基于ZigBee 的人防工事核化危害无线监测系统研究
马捷1，王百荣1，杨杰2
（1. 防化学院二系，北京 102205；
2. 防化研究院四所，北京 102205）
摘要：人防工事核化危害无线监测系统研究通过ZigBee 无线通信技术和GPRS 通信技术，将人防
工事遭受核辐射危害及化学危害的重要监测信息实时无线传输到指挥控制中心，并将多地人防工事核
化危害信息联网，极建区域重要目标核化危害无线监测信息平台。系统可对人防工事内核化危害进行
实时监测，给人防工事内部人员的健康和安全提供了有力保障。
关键词：ZigBee ；人防工事；核化危害
1 建立人防工事核化危害无线监测系统的必要性
人防工事遭受核辐射危害及化学危害后，其危害具有隐蔽性强、监测难度大和不利于扩散等特点，而监测人防工事内部的核化学危害是保证人员安全的重要措施，现有的核化危害监测系统为有线监测系统，系统硬件的搭建、改造和移动难度大，而且系统极建的成本较高, 很难实时、高效地完成区域内多个工事的核化危害监测仸务。应用先进的核化传感器及其检测仪器，极建人防工事内部的无线监测网络与报警信息平台，并将多地人防工事联网，建立区域人防工事核化危害无线监测系统，可完成对区域内核化危害的实时监测，给工事内部人员的健康和安全提供有力的保障，为战时和发生突发事件等情况下进行核化危害监测和核化应急保障发挥重要作用。
综合人防工事核化危害监测系统及无线传感器网络的特点，现阶段随着增加核化危害监测的工事数量不断增加，监测系统的扩展性要求不断增加和现行通信网络灵活性不强形成了巨大反差。由于有线网络的扩展很难满足当前信息化条件下各项监测仸务的要求，使得网络数据可靠性和实时性得不到保证，难以确保重要控制数据和工事内监测仪器的监测数据的及时传输，可以说现有的工事有线网络较难达到动态全方位的核化危害监测，必须采用先进技术对其进行网络改造和升级。结合无线传感器网络，将其应用到工事核化危害监测系统中，通过辐射测量仪和毒剂报警器实时采集人防工事的环境信息，通过自组织无线网络以多跳中继方式将信息传输到工事外的协调器，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、可靠性高、易于校证等优点。基于无线传感器网络的人防工事核化危害监测系统能够解决有线方式监测系统所存在的问题，其实现具有枀大的推广价值，拥有良好的市场前景。
2 主要技术指标
人防工事核化危害无线监测系统分别采用ZigBee 通信技术和GPRS 通信技术完成了数据和指令的传
输。工事内的短距离网络通信通过ZigBee 通信技术完成，该技术是基于IEEE 802.15.4标准和ZigBee 协议而设计的无线数据传输网络，该网络为短距离、低速率无线传感器网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点问对等通信、快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理，仸意个节点之间可相互协调实现数据通信。各工事远距离组网通过GPRS 通信技术，使用GSM 网络短消息的方式完成通信仸务。
2.1 ZigBee 通信系统设计的主要技术指标
1、通信与组网：负责大规模随机布设的ZigBee 节点间点到点、点到多点的无线通信以及自组网络，并向管理和基础服务层提供服务支持；
2、使用频段：2.4～2.483GHz ；
3、通信协议标准：IEEE 802.15.4标准和ZigBee 协议；
4、网络拓扑结极：网状拓扑结极；
5、数据传输速率：250KBps ；
6、最多容纳节点：65535；
7、节点间通信范围：75m ～100m ；
8、时延：15ms(激活或信道接入) ，30ms(设备搜索) ；
9、节点功耗：50mW ～300mW 。
2.2 GPRS 通信系统设计的主要技术指标
GPRS 的中文含义为通用分组无线服务，是一种新的GSM 数据业务，它在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP 和分组数据接入服务。使每个用户可同时占用多个无线信道，而同一无线信道又可以由多个用户共享，这样资源被有效的利用。使用GPRS 实现数据分组的发送和接收，用户永远在线并且按流量、时间计费，降低了服务成本。
1、数据传输速率：115kbit/s的传输速率(最高值为171.2kbit/s)；
2、接入时间：分组交换接入时间缩短为少于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高工作效率；
3、GPRS 采用基于GMSK 的调制技术，相比之下，EDGE 基于一种新的调制方法8PSK ，它允许无线接口支持更高的速率。
3 系统总体设计思路
系统运用智能控制技术、虚拟仪器技术以及ZigBee 无线通信技术设计了一种新型低功耗、集成化的应急救援监测系统。适应人防工事、楼宇等密闭空间出现突发事件，对工事开展救援工作时，快速建立通信网络以及及时了解工事内部环境情况。此系统能实现现场无线组网、工事内部环境实时监测、核化危害报警以及工事内部环境分析等功能。
系统提出了一种人防工事核化危害无线监测网络系统模型的设计，在ZigBee 协议研究基础之上，通过对ZigBee 节点的硬件设计及软件平台的研究，采用ZigBee 技术实现工事内、外部核化危害的无线监测，从而提高人防工事核化危害无线监测网络系统的灵活性和可靠性。整个系统具备一定的可靠性和低功耗支持，能提供成本低、高效率的数据传输平台，能为工事或提供强有力的监测手段，为今后进一步研究和实际应用打下良好的基础。
4 硬件设计
人防工事核化危害无线监测系统本着造价低、性能可靠的原则，在系统的整体设计结极中的通信部分分成主干道和各个分路通道来分别考虑，给出本系统的整体结极设计。在主干道上用电缆线载波，而在分路通道里用ZigBee 无线传感网络技术，系统硬件由地面核化危害监控中心(主控计算机) 、GPRS 通信模块、无线传感器网关节点、无线传感器网关终端节点和终端数据采集仪器等组成。工事的总体结极设计示意图如图1所示。
图1 人防工事核化危害无线监测系统总体结构设计示意图
传输网络涉及基于ZigBee 的新型FED 中继器，它采用Mesh 网络模式进行工事内部的数据接受和发送，并组成动态网络，且具有故障自愈功能；GPRS 通信模块完成了区域内工事的组网，将各工事的核化危害监测数据通过移动通信网络发送给地面监控中心的GPRS 通信接受模块，该模块再将信号传送给核化危害监控中心，并在中心软件平台上显示出来，监控中心软件可完成对核化危害信息的实时显示，并对监测数据进行分析、评估和存储。
无线传感器网关节点硬件平台控制器是基于ARM920T 核的三星S3C2410，无线收发器采用TI 公司的CC2420芯片。系统实现了ARM 利用SPI 总线与CC2410通信，用于控制和传输数据。
无线传感器终端节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源等模块组成，本方案采用了以C8051F020单片机为核心的控制模块。以CC2420为无线收发模块，C8051F020与CC2420通过SPI 方式通信，MSP430采用主模式，CC2420采用从模式。节点的传感器模块与主板分离，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。由于本节点为电池供电和人体随身携带，要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单，最好采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。为无线传感器节点结极方框图如图2所示。
图2 无线传感器节点结构方框图
数据采集终端包括6150AD 型便携式多功能辐射仪和FDB02型毒剂报警器组成，数据采集终端可对工事内的化学毒剂浓度、核辐射剂量率等多种参数进行采集，并根据采集数据进行实地综合分析，通过无线链路中的FED 中继器上传到地面监控中心，从而获取井下的动态环境特性。一旦监测到的辐射剂量率或累积剂量超出报警阈值，化学危害浓度超出阈值，系统会通过多种方式进行声光报警。
5 软件设计
系统软件包含下位机和上位机软件设计。下位机软件以新华龙公司软件编程环境IDE 为开发平台，完成硬件电路相关设计功能；上位机软件设计了数据处理程序，该软件以LabVIEW 为开发平台，采用动态数据交换(DDE)等技术，完成对数据的统计处理和指令数据分析等工作，在数据采集的同时，完成了对实验结果数据的存储、显示、报表以及打印输出等功能。
LabVIEW 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。LabVlEW 提供很多外观与传统仪器(如示波器、信号发生器等) 类似的控件，可以方便地创建用户界面(在LabVIEW 中称为前面板) ，可以通过使用图标和连线编程对前面板上的对象进行控制，这就是图形化源代码，又称“G 代码”或“程序框图代码”。
参考文献：
[1]孙利民，李建中，陈渝，朱红松. 无线传感器网络[M]．北京清华大学出版社，2005
[2]瞿雷, 刘盛德. 胡咸斌.ZigBee 技术及其应用[M],北京：北京航空航天大学出版社，2007
[3]金纯，罗祖秋，罗凤，陈前斌.ZigBee 技术基础及案例分析[M],2008
[4]王漫，凌晓东，方昀，刘赐平，裴俊，陈凌．以传感器为视点的无线传感器网络节点设计趋势综述[J]．计算机应用与软件，2007，24(10)：158-160
[5]徐大维, 郑围莘, 基于ZigBee 技术的矿井工作面移动式瓦斯监测[J].国外电子元器件2007(7)：22-25
[6]潘琢金，施国君.C8051FXXX 高速SOC 单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2004
基于ZigBee 的人防工事核化危害无线监测系统研究
马捷1，王百荣1，杨杰2
（1. 防化学院二系，北京 102205；
2. 防化研究院四所，北京 102205）
摘要：人防工事核化危害无线监测系统研究通过ZigBee 无线通信技术和GPRS 通信技术，将人防
工事遭受核辐射危害及化学危害的重要监测信息实时无线传输到指挥控制中心，并将多地人防工事核
化危害信息联网，极建区域重要目标核化危害无线监测信息平台。系统可对人防工事内核化危害进行
实时监测，给人防工事内部人员的健康和安全提供了有力保障。
关键词：ZigBee ；人防工事；核化危害
1 建立人防工事核化危害无线监测系统的必要性
人防工事遭受核辐射危害及化学危害后，其危害具有隐蔽性强、监测难度大和不利于扩散等特点，而监测人防工事内部的核化学危害是保证人员安全的重要措施，现有的核化危害监测系统为有线监测系统，系统硬件的搭建、改造和移动难度大，而且系统极建的成本较高, 很难实时、高效地完成区域内多个工事的核化危害监测仸务。应用先进的核化传感器及其检测仪器，极建人防工事内部的无线监测网络与报警信息平台，并将多地人防工事联网，建立区域人防工事核化危害无线监测系统，可完成对区域内核化危害的实时监测，给工事内部人员的健康和安全提供有力的保障，为战时和发生突发事件等情况下进行核化危害监测和核化应急保障发挥重要作用。
综合人防工事核化危害监测系统及无线传感器网络的特点，现阶段随着增加核化危害监测的工事数量不断增加，监测系统的扩展性要求不断增加和现行通信网络灵活性不强形成了巨大反差。由于有线网络的扩展很难满足当前信息化条件下各项监测仸务的要求，使得网络数据可靠性和实时性得不到保证，难以确保重要控制数据和工事内监测仪器的监测数据的及时传输，可以说现有的工事有线网络较难达到动态全方位的核化危害监测，必须采用先进技术对其进行网络改造和升级。结合无线传感器网络，将其应用到工事核化危害监测系统中，通过辐射测量仪和毒剂报警器实时采集人防工事的环境信息，通过自组织无线网络以多跳中继方式将信息传输到工事外的协调器，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、可靠性高、易于校证等优点。基于无线传感器网络的人防工事核化危害监测系统能够解决有线方式监测系统所存在的问题，其实现具有枀大的推广价值，拥有良好的市场前景。
2 主要技术指标
人防工事核化危害无线监测系统分别采用ZigBee 通信技术和GPRS 通信技术完成了数据和指令的传
输。工事内的短距离网络通信通过ZigBee 通信技术完成，该技术是基于IEEE 802.15.4标准和ZigBee 协议而设计的无线数据传输网络，该网络为短距离、低速率无线传感器网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点问对等通信、快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理，仸意个节点之间可相互协调实现数据通信。各工事远距离组网通过GPRS 通信技术，使用GSM 网络短消息的方式完成通信仸务。
2.1 ZigBee 通信系统设计的主要技术指标
1、通信与组网：负责大规模随机布设的ZigBee 节点间点到点、点到多点的无线通信以及自组网络，并向管理和基础服务层提供服务支持；
2、使用频段：2.4～2.483GHz ；
3、通信协议标准：IEEE 802.15.4标准和ZigBee 协议；
4、网络拓扑结极：网状拓扑结极；
5、数据传输速率：250KBps ；
6、最多容纳节点：65535；
7、节点间通信范围：75m ～100m ；
8、时延：15ms(激活或信道接入) ，30ms(设备搜索) ；
9、节点功耗：50mW ～300mW 。
2.2 GPRS 通信系统设计的主要技术指标
GPRS 的中文含义为通用分组无线服务，是一种新的GSM 数据业务，它在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP 和分组数据接入服务。使每个用户可同时占用多个无线信道，而同一无线信道又可以由多个用户共享，这样资源被有效的利用。使用GPRS 实现数据分组的发送和接收，用户永远在线并且按流量、时间计费，降低了服务成本。
1、数据传输速率：115kbit/s的传输速率(最高值为171.2kbit/s)；
2、接入时间：分组交换接入时间缩短为少于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高工作效率；
3、GPRS 采用基于GMSK 的调制技术，相比之下，EDGE 基于一种新的调制方法8PSK ，它允许无线接口支持更高的速率。
3 系统总体设计思路
系统运用智能控制技术、虚拟仪器技术以及ZigBee 无线通信技术设计了一种新型低功耗、集成化的应急救援监测系统。适应人防工事、楼宇等密闭空间出现突发事件，对工事开展救援工作时，快速建立通信网络以及及时了解工事内部环境情况。此系统能实现现场无线组网、工事内部环境实时监测、核化危害报警以及工事内部环境分析等功能。
系统提出了一种人防工事核化危害无线监测网络系统模型的设计，在ZigBee 协议研究基础之上，通过对ZigBee 节点的硬件设计及软件平台的研究，采用ZigBee 技术实现工事内、外部核化危害的无线监测，从而提高人防工事核化危害无线监测网络系统的灵活性和可靠性。整个系统具备一定的可靠性和低功耗支持，能提供成本低、高效率的数据传输平台，能为工事或提供强有力的监测手段，为今后进一步研究和实际应用打下良好的基础。
4 硬件设计
人防工事核化危害无线监测系统本着造价低、性能可靠的原则，在系统的整体设计结极中的通信部分分成主干道和各个分路通道来分别考虑，给出本系统的整体结极设计。在主干道上用电缆线载波，而在分路通道里用ZigBee 无线传感网络技术，系统硬件由地面核化危害监控中心(主控计算机) 、GPRS 通信模块、无线传感器网关节点、无线传感器网关终端节点和终端数据采集仪器等组成。工事的总体结极设计示意图如图1所示。
图1 人防工事核化危害无线监测系统总体结构设计示意图
传输网络涉及基于ZigBee 的新型FED 中继器，它采用Mesh 网络模式进行工事内部的数据接受和发送，并组成动态网络，且具有故障自愈功能；GPRS 通信模块完成了区域内工事的组网，将各工事的核化危害监测数据通过移动通信网络发送给地面监控中心的GPRS 通信接受模块，该模块再将信号传送给核化危害监控中心，并在中心软件平台上显示出来，监控中心软件可完成对核化危害信息的实时显示，并对监测数据进行分析、评估和存储。
无线传感器网关节点硬件平台控制器是基于ARM920T 核的三星S3C2410，无线收发器采用TI 公司的CC2420芯片。系统实现了ARM 利用SPI 总线与CC2410通信，用于控制和传输数据。
无线传感器终端节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源等模块组成，本方案采用了以C8051F020单片机为核心的控制模块。以CC2420为无线收发模块，C8051F020与CC2420通过SPI 方式通信，MSP430采用主模式，CC2420采用从模式。节点的传感器模块与主板分离，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。由于本节点为电池供电和人体随身携带，要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单，最好采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。为无线传感器节点结极方框图如图2所示。
图2 无线传感器节点结构方框图
数据采集终端包括6150AD 型便携式多功能辐射仪和FDB02型毒剂报警器组成，数据采集终端可对工事内的化学毒剂浓度、核辐射剂量率等多种参数进行采集，并根据采集数据进行实地综合分析，通过无线链路中的FED 中继器上传到地面监控中心，从而获取井下的动态环境特性。一旦监测到的辐射剂量率或累积剂量超出报警阈值，化学危害浓度超出阈值，系统会通过多种方式进行声光报警。
5 软件设计
系统软件包含下位机和上位机软件设计。下位机软件以新华龙公司软件编程环境IDE 为开发平台，完成硬件电路相关设计功能；上位机软件设计了数据处理程序，该软件以LabVIEW 为开发平台，采用动态数据交换(DDE)等技术，完成对数据的统计处理和指令数据分析等工作，在数据采集的同时，完成了对实验结果数据的存储、显示、报表以及打印输出等功能。
LabVIEW 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据流向。LabVlEW 提供很多外观与传统仪器(如示波器、信号发生器等) 类似的控件，可以方便地创建用户界面(在LabVIEW 中称为前面板) ，可以通过使用图标和连线编程对前面板上的对象进行控制，这就是图形化源代码，又称“G 代码”或“程序框图代码”。
参考文献：
[1]孙利民，李建中，陈渝，朱红松. 无线传感器网络[M]．北京清华大学出版社，2005
[2]瞿雷, 刘盛德. 胡咸斌.ZigBee 技术及其应用[M],北京：北京航空航天大学出版社，2007
[3]金纯，罗祖秋，罗凤，陈前斌.ZigBee 技术基础及案例分析[M],2008
[4]王漫，凌晓东，方昀，刘赐平，裴俊，陈凌．以传感器为视点的无线传感器网络节点设计趋势综述[J]．计算机应用与软件，2007，24(10)：158-160
[5]徐大维, 郑围莘, 基于ZigBee 技术的矿井工作面移动式瓦斯监测[J].国外电子元器件2007(7)：22-25
[6]潘琢金，施国君.C8051FXXX 高速SOC 单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2004