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，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之一。隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，我國空氣污染的情況已相當(dāng)嚴(yán)重，是全球三大酸雨區(qū)之一。為促成可持續(xù)的低碳經(jīng)濟(jì)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(kuò)展困難、安裝維護(hù)費(fèi)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(dá)的地方、臨時性場所、突發(fā)事故現(xiàn)場） 實(shí)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(jì)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(jìn)行安全、靈活、有效的實(shí)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(jì)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(diǎn)、中繼站（簇首節(jié)點(diǎn)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(kuò)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(jì)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(diǎn)和若干個普通節(jié)點(diǎn)組成，沿工廠中各監(jiān)控環(huán)節(jié)部署普通監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理和維護(hù)一定范圍內(nèi)的普通監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)采集各種污染參數(shù)，每個簇選舉一個簇首節(jié)點(diǎn)，用于接收本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，實(shí)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(diǎn)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(diǎn)。各簇首節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(hù)，如為新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。系統(tǒng)監(jiān)測中心對各ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)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(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)廢氣和無機(jī)廢氣濃度進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jì)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(shí)時時鐘源。

圖2 無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

無線通信模塊完成與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)以用德州儀器的CC2430無線模塊為核心，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(jī)、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(jī)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(jìn)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(jìn)行，這就需要傳感器節(jié)點(diǎn)具有足夠的能量。為此在選擇節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)握手通信，如果監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(diǎn)對能量的需求與消耗有所不同，從而使得有些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能量消耗，本系統(tǒng)采用分簇網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸， 首先依據(jù)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布密度確定最優(yōu)分簇個數(shù)，并對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行K均值聚類； 然后結(jié)合節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。于是，簇內(nèi)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給其對應(yīng)的簇首節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)軟件使用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要由終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。工業(yè)廢氣監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)再發(fā)送至協(xié)調(diào)器，最后經(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輪詢一次，每50 s采集并發(fā)送一次數(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(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機(jī)，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(diǎn)流程圖與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(diǎn)先進(jìn)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(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，如果沒有監(jiān)測任務(wù)，則先進(jìn)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(diǎn)使其進(jìn)入工作模式，然后監(jiān)測節(jié)點(diǎn)開始采集、發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)。ZigBee協(xié)調(diào)器收到終端節(jié)點(diǎn)的加入網(wǎng)絡(luò)的請求時，協(xié)調(diào)器會給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。然后接收由各簇首節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jì)中將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)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(jì)時要相鄰簇節(jié)點(diǎn)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(diǎn)用于接收本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)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(diǎn)。系統(tǒng)采用遺傳聚類算法對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，以均衡各個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的加入，另一個是防止數(shù)據(jù)非法竊取。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)標(biāo)識信息（ 水印） , 然后將其嵌入到發(fā)送數(shù)據(jù)中，接收節(jié)點(diǎn)只有檢測到水印信息存在才對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與分析，從而可有效防止非法節(jié)點(diǎn)的加入，并識別虛假數(shù)據(jù)，提高檢測精度。另外結(jié)合秘密共享與無損認(rèn)證水印技術(shù)，通過將各分簇內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)的協(xié)作分成，將關(guān)聯(lián)于各終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的水印信息，嵌入到各終端節(jié)點(diǎn)分存數(shù)據(jù)中，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)提取協(xié)作水印，并計(jì)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(yàn)證數(shù)據(jù)真實(shí)性與完整性。

5 仿真實(shí)驗(yàn)與性能測試

本文利用NS2 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中建立了一個200m*200m 大小的實(shí)驗(yàn)場景，場景內(nèi)隨機(jī)分布100個節(jié)點(diǎn)，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每5 s輪詢一次，每50 s采樣一次數(shù)據(jù)，并向簇首節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包長為40個字節(jié)，且在本地節(jié)點(diǎn)記錄發(fā)送時間。根據(jù)大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，給定足夠的精度（ 如表1所示），該系統(tǒng)能實(shí)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(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，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(jì)數(shù)據(jù)看，系統(tǒng)可較快進(jìn)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(dá)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(shí)際應(yīng)用要求。

表1 終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)測量精度

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

為實(shí)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(diǎn)應(yīng)有足夠的存活時間。實(shí)驗(yàn)中測試了提出ZigBee無線監(jiān)測方案的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)消亡，監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行180 d后，全部節(jié)點(diǎn)才耗盡能量。當(dāng)然全系統(tǒng)中消亡節(jié)點(diǎn)達(dá)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(diǎn)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(diǎn)存活率

6 結(jié)束語

針對在工業(yè)廢氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，存在須無人值守的設(shè)備或監(jiān)測點(diǎn)，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(jì)方案。該方案給出了詳細(xì)的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，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、測量精度高、功耗低、成本低、實(shí)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。