基于ZigBee无线传感器网络的PM2.5监控系统

摘要 本文针对雾霾问题与传统的PM2.5监测方法实时监测不足、传输距离有限、成本高、维护困难等缺陷，设计了基于ZigBee技术的大气PM2.5监测系统。该系统结合了ZigBee的低成本、低功耗、高可靠性和GPRS/Internet的数据远程传输能力强等优点，采用TI公司的Z-Stack协议栈，以CC2530芯片和TI公司的MSP430单片机为核心，建立了有助于重大大气污染灾害早期预报的大气污染监测网络。

1.介绍

PM2.5是指可以长时间悬浮在空气中的等效当量直径小于或等于2.5微米的颗粒。由于PM2.5的粒径小，面积大，活性强，易于携带有毒有害物质（如重金属，微生物等），对人体健康和空气环境具有严重的影响[1]。此外，PM2.5浓度的持续积累很容易导致大范围的雾霾天气。在中国，由于对PM2.5的监测滞后，所以在全国发布最新的环境空气质量标准之前，中国只有少数地区对PM2.5进行了监测。由于居民区，商业区和本地生产密集区的PM2.5浓度变化很大，因此不可能依靠从城市监测站获得的数据来确定小区域中精确的PM2.5浓度。在小于市区的地区中使用的PM2.5监控系统通常使用有线网络连接，这非常昂贵且难以对大型生产基地进行维护。

作为低功耗，低速率的无线通信标准，ZigBee是近年来无线通信领域的研究热点。它被广泛应用于智能读表，医学监测和环境监测领域[2]。因此，本文将基于ZigBee的无线传感器网络应用于PM2.5监测，以弥补传统监测方法实时性不足，传输距离受限等缺点，有效建立空气污染监测网络，具有重要意义。对重大空气污染灾害的早期预警也具有重要的意义。本文的结构如下：（2）总体系统设计：总结了系统的总体方案及其实现原理。（3）系统硬件设计：详细说明系统的硬件组成和硬件连接。（4）系统软件设计：设计一个使系统高效，可靠地运行的软件算法。（5）实验结果验证：利用上述硬件和软件高效地实现了系统功能。（6）结论：根据系统的实验数据得出相应的结论。

2.系统设计

ZigBee无线通信网络有三种特定形式，分别是星形网络拓扑，树形网络拓扑和网络拓扑[3]。本文使用树状网络拓扑，树状网络拓扑的大小比最简单的星形网络大，适用于大范围的PM2.5监控。其所需的资源少于其他的实现特定简单的环境监控的网络拓扑结构所需的资源。终端节点负责收集数据并将数据传输到路由节点的上层，路由节点在汇总数据后会将数据传递给上层协调器。之后，协调器将分析数据并将其通过网关发送到监控中心。按照这个设计，构建了基于ZigBee和GPRS的PM2.5远程监控系统。系统框图如图1所示。

3.硬件设计

3.1无线收发器模块

如图2所示，终端采集节点的设计主要由基于Texas Instruments的CC2530模块和射频功率放大器模块CC2591组成。针对使用2.4GHz频段基于IEEE 802.15.4协议的Zigbee和RF4CE，使用CC2530作为系统芯片。它结合了领先的RF收发器，出色的性能和行业增强的8051CPU，能够以非常低的材料成本构建强大的网络[4]。CC2591是适用于2.4GHz频段的低成本高性能RF前端，集成了功率放大器，低噪声放大器，平衡转换器和RF匹配网络等。通过使用CC2530，其数据传输范围可以扩展到600米。

3.2数据采集模块

传感器（也称为检测器）是一种转换器，用于测量物理量并将其转换为可由观察者或仪器读取的信号[5]。 PM2.5传感器用于通过光散射法测量大气颗粒的浓度。该方法基于MIE定律，该定律通过测量空气中颗粒发射的散射光信号来测量颗粒的质量浓度。根据Mie理论，观测角和观测距离确定时，当入射光的波长和强度以及颗粒的组成固定时，散射光的强度与颗粒的浓度呈线性关系。因此，只要用单色光照射，然后检测固定角度和距离的散射光强度，就可以计算出粒子浓度。该设计使用激光二极管作为光源，红色光作为入射光。采样空气通过风道进入激光束区域。当空气中的粒子进入激光束区域时，激光被散射，并且光电检测器接收由凹面镜反射的散射光强度信号。光电信号通过光电检测器的光电效应转换为相应的电信号。在电路对信号进行处理后，即可获得PM2.5的浓度[6]。

3.3通讯模块

为了传输传感器网络检测到的数据，本文采用的方案是：（1）串行通讯：协调器通过串口与PC机连接，直接在本地距离传输数据，不仅可以查看数据，也方便系统调试。（2）GPRS模块通讯：SIM900A模块可实现GPRS / GSM远程通讯，通讯距离长，可靠性高。（3）通过将以太网实时数据上传到数据监控中心，可以更加直观，科学地分析PM2.5数据，并可以预测其趋势，这对预防空气污染灾害起到了积极的作用。这里主要介绍GPRS通讯。本设计使用SIMCom生产的SIM900A模块。该芯片采用了一种节能技术，可以将休眠模式下的功耗降至仅1.0mA，这适用于大多数的低功耗需求。 SIM900A芯片采用嵌入式TCP / IP协议，使用标准的AT命令进行写入，以实现与中央服务器的TCP连接，从而将ZigBee网络收集的数据传输出去[7]。该模块具有结构紧凑，易于生产和加工的优点，并基于ARM926EJS架构，可广泛用于无线传感器网络，车辆跟踪，智能读表等领域。

3.4协调器

协调器是整个无线传感器网络的核心模块。它的主要功能是处理数据，存储数据和控制流程。一方面，它可以处理并计算数据并将其发送到射频模块，另一方面，它也能处理射频模块接收的数据信息，并控制硬件平台的其他模块的运行[8]。

MSP430微控制器是TI的16位超低功耗混合信号处理器。该芯片采用了当前流行的指令集，采用了先进的体系结构，大大增强了其数据处理和计算能力。而且，它的功耗非常低：在活动模式下，工作电路的电路仅为280uA，在闭合状态下仅需要0.1uA的电流。此外，MSP430微控制器还具有丰富的外围接口，适用于PM2.5检查系统的大数据传输和高实时性要求。协调器节点的硬件组成如图3所示。

4.系统软件设计

系统软件实现ZigBee协议，并基于硬件节点完成联网。同时，它实现了监控网络的PM2.5实时监控。它的主要任务如下：终端节点完成数据的采集和AD转换，然后进行大气颗粒物浓度的计算和包的传输；协调器建立并维护整个网络并实现数据传输。

4.1 ZigBee协议简介

无线传感器网络节点需要具有相应的无线网络协议才能完成相互数据交换（包括MAC层，路由，网络层，应用程序层等）。传统的无线协议难以满足无线传感器的低成本，低功耗和高可靠性的要求。在这种情况下，ZigBee协议应运而生。ZigBee技术是一种低数据速率，低功耗，低成本的产品；针对自动化和远程控制应用的无线网络协议[9]。ZigBee定义了无线通信在短距离内具有低传输速率所需的一系列通信协议。它使大量传感器能够相互通信，同时保持最低的能耗和较高的通信效率。此设计作为802.15.4 / ZigBee技术的核心软件平台，基于TI Corporate的Z-Stack协议栈。用户可以根据IEEE 802.15.4标准执行一系列初始化操作，并完成轮询操作系统的配置和高级调用，从而完成相应的应用程序设计并开发具有相应功能的无线传感器网络[10]。

4.2终端节点编程

终端节点主要负责无线传感器网络中的数据收集。上电初始化完成后，它将网络访问请求发送到协调器。在从终端节点接收到网络访问请求后，传感器节点将向连接器发送连接请求。如果请求响应正确，则用户可以成功访问网络。成功连接网络后，协调器将分配一个唯一的ID，并将传感器节点的MAC地址与该ID相关联以进行注册。否则，连接网络就失败了[11]。传感器节点的流程图如图4所示。网络成功连接后，传感器节点将每隔一小时收集一次土壤水分并发送数据包。在空闲时间它将进入睡眠模式。只有在中断，计时器和无线收发器模块上电时，才会进行低功耗的工作。

4.3协调器节点编程

作为整个传感器网络的中心，协调器节点主要负责网络的远程无线数据传输。协调器节点在开机初始化后，将首先建立网络，然后进入网络监视状态。从传感器节点收到网络访问请求后，它将为子节点分配地址，并发送网络确认信息以建立连接[12]。在传感器网络中，Z-Stack表现为操作系统形式。协调员不断查询事件是否发生。在子节点接收到数据包后，相应的AT命令将通过串行端口发送到SIM900A，以实现通过GPRS的数据远程传输。协调器的工作流程图如图5所示。

5.实验结果验证

为了验证系统的实际效果，本文选择了三个不同的区域进行PM2.5监测实验，并且每个实验站点都放置了五个不同的传感器节点以进行数据收集。在分析了五组数据之后，获得了随时间变化的曲线，如图6所示。实验结果表明，植物附近的PM2.5浓度最高，居民区最低。此外，图6还表明夜间PM2.5浓度高，白天PM2.5浓度低的趋势，这与实际情况相符。

6.结论

本文以ZigBee为核心，通过可靠的硬件结构和软件设计来构建无线传感器网络。通过GPRS /以太网上传PM2.5监控数据，实现远程实时监控。该系统具有大量典型的WSN节点和大量数据收集功能。它还结合了GPRS /以太网的优势，它具有广泛的覆盖范围，并且可以在远距离传输大量数据。该系统根据实验数据，可以准确监测环境中PM2.5的含量，并有效的实现实时上传。另外，通过更改网络拓扑结构，可以在不同区域中使用此系统。该系统具有较强的适用性和较高的稳定性，可以有效的预防大气污染造成的重大灾害。

基于FPGA的Zigbee发射机位对片模块的开发

摘要 数字发送器是在FPGA（现场可编程门阵列）上开发的，目的是满足像Zigbee之类的简单，低功耗和低成本无线通信的需求。Zigbee主要在2.4 GHz频段工作的特点使得该技术易于应用并在全球范围内可用。但是，本文仅介绍了用于确认帧的数字发送器的位到符号块和符号到芯片块。在Spartan3E XC3S500E FPGA上实现之前，这两个模块是组合在一起作为点对芯片模块的。该研究的目的是通过Xilinx ISE 8.2i使用Verilog语言来使设计方法多样化。本文还提供了仿真和测量结果以验证组合模块的功能。其中输入数据和输出数据的频率分别为250 kHz和2 MHz。

关键字 FPGA；Zigbee；位到符号；符号到芯片；Verilog

1.介绍

Zigbee是短距离无线通信规范的名称，该规范要求低数据速率，较长的电池寿命，低功耗，安全的网络连接和更低成本的技术。Zigbee标准也称为无线个人局域网（WPANs）的IEEE 802.15.4标准。该标准规定，一个符合的系统将在三个免许可的频段上运行：全球范围内的免许可频段为2.45 GHz（最大数据速率为250 kbps），北美地区为868 MHz（20 kbps），欧洲为915 MHz（40 kbps）[1 ]。由于环境的不同，这项技术的传输范围也不同，为 10到100米[2]。

Zigbee的主要应用集中在传感器和自动控制上，例如军事应用，工业控制，智能建筑和环境监控[3]。Zigbee架构可识别三种设备：协调器，路由器和终端设备[4]。同时，Zigbee网络层支持三种网络拓扑：星形，网格和群集树[5，6]。共有四种数据包帧类型：数据，确认，MAC命令和信标[7]。

本文介绍了通过Xilinx软件在Zigbee Standard上进行行为编码，行为模拟，比特到符号块和符号到芯片块的设计和实现的设计流程。Spartan3E XC3S500E系列已被用作FPGA器件。该设备专门被设计用于满足大批量和对成本敏感的消费电子应用的需求。该器件的增强以及与先进的90纳米制程技术相结合，在同等的价格上提供了比以前更多的功能和带宽，为可编程逻辑行业树立了新的标准[8]。

本文的结构如下：在第二部分中，给出了Zigbee数字发射机的概述，其中包括位到符号块和符号到芯片块的特性。第三节介绍了每个模块的设计方法。在第四节中，介绍了组合块的最终仿真和测量结果并进行了讨论，并给出了结论。

2.Zigbee发射器

16个信道可用于2.4 GHz频段应用，信道间隔为5 MHz。该标准采用DSSS（直接序列扩展频谱）标准，来表示PN（伪随机噪声）片序列的数字扩展功能[9]。

由于本项目侧重于确认帧，因此它被用于确认帧是否接收成功。图1给出了确认帧的结构，该确认帧源自MAC子层内[10]。该帧由MHR（MAC标头）和MFR（MAC页脚）构成。 MHR包含MAC帧控制字段和DSN（直接序列号），而MFR由16位FCS（帧检查序列）组成。 MHR和MFR一起形成MAC确认帧，并作为PSDU（PHY服务数据单元）传递到PHY，后者成为PHY负载。 PHY有效载荷以SHR（同步头）为前缀，其中包含前同步码序列和SFD（帧开始定界符）字段以及PHR（PHY头）。 SHR，PHR和PHY有效载荷形成称为PPDU（PHY协议数据单元）的PHY数据包。

在此项目中，前导序列包含32位，逻辑为0。对于SFD，长度为8位，如Zigbee标准所描述的为逻辑“ 1110 0101”。 PHR也包含了8位的长度，逻辑为“ 1010 000” [10]。帧控制的长度为16位，逻辑为“ 0100 0100 0000 0000”。序列号逻辑为“ 1000 0000”。这些总共为确认帧提供了88位。

图2显示了基于参考文章10和参考文章11提出的Zigbee数字发射机的框图。来自PPDU数据包的二进制数据被插入到CRC块中，然后被插入到位到符号块中。之后，每4位映射到一个数据符号。符号到芯片块执行DSSS，其中每个符号都映射到32芯片PN（伪随机噪声）序列中[12]。在2.4 GHz的频带中，采用O-QPSK调制。 O-QPSK的基本方法是将同相信号与延迟了半个周期的正交相位信号相加，以避免突然的相移变化[11]。然后

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