關(guān)鍵詞：Zigbee、無線網(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)測系統(tǒng)是非常必要的，我國繼續(xù)把環(huán)境保護放在突出的戰(zhàn)略位置。致力于重點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)測和污染源監(jiān)測等方面環(huán)保主要是解決我國水環(huán)境、大氣環(huán)境兩個戰(zhàn)略性和全局性的大環(huán)境生態(tài)污染問題。
具體說來，環(huán)保儀器儀表的主要需求如下：
(1)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測：目前全國環(huán)保系統(tǒng)及各部門、行業(yè)、企業(yè)已建監(jiān)測站4000多個，國家環(huán)保局計劃在全國裝備400多個國家網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測站；350多個環(huán)境信息中心；100個城市空氣地面自動監(jiān)測系統(tǒng)。
(2)污染源監(jiān)測：國家要對全國1.8萬個重點污染企業(yè)實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1.8萬個污染大戶要逐步安裝在線連續(xù)自動監(jiān)控系統(tǒng)。
3)遙感遙測儀器儀表：包括對荒漠、草原、森林、海洋、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，也需要對大氣污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源進行遙感遙測。
二、行業(yè)現(xiàn)狀
當前我國生產(chǎn)的環(huán)境監(jiān)測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)量上也遠遠不能滿足實際需求。
有關(guān)專家認為我國環(huán)境監(jiān)測儀器的發(fā)展趨勢有以下幾點：
1、向三化即自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；
2、由勞動密集型向技術(shù)密集型方向發(fā)展；
3、由較窄領(lǐng)域監(jiān)測向全方位領(lǐng)域監(jiān)測的方向發(fā)展；
4、由單純的地面環(huán)境監(jiān)測向遙感環(huán)境監(jiān)測相結(jié)合的方向發(fā)展。
處理分布在各處的環(huán)境檢測點的數(shù)據(jù)傳輸問題一直是建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的難點，如果沒有將分布在各處的環(huán)境檢測點的數(shù)據(jù)進行實時的在線的管理則會給管理部門帶來很多的問題。無法實施實時的管理及24小時監(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無線技術(shù)實現(xiàn)實時的管理及24小時監(jiān)控和監(jiān)管。隨著我國對于環(huán)境監(jiān)測越來越重視，在原有的單點環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上，各地的環(huán)境監(jiān)測站紛紛建立了一些無人值守的檢測點，以監(jiān)測更廣更實時的監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量需要我們有更好方法將各個不同地方的測量設(shè)備的信息進行上傳共享處理。這里我們技術(shù)一種給予ZIGBEE 技術(shù)的無線技術(shù)來解決這樣的應(yīng)用。
三、Zigbee技術(shù)簡介
zigbee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
國際上，IEEE802.15.4工作組及zigbee聯(lián)盟共同致力于該無線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負責制定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)有標準，以便于今后不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通； zigbee聯(lián)盟則負責高層應(yīng)用及市場推廣工作。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、無線設(shè)備公司的加入。目前，F(xiàn)reescale、TI等國際巨頭都已推出了比較成熟的zigbee開發(fā)平臺。
ZigBee標準基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(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
支持點對點、點對多點通信
中心節(jié)點為ZIGBEE協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點為ZIGBEE終端設(shè)備
所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點
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
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，適合距離較遠比較分散的結(jié)構(gòu)
MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，網(wǎng)絡(luò)的所有實體只有要通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結(jié)構(gòu)還可以組成極為復雜的網(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
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)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間；
通信可靠
zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息；
網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強
zigbee的自組織功能：無需人工干預，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，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：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。
具備自組織、自愈能力的無線通信網(wǎng)絡(luò)才是自動抄表系統(tǒng)最理想的通信方式。
成本低廉
設(shè)備的復雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費的，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，就是沒有使用費的無線通信。
網(wǎng)絡(luò)容量大
一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在200多個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，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
五、基于ZigBee技術(shù)的無線環(huán)保檢測系統(tǒng)的方案
通過前面對環(huán)保檢測系統(tǒng)的技術(shù)要求分析，結(jié)合zigbee技術(shù)特點和技術(shù)優(yōu)勢，采用zigbee技術(shù)來實現(xiàn)無線環(huán)保檢測系統(tǒng)是一個非常理想的解決方案：
系統(tǒng)組成：
一套完整的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由各種環(huán)境監(jiān)測的傳感器的設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)組成：
環(huán)境監(jiān)測傳
