【《基于ZigBee的水质监测节点总体方案分析综述》3700字】

基于ZigBee的水质监测节点总体方案分析综述

目录

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基于ZigBee的水质监测节点总体方案分析综述

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1.1ZigBee网络技术概述

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1.1.1ZigBee技术概述

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1.1.2ZigBee技术特点

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1.1.3ZigBee技术应用

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1.1.4ZigBee网络节点类型

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1.2基于ZigBee的水质监测节点总体方案选择

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1.3基于ZigBee的水质监测节点的设计

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1.3.1传感节点

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1.3.2汇聚节点

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1.4ZigBee协议栈结构

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1.5小结

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1.1ZigBee网络技术概述

1.1.1ZigBee技术概述

ZigBee这一技术的命名源自蜜蜂采蜜运动轨迹特征。当蜜蜂发现蜜源时，就会跳起一种特殊姿态和路径的空中舞蹈从而将这一信息进行传递，这一舞种就被命名为ZigBee。也有学者认为ZigBee技术是由原先的RF射频传输技术、Firefly无线传输技术发展而来。ZigBee技术的优势就是具有极强的抗干扰性，且可以实现多个网络节点之间的信息接力互通。但单个ZigBee信号源的传输距离较短，因此ZigBee网络中必须要有多个信息接力节点的存在。ZigBee技术同时还具有能耗极低的优势，仅需2节碱性电池就可以实现长达1个月左右的持续传输工作。因此ZigBee技术也被认为是如今发展物联网系统最有前景的技术之一，已经在多个领域得到广泛的应用。

ZigBee联盟是全球ZigBee技术发展的主导技术机构。截止到2020年底时，该联盟在全球范围内的成员总数总共有300多名，所有成员均为企业或者科研机构性质，具体包括了知名的无线通讯科研机构、设备研发及生产厂商、软件开发机构和半导体材质研发机构等等。该联盟接连颁发了多项ZigBee技术的设备及协议标准，推动了ZigBee无线通信技术的普及应用，并且为ZigBee相关设备的研发、生产和应用，以及控制程序的编写提供技术方面的咨询服务。

在2003年时ZigBee联盟就与IEEE工作组[20]开始着手共同制定基于两者结合的网络技术协议，其成果就是IEEE801.15.4标准。该协议通过对网络层、物理层与数据链路层的全面优化，可以实现与ZigBee协议的无缝对接。2004年3月时，ZigBee技术的1.0标准版本正式颁布实施，作为相关软硬件开发设计的有效指引参考。

当前国际主流的ZigBee技术研发厂商包括了Freescale、TI和Jennic等，其研发成果涵盖了ZigBee技术的软硬件设计优化、与其他类型硬件的有效对接、系统自动化控制等等，对ZigBee技术开发与运用中产生的方方面面问题都进行了分析处理，有效地推动了ZigBee技术在医疗、环保、工业、物联网搭建及生态科研等多个领域的全面普及。

1.1.2ZigBee技术特点

（1）单个传输节点的能耗极低，但传输距离较短[21]。经过多年的发展，ZigBee网络的传输速率已经达到250KB/S，可以实现对大容量复杂数据的实时传输。

（2）支持多种模式的切换，包括主动供电、加强功率输出及日常待机模式等等，因此能够令设备根据实际工作需求来运用能源，达到降低能耗的目的。比如部分ZigBee设备是大部分时间休眠而仅有少部分时间工作，这样其单次更换电池的周期可以达到数月之久。

（3）成本低廉。ZigBee网络协议由于是属于开源协议，因此在使用时无需昂贵的技术授权费用，并且有多方研发机构进行共同开发，保证了其良好的兼容性、拓展性。ZigBee可以直接在MCU上运行，对于计算能力及存储空间要求极低，这就意味着能够节省购买高性能硬件的昂贵费用，适合用于多个监测节点的共同布设。

（4）网络容量及信息传输量较大。与其他无线网络传输技术比起来ZigBee的网络容量也是具有一定优势的，因为理论上最高可以支持65535个网络节点的相互通讯。

（5）网络安全性及稳定性较强[22]。ZigBee网络采用的是Z-STACK协议，该协议经过多次改进，具有较强的安全性、稳定性，该协议采用了AES-128算法进行不可逆加密可以防止数据泄密并保证传输精度。

（6）可以选择多个频段进行传输。ZigBee网络在不同的地区可以采用当地免执照频段来进行信息传输，比如美国的915MHz或者欧洲的868MHz等，而在中国的免执照频段是1.4GHz。

（7）支持按照实际需求对网络结构进行灵活化组合，从而在控制好功耗的前提下保证传输距离、传输安全性和稳定性。具体网络结构包括网状、树状或者星状等多种结构。

1.1.3ZigBee技术应用

（1）智能家居、个人消费电子产品[23]。这类产品传输距离较短且传输数据量不大，因此非常适合使用ZigBee技术来进行传输。当前已经有大量的游戏机、POS机。智能灯具及监控系统都使用了ZigBee传输技术，降低了传输功耗的同时也能够实现进一步的智能化。同时ZigBee技术价格低廉也能够提升这些产品的性价比。

（2）工业制造领域。各类工厂通过使用ZigBee无线传输技术，可以实现对生产线上所有信息的实时采集与监控，或者对生产环境参数的监测与自动化控制等。当前ZigBee技术已经实现了水表、气表和电表的自动抄送功能。

（3）智能楼宇领域。智能楼宇就是在楼宇内布设大量的监测节点，实现对所有区域空间的各项环境参数进行实时监测，包括空气质量、温度、湿度、烟雾及其他有害气体的传感监测、实时显示监测结果和进行危险报警等，也可以作为空气调节设备对空气进行实时调节的依据。ZigBee技术具有能耗低、传输数据量大、支持布设的节点数量多的优势，因而非常适合应用于智能楼宇领域。

1.1.4ZigBee网络节点类型

ZigBee网络节点按照其实际用途的不同，可以分为传感器节点与汇聚节点两种类型[24]。这两种节点各司其职发挥不同的功能，前者将传感器检测到的数据进行采集和传输，比如在本次设计的水环境监测系统中，每个传感器都会带有一个ZigBee传感器节点；后者将所有数据进行整理汇总后发送至远端PC控制中心，便于监测工作人员查看和分析这些数据。

按照节点功能的不同，又可以将其分为全功能型与精简功能型。全功能型支持在传感器节点、汇聚节点两种类型之间切换，并且能够执行两种节点的所有任务。而精简功能型节点仅能作为汇聚节点使用。但全功能型成本的布设成本比精简型节点更高。

传感器节点也是整个ZigBee网络的中枢神经元部分，尤其是全功能型的节点需要有更高性能的主控制器。这也是本次系统设计需要重点关注的方面之一。本次设计系统的精简功能型节点的性能要求则非常低，因此为了节省成本，对于精简功能型的节点使用具备基础性能的传感器即可。

1.2基于ZigBee的水质监测节点总体方案选择

水环境监测是通过对水体多项参数进行监测，并将监测结果发送至控制中心，从而实现对水体实时状态的分析评价，及时发现污染事故的端倪并采取有效的措施等。其监测参数包括了温度、浊度、电导率、pH值和溶解氧含量。

ZigBee无线网络则是负责将监测到的数据进行实时采集和传输。由于水体环境中无法搭设有线信号传输网络，因此就需要稳定可靠的无线传输来实现对监测数据的传输。本文设计中是基于ZigBee技术以及当前主流的Z-STACK协议来作为根本设计依据，在设计中特别注重节点功耗的控制，对传输算法进行了优化。本次设计重点要考虑以下几个方面的要素。

（1）传感器的选择。由于不同水域的水质参数各自迥异，因此需要布设的传感器种类、数量都有所不同。不同的传感器具有不同的成本与测量精度，在面对水质差异时，需要谨慎选择，才能圆满胜任测量任务。

（2）系统扩展性[25]。如上文所述，ZigBee技术具有较强的扩展性，可以通过增加节点数量从而令实际监测面积不断扩大，理论上最大可支持65535个网络节点。通过汇聚节点的有效设计，还可以提高对网关性能的优化，实现低能耗稳定传输。

（3）节点间通信。ZigBee协议能够支持不同的节点之间相互通信，实现数据的上传和下载。同时ZigBee网络还必须具有自修复功能，即在某些节点工况不正常时能够及时自动排障恢复通信，确保整个网络工作的稳定性、可靠性[26]。

（4）路由算法。本次设计中是基于一种较为成熟的蚁群算法进行改进并设计了LEACH算法，从而实现整个无线传感网络功耗的进一步降低，以延长单次更换电池网络的续航时长。

1.3基于ZigBee的水质监测节点的设计

1.3.1传感节点

本次设计中各个传感器节点的核心硬件设备为型号CC2530的ZigBee芯片。该芯片与电源、数据存储和其他调试模块直接按照图2-1进行连接。此外由于各个传感器上直接产生的电压为毫伏级，电流信号更是微弱，因此必须要将其进行放大和A/D转换才能为主控制芯片所采集和传输。因此本次设计的水环境监测系统除了按照所需监测的参数类型设置多种监测传感器之外，还需要配备电源模块、外部存储模块和调试模块等。其中调试模块的作用是对控制程序进行下载及调试，用以实现多种自定义控制功能。

图2-1传感节点的结构图

1.3.2汇聚节点

本次设计的汇聚节点使用了型号为CC2530的ZigBee芯片，其外部电路连接方案见图2-2所示。各个模块用于实现不同的功能。在进行连接时需要严格确保各个模块与该芯片的兼容性。同时电源模块的输出功率和续航时间必须要能够满足各个模块的使用要求。

1.4ZigBee协议栈结构

根据ZigBee协议的标准结构，可以发现其由物理层（PHY）、MAC（媒体访问控制层）、网络层（NWK）和应用层（APL）组成。前两层均基于IEEE801.15.4协议的支持下进行工作。图2-3为其具体协议栈结构。

图2-3ZigBee协议栈结构

根据ZigBee技术标准体系内容，当前的主流协议类型就是IEEE801.15.4协议。但该协议只对PHY与MAC层进行了定义，这两层是在网络结构的最底层，而其他两层则不受此协议限制，是国际ZigBee联盟在上述协议的基础上进行扩展而成[27]。这两层在协议的相对上层。相邻的两层之间需要基于对应的协议来传输数据实体，以完成相关的网络服务。数据由下一层发送至上