摘要：無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)已日趨成熟，為了能實時、有效地對污染氣體排放企業(yè)進行監(jiān)控，可采用Zigbee技術(shù)對污染氣體進行自動監(jiān)測。設計中的無線收發(fā)模塊采用XBee-PRO DigiMesh 900芯片，利用單片機作為控制芯片，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理變成串行數(shù)據(jù)后發(fā)送給匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點發(fā)送到控制中心。利用NS2進行了網(wǎng)絡仿真，通過仿真，網(wǎng)絡運行良好，丟包率低，延遲時間短，滿足系統(tǒng)自動監(jiān)測的需求。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；NS2仿真；ZigBee技術(shù)；污染氣體

0 引言
    空氣質(zhì)量監(jiān)測是環(huán)境保護的基礎，其目的是為環(huán)境保護提供科學決策的依據(jù)，目前我國對污染氣體的監(jiān)測主要采用2種方法：一種是傳統(tǒng)人工取樣實驗室分析的方法；另一種是采用國外進口的自動化污染氣體監(jiān)測進行在線監(jiān)測的方法。這2種方法都有監(jiān)測成本過高，移動不便的不足之處。為應對現(xiàn)有污染氣體監(jiān)測設備的不足而設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的污染氣體監(jiān)測系統(tǒng)，取2種監(jiān)測方法的長處，切實地滿足了環(huán)境監(jiān)測部門的需要。監(jiān)測人員只需在易發(fā)大氣污染事件的現(xiàn)場布置傳感器節(jié)點，就可以實時的監(jiān)測污染突發(fā)現(xiàn)場的各種污染氣體濃度，為及時處置大氣污染突發(fā)事件提供有力的技術(shù)保證。

1 無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文設計的污染氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測一個城市內(nèi)的各種化工廠以及發(fā)電廠的空氣環(huán)境質(zhì)量。本文的無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，通常包括傳感器節(jié)點(Sensor Node)、匯聚節(jié)點(Sink)和監(jiān)測中心。在圖1中大量的傳感器節(jié)點分別放置在工廠內(nèi)的各個角落以及周邊環(huán)境，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(即子站)，各子站之間相互獨立，互不通信，只有子站內(nèi)部節(jié)點可以相互交換數(shù)據(jù)，子站內(nèi)的傳感器節(jié)點負責對數(shù)據(jù)的感知和采集，數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)多跳路由后到達匯聚節(jié)點(各子站網(wǎng)關(guān))。匯聚節(jié)點對收集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并通過以太網(wǎng)將結(jié)果傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心的管理員通過對收集到的數(shù)據(jù)，做出判斷或者決策。

2 Zigbee技術(shù)簡介
    ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡是由許多傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和ZigBee技術(shù)，可廣泛應用于工業(yè)監(jiān)測、安全系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測和軍事等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)是一種低速率、低功耗、低復雜度、低成本的雙向無線通信網(wǎng)絡技術(shù)。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。通過路由和各節(jié)點問通信的接力，傳輸距離將可以更遠。它工作在868 MHz，915 MHz和2．4 GHz3個頻段上，采用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS)，共有27個信道。ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢有：低功耗、低成本、低速率、短時延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等。由這些技術(shù)優(yōu)勢，選擇進行了支持ZigBee 802．15．4協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計。

3 節(jié)點的硬件電路設計
    本文無線收發(fā)模塊采用芯片XBee-PRO DigiMesh900。XBee-PRO DigiMesh 900是長距離通信的嵌入式無線射頻模塊。它充分結(jié)合了易于使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡和900 MHz工作頻段通信距離長的優(yōu)勢，基于快速的156 Kb／s無線射頻平臺，實現(xiàn)了DigiMesh對等構(gòu)架，簡化了網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡，同時提供了先進的網(wǎng)絡功能如支持路由器休眠模式和更高的網(wǎng)絡節(jié)點密度。從而可以使OEM廠商延長依靠電源供電的網(wǎng)絡運行時間，確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。產(chǎn)品特點如下：
    (1)支持路由器休眠模式，延長電池壽命。
    (2)高級的網(wǎng)狀網(wǎng)功能包括自愈和自動搜索。
    (3)支持通過無線配置。
    (4)采用2．1 dB全向天線最大1．8 mile／3 km可視通信距離。
    (5)采用高增益天線最大6 mile／10 km可視通信距離。
    (6)工業(yè)級寬溫(-40～+85℃)等。
    利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳感器硬件節(jié)點組成框圖如圖2所示。

3．1 處理器無線模塊接口設計
    C8051F系列單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)，SOCCPU有效地管理模擬和數(shù)字外設可以關(guān)閉單個或全部外設以節(jié)省功耗，F(xiàn)LASH存儲器還具有在線重新編程的能力即可用作程序存儲器又可用作于非易失性數(shù)據(jù)存儲。其主要具有以下幾方面的特點：
    (1)集成了豐富的模擬資源和外部設備接口，具有8～12位多通道ADC，1～2路12位DAC。在片內(nèi)模擬開關(guān)的作用下可實現(xiàn)對多路模擬信號的采集轉(zhuǎn)換。帶有I2C／SMBusSPI 1～2個UART多類型串行總線，此外還根據(jù)不同的需要集成了SPI、USB、CAN、LIN等接口，外設接口在不使用時可以分別禁止以降低系統(tǒng)功耗。
    (2)增加了中斷源，標準的8051只有7個中斷源，C8051F系列單片機擴展了中斷處理這對于時實多任務系統(tǒng)的處理是很重要的，擴展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供22個中斷源。
    (3)高速指令處理能力，基于增強的CIP-51內(nèi)核，其指令集與MCS-51完全兼容，具有標準8051的組織架構(gòu)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，70％的的指令執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，是標準8051指令執(zhí)行速度的12倍。
    (4)復位方式多樣化，C8051F把80C51單一的外部復位發(fā)展成多源復位，提供了上電復位、掉電復位、外部引腳復位、軟件復位、引腳配置復位等。眾多的復位源為保障系統(tǒng)的安全、操作的靈活性以及零功耗系統(tǒng)設計帶來極大的好處。
    綜上所述，我們采用C8051F340作為處理模塊，主要任務是完成對所采集的信息進行轉(zhuǎn)換、處理以及存儲并將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給無線收發(fā)模塊。處理模塊與無線收發(fā)模塊之間的連接非常簡單，處理模塊將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)發(fā)給無線收發(fā)模塊，所有只需要將單片機端的TXD(發(fā)送數(shù)據(jù))、RXD(接受數(shù)據(jù))分別于無線收發(fā)模塊的DIN，DOUT相連就可以了。
3．2 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集單元用于實時采集周圍空氣中污染氣體的信息，主要由各種傳感器及其接口電路組成。本文采用的傳感器包括一氧化碳傳感器、一氧化氮傳感器、氯氣傳感器、二氧化硫傳感器等，這些屬于采集環(huán)境污染氣體信息的最基本傳感器。各傳感器的基本信息如下表1所示。

3．3 電源模塊
    作為環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡的應用，節(jié)點需要在無人看守的情況下工作，能量供應是系統(tǒng)持續(xù)工作的重要保證，本設計采用市面上最常用的鋰電池作為電源，可充電的鋰離子電池的額定電壓為3．6 V。鋰離子電池的放電曲線平坦，可以保證無線收發(fā)模塊在正常工作時具有更好的線性特性。Linear Technology公司的LTC3440是一種高效率、固定頻率、降壓一升壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器，能夠用單個電感器調(diào)節(jié)輸出電壓，使其高于、低于或等于輸入電源電壓。其輸入和輸出電壓范圍均為2．5～5．5 V。LTC3440在所有工作模式下都具備連續(xù)輸送功能，非常適用于延長單節(jié)鋰電池、多節(jié)堿性或鎳氫電池的工作時間，在這些電池中，輸入電壓隨著電池放電而下降。鋰離子電池在3．3 V左右放電時間較長，能更大限度提高電源效率，延長電池壽命。

    無線收發(fā)模塊需要外部提供3．3 V的電壓，數(shù)據(jù)采集模塊需要5 V直流電壓，采用LTC3440芯片可以將輸入的電池電壓轉(zhuǎn)換為3．3 V，5 V，圖3是將電源電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V電壓，轉(zhuǎn)換成5 V電壓只需要改變電阻、電容值就可以。

4 無線收發(fā)模塊仿真
    無線收發(fā)模塊負責節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)功能，利用NS2網(wǎng)絡仿真軟件對ADHOC自組織網(wǎng)絡進行仿真。NS2(Network Simulator vers ion 2)是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡仿真器，本質(zhì)上是一個離散事件模擬器。為了分析仿真結(jié)果，NS2提供了兩種基本數(shù)據(jù)追蹤能力跟蹤和監(jiān)視。跟蹤生成“．nam”和“．tr”文件。能夠?qū)⒚總€數(shù)據(jù)包在任何時刻的狀態(tài)保存到指定文件中，記錄包在隊列或鏈路中丟棄、到達、離開等；監(jiān)視用戶有選擇地記錄自己需要的數(shù)據(jù)，利用Gawk，Gnuplot等工具統(tǒng)計發(fā)送包、接收包及丟棄包等結(jié)果進行分析。本文的MAC類型采用EEE80 2．15．4協(xié)議，路由采用DSR協(xié)議。20個節(jié)點，分布在300×300 m的正方形區(qū)域中，每個節(jié)點隨機隨機分布，仿真時間為60 s，pause time設為60 s，也就是在仿真這段時間里沒有mobility，流量是設置為cbr流，速率為1．0 b／s，最大聯(lián)機數(shù)目為6個，每一條數(shù)據(jù)流每秒送出5個封包(可以根據(jù)需要對設置進行修改)。利用setdest、cbrgen工具來完成所需的場景設置。圖4為．nam的動畫模擬圖像。

5 結(jié)果分析
    仿真過程中同時生成一個仿真過程記錄文件out．tr，是分析仿真過程的重要依據(jù)。以下是其中的一個片段：
   
    標號為9的節(jié)點在7．918327669秒時發(fā)送一個cbr分組，該分組的UID為32，長度36，目標接點的MAC地址為9，原節(jié)點的MAC地址為0，IP頭的源地址為7節(jié)點的2號端口，目的地址為9號節(jié)點的0端口，分組的TTL(Time To Live)值為32。
    編寫．a(chǎn)wk文件，用于從跟蹤文件中統(tǒng)計MAC層cbr包的丟包和延遲信息。得到數(shù)據(jù)如下：
    Toral packet sends：737
    Total packet receives：736
    Packet delivery fraction：99．8643
    以上數(shù)據(jù)說明發(fā)送737個包，接受到736個，丟包率為99．8643 ％，丟包率還是比較小的，這主要由WSNs的網(wǎng)絡擁塞引起的。
    Average End_to_End delay：0．003912 s
    first packet received time：2．582152 s
    圖5仿真實驗封包傳輸延遲圖。

    從圖中可以看出延遲比較小，平均延遲只有3．912 ms，第一個包的接收時間為2．582 152 s，這主要是由于剛運行時查找路徑表引起的。
    當將分布區(qū)域變?yōu)?00 m×600 m時，得到如下數(shù)據(jù)：
    Total packet sends：740
    Total packet receives：648
    Packet delivery fraction：87．5676
    Average End_to_End delay：0．017172 s
    first packet received time：2．802245 s
    MAC層cbr封包的傳輸延遲圖如圖6所示。
    當將分布區(qū)域變?yōu)? 000 m×1 000 m時，得到如下數(shù)據(jù)：
    Total packet sends：755
    Total packet receives：379
    Packet delivery fraction：50．1987
    Average End_to_End delay：0．076575 s
    first packet received time：2．762081 s
    MAC層cbr封包的傳輸延遲圖如圖7所示。

    將3種情況分析對比可以看出，封包的丟失率和cbr流的傳輸延遲時間與無線傳感器網(wǎng)絡的分布范圍有關(guān)，也就是和節(jié)點間的傳輸距離有關(guān)。在節(jié)點數(shù)不變和其他各種設置條件不變的情況下，網(wǎng)絡范圍越廣，節(jié)點問的距離越長，封包的丟失率越大，cbr流的傳輸延遲時間也越長。

6 結(jié)語
    由于無線傳感器網(wǎng)絡的丟包率低，延遲時間短等特點，可以使人們在任何時間、地點和條件下，都能獲取大量詳實、可靠的信息。使得其在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛的應用。對于長距離節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，減少丟包率這方面還有待研究和改善。