關(guān)鍵詞：Zigbee、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、GPRS/CDMA
一、應(yīng)用需求
在人類生存環(huán)境日益惡化的今天，建立完整的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的，我國(guó)繼續(xù)把環(huán)境保護(hù)放在突出的戰(zhàn)略位置。致力于重點(diǎn)流域的水污染防治工程及城鎮(zhèn)污水和垃圾處理。環(huán)保儀器儀表主要用在環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)和污染源監(jiān)測(cè)等方面環(huán)保主要是解決我國(guó)水環(huán)境、大氣環(huán)境兩個(gè)戰(zhàn)略性和全局性的大環(huán)境生態(tài)污染問(wèn)題。
具體說(shuō)來(lái)，環(huán)保儀器儀表的主要需求如下：
(1)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)：目前全國(guó)環(huán)保系統(tǒng)及各部門、行業(yè)、企業(yè)已建監(jiān)測(cè)站4000多個(gè)，國(guó)家環(huán)保局計(jì)劃在全國(guó)裝備400多個(gè)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)站；350多個(gè)環(huán)境信息中心；100個(gè)城市空氣地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
(2)污染源監(jiān)測(cè)：國(guó)家要對(duì)全國(guó)1.8萬(wàn)個(gè)重點(diǎn)污染企業(yè)實(shí)施主要污染物排放總量控制和消減，以改善環(huán)境質(zhì)量，因此要求1.8萬(wàn)個(gè)污染大戶要逐步安裝在線連續(xù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。
3)遙感遙測(cè)儀器儀表：包括對(duì)荒漠、草原、森林、海洋、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也需要對(duì)大氣污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源進(jìn)行遙感遙測(cè)。
二、行業(yè)現(xiàn)狀
當(dāng)前我國(guó)生產(chǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器儀表大多是中低檔產(chǎn)品，產(chǎn)品功能單一，故障率高，附加值低，在品種和數(shù)量上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。
有關(guān)專家認(rèn)為我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：
1、向三化即自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；
2、由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型方向發(fā)展；
3、由較窄領(lǐng)域監(jiān)測(cè)向全方位領(lǐng)域監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展；
4、由單純的地面環(huán)境監(jiān)測(cè)向遙感環(huán)境監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方向發(fā)展。
處理分布在各處的環(huán)境檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題一直是建立環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的難點(diǎn)，如果沒(méi)有將分布在各處的環(huán)境檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線的管理則會(huì)給管理部門帶來(lái)很多的問(wèn)題。無(wú)法實(shí)施實(shí)時(shí)的管理及24小時(shí)監(jiān)控和監(jiān)管。本系統(tǒng)就是在現(xiàn)有的儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上采用ZIGBEE無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的管理及24小時(shí)監(jiān)控和監(jiān)管。隨著我國(guó)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越重視，在原有的單點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，各地的環(huán)境監(jiān)測(cè)站紛紛建立了一些無(wú)人值守的檢測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)更廣更實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)環(huán)境質(zhì)量需要我們有更好方法將各個(gè)不同地方的測(cè)量設(shè)備的信息進(jìn)行上傳共享處理。這里我們技術(shù)一種給予ZIGBEE 技術(shù)的無(wú)線技術(shù)來(lái)解決這樣的應(yīng)用。
三、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介
zigbee是一種無(wú)線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無(wú)線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
國(guó)際上，IEEE802.15.4工作組及zigbee聯(lián)盟共同致力于該無(wú)線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定zigbee物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通； zigbee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場(chǎng)推廣工作。而于2002年成立的zigbee聯(lián)盟如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備公司的加入。目前，F(xiàn)reescale、TI等國(guó)際巨頭都已推出了比較成熟的zigbee開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。
圖一 ZIGBEE星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信
中心節(jié)點(diǎn)為ZIGBEE協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)為ZIGBEE終端設(shè)備
所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)
適合圓形分散、距離較近的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)
圖二 ZIGBEE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
系統(tǒng)采用多跳式路由通信
網(wǎng)絡(luò)容量很大
可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠(yuǎn)比較分散的結(jié)構(gòu)
MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)的所有實(shí)體只有要通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒(méi)有直接通路，還可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。
Zigbee技術(shù)特點(diǎn)
設(shè)備省電
zigbee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間；
通信可靠
zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；
網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)
zigbee的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；
zigbee自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。
具備自組織、自愈能力的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)才是自動(dòng)抄表系統(tǒng)最理想的通信方式。
成本低廉
設(shè)備的復(fù)雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的，這些可以有效地降低設(shè)備成本；
Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒(méi)有使用費(fèi)的無(wú)線通信。
網(wǎng)絡(luò)容量大
一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在200多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；
數(shù)據(jù)安全
ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
五、基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線環(huán)保檢測(cè)系統(tǒng)的方案
通過(guò)前面對(duì)環(huán)保檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求分析，結(jié)合zigbee技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用zigbee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線環(huán)保檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非常理想的解決方案：
系統(tǒng)組成：
一套完整的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由各種環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器的設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)組成：
環(huán)境監(jiān)測(cè)傳
