基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监控系统
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2021-01-19
21:58:07
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基于基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监控系统无线传感器网络的工业废气监控系统
摘要： 结合ZigBee无线短距离通信技术，提出一种应用于工业废气监控的无线传感器网络系统架构。该方案网
络节点硬件电路以ATmega128L 为控制器、CC2430为射频收发器，详细规划了网络中节点硬件设计与软件设
计，并对网络中数据安全通信进行了充分考虑。该系统利用遗传聚类思想实现监测节点能量均衡消耗，具有低
成本、低功耗、易扩展、安全性高等特点，能实时监测工业环境空气中废气含量，可广泛应用于工业生产领域
中工业废气监控。 0 引言 大气污染物可分为天然污染物和人为污染物2种，而引起公害的往往是人为
污染物，于燃料燃烧和大规模的工矿企业的气态污染物是大气污染的重要之一。随着我国工业化和城
摘要： 结合ZigBee无线短距离通信技术，提出一种应用于工业废气监控的无线传感器网络系统架构。该方案网络节点硬
件电路以ATmega128L 为控制器、CC2430为射频收发器，详细规划了网络中节点硬件设计与软件设计，并对网络中数据安全
通信进行了充分考虑。该系统利用遗传聚类思想实现监测节点能量均衡消耗，具有低成本、低功耗、易扩展、安全性高等特
点，能实时监测工业环境空气中废气含量，可广泛应用于工业生产领域中工业废气监控。
0 引言引言
大气污染物可分为天然污染物和人为污染物2种，而引起公害的往往是人为污染物，于燃料燃烧和大规模的工矿企业的气
态污染物是大气污染的重要之一。随着我国工业化和城市化进程的不断发展，我国空气污染的情况已相当严重，是三大酸雨区
之一。为促成可持续的低碳经济发展模式形成，对大气环境的监测与治理是一件刻不容缓的任务。但是，传统的有线监测网络
只能沿着固定的线路传输数据，传输介质的架设不可避免地具有破坏建筑，存在检修困难、扩展困难、安装维护费用高的弊
端；同时不能在某些恶劣环境（ 不易布线场所、人不宜到达的地方、临时性场所、突发事故现场） 实现快速部署检测系统，
监控方式不及时。为此，本文结合ZigBee 无线短距离通信技术的发展，设计一种应用于工业废气的无线组网监测方案，对工
业排放废气进行安全、灵活、有效的实时监控，加快我国环境管理基础能力和提高环境监测能力及环境监督执法现代化水平具
有重要意义。
1 ZigBee无线监测系统总体设计方案无线监测系统总体设计方案
基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监测网络由现场监测节点、中继站（簇首节点和ZigBee协调器） 和监控中心三级
构成，该网络可以覆盖整个工厂的所有监控环节，构成一个严密的、全方位、立体式监控体系。为提高网络的可扩展性和降低
网络管理复杂度，本系统采用分簇的结构设计思想，将网络划分为若干个簇，每个簇由一个簇首节点和若干个普通节点组成，
沿工厂中各监控环节部署普通监测节点，簇首节点负责管理和维护一定范围内的普通监测节点，其系统总体结构如图1所示。
系统中各监测节点采集各种污染参数，每个簇选举一个簇首节点，用于接收本簇内所有节点送来的数据，实现数据融合功能，
并发送到ZigBee 协调器。同时，簇首节点也可以接收ZigBee 协调器的控制命令，并发送给本簇内的所有监测节点。各簇首节
点可通过ZigBee协调器定时向监测中心发送信息，平时也可将其设置为休眠状态，在收到监测中心的上报数据指令后才开始
启动数据采集工作，将信息发送给监测中心，各簇首节点有数据采集，指令解析与识别，数据发送等功能。
ZigBee协调器负责监测网络的建立、管理和维护，如为新加入的设备分配网络地址，节点的加入和离开等，并且将采集
的数据上传给监控中心或者将监控中心的命令在网络中发送到ZigBee网络中的簇首节点。系统监测中心对各ZigBee协调器进
行控制指挥，监测中心既是各ZigBee 协调器的指挥中心，又是监测数据的收集、处理和存储的数据中心。
图1 工业废气ZigBee无线监控网络结构图
2 节点硬件设计节点硬件设计
无线传感器终端节点由数据采集模块、各种信号调理电路、数据处理模块、无线通信模块和电源管理模块组成。
节点硬件结构框图如图2所示。数据采集模块主要由各种气体传感器、湿度传感器与温度传感器构成，各传感器单元对工
厂监测环境内各种有机废气和无机废气浓度进行采集，然后根据气体其排风量、温度、浓度及本身化学物理性质不同将气体浓
度的物理量转换为相应电信号。信号调理单元电路将采集到的信号进行调理后送至数据处理模块。
数据处理模块的微处理器采用ATmel公司的ATmega128L微控制器，它是一种低功耗、高度集成的微处理芯片，具有片内
128 kB 的程序存储器（ Flash ）、4 kB 的数据存储器（SRAM ）和4kB 的EEPROM, 有8个10位ADC 通道、2个8位和2个16
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