基于ZigBee無線通信技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)內(nèi)容提要：環(huán)境監(jiān)測在現(xiàn)實生活中具有舉足輕重的地位，從環(huán)境的監(jiān)控與預(yù)測，環(huán)境生態(tài)管理到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，智能家居，我們需要采集并處理大量的數(shù)據(jù)，實時且準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，無法適應(yīng)越來越多樣化的智能控制需求。本文以CC2530芯片為核心控制芯片設(shè)計了基于ZigBee無線通信技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用IAR軟件在Z-Stack中對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行編程，用QT軟件編寫了上位機程序，重點研究了ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集、上位機軟件開發(fā)。本設(shè)計可以用無線傳感器節(jié)點對環(huán)境中的溫濕度，土壤濕度，河流水位，煙霧濃度做出測量，并將數(shù)據(jù)實時傳送到上位機，滿足人們防范火災(zāi)、洪澇災(zāi)害，時刻掌握環(huán)境狀況的需求。本設(shè)計部署簡單、可以無人操作、可以長期且實時監(jiān)控、節(jié)點成本相對較低，可以適應(yīng)多樣化的環(huán)境監(jiān)測需求。關(guān)鍵詞：CC2530，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ZigBee，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)目錄TOC\o"3-3"\h\z\u\t"標(biāo)題1,2,標(biāo)題2,1,標(biāo)題,1,副標(biāo)題,2"1緒論 41.1課題研究背景和意義 41.2國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 41.2.1環(huán)境監(jiān)測方法 41.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀 51.3本文研究內(nèi)容 62系統(tǒng)原理與總體方案設(shè)計 72.1ZigBee技術(shù)概述 72.1.1ZigBee技術(shù)簡介 72.1.2ZigBee技術(shù)特點 72.1.3ZigBee協(xié)議棧 82.1.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 92.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案 92.3系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計原理 102.3.1終端節(jié)點 102.3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點 103系統(tǒng)硬件設(shè)計 113.1核心模塊簡介 113.2控制模塊設(shè)計 133.2.1電壓轉(zhuǎn)換模塊 133.2.2USB轉(zhuǎn)串口模塊 133.2.3OLED液晶顯示模塊 143.3傳感器模塊 143.3.1溫濕度傳感模塊 143.3.3土壤濕度傳感模塊 153.3.4水位傳感模塊 163.4節(jié)點電路設(shè)計 163.4.1終端節(jié)點 163.4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點 174系統(tǒng)軟件設(shè)計 184.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境簡介 184.2ZigBee協(xié)議棧簡介 184.3節(jié)點軟件設(shè)計 194.3.1終端節(jié)點工作流程 194.3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程 204.3.3初始化 214.3.4周期檢測與OLED顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送 214.3.5協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳送 214.3.6程序燒錄 224.4上位機軟件開發(fā)環(huán)境簡介 224.5上位機軟件設(shè)計 234.5.1設(shè)計思路 234.5.2構(gòu)造串口 234.5.3串口線程、信號與槽 244.5.4數(shù)據(jù)顯示 244.5.5UI設(shè)計 255系統(tǒng)實驗與結(jié)果 266總結(jié)與展望 276.1總結(jié) 276.2展望 28參考文獻(xiàn) 291緒論1.1課題研究背景和意義在實際生產(chǎn)生活中，環(huán)境監(jiān)測始終是一個重要的問題，大到自然災(zāi)害的防治，小到生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。如果能掌握充分的環(huán)境信息，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就能預(yù)測環(huán)境的變化，對可能發(fā)生的情況做出未雨綢繆的決策，消除安全隱患，讓事件向人們預(yù)期的方向發(fā)展。環(huán)境監(jiān)測不只是宏觀的氣象監(jiān)測、森林火災(zāi)預(yù)防、洪澇災(zāi)害預(yù)防，也存在于許多個性化的、微觀的應(yīng)用場景中，比如對礦井中的溫濕度，煙霧濃度等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)防瓦斯泄露以及透水等事故。對于環(huán)境監(jiān)測而言，持續(xù)而穩(wěn)定地獲取高質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)是十分重要的，這就需要監(jiān)測系統(tǒng)有較低的成本，較高的可持續(xù)性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Lovett</Author><Year>2007</Year><RecNum>69</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>69</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1648892297">69</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Lovett,GaryM.</author><author>Burns,DouglasA.</author><author>Driscoll,CharlesT.</author><author>Jenkins,JenniferC.</author><author>Mitchell,MyronJ.</author><author>Rustad,Lindsey</author><author>Shanley,JamesB.</author><author>Likens,GeneE.</author><author>Haeuber,Richard</author></authors></contributors><titles><title>Whoneedsenvironmentalmonitoring?</title><secondary-title>FrontiersinEcologyandtheEnvironment</secondary-title></titles><periodical><full-title>FrontiersinEcologyandtheEnvironment</full-title></periodical><pages>253-260</pages><volume>5</volume><number>5</number><dates><year>2007</year></dates><isbn>1540-9295</isbn><urls><related-urls><url>/doi/abs/10.1890/1540-9295%282007%295%5B253%3AWNEM%5D2.0.CO%3B2</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1890/1540-9295(2007)5[253:WNEM]2.0.CO;2</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[1]?；赯igBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境監(jiān)測的一些問題提供了新的解決方案。與傳統(tǒng)的固定監(jiān)測站相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢有很多，比如低成本，便于部署，傳感節(jié)點可以廣泛布置。在傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方式無法滿足監(jiān)測需求的地方，如礦井作業(yè)區(qū)監(jiān)控、河流、森林火災(zāi)預(yù)防等應(yīng)用場景，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)揮重要作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Yin</Author><Year>2022</Year><RecNum>58</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[2]</style></DisplayText><record><rec-number>58</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1648721705">58</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Yin,Fengmei</author></authors></contributors><titles><title>PracticeofAirEnvironmentQualityMonitoringDataVisualizationTechnologyBasedonAdaptiveWirelessSensorNetworks</title><secondary-title>WirelessCommunicationsandMobileComputing</secondary-title></titles><periodical><full-title>WirelessCommunicationsandMobileComputing</full-title></periodical><pages>1-12</pages><volume>2022</volume><dates><year>2022</year></dates><publisher>HindawiLimited</publisher><isbn>1530-8677</isbn><urls><related-urls><url>/10.1155/2022/4160186</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1155/2022/4160186</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[2]。1.2國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 1.2.1環(huán)境監(jiān)測方法在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，環(huán)境監(jiān)測大致經(jīng)歷了從污染事故的調(diào)查到環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，20世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國家先后建立了可以自動連續(xù)監(jiān)測的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和宏觀的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，此時地理信息系統(tǒng)技術(shù)，衛(wèi)星遙感技術(shù)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)也開始用于環(huán)境監(jiān)測。現(xiàn)代的環(huán)境監(jiān)測方式也大多基于監(jiān)測站點、衛(wèi)星遙感、人工檢測。如美國的CASTNET清潔空氣現(xiàn)狀和趨勢網(wǎng)絡(luò)，有約90多個監(jiān)測站點（圖1-1是其中一個站點），旨在評估污染物濃度，大氣沉積和空氣污染物排放變化造成的生態(tài)影響的趨勢。瑞典環(huán)境保護(hù)局（SEPA）的國家監(jiān)測項目，編制了高價值的觀測系列，跨越了較長的時間尺度，協(xié)調(diào)了國家的監(jiān)測工作，提高了全國監(jiān)測項目的效率，有助于了解環(huán)境狀況報告以及全國自然資源和環(huán)境保護(hù)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Weston</Author><Year>2011</Year><RecNum>86</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[3]</style></DisplayText><record><rec-number>86</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649152065">86</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Weston,Sarah</author></authors></contributors><titles><title>Anoverviewofenvironmentalmonitoringanditssignificanceinresourceandenvironmentalmanagement</title><secondary-title>SchoolofResourceandEnvironmentalStudies,DalhousieUniversity</secondary-title></titles><periodical><full-title>SchoolofResourceandEnvironmentalStudies,DalhousieUniversity</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3]。圖1-SEQ圖\*ARABIC1CASTNET的一個站點我國的環(huán)境監(jiān)測工作經(jīng)過長期的發(fā)展也具有了一定的水平，環(huán)境監(jiān)測的手段也與國際接軌，也可以實現(xiàn)長時間的自動連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測范圍相比以往更加廣泛，基本能夠全國范圍ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>廖慶風(fēng)</Author><Year>2013</Year><RecNum>81</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>81</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649042814">81</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">廖慶風(fēng)</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">試析中國環(huán)境監(jiān)測科技發(fā)展需求</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">科技創(chuàng)新與應(yīng)用</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>科技創(chuàng)新與應(yīng)用</full-title></periodical><pages>142-142</pages><number>24</number><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]。根據(jù)《2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，我國生態(tài)環(huán)境部的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)較為完善，可以監(jiān)測諸多環(huán)境數(shù)據(jù)，比如空氣質(zhì)量、降水、地表水水質(zhì)、海洋環(huán)境、城市中的聲環(huán)境，電磁輻射和電離輻射等。除了這些監(jiān)測站點之外還有衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測方面，即使存在許多的先進(jìn)方式，如衛(wèi)星遙感，無人機，眾感等，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測方式也可以占據(jù)一席之地。這些技術(shù)優(yōu)勢互補，相互結(jié)合，構(gòu)成更加完善的監(jiān)測體系A(chǔ)DDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Fascista</Author><Year>2022</Year><RecNum>57</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>57</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1648721552">57</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Fascista,Alessio</author></authors></contributors><titles><title>TowardIntegratedLarge-ScaleEnvironmentalMonitoringUsingWSN/UAV/Crowdsensing:AReviewofApplications,SignalProcessing,andFuturePerspectives</title><secondary-title>Sensors</secondary-title></titles><periodical><full-title>Sensors</full-title></periodical><pages>1824</pages><volume>22</volume><number>5</number><dates><year>2022</year></dates><publisher>MDPIAG</publisher><isbn>1424-8220</isbn><urls><related-urls><url>/10.3390/s22051824</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.3390/s22051824</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[5]。 1.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究歷史從1980年美國的DSN（Distributedsensornetwork）項目開始，在此之后，IEEE也被擁有低成本高性能特性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)吸引了注意力，該組織為無線短距離低速率的網(wǎng)絡(luò)定義了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。基于這樣的標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一套可供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的高級通信協(xié)議ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Wang</Author><Year>2010</Year><RecNum>91</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>91</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649229432">91</key></foreign-keys><ref-typename="Generic">13</ref-type><contributors><authors><author>Wang,Qinghua</author><author>Balasingham,Ilangko</author></authors></contributors><titles><title>WirelessSensorNetworks–AnIntroduction,WirelessSensorNetworks:Application-CentricDesign,YenKhengTan(Ed.),ISBN:978-953-307-321-7,InTech</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]。針對中國發(fā)展中的三個突出問題，即采礦行業(yè)的安全問題；環(huán)境治理問題；交通堵塞問題，從2006年9月開始，我國啟動了一系列無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目，旨在用有效的低成本傳感器網(wǎng)絡(luò)解決上述三大問題ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Ni</Author><Year>2007</Year><RecNum>92</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>92</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649230292">92</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Ni,LionelM.</author><author>Liu,Yunhao</author><author>Zhu,Yanmin</author></authors></contributors><titles><title>China'snationalresearchprojectonwirelesssensornetworks</title><secondary-title>IEEEWirelessCommunications</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEEWirelessCommunications</full-title></periodical><pages>78-83</pages><volume>14</volume><number>6</number><dates><year>2007</year></dates><publisher>InstituteofElectricalandElectronicsEngineers(IEEE)</publisher><isbn>1536-1284</isbn><urls><related-urls><url>/10.1109/MWC.2007.4407230</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1109/mwc.2007.4407230</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[7]。在環(huán)境監(jiān)測方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有得天獨厚的優(yōu)勢。常規(guī)的環(huán)境監(jiān)測方式不夠靈活，依賴有線通信，而無線傳感器易于部署，不需要太多的配套設(shè)施，傳感器節(jié)點成本低，可以密集部署。環(huán)境參數(shù)往往處在高度動態(tài)的變化之中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點使它可以應(yīng)對環(huán)境復(fù)雜的變化，對氣象的監(jiān)控和預(yù)測起到重要作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kang</Author><Year>2022</Year><RecNum>55</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[8]</style></DisplayText><record><rec-number>55</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1648719149">55</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Kang,Tianyu</author></authors></contributors><titles><title>WirelessSensorNetworkinEnvironmentMonitoring</title><secondary-title>2021InternationalConferenceonSocialDevelopmentandMediaCommunication(SDMC2021)</secondary-title></titles><pages>1435-1439</pages><dates><year>2022</year></dates><publisher>AtlantisPress</publisher><isbn>9462395128</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]。加州大學(xué)和Intel實驗室的研究人員在大鴨島的海燕棲息地部署了有32個節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以在不驚擾海燕的情況下監(jiān)測海燕的生活情況ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mainwaring</Author><Year>2002</Year><RecNum>83</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>83</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649060532">83</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Mainwaring,Alan</author><author>Culler,David</author><author>Polastre,Joseph</author><author>Szewczyk,Robert</author><author>Anderson,John</author></authors></contributors><titles><title>Wirelesssensornetworksforhabitatmonitoring</title><alt-title>Proceedingsofthe1stACMinternationalworkshoponWirelesssensornetworksandapplications-WSNA'02</alt-title></titles><dates><year>2002</year><pub-dates><date>2002</date></pub-dates></dates><publisher>ACMPress</publisher><urls><related-urls><url>/10.1145/570738.570751</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1145/570738.570751</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[9]。圖1-2是該項目所用的傳感器節(jié)點，這樣精致的傳感節(jié)點就是本設(shè)計的目標(biāo)。圖1-SEQ圖\*ARABIC2大鴨島項目的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點IEEE的研究人員設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)最終部署在澳大利亞布里斯班莫倫頓灣，用來監(jiān)測部分澳大利亞珊瑚礁的水質(zhì)情況ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Alippi</Author><Year>2011</Year><RecNum>77</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[10]</style></DisplayText><record><rec-number>77</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1648980317">77</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Alippi,Cesare</author><author>Camplani,Romolo</author><author>Galperti,Cristian</author><author>Roveri,Manuel</author></authors></contributors><titles><title>ARobust,Adaptive,Solar-PoweredWSNFrameworkforAquaticEnvironmentalMonitoring</title><secondary-title>IEEESensorsJournal</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEESensorsJournal</full-title></periodical><pages>45-55</pages><volume>11</volume><number>1</number><dates><year>2011</year></dates><publisher>InstituteofElectricalandElectronicsEngineers(IEEE)</publisher><isbn>1530-437X</isbn><urls><related-urls><url>/10.1109/JSEN.2010.2051539</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1109/jsen.2010.2051539</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[10]。圖1-3是該項目使用的傳感器節(jié)點。圖1-SEQ圖\*ARABIC3澳大利亞莫爾頓灣的水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為了實現(xiàn)溫室大棚種植環(huán)境的精確調(diào)控，我國學(xué)者設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對溫室大棚內(nèi)與植物生長有關(guān)的環(huán)境信息進(jìn)行采集，并根據(jù)采集到的信息控制灌溉系統(tǒng)和光照補償系統(tǒng)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王瑞娜</Author><Year>2021</Year><RecNum>93</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>93</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649248316">93</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">王瑞娜</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">潘曉貝</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">基于</style><styleface="normal"font="default"size="100%">ZigBee</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究設(shè)計</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報</full-title></periodical><pages>24-28</pages><volume>20</volume><number>2</number><dates><year>2021</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]。為了解決煤礦井下安全生產(chǎn)的問題，我國學(xué)者設(shè)計了用于礦井開采作業(yè)環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，以ZigBee模塊為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，搭配礦井和地面有線信號的傳遞，解決了井下預(yù)警的問題ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>翟曉華</Author><Year>2021</Year><RecNum>94</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>94</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649248371">94</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">翟曉華</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">基于</style><styleface="normal"font="default"size="100%">ZigBee</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">的礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">煤礦機械</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>煤礦機械</full-title></periodical><dates><year>2021</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]。 1.3本文研究內(nèi)容在閱讀我國環(huán)境監(jiān)測情況以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)了我國在環(huán)境監(jiān)測的過程中存在的一些問題，比如一些監(jiān)測站點環(huán)境監(jiān)測技術(shù)較為落后，設(shè)備不夠先進(jìn)，環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)尚不完善ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>何明燕</Author><Year>2021</Year><RecNum>96</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>96</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649250807">96</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">何明燕</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">廖偉伶</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">汪雨博</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">環(huán)境監(jiān)測在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的多重意義及發(fā)展趨勢探討</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">重慶建筑</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>重慶建筑</full-title></periodical><dates><year>2021</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13]，基于ZigBee通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有望解決這些問題。在環(huán)境監(jiān)測方面，在面對多樣化的需求時，這樣的網(wǎng)絡(luò)也能給出較好的解決方案。本文實現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，制作了由CC2530芯片控制的傳感器節(jié)點，搭配了合適的傳感器，完成了傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其與上位機通信的軟件設(shè)計，可以實現(xiàn)對一些環(huán)境信息的監(jiān)測，比如溫濕度，煙霧濃度，土壤濕度和水位，通過對這些環(huán)境信息的分析，可以滿足對森林火災(zāi)預(yù)防，洪澇災(zāi)害預(yù)防，礦井瓦斯泄露、透水事故預(yù)防的需求。2系統(tǒng)原理與總體方案設(shè)計 2.1ZigBee技術(shù)概述 2.1.1ZigBee技術(shù)簡介為了實現(xiàn)大量小型設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)功能，IEEE的工作組確立了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，基于此標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展出了ZigBee技術(shù)，這是一種低功耗的、適用于近距離通信的、低速率的、大容量的組網(wǎng)技術(shù)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>劉黎明</Author><Year>2016</Year><RecNum>101</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>101</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649295192">101</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">劉黎明</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">陳天喜</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">陳凱</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"size="100%">ZigBee</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">無線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新</full-title></periodical><pages>431-434</pages><number>3</number><dates><year>2016</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]。ZigBee這一詞匯起源于蜜蜂的一種肢體語言，蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花朵和花蜜時會采用形似ZigZag的運動動作來與其他蜜蜂交流。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信在某些方面和蜜蜂采蜜的過程具有一定的相似性，所以人們用ZigBee來指代這樣的通信技術(shù)。在ZigBee技術(shù)的規(guī)范制定工作中，兩個組織貢獻(xiàn)巨大：IEEE805.15.4工作組制定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟逐漸完善這一規(guī)范，使完整的ZigBee協(xié)議誕生于世。 2.1.2ZigBee技術(shù)特點(1).可靠性強，更為安全。ZigBee協(xié)議中規(guī)定了一種載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA-CA）技術(shù)。此種技術(shù)利用對ACK信號的確認(rèn)來改善數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)倪^程中可能面臨的沖突狀況。在這之外，ZigBee通信協(xié)議利用通信時延和休眠激活的運行時間短的特點，增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽砍潭華DDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳煥</Author><Year>2015</Year><RecNum>100</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>100</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649294997">100</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">陳煥</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">范鎧</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">汪正祥</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"size="100%">ZigBee</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">與其他短距離無線通信技術(shù)比較及其應(yīng)用</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">信息技術(shù)</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>信息技術(shù)</full-title></periodical><pages>180-183</pages><volume>39</volume><number>5</number><dates><year>2015</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]。在提升通信安全性方面，ZigBee技術(shù)還采用了AES-128算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，在一定程度上使數(shù)據(jù)安全得到了保障。(2).節(jié)點數(shù)多。單個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納250多節(jié)點，在物理距離較短的范圍內(nèi)可以有將近百個ZigBee節(jié)點同時工作。使用了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以搭載六萬五千個節(jié)點，而且網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相互之間也可以進(jìn)行連接，這樣就可以構(gòu)成有海量節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>周航正</Author><Year>2017</Year><RecNum>108</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16]</style></DisplayText><record><rec-number>108</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649298512">108</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">周航正</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"size="100%">ZigBee</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">技術(shù)簡介</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">科教導(dǎo)刊</style><styleface="normal"font="default"size="100%">:</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">電子版</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>科教導(dǎo)刊:電子版</full-title></periodical><pages>135-135</pages><number>4</number><dates><year>2017</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]。(3).低功耗，低成本。ZigBee節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)量小，工作時間短，ZigBee終端節(jié)點在沒有任務(wù)時可以從工作狀態(tài)切換為休眠狀態(tài)，通常情況下由干電池供電也可工作數(shù)月甚至數(shù)年。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)勢在于設(shè)計簡單且開源，協(xié)議能夠運行于MCU，大大降低了ZigBee節(jié)點的成本。(4).低時延。ZigBee技術(shù)除了對通信時延做了處理之外，還將系統(tǒng)的喚醒時延控制在15毫秒，組網(wǎng)時延控制在30毫秒，移動設(shè)備入網(wǎng)時延控制在15毫秒。(5).自組網(wǎng)能力強。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有無中心的特征，節(jié)點之間地位沒有差異，節(jié)點間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀，網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)不依賴于某一個節(jié)點。ZigBee網(wǎng)絡(luò)在工作過程中，會根據(jù)事先配置好的路由規(guī)則，在通信時避開發(fā)生故障的節(jié)點，通過新的路徑通信。除此之外ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有自組織的特性，這種特性也是自組網(wǎng)能力的有力支撐。不同的通信技術(shù)有各自的長處和短板，也有各自的適用領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)的這些特點決定了它比其他的通信技術(shù)更適用于連接傳感器，其他的通信技術(shù)如藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB、GPRS、RFID等用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都或多或少存在一些問題，比如功耗高，連接數(shù)少，距離近等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳煥</Author><Year>2015</Year><RecNum>100</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>100</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649294997">100</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">陳煥</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">范鎧</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">汪正祥</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"size="100%">ZigBee</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">與其他短距離無線通信技術(shù)比較及其應(yīng)用</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">信息技術(shù)</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>信息技術(shù)</full-title></periodical><pages>180-183</pages><volume>39</volume><number>5</number><dates><year>2015</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]。表2-1是幾種通信技術(shù)的比較。技術(shù)工作頻率速率/Mbps最大功耗網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)目通信距離/m用途ZigBee技術(shù)工作頻率速率/Mbps最大功耗網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)目通信距離/m用途ZigBee2.4GHz0.251~3mW6500030~70傳感器網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)Bluetooth2.4GHz1~31~100mW710~100個人網(wǎng)絡(luò)UWB3.1~10.6GHz53~480小于1mW810測距多媒體Wi-Fi2.4GHz5.2GHz6~54100mW50100無線局域網(wǎng)RFID5.8GHz0.212無需供電2小于10物流管理 2.1.3ZigBee協(xié)議棧前文描述了IEEE工作組和ZigBee聯(lián)盟在規(guī)范制定方面的工作，圖2-1直觀地描述了協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)。物理層負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的事宜，完成數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)和收發(fā)，完成信道頻率的選擇。介質(zhì)訪問層負(fù)責(zé)使用CSMA-CA機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，負(fù)責(zé)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)鏈路的建立。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立及地址的分配，ZigBee提供了星形，樹狀，網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。應(yīng)用層主要為用戶提供可使用的API函數(shù)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳星宇</Author><Year>2019</Year><RecNum>109</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[17]</style></DisplayText><record><rec-number>109</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649336765">109</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>陳星宇</author></authors></contributors><titles><title>基于ZigBee的計量檢測環(huán)境溫濕度監(jiān)測無線傳感系統(tǒng)</title></titles><dates><year>2019</year></dates><publisher>廣西大學(xué)</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17]。圖2-1ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)2.1.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備在物理上可以分為全部功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備兩種。具有所有功能的設(shè)備可以建立具有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，這種設(shè)備可以做三種按邏輯劃分的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的任意一種，能夠與全部種類的節(jié)點進(jìn)行通信。不具備所有功能的精簡設(shè)備只能成為邏輯上的終端節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)通信時，只可以與協(xié)調(diào)器通信。按照邏輯劃分，可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為三類，分別是路由器、協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器是三種邏輯設(shè)備中最復(fù)雜的設(shè)備，主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對連接到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的管理，存儲入網(wǎng)節(jié)點的信息。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)中必不可少的設(shè)備，且網(wǎng)絡(luò)中只能有一個這樣的設(shè)備存在。路由器用于擴展網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)響應(yīng)終端節(jié)點的入網(wǎng)請求并把它加入網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行管理為何以及與其他節(jié)點的通信。終端節(jié)點不負(fù)責(zé)參與網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，只用來完成一些簡單的任務(wù)，可以收發(fā)消息，在不工作時可以進(jìn)入休眠模式ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>蒲泓全</Author><Year>2013</Year><RecNum>110</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>110</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649337906">110</key></foreign-keys><ref-typename="ChineseJournal">40</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">蒲泓全</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">賈軍營</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">張小嬌</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">孫建偉</style></author></authors><secondary-authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">蒲泓全</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">賈軍營</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">張小嬌</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">孫建偉</style></author></secondary-authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"size="100%">ZigBee</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究綜述</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">計算機系統(tǒng)應(yīng)用</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>計算機系統(tǒng)應(yīng)用</full-title></periodical><pages>6-11</pages><number>9</number><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鼈兪切切?，網(wǎng)形以及樹形ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Aju</Author><Year>2015</Year><RecNum>113</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[19]</style></DisplayText><record><rec-number>113</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tefweee9advezjesvxkvvtta2pa5fv9zxfwf"timestamp="1649383119">113</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Aju,OmojokunG</author></authors></contributors><titles><title>Asurveyofzigbeewirelesssensornetworktechnology:Topology,applicationsandchallenges</title><secondary-title>InternationalJournalofComputerApplications</secondary-title></titles><periodical><full-title>InternationalJournalofComputerApplications</full-title></periodical><pages>47-55</pages><volume>130</volume><number>9</number><dates><year>2015</year></dates><isbn>0975-8887</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19]，拓?fù)鋱D見圖2-2。圖2-2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D星形網(wǎng)絡(luò)是由許多終端節(jié)點圍繞一個協(xié)調(diào)器建成，這樣的網(wǎng)絡(luò)通過協(xié)調(diào)器來發(fā)布網(wǎng)絡(luò)命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，缺點在于數(shù)據(jù)不能分組傳輸，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)較多的工作，功耗較大。樹形網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器連接許多的路由節(jié)點和終端節(jié)點組成，路由節(jié)點用來擴展網(wǎng)絡(luò)，它可以連接其他的路由節(jié)點以及大量終端節(jié)點做它的子節(jié)點，終端節(jié)點只具有收發(fā)數(shù)據(jù)的能力。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，這種網(wǎng)絡(luò)可以容納更多節(jié)點，且節(jié)點間的通信有了更多的路徑可供選擇。網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)是性能最佳的一種網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)的路由能力更強，節(jié)點間的通信可以通過路由節(jié)點進(jìn)行，在某個節(jié)點因為損壞或故障無法通信時，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以尋找替代路徑，具有一定的“自愈”能力。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案本設(shè)計利用CC2530芯片搭載溫濕度、煙霧、土壤濕度、水位傳感器模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點，負(fù)責(zé)收集環(huán)境信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點的功能是建立連接網(wǎng)絡(luò)，連接傳感器節(jié)點，接收傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機，便于管理人員進(jìn)行后續(xù)的操作。網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡單實現(xiàn)ZigBee通信的基本功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2-3。圖2-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計原理2.3.1終端節(jié)點系統(tǒng)節(jié)點（終端節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點）的硬件核心