基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線環(huán)保檢測(cè)系統(tǒng)解決方案

　　一、系統(tǒng)背景  
    
　　在人類(lèi)生存環(huán)境日益惡化的今天，建立完整的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的，我國(guó)繼續(xù)把環(huán)境保護(hù)放在突出的戰(zhàn)略位置。致力于重點(diǎn)流域的水污染防治工程及城鎮(zhèn)污水和垃圾處理。環(huán)保儀器儀表主要用在環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)和污染源監(jiān)測(cè)等方面環(huán)保主要是解決我國(guó)水環(huán)境、大氣環(huán)境兩個(gè)戰(zhàn)略性和全局性的大環(huán)境生態(tài)污染問(wèn)題。
   
　　1.1、環(huán)保儀器儀表的主要需求如下：
   
　　(1)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)：目前全國(guó)環(huán)保系統(tǒng)及各部門(mén)、行業(yè)、企業(yè)已建監(jiān)測(cè)站4000 多個(gè)，國(guó)家環(huán)保局計(jì)劃在全國(guó)裝備400 多個(gè)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)站；350 多個(gè)環(huán)境信息中心；100 個(gè)城市空氣地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
   
　　(2)污染源監(jiān)測(cè)：國(guó)家要對(duì)全國(guó)1.8 萬(wàn)個(gè)重點(diǎn)污染企業(yè)實(shí)施主要污染物排放總量控制和消減，以改善環(huán)境質(zhì)量，因此要求1.8 萬(wàn)個(gè)污染大戶要逐步安裝在線連續(xù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。
   
　　(3)遙感遙測(cè)儀器儀表：包括對(duì)荒漠、草原、森林、海洋、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也需要對(duì)大氣污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源進(jìn)行遙感遙測(cè)。
    
　　1.2、行業(yè)現(xiàn)狀
    
　　當(dāng)前我國(guó)生產(chǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表大多是中低檔產(chǎn)品，產(chǎn)品功能單一，故障率高，附加值低，在品種和數(shù)量上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。
    
　　有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：1、向三化即自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；2、由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型方向發(fā)展；3、由較窄領(lǐng)域監(jiān)測(cè)向全方位領(lǐng)域監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展；4、由單純的地面環(huán)境監(jiān)測(cè)向遙感環(huán)境監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方向發(fā)展。 
    
　　處理分布在各處的環(huán)境檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題一直是建立環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的難點(diǎn)，如果沒(méi)有將分布在各處的環(huán)境檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線的管理則會(huì)給管理部門(mén)帶來(lái)很多的問(wèn)題。無(wú)法實(shí)施實(shí)時(shí)的管理及24 小時(shí)監(jiān)控和監(jiān)管。本系統(tǒng)就是在現(xiàn)有的儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上采用ZIGBEE 無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的管理及24 小時(shí)監(jiān)控和監(jiān)管。隨著我國(guó)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越重視，在原有的單點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，各地的環(huán)境監(jiān)測(cè)站紛紛建立了一些無(wú)人值守的檢測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)更廣更實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)環(huán)境質(zhì)量需要我們有更好方法將各個(gè)不同地方的測(cè)量設(shè)備的信息進(jìn)行上傳共享處理。這里我們技術(shù)一種給予ZIGBEE 技術(shù)的無(wú)線技術(shù)來(lái)解決這樣的應(yīng)用。

　　二、系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介
     
　　2.1、Zigbee 技術(shù)簡(jiǎn)介
     
　　zigbee是一種無(wú)線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無(wú)線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。國(guó)際上，IEEE802.15.4工作組及zigbee聯(lián)盟共同致力于該無(wú)線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定zigbee物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通； zigbee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場(chǎng)推廣工作。而于2002年成立的zigbee聯(lián)盟如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備公司的加入。目前，F(xiàn)reescale、TI等國(guó)際巨頭都已推出了比較成熟的zigbee開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

　　ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4 協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。如果沒(méi)有直接通路，還可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。

　　2.2、 

圖一 ZIGBEE 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖二 ZIGBEE 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　三、系統(tǒng)的方案
     
　　通過(guò)前面對(duì)環(huán)保檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求分析，結(jié)合zigbee 技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用zigbee 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線環(huán)保檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非常理想的解決方案：
      
　　3.1、系統(tǒng)組成：
　　一套完整的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由各種環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器的設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)組成：
       
　?、侪h(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器包括有：
　　1）顆粒物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：測(cè)塵儀 
      2) 煙氣參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)：流量測(cè)量?jī)x；溫度測(cè)量?jī)x；壓力測(cè)量?jī)x 
      3）采樣和預(yù)處理系統(tǒng)：伴熱處理測(cè)量；冷凝除水測(cè)量；過(guò)濾測(cè)量
      4）氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：SO2 分析儀；NOX 分析儀；氧分析儀
       
　?、谕ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)：
　　如圖所示：傳感器通過(guò)RS232 或者RS485 接口跟ZIGBEE 模塊相連。通過(guò)ZIGBEE
模塊跟中央處理與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相連。完成傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線上傳及上位控制器指令的無(wú)線下發(fā)功能。同時(shí)中央處理與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以使用ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)或者GPRS 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)線上傳（包括企業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和環(huán)保局環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)）。

　　四、系統(tǒng)特點(diǎn)
 
　　1）建立一個(gè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每隔一段時(shí)間就可對(duì)本網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控信息進(jìn)行一次收集，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握環(huán)境污染情況。

　　2）全無(wú)線系統(tǒng)，方便布線及安裝調(diào)試。

　　3）系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可方便擴(kuò)充，且具有遠(yuǎn)程診斷功能，安裝維護(hù)方便。將遠(yuǎn)端采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠地發(fā)送到各級(jí)監(jiān)控中心。并接收各級(jí)監(jiān)控中心的控制指令。
隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱(chēng)之為zigbee，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，我們采用zigbee 技術(shù)和GPRS/CDMA 技術(shù)結(jié)合，可以為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通信提供很好的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們選擇了將zigbee 技術(shù)與GPRS/CDMA 結(jié)合起來(lái)，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的不同分布，來(lái)靈活地構(gòu)建抄表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。