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基于ZigBee 技术的无线环保检测系统解决方案
作者：上海悦动电子科技有限公司
来源：RFID世界网
日期：2010-12-03 16:16:30
摘要：环保仪器仪表主要用在环境质量监测和污染源监测等方面环保主要是解决我国水环境、大气环境两个战略性和全局性的大环境生态污染问题。
一、系统背景
在人类生存环境日益恶化的今天，建立完整的环境监测系统是非常必要的，我国继续把环境保护放在突出的战略位置。致力于重点流域的水污染防治工程及城镇污水和垃圾处理。环保仪器仪表主要用在环境质量监测和污染源监测等方面环保主要是解决我国水环境、大气环境两个战略性和全局性的大环境生态污染问题。
1.1、环保仪器仪表的主要需求如下：
(1)环境质量监测：目前全国环保系统及各部门、行业、企业已建监测站4000 多个，国家环保局计划在全国装备400 多个国家网络监测站；350 多个环境信息中心；100 个城市空气地面自动监测系统。
(2)污染源监测：国家要对全国1.8 万个重点污染企业实施主要污染物排放总量控制和消减，以改善环境质量，因此要求1.8 万个污染大户要逐步安装在线连续自动监控系统。
(3)遥感遥测仪器仪表：包括对荒漠、草原、森林、海洋、农业生态环境进行监测，也需要对大气污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源进行遥感遥测。
1.2、行业现状
当前我国生产的环境监测仪器仪表大多是中低档产品，产品功能单一，故障率高，附加值低，在品种和数量上也远远不能满足实际需求。
有关专家认为我国环境监测仪器的发展趋势有以下几点：1、向三化即自动化、智能化和网络化方向发展；2、由劳动密集型向技术密集型方向发展；3、由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展；4、由单纯的地面环境监测向遥感环境监测相结合的方向发展。
处理分布在各处的环境检测点的数据传输问题一直是建立环境监测系统的难点，如果没有将分布在各处的环境检测点的数据进行实时的在线的管理则会给管理部门带来很多的问题。无法实施实时的管理及24 小时监控和监管。本系统就是在现有的仪器设备的基础上采用ZIGBEE 无线技术实现实时的管理及24 小时监控和监管。随着我国对于环境监测越来越重视，在原有的单点环境监测的基础上，各地的环境监测站纷纷建立了一些无人值守的检测点，以监测更广更实时的监测环境质量需要我们有更好方法将各个不同地方的测量设备的信息进行上传共享处理。这里我们技术一种给予ZIGBEE 技术的无线技术来解决这样的应用。
二、系统技术简介
2.1、Zigbee 技术简介
zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。国际上，IEEE802.15.4工作组及zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的zigbee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的zigbee开发平台。
ZigBee 标准基于802.15.4 协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。
2.2、
通过前面对环保检测系统的技术要求分析，结合zigbee 技术特点和技术优势，采用zigbee 技术来实现无线环保检测系统是一个非常理想的解决方案：
3.1、系统组成：
一套完整的环境监测系统由各种环境监测的传感器的设备和通信网络组成：
①环境监测传感器包括有：
1）颗粒物监测子系统：测尘仪
2) 烟气参数测量子系统：流量测量仪；温度测量仪；压力测量仪
3）采样和预处理系统：伴热处理测量；冷凝除水测量；过滤测量
4）气态污染物监测子系统：SO2 分析仪；NOX 分析仪；氧分析仪
②通信网络：
如图所示：传感器通过RS232 或者RS485 接口跟ZIGBEE 模块相连。通过ZIGBEE
模块跟中央处理与数据传输系统相连。完成传感器数据的无线上传及上位控制器指令的无线下发功能。同时中央处理与数据传输系统可以使用ZIGBEE 网络或者GPRS 网络实现本地节点数据的无线上传（包括企业环境监测系统和环保局环境监控系统）。
1）建立一个综合监测系统，每隔一段时间就可对本网络的各个节点的监控信息进行一次收集，及时准确地掌握环境污染情况。
2）全无线系统，方便布线及安装调试。
3）系统采用模块化结构，可方便扩充，且具有远程诊断功能，安装维护方便。将远端采集点的数据实时、可靠地发送到各级监控中心。并接收各级监控中心的控制指令。
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为zigbee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网，我们采用zigbee 技术和GPRS/CDMA 技术结合，可以为环境监控系统的远程数据传输通信提供很好的解决方案。在实际应用中，我们选择了将zigbee 技术与GPRS/CDMA 结合起来，根据检测点的不同分布，来灵活地构建抄表的无线网络。
在人类生存环境日益恶化的今天，建立完整的环境监测系统是非常必要的，我国继续把环境保护放在突出的战略位置。致力于重点流域的水污染防治工程及城镇污水和垃圾处理。环保仪器仪表主要用在环境质量监测和污染源监测等方面环保主要是解决我国水环境、大气环境两个战略性和全局性的大环境生态污染问题。
1.1、环保仪器仪表的主要需求如下：
(1)环境质量监测：目前全国环保系统及各部门、行业、企业已建监测站4000 多个，国家环保局计划在全国装备400 多个国家网络监测站；350 多个环境信息中心；100 个城市空气地面自动监测系统。
(2)污染源监测：国家要对全国1.8 万个重点污染企业实施主要污染物排放总量控制和消减，以改善环境质量，因此要求1.8 万个污染大户要逐步安装在线连续自动监控系统。
(3)遥感遥测仪器仪表：包括对荒漠、草原、森林、海洋、农业生态环境进行监测，也需要对大气污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源进行遥感遥测。
1.2、行业现状
当前我国生产的环境监测仪器仪表大多是中低档产品，产品功能单一，故障率高，附加值低，在品种和数量上也远远不能满足实际需求。
有关专家认为我国环境监测仪器的发展趋势有以下几点：1、向三化即自动化、智能化和网络化方向发展；2、由劳动密集型向技术密集型方向发展；3、由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展；4、由单纯的地面环境监测向遥感环境监测相结合的方向发展。
处理分布在各处的环境检测点的数据传输问题一直是建立环境监测系统的难点，如果没有将分布在各处的环境检测点的数据进行实时的在线的管理则会给管理部门带来很多的问题。无法实施实时的管理及24 小时监控和监管。本系统就是在现有的仪器设备的基础上采用ZIGBEE 无线技术实现实时的管理及24 小时监控和监管。随着我国对于环境监测越来越重视，在原有的单点环境监测的基础上，各地的环境监测站纷纷建立了一些无人值守的检测点，以监测更广更实时的监测环境质量需要我们有更好方法将各个不同地方的测量设备的信息进行上传共享处理。这里我们技术一种给予ZIGBEE 技术的无线技术来解决这样的应用。
二、系统技术简介
2.1、Zigbee 技术简介
zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。国际上，IEEE802.15.4工作组及zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的zigbee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的zigbee开发平台。
ZigBee 标准基于802.15.4 协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。
2.2、
图一 ZIGBEE 星型网络结构
图二 ZIGBEE 网状网络结构
通过前面对环保检测系统的技术要求分析，结合zigbee 技术特点和技术优势，采用zigbee 技术来实现无线环保检测系统是一个非常理想的解决方案：
3.1、系统组成：
一套完整的环境监测系统由各种环境监测的传感器的设备和通信网络组成：
①环境监测传感器包括有：
1）颗粒物监测子系统：测尘仪
2) 烟气参数测量子系统：流量测量仪；温度测量仪；压力测量仪
3）采样和预处理系统：伴热处理测量；冷凝除水测量；过滤测量
4）气态污染物监测子系统：SO2 分析仪；NOX 分析仪；氧分析仪
②通信网络：
如图所示：传感器通过RS232 或者RS485 接口跟ZIGBEE 模块相连。通过ZIGBEE
模块跟中央处理与数据传输系统相连。完成传感器数据的无线上传及上位控制器指令的无线下发功能。同时中央处理与数据传输系统可以使用ZIGBEE 网络或者GPRS 网络实现本地节点数据的无线上传（包括企业环境监测系统和环保局环境监控系统）。
1）建立一个综合监测系统，每隔一段时间就可对本网络的各个节点的监控信息进行一次收集，及时准确地掌握环境污染情况。
2）全无线系统，方便布线及安装调试。
3）系统采用模块化结构，可方便扩充，且具有远程诊断功能，安装维护方便。将远端采集点的数据实时、可靠地发送到各级监控中心。并接收各级监控中心的控制指令。
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为zigbee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网，我们采用zigbee 技术和GPRS/CDMA 技术结合，可以为环境监控系统的远程数据传输通信提供很好的解决方案。在实际应用中，我们选择了将zigbee 技术与GPRS/CDMA 结合起来，根据检测点的不同分布，来灵活地构建抄表的无线网络。
