雾霾探测系统的无线传输

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1、空间信息实验报告空间信息实验报告雾霾探测系统的无线传输雾霾探测系统的无线传输学号学号 01124019 01124010姓名姓名 周善政周善政 雷宗茂雷宗茂 雾霾探测系统的无线传输雾霾探测系统的无线传输1 1、雾霾概述雾霾概述1.1 雾霾概念 雾霾，顾名思义是雾和霾。但是雾和霾的区别很大。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗 粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。从中国气象局 2013 年 2 月新闻发布会上获悉， 入冬以来，中东部大部地区雾霾频发，雾霾日数普遍在 5 天以上。气象专家表示，造成雾 霾天气偏多、偏重的原因主要有以下三方面： 一是 1 月影响我国的冷空气活动较常年偏弱，风速小，中东部大

2、部地区稳定类大气条 件出现频率明显偏多，尤其是华北地区高达 64.5%，为近 10 年最高，易造成污染物在近地 面层积聚，从而导致雾霾天气多发； 二是我国冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成； 三是雾霾天气会使近地层大气更加稳定，会加剧雾霾发展、加重大气污染。雾霾天气 形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，建议进一步加大大气环境治理 和保护力度，特别是要加强多部门会商联动，完善静稳天气条件下大气污染物应急减排方 案，以防范和控制重污染天气的出现。 1.2 我国现状 2014 年 2 月 20-26 日，持续 7 天的重度雾霾天气更是北京市数年来持续时间最长、空 气质量最严重的

3、一次。部分站点 PM2.5 小时浓度超过每立方米 550 微克，达到空气质量指 数 AQI 评价的浓度上限，即所谓的“爆表” 。国外对此空气的评价是， “有毒！” 气象的变化与人类生活紧密相关，直接影响着人类从事生产劳动、交通运输、航空航 天等活动。气象观测是基础理论与现代科学相结合，多学科交叉融合的独立学科，在大气 科学发展方面起着至关重要的作用，处于大气科学发展的前沿。气象观测的信息和数据是 开展天气预警预报、气候预测预估、气象服务及科学研究的基础，为促进大气科学发展提 供科学依据.2 2、初期基于物联网的初期基于物联网的 PM2.5PM2.5 检测模型结构设计检测模型结构设计初期设计构想

4、出了一种基于物联网的人体可吸入颗粒 PM2.5 浓度监测模型，由传感器 检测模块、路由器传输模块、数据汇集模块以及上位机模块组成。传感器检测模块用于获 取雾霾环境下的人体可吸入颗粒 PM2.5 浓度信息，同时将信息传递到路由器传输模块；路 由传输模块则将获取的信息反馈到数据汇集模块进行相关的操作；数据汇集模块将完成操 作的信息反馈到上位机模块，再通过上位机模块对信息进行分析、显示和报警。 上述分析的人体可吸入颗粒 PM2.5 浓度监测模型，可确保户在任何时间、地点和任何 环境条件下，得到有效的人体可吸入颗粒 PM2.5 浓度信息， 检测模型的结构图用图 1 描述。2.1 传感器检测模块 传感器

5、检测模块由人体可吸入颗粒 PM2.5 浓度传感器、末级微控制器和末级 zigbee 收 发器组成；人体可吸入颗粒 PM2.5 浓度传感器用于获取人体可吸入颗粒 PM2.5 浓度信息， 再采用 A/D 变换方法对 PM2.5 浓度信息进行分析后反馈到末级微控制器；末级微控制器对 获取的信息分析分析，采用末级 zigbee 收发器传递到路由器传输模块，如图 2 所示。2.2 路由器传输模块 路由器传输模块由初始位置路由器节点、中继位置路由器节点、初始位置路由器节点 的地 1、2 级微控制器、第 1、3 级 zigbee 收发器、中继位置路由器节点的第 2 级微控制器、 第 2、3 级 zigbee

6、 收发器组成。初始位置路由器节点采用第 1、3 级 zigbee 收发器，获取传 感器检测模块反馈的信息，将信息传输至第 1、2 级微控制器，并进行相关的操作，再采用 第 1、3 级 zigbee 收发器，将操作完的信息到中继位置路由器节点；中继位置路由器节点 通过第 2、3 级 zigbee 收发器，获取初始位置路由器节点中的信息，并将信息传递到第 2、2 级微控制器，同时对信息进行相应的操作，再采用第 2、3 级 zigbee 收发器将操作完 的信息反馈到数据汇集模块，如图 3 所示。2.3 数据汇集模块 数据汇集模块包括 1 级微控制器以及 2 级 zigbee 收发器，如图 4 所示。

7、2 级 zigbee 收 发器用于采集路由器传输模块反馈的 PM2.5 浓度信息，并且将信息传递到 1 级微控制器进 行相关的操作，过滤无价值数据信息，1 级微控制器管理 2 级 zigbee 收发器，同时将操作 完的信息反馈到上位机模型中。三、无线传感技术选择三、无线传感技术选择传统传感器网络最早在上世纪年代出现，其已经拥有连接控制器与点对点传输的雏形，此为第一代传感器网络。随着科学技术的发展，传感器网络逐步向能够获取多种信号及综 合处理能力的方向发展，此为第二代传感器网络。上世纪年代开始，传感器网络已经结合 了当时先进的现场总线技术，能够连接大量多功能传感器组成智能化传感器网络，并通过 无

8、线连接技术进行通讯，至此无线传感网络逐渐形成。 未来的网络传输技术将向着以下几方面发展：低成本实现高速率传输、适应多种环境、 尽带简化的网络通信基础设施。具有较高灵活性的无线传感技术必将在今后的通信网络中 扮演着重要的角色。 无线传感技术是依靠分布于被测区域内的若干网络节点获取信总的。其节点具有一定 的运算能力，各网络节点通过特定网络协议进行通讯。无线传感网络能够在目标区域内进 行定位、识別、跟踪、探测等。目前最先进的微型传感器已经具计算、感知与通讯能力。3.1 各种定位技术的比较表 1 Zigbee 与其他无线定位技术比较 通过以上对比不难发现，利用 ZigBee 技术实现定位系统，满足系统

9、功耗低、成本低、 体积小、延时短、复杂度低、信号传输不受视距影响等性能要求，而且其工作频段是全球免费开放的，这些特性弥补了 GPS 和手机定位的不足之处。虽然 ZigBee 通信距离较近，但 是仍远大于超声波、红外、RFID 等技术的通信距离，且不受非视距传播影响，设计时在系 统中使用了射频放大器和低噪声放大器，这就有效的增加了传输距离，使之能够满足系统 整体要求。另外，ZigBee 网络容量大，可以用一个设备检测识别多个设备，这也是其独特 的优势所在。 3.2ZigBee 定位技术的优点 目前的定位技术除了具有各自的优势外，都存在着一些不足之处:包括定位精度低、定 位范围小、受视距影响大、应

10、用范围有限、抗干扰能力差、信息安全性差、价格较高、功 耗较大、收发器体积较大等等。为克服现有技术的上述缺点，本文提出了一种新的定位方 案基于 ZigBee 的定位技术。ZigBee 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通讯市场 的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。另外，通过对探测系统 硬件和软件的设计，明显提高了系统的通信距离和定位精度，改善了系统抗干扰能力和安 全性能，收发器尺寸 llcm*5cm*lcm，仅为普通手机大小。 ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝 牙之间的技术提案。它有自己的无线电标准(IEEE 802.15

11、.4） ，在数千个微小的传感器之间 相互协调通信以实现定位，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将 数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee 技术具有以下 特点: （1）低功耗。由于 ZigBee 传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收/发时间短; 而在非工作模式时，ZigBee 节点又处于休眠模式。加之设备的搜索、体眠激活和信道接入 延时都很短，且发射功率仅为 1mW，因此 ZigBee 设备非常省电。两节五号电池支持一个节 点长达 6 个月到 2 年左右的使用时间。相比较，蓝牙能工作数周、Wi-Fi 可工作数小时; （2）低成本。与 GPS

12、 相比，ZigBee RF 收发器与 MCU 集成在一起，成本不及 GPS 硬件 的 1/10，功耗也只是 GPS 硬件的一小部分。通过大幅度简化协议(不到蓝牙的 1/10)，降低 了对通信控制器的要求，按预测分析，以 8051 的 8 位微控制器测算，全功能的主节点需要 32KB 代码，子功能节点少至 4KB 代码，而且 ZigBee 协议免专利费; （3）低速率。ZigBee 在不同的工作频段有不同的数据传输速率，但都处于较低的速 率。在 2.4GHz 频段，有 10 个速率为 250kpbs(或 62.Sksymbol/s)的信道;在 915MHz 频段， 有 16 个速率为 40kpb

13、s(或 40ksymbol/s)的信道;在 868MHz 频段，有 1 个速率为 20kpbs(或 20ksymbol/s)的信道。从能量功耗和成本、速率来看，不同的数据速率能为不同的应用提 供较好的选择; （4）近距离。一般两个 ZigBee 节点间的通信距离介于 10100m 之间，在增加无线 RF 发射功率后，亦可增加到 1 3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通 信的接力，建立起 ZigBee 设备的多跳通信链路，传输距离将可以更远; （5）高可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙， 避免了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态

14、组网的功能，信息在整个 ZigBee 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性; （6）短时延。通信时延和从休眠状态激活时延都非常短:搜索设备延时为 30ms,休眠 激活延时 15ms，节点接入网络只需 15ms，节省了电能。而蓝牙需 310s, Wi-Fi 需要 3s，因此 ZigBee 技术适用于对实时定位要求较高应用; 免许可无线通信频段。ZigBee 采用的物理、MAC 层协议是 IEEE 802.15.4,它工作在 2.4GHz 或 868/915MHz 的工业科学医疗(ISM)频段，对全球 2.4GHz 频段均免许可使用， 868MHz 在欧洲，915MHz 在

15、北美免许可使用; （7）大容量网络。一个 ZigBee 网络最多包括 255 个节点，其中一个是主控设备，其余则是从属设备。若是通过网络协调器，整个网络可支持达 65000 个节点;再加上网络协调 器相互连接，整个 ZigBee 网络节点数非常可观; （8）多组网方式。ZigBee 网络可通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种组网 方式，组网灵活，可通过节点的加入和退出使网络动态变化;安全。具备三级安全模式， ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的 AES-128;高保密性。具备 三级安全模式，其中，在第三级安全处理中采用 64 位出厂编号并支持 AES-128 加

16、密。四、四、 ZigbeeZigbee 网络组成网络组成4.1 设备类型功能 Zigbee 网络中的设备根据功能可分为 FFD 与 RFD 。 FFD 英文全称 Full FunctionalDevice，中文译为全功能设备，可以实现 Zigbee 的全部通信协议。RFD 英文全 称 Reduced Functional Device，中文译为简化功能设备，只能根据应用需要实现部分协 议内容，因此只能完成将自身数据上传至其父节点，而不能转发其他节点的数据。RFD 只 能与 FFD 通信，FFD 可以与其他 FFD 或 RFD 通信。典型的 Zigbee 网络由协调器、路由器与 终端设备组成，其中协调器与路由器必须由 FFD 承担，终端设备可以由 RFD 或 FFD 承担。 每个网络中只有一个 Zigbee 协调器。从网络建立角度来看，它是整个网络建立初期的 控制中心。协调器是整个网络的第一个设备，协调器开启后首先选择一个网络标识一与信 道，允许其他节点加入并形成网络。协调器同样负责无线网络与上位机系统的通信，所以 一般协调器拥