引言

大氣污染物可分為天然污染物和人為污染物2種，而引起公害的往往是人為污染物，于燃料燃燒和大規模的工礦企業的氣態污染物是大氣污染的重要之一。隨著我國工業化和城市化進程的不斷發展，我國空氣污染的情況已相當嚴重，是全球三大酸雨區之一。為促成可持續的低碳經濟發展模式形成，對大氣環境的監測與治理是一件刻不容緩的任務。但是，傳統的有線監測網絡只能沿著固定的線路傳輸數據，傳輸介質的架設不可避免地具有破壞建筑，存在檢修困難、擴展困難、安裝維護費用高的弊端；同時不能在某些惡劣環境（ 不易布線場所、人不宜到達的地方、臨時性場所、突發事故現場） 實現快速部署檢測系統，監控方式不及時。為此，本文結合ZigBee 無線短距離通信技術的發展，設計一種應用于工業廢氣的無線組網監測方案，對工業排放廢氣進行安全、靈活、有效的實時監控，加快我國環境管理基礎能力和提高環境監測能力及環境監督執法現代化水平具有重要意義。

1 ZigBee無線監測系統總體設計方案

基于ZigBee無線傳感器網絡的工業廢氣監測網絡由現場監測節點、中繼站（簇首節點和ZigBee協調器） 和監控中心三級構成，該網絡可以覆蓋整個工廠的所有監控環節，構成一個嚴密的、全方位、立體式監控體系。為提高網絡的可擴展性和降低網絡管理復雜度，本系統采用分簇的結構設計思想，將網絡劃分為若干個簇，每個簇由一個簇首節點和若干個普通節點組成，沿工廠中各監控環節部署普通監測節點，簇首節點負責管理和維護一定范圍內的普通監測節點，其系統總體結構如圖1所示。系統中各監測節點采集各種污染參數，每個簇選舉一個簇首節點，用于接收本簇內所有節點送來的數據，實現數據融合功能，并發送到ZigBee 協調器。同時，簇首節點也可以接收ZigBee 協調器的控制命令，并發送給本簇內的所有監測節點。各簇首節點可通過ZigBee協調器定時向監測中心發送信息，平時也可將其設置為休眠狀態，在收到監測中心的上報數據指令后才開始啟動數據采集工作，將信息發送給監測中心，各簇首節點有數據采集，指令解析與識別，數據發送等功能。

ZigBee協調器負責監測網絡的建立、管理和維護，如為新加入的設備分配網絡地址，節點的加入和離開等，并且將采集的數據上傳給監控中心或者將監控中心的命令在網絡中發送到ZigBee網絡中的簇首節點。系統監測中心對各ZigBee協調器進行控制指揮，監測中心既是各ZigBee 協調器的指揮中心，又是監測數據的收集、處理和存儲的數據中心。

圖1 工業廢氣ZigBee無線監控網絡結構圖

2 節點硬件設計

無線傳感器終端節點由數據采集模塊、各種信號調理電路、數據處理模塊、無線通信模塊和電源管理模塊組成。

節點硬件結構框圖如圖2所示。數據采集模塊主要由各種氣體傳感器、濕度傳感器與溫度傳感器構成，各傳感器單元對工廠監測環境內各種有機廢氣和無機廢氣濃度進行采集，然后根據氣體其排風量、溫度、濃度及本身化學物理性質不同將氣體濃度的物理量轉換為相應電信號。信號調理單元電路將采集到的信號進行調理后送至數據處理模塊。

數據處理模塊的微處理器采用ATmel公司的ATmega128L微控制器，它是一種低功耗、高度集成的微處理芯片，具有片內128 kB 的程序存儲器（ Flash ）、4 kB 的數據存儲器（SRAM ）和4kB 的EEPROM, 有8個10位ADC 通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數器、8個PWM 通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器，片上模擬比較器，JTAG,UART, SPI, I2C總線等接口。ATm ega128L可在正常操作模式和6種不同等級的低能耗操作模式下工作，適合于低能耗的應用場合。本監控系統設計中ATm ega128L 采用7. 3728MH z晶振作為ATm ega128L 的工作時鐘，以32.768 kHz晶振作為實時時鐘源。

圖2 無線監測節點結構圖

無線通信模塊完成與協調器節點的交互工作，負責監測數據收發和交換控制消息。無線傳感器終端節點以用德州儀器的CC2430無線模塊為核心，它是一種符合IEEE802. 15. 4標準的Zig B ee片上系統CMOS解決方案，其內部有2. 4GH z的RF 無線電收發機、內存和微控制器。它使用一個高性能和低功耗的8位MCU（8051），具有128 kB的可編程閃存和8 kB的RAM, 同時包含有ADC、定時器、AES?? 128協同處理器、看門狗定時器、掉電檢測電路等。

微處理器全速工作時（ 32MH z），在接收和發射模式下，電流損耗約為27mA.CC2430 在休眠模式時僅0. 5uA 的流耗，外部的中斷或RTC 能喚醒系統； 在待機模式時少于0. 3 uA的流耗，外部的中斷能喚醒系統。另外，由于CC2430有FLASH 存儲模塊，具有一定的數據存儲能力，因而可以減少射頻的工作次數，進而降低功耗。

工業廢氣監控應用往往需要長時間地進行，這就需要傳感器節點具有足夠的能量。為此在選擇節點芯片時均使用低功耗、低電壓工作的芯片。系統采用普通電池或可充電鋰離子電池工作，電源管理芯片采用AD 公司的ADP3338-3.3, SOT-223封裝。協調器由于一直處于收發狀態，采用外部電源供電。

為節省能量，終端監測節點大部分時間處于休眠狀態，此時功耗小于1 ??A.當監測節點沒有傳感任務且不需要發送數據時，關閉節點通信模塊和數據采集模塊以節省能量。

協調器收到數據包后，將原路返回發送確認信息至終端監測節點，與監測節點實現握手通信，如果監測節點并未收到確認消息，則繼續發送數據，直到其收到確認消息。另外，考慮到在同一傳感器網絡，不同節點對能量的需求與消耗有所不同，從而使得有些節點能量消耗較快，成為整個網絡的能量瓶頸。為均衡各節點能量消耗，本系統采用分簇網絡進行數據采集與傳輸， 首先依據傳感網節點分布密度確定最優分簇個數，并對傳感器網絡進行K均值聚類； 然后結合節點剩余能量，利用遺傳算法的全局尋優能力為各個分簇選擇合適的簇首節點。于是，簇內各監測節點將采集的數據發送給其對應的簇首節點。簇首將接收的數據經融合處理后經過單跳路由傳輸至ZigBee協調器，以完成數據傳送。

3 Z ig Bee無線傳感器節點軟件設計

工業廢氣監控系統軟件使用模塊化程序設計，主要由終端監測節點和ZigBee 協調器節點組成。工業廢氣監測終端節點主要負責將傳感器組采集的數據傳遞給簇首節點，簇首節點再發送至協調器，最后經路由器轉發至監控中心服務器； 同時，它也可以接收協調器發來的命令： 如打開或關閉傳感器、調整采集時間、閾值設定等。每5 s輪詢一次，每50 s采集并發送一次數據，其余時間則處于休眠狀態，這樣可以降低功耗，延長電池使用壽命。協調器的主要工作是接收子節點發來的數據，將數據上傳至監控主機，轉發監控中心發來命令等。系統終端監測節點流程圖與協調器節點程序流程圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 監測節點程序流程圖

圖4 Z ig Bee協調器程序流程圖

無線監測系統開始工作后，終端監測節點先進行軟件和硬件的初始化，然后查找是否有可加入的網絡。它加入網絡時，監測節點加入網絡后，如果沒有監測任務，則先進入休眠狀態； 若遇監測任務或休眠周期結束，則產生中斷，激活節點使其進入工作模式，然后監測節點開始采集、發送數據至網內簇首節點。ZigBee協調器收到終端節點的加入網絡的請求時，協調器會給該節點分配網絡地址。然后接收由各簇首節點發來的監測數據，并經路由器上傳至監控中心服務器上，以進行數據存儲與分析。同時，也可以向下轉發命令。

系統設計中將網絡中的所有節點分為若干個自組織的簇。考慮到ZigBee 傳輸范圍一般介于10~ 75m 之間，因此，設計時要相鄰簇節點之間的距離在75 m 以內以便于數據傳輸。各簇內簇首節點用于接收本簇內所有節點送來的數據，進行數據融合，并發送到Z ig Bee協調器。同時，也負責接收ZigBee 協調器的控制命令，并轉發至本簇內的各終端監測節點。系統采用遺傳聚類算法對ZigBee網絡進行劃分，以均衡各個節點能耗，延長網絡壽命。

4 監測系統安全性考慮

Z ig Bee 無線傳感器網絡的安全性直接影響到系統的可靠度，它主要包括2 個方面： 一是防止非法節點的加入，另一個是防止數據非法竊取。本系統設計中可先根據用戶密鑰與數據采集時間生成發送節點標識信息（ 水印） , 然后將其嵌入到發送數據中，接收節點只有檢測到水印信息存在才對數據進行存儲與分析，從而可有效防止非法節點的加入，并識別虛假數據，提高檢測精度。另外結合秘密共享與無損認證水印技術，通過將各分簇內終端節點的協作分成，將關聯于各終端節點數據的水印信息，嵌入到各終端節點分存數據中，接收節點根據接收到的數據提取協作水印，并計算各關聯數據之間的哈希值，通過水印信息與該哈希值的一致性來驗證數據真實性與完整性。

5 仿真實驗與性能測試

本文利用NS2 進行仿真實驗，實驗中建立了一個200m*200m 大小的實驗場景，場景內隨機分布100個節點，各監測節點每5 s輪詢一次，每50 s采樣一次數據，并向簇首節點傳送數據。實驗數據包長為40個字節，且在本地節點記錄發送時間。根據大氣污染綜合排放標準，給定足夠的精度（ 如表1所示），該系統能實時給出相應告警信息。

為測試系統穩定性與網絡壽命，對實驗過程中系統所收集到的數據進行了統計，圖5 給出了每天無線監測系統成功收集的數據量情況，從統計數據看，系統可較快進入穩定狀態，具有較低的丟包率，系統生命周期可長達134 d, 網絡生存時間內共收到有效數據包約12萬條，完全可滿足實際應用要求。

表1 終端監測節點測量精度

圖5 Z ig Bee無線監測系統采集數據量統計

為實現對監測區域長時間的有效監控，系統中所部署的傳感器網絡節點應有足夠的存活時間。實驗中測試了提出ZigBee無線監測方案的節點存活性能，測試結果如圖6所示。從圖6可以看出： 在120 d后才有節點消亡，監測系統運行180 d后，全部節點才耗盡能量。當然全系統中消亡節點達到一定數量時就不能有效完成數據監測與傳輸任務，若設定節點存活率不足80%時監測無法正常工作，該系統有效生存時間為134 d, 可滿足監測應用環境對長時間有效監測的需求。

圖6 系統節點存活率

6 結束語

針對在工業廢氣遠程監控系統中，存在須無人值守的設備或監測點，及一些不適合用有線通信的應用環境，本文結合ZigBee無線通信技術，提出一種無線傳感器網絡系統設計方案。該方案給出了詳細的傳感器節點硬件設計與軟件設計，結合數字水印與秘密共享思想，為ZigBee 傳感器網絡數據安全通信提供了一種有效解決方案。該系統結構簡單、測量精度高、功耗低、成本低、實時性好、安全性高，可廣泛用于電力、天然氣、煤炭、石油、化工、鋼鐵、紡織、醫藥衛生等行業的工業污染源監測。