仪器的CC2430无线模块为核心，它是一种符合IEEE802. 15. 4标准的Zig B ee片上系统CMOS解决方案，其内部有2. 4GH z的RF 无线电收发机、内存和微控制器。它使用一个高性能和低功耗的8位MCU（8051），具有128 kB的可编程闪存和8 kB的RAM, 同时包含有ADC、定时器、AES?? 128协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路等。

微处理器全速工作时（ 32MH z），在接收和发射模式下，电流损耗约为27mA.CC2430 在休眠模式时仅0. 5uA 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统； 在待机模式时少于0. 3 uA的流耗，外部的中断能唤醒系统。另外，由于CC2430有FLASH 存储模块，具有一定的数据存储能力，因而可以减少射频的工作次数，进而降低功耗。

工业废气监控应用往往需要长时间地进行，这就需要传感器节点具有足够的能量。为此在选择节点芯片时均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或可充电锂离子电池工作，电源管理芯片采用AD 公司的ADP3338-3.3, SOT-223封装。协调器由于一直处于收发状态，采用外部电源供电。

为节省能量，终端监测节点大部分时间处于休眠状态，此时功耗小于1 ??A.当监测节点没有传感任务且不需要发送数据时，关闭节点通信模块和数据采集模块以节省能量。

协调器收到数据包后，将原路返回发送确认信息至终端监测节点，与监测节点实现握手通信，如果监测节点并未收到确认消息，则继续发送数据，直到其收到确认消息。另外，考虑到在同一传感器网络，不同节点对能量的需求与消耗有所不同，从而使得有些节点能量消耗较快，成为整个网络的能量瓶颈。为均衡各节点能量消耗，本系统采用分簇网络进行数据采集与传输， 首先依据传感网节点分布密度确定最优分簇个数，并对传感器网络进行K均值聚类； 然后结合节点剩余能量，利用遗传算法的全局寻优能力为各个分簇选择合适的簇首节点。于是，簇内各监测节点将采集的数据发送给其对应的簇首节点。簇首将接收的数据经融合处理后经过单跳路由传输至ZigBee协调器，以完成数据传送。

3 Z ig Bee无线传感器节点软件设计

工业废气监控系统软件使用模块化程序设计，主要由终端监测节点和ZigBee 协调器节点组成。工业废气监测终端节点主要负责将传感器组采集的数据传递给簇首节点，簇首节点再发送至协调器，最后经路由器转发至监控中心服务器； 同时，它也可以接收协调器发来的命令： 如打开或关闭传感器、调整采集时间、阈值设定等。每5 s轮询一次，每50 s采集并发送一次数据，其余时间则处于休眠状态，这样可以降低功耗，延长电池使用寿命。协调器的主要工作是接收子节点发来的数据，将数据上传至监控主机，转发监控中心发来命令等。系统终端监测节点流程图与协调器节点程序流程图分别如图3、图4所示。

图3 监测节点程序流程图

图4 Z ig Bee协调器程序流程图

无线监测系统开始工作后，终端监测节点先进行软件和硬件的初始化，然后查找是否有可加入的网络。它加入网络时，监测节点加入网络后，如果没有监测任务，则先进入休眠状态； 若遇监测任务或休眠周期结束，则产生中断，激活节点使其进入工作模式，然后监测节点开始采集、发送数据至网内簇首节点。ZigBee协调器收到终端节点的加入网络的请求时，协调器会给该节点分配网络地址。然后接收由各簇首节点发来的监测数据，并经路由器上传至监控中心服务器上，以进行数据存储与分析。同时，也可以向下转发命令。

系统设计中将网络中的所有节点分为若干个自组织的簇。考虑到ZigBee 传输范围一般介于10~ 75m 之间，因此，设计时要相邻簇节点之间的距离在75 m 以内以便于数据传输。各簇内簇首节点用于接收本簇内所有节点送来的数据，进行数据融合，并发送到Z ig Bee协调器。同时，也负责接收ZigBee 协调器的控制命令，并转发至本簇内的各终端监测节点。系统采用遗传聚类算法对ZigBee网络进行划分，以均衡各个节点能耗，延长网络寿命。

4 监测系统安全性考虑

Z ig Bee 无线传感器网络的安全性直接影响到系统的可靠度，它主要包括2 个方面： 一是防止非法节点的加入，另一个是防止数据非法窃取。本系统设计中可先根据用户密钥与数据采集时间生成发送节点标识信息（ 水印） , 然后将其嵌入到发送数据中，接收节点只有检测到水印信息存在才对数据进行存储与分析，从而可有效防止非法节点的加入，并识别虚假数据，提高检测精度。另外结合秘密共享与无损认证水印技术，通过将各分簇内终端节点的协作分成，将关联于各终端节点数据的水印信息，嵌入到各终端节点分存数据中，接收节点根据接收到的数据提取协作水印，并计算各关联数据之间的哈希值，通过水印信息与该哈希值的一致性来验证数据真实性与完整性。

5 仿真实验与性能测试

本文利用NS2 进行仿真实验，实验中建立了一个200m*200m 大小的实验场景，场景内随机分布100个节点，各监测节点每5 s轮询一次，每50 s采样一次数据，并向簇首节点传送数据。实验数据包长为40个字节，且在本地节点记录发送时间。根据大气污染综合排放标准，给定足够的精度（ 如表1所示），该系统能实时给出相应告警信息。

为测试系统稳定性与网络寿命，对实验过程中系统所收集到的数据进行了统计，图5 给出了每天无线监测系统成功收集的数据量情况，从统计数据看，系统可较快进入稳定状态，具有较低的丢包率，系统生命周期可长达134 d, 网络生存时间内共收到有效数据包约12万条，完全可满足实际应用要求。

表1 终端监测节点测量精度

图5 Z ig Bee无线监测系统采集数据量统计

为实现对监测区域长时间的有效监控，系统中所部署的传感器网络节点应有足够的存活时间。实验中测试了提出ZigBee无线监测方案的节点存活性能，测试结果如图6所示。从图6可以看出： 在120 d后才有节点消亡，监测系统运行180 d后，全部节点才耗尽能量。当然全系统中消亡节点达到一定数量时就不能有效完成数据监测与传输任务，若设定节点存活率不足80%时监测无法正常工作，该系统有效生存时间为134 d, 可满足监测应用环境对长时间有效监测的需求。

图6 系统节点存活率

6 结束语

针对在工业废气远程监控系统中，存在须无人值守的设备或监测点，及一些不适合用有线通信的应用环境，本文结合ZigBee无线通信技术，提出一种无线传感器网络系统设计方案。该方案给出了详细的传感器节点硬件设计与软件设计，结合数字水印与秘密共享思想，为ZigBee 传感器网络数据安全通信提供了一种有效解决方案。该系统结构简单、测量精度高、功耗低、成本低、实时性好、安全性高，可广泛用于电力、天然气、煤炭、石油、化工、钢铁、纺织、医药卫生等行业的工业污染源监测。