0 引言
ZigBee數傳技術是一種應用于短距離、低傳輸數據速率下的新一代無線通信技術。它具有功耗低、數據傳輸可靠、網絡容量大，兼容性、安全性強，實現成本低等特點，而被廣泛應用于監控領域。通用分組無線業務(GPRS)是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，具有充分利用已有網絡、資源利用率高、始終在線、傳輸速率高、資費合理等特點。
GPRS通信模塊可應用于遠程數據監測系統、遠程控制系統、無線定位系統等。近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展以及人們對環境保護和環境監督提出的更高要求，越來越多的企事業單位研究環境監測系統的無線傳感器網絡技術。
本文采用無線傳感器網絡技術，使用鉛塵檢測裝置檢測空氣中的鉛含量，借助于ZigBee無線模塊無線通信技術，傳輸和收集局部區域多點鉛含量數據，利用移動通信網絡GPRS，將局部區域的檢測數據實時傳輸至監測中心，構建了城市空氣鉛塵含量的無線實時監測系統。
1 系統概述
基于ZigBee與GPRS的無線鉛塵監測系統是通過高精度的鉛塵傳感器，采集空氣中的有害物質鉛，自動分析其含量；利用高速存儲器將這些數據存儲起來，再利用ZigBee模塊通信技術將采集的數據傳到一個集中控制點；通過數據匯總分析，形成高質量的監測數據，結合一定的有害物質指標控制數據自動報警；使系統在無人值守的條件下實時監控，逐步替代人工取樣的檢測方式。
2 系統分析
基于ZigBee與GPRS的無線鉛塵監測系統實現了區域鉛塵含量ZigBee數據采集、數據傳輸、監控中心數據管理與分析等功能，改進了Pro部分協議，增強了通信的穩定性，延長了ZigBee無線模塊的在網時間。該系統結構見圖1。
圖1 基于ZigBee的鉛塵無線監測系統總體結構圖
其中區域ZigBee數據采集模塊負責小范圍區域的鉛含量檢測、數據匯總，而ZigBee模塊將區域無線數據傳到監控中心，同時也負責監控中心向區域傳送數據。監控中心接收所有區域數據采集模塊發送的數據，并能向它們發送一定的控制指令，同時還向用戶提供一定的鉛塵信息；它能夠在無人值守情況下可靠運行，在污染嚴重的情況下告警。
2．1 區域數據采集模塊
區域ZigBee數據采集模塊主要實現檢測有害物質分布較多的子區域有害物質含量的功能。本系統用于整個城市的鉛塵檢測，鉛塵污染通常分布在城市的部分區域(例如大型冶煉廠附近)。根據污染企業分布，將城市劃分為若干個污染區域，在每一個區域內設置若干個ZigBee數據采集模塊；每個模塊檢測本區域的鉛塵含量，并收集、存儲相關數據。
區域數據采集模塊包括大量的鉛塵傳感器以及ZigBee無線模塊，它的穩定運行對系統來說是至關重要的，其結構如圖2所示。
圖2 區域采集模塊結構圖
圖2中網狀紋路的節點是由ZigBee無線模塊和鉛塵傳感器構成的；鉛塵傳感器負責檢測節點附近區域的鉛塵，形成一定的數據量，保證穩定、不失真地傳輸數據；而ZigBee無線模塊則負責將鉛塵傳感器采集的數據傳送到其他地方。通過在廠區以及廠區周邊布設若干個這樣的節點，能夠監測廠區及其附近的環境。因鉛塵傳感器的檢測范圍非常有限，為了提高檢測精度，通常在小范圍內布設多個鉛塵傳感器。
ZigBee數傳模塊的最遠通信距離只有70 m，為了延長ZigBee數傳模塊通信距離，在采集節點的邊緣區域再布設一個只負責傳送數據而不負責采集數據的ZigBee數傳模塊。對某個小范圍采集區域而言，該節點通常只設置一個起到數據路由作用的路由節點，圖2中的空心節點就是路由節點。為了延長ZigBee傳送距離，可以再布設更多的路由節點，不斷增強它的傳送能力，圖2中虛線連接的節點便是這樣的節點，通過布設這些節點，基本上滿足了廠區及其周邊環境鉛塵的檢測需求。圖2中虛線連接的節點不僅起到延長傳輸距離的作用，而且保證了信號傳輸的可靠性。這里采用網狀結構，將路由節點兩兩連接，任意兩個路由節點之間都存在通路，只要采集區域中的路由節點能夠接入路由網絡，那么，它必能通過路由網絡將數據傳到目的地。只要有少數幾個路由節點正常工作，路由網絡便可保證采集數據的正常傳輸。另外，采用網狀結構也給數據傳輸提供了若干條通道，避免出現單路傳輸擁塞、數據丟失等現象，也提高了通信線路的使用率和分時復用率，在一定程度上提高了通信效率和檢測頻率。
節點數據經過采集節點采集、路由節點傳輸，匯集到區域數據采集模塊的核心位置即協調節點，圖2中的黑色實心節點為協調節點。協調節點匯集了區域各采集節點的所有數據，經簡單處理后，發至監控中心。協調節點數據處理能力是有限的，只對數據進行一定的裁剪、裝幀發送。協調節點直接與外部網絡連接，其他節點只在本區域模塊中使用，和外部沒有聯系，因此，協調節點是與其他模塊連接的關鍵。它協調其他節點，為其他節點提供安全管理、網絡建立等服務。
2．2數據傳輸模塊
ZigBee數傳模塊僅適于檢測廠區及其周邊環境的鉛塵。為了滿足遠距離通信需求，需要加入數據傳輸模塊。數據傳輸模塊由GPRS模塊以及GPRS網絡構成。GPRS網絡是中國移動公司提供的無線通信網絡，本系統僅使用了它的網絡傳輸功能。只有通過GPRS網絡，區域采集數據才能高速、安全地傳到監控中心。如果沒有該網絡，GPRS無線模塊將無法工作。
GPRS模塊是該系統的關鍵部件，區域數據在協調節點匯總后，通過GPRS模塊轉發至監控中心。GPRS模塊轉發的是某個區域的所有檢測數據，這些數據只是單個區域數據的匯總，如果將這樣的數據直接發至監控中心，則監控中心無法區分數據來自哪個區域模塊。為了區分不同區域的數據，在發往監控中心之前，對數據進行匯總、裝幀處理。
在數據幀中添加幀頭、幀尾、幀長和區域標識，以便區分數據來自哪個區域。考慮數據傳輸的可靠性，還可在數據幀中加入幀序、時間戳等，以便在數據傳輸出現延遲時重傳數據。
GPRS無線模塊可以采用短消息方式和數據鏈路方式傳輸數據。短消息方式又分為傳統的短信和承載在GPRS網絡之上的彩信業務兩種方法，為了保證實時傳輸數據，本文采用彩信傳輸方法。單次采集的數據可以一次發送完畢，這樣既可消除因多次發送數據出現的誤碼現象，降低數據重傳的概率，也便于監控中心對區域一次數據的處理。
2．3監控中心模塊
監控中心模塊是系統的集中控制中心，它包括數據服務器以及由路由器、集線器構建的功能子網，它的功能結構如圖3所示。
圖3 監控中心結構圖
監控中心模塊主要負責收集各個區域的數據，并分析、處理收集的數據，同時，也能設置通信模塊參數、區域ZigBee模塊及鉛塵傳感器的參數。數據采集器負責收集各區域監測數據，并將收集的數據存儲到SQL SERVER數據庫中。它與GPRS模塊直接相連，數據采集頻率較高，為了保證數據采集的實時性，它只具有數據采集及存儲功能。
就數據采集而言，數據采集程序需要專門設置一個線程，以單獨實現采集功能；采集頻率要控制在秒級以下，防止因數據采集頻率過低而丟失數據。對于采集器程序來說，除了采集線程、存儲線程外，不要開辟過多的線程，以免影響采集線程。
另外，在系統的起初設計階段，監控中心只需要一個GPRS模塊，所有的區域數據通過這個GPRS模塊傳輸數據；這將造成數據采集的負擔，容易引起數據丟失。為了消除這種現象，可以在監控中心增加多個GPRS模塊，將GPRS模塊劃分為若干個子模塊，實際上增加的GPRS模塊只是邏輯上的模塊，監控中心的一個GPRS模塊對應一個邏輯模塊。這樣可以減輕單個GPRS模塊的壓力，提高數據采集效率。
該部分設計可由圖4說明。監控中心數據采集程序控制m個GPRS無線通信模塊，這m個模塊負責傳輸采集點區域模塊采集的數據。每一個區域模塊包含若干個采集區域，例如，區域模塊1包含區域A、B、C，模塊2包含區域D、E、F；與之對應的是監控中心模塊1負責與區域模塊1通信，即區域A、B、C的數據發到模塊1。這樣劃分，監測的26個區域分別由監控中心的m個模塊負責，分區域傳輸數據，提高了傳輸效率。但要注意，劃分監測區域后，發送數據時，數據幀格式需要附加邏輯模塊標識，以保證各模塊數據之間的協調性。在采集監測區域數據后，數據采集器可采用原始數據存儲方式存儲這些數據。
圖4 通信模塊綺構圖
另外，由于監控中心要向監控區域下發控制指令，而傳輸下發指令仍然要使用GPRS模塊，需要該程序具有下發指令功能。可將控制指令分發在數據庫中，附加相應的標識，讓采集程序判斷是否需要下發指令數據，如果需要下發則自動下發。數據采集器主要負責檢測數據的采集、控制指令的自動下發，而數據分析控制器主要負責采集數據的分析以及控制指令的生成。數據分析主要是實時顯示區域數據，以便直觀地看到污染數據，當實時數據超過指標控制閾值時，立即告警。另外，它還可匯總實時數據，繪出污染的階段曲線。數據采集器、數據分析控制器的穩定運行有賴于數據服務器。數據服務器主要存放系統使用的數據庫。該數據庫主要包含實時數據、統計數據以及控制指令。另外，也需要重視數據庫的日常管理，特別是告警的使用。
為了能夠遠程地使用該系統，監控中心還設置了其他計算機及網絡互聯設備，所有接入監控中心服務器的計算機都可以瀏覽監控信息，并發送一定的控制指令，但對于數據瀏覽以及控制指令下發需要嚴格控制，需要設計用戶權限，以便合理控制。
3 系統實現
本系統主要分硬件、軟件兩部分。硬件部分采用鉛塵傳感器及ZigBee無線模塊，主要完成接口電路設計、ZigBee協議修改任務和實現通信模塊串口控制、鉛塵數據監測等功能；軟件部分實現區域、城市數據采集及分揀、數據分析及顯示等功能。鉛塵數據監測及節電控制選用韓國SYHITECH的DSM501粉塵傳感器。該款傳感器采用粒子計數原理，輸出PWM脈寬調制信號，可靈敏地檢測直徑1um以上的粒子，如香煙、灰塵、霉菌、孢子等。
鉛塵數據監測依賴于被檢信號，本系統使用傳感器提供的PWM信號，通過檢測PWM信號獲得鉛塵含量數據。
通過檢測占空比即檢測正負脈沖時間，實現PWM信號檢測功能。考慮到節電效果，需要在指定時間開啟／關閉傳感器，在開啟傳感器時間段內測量占空比。占空比測量過程見圖5，等待正跳變到來時開始記錄時間，直到負跳變到來時停止記錄正脈沖時間；等下一個正跳變到來時停止記錄單周期時間。用正脈沖時間除以單周期時間即得占空比。
圖5 鉛塵監測流程圖
一般一個周期為30 S，為了增強測量的準確性，測量多個周期的占空比。將檢測數據裝幀并發至服務器端的協調器，數據幀格式及說明見表1。
表1 數據幀格式及數據說明
系統通過配置ZigBee協議，實現硬件節電控制。ZigBee協議中主要設置預編譯選項POWER_SAVING以及將f8wConfig．cfg中的RFD_RCVC_ALWAYS_ON設置為FALSE。另外，需要設置預編譯NV_RESTORE，讓終端能夠記錄網絡狀態，防止斷網再次重新搜索。系統通過ZigBee的IO口繼電器實現傳感器的通斷電功能。
3．1 區域數據采集及分揀
通過與串口連接的多個協調器采集區域數據，傳感器終端通過路由或直接將數據通過ZigBee協議傳至協調器，協調器通過串口將數據傳至計算機。
區域數據采集模塊首先為每個串口開辟線程，輪詢訪問串口，讀緩沖；如果有數據則按照字節接收數據，按照上報數據幀格式處理數據。解析格式正確的數據幀，并存至數據庫中。詳細流程如圖6所示。
圖6 區域數據采集及分揀流程圖
3．2 區域數據分析及顯示
該部分實現了實時顯示監測數據及告警功能，也能查詢歷史數據的圖形界面，可以靈活配置相關圖形。實時監測界面如圖7所示。
圖7 區域數據分析及顯不
3．3 區域數據上報及城市數據接收與分揀
該部分通信利用GPRS網絡，相應成本較高，只選擇上報告警數據。將多個告警數據依次裝幀，在不突破短信限制的前提下，盡量裝入同一幀，以減少通信成本。主要技術有手機初始化配置、短信接收提醒、短信接收、短信發送等。手機初始化設置包括移動信號檢測、短信模式設置、存儲位置設置、短信中心號碼設置、新短信體型模式設置等。數據接收部分需要開辟線程，接收新短信提醒。如有新短信到達，開始讀短信，并解析短信數據幀，將數據正確入庫
。
圖8 GPRS接收端界面
數據上報部分同樣需要開辟線程，定時判斷是否有新的告警數據。如有，將告警數據裝幀，并通過短信發至服務端。相關程序截圖如圖8所示。城市數據分析及顯示與區域數據分析及顯示部分相似，在此不再贅述。
4 結束語
本文利用傳感器技術與ZigBee無線模塊技術，研究了無線監測系統。采用ZigBee數傳模塊和網狀拓撲布設傳感器節點，實現了某高污染企業廠區及其周邊環境的ZigBee數傳采集監測功能；利用GPRS技術，綜合無線監測了多個企業廠區及其周邊環境，實現城區環境污染的無線監測功能；采用實時遠程監控，提高了工作效率，節省了人力資源；采用無線方式，增強了數據傳輸的可靠性；采用ZigBee無線模塊通信方式，擴大了監控范圍，降低了能耗，節約了能源。
本系統可實現無線遠程監測高污染企業及其周邊環境的功能，為環保部門治理環境提供了技術支持。使用結果表明，系統運行穩定、操作簡便，提高了鉛塵監測工作效率，具有重要的推廣應用價值。