1、基于無線傳感器網絡的化工區環境監測系統研究報告摘 要本文針對當前環境監測中面臨的監測點分散、布線困難和實時性差等特點，研制了一種基于無線傳感器網絡（wireless sensor networks ,wsn）的化工區空氣環境遠程實時監測系統。該系統的主要功能是：分布在化工廠區域的傳感器節點采集空氣環境參數，通過基站傳輸數據到中央控制室的數據中心進行實時處理與分析，遠程終端用戶可以通過internet 實現對空氣質量全天候的實時監測，并對污染等突發事件和環境急劇變化所影響的區域的空氣環境狀況實時報警，為空氣環境污染的防治提供決策支持。本項目對系統的傳感器節點設計、網關節點設計、節點監測軟件、上位

2、機監控軟件等方面進行了詳細的設計。在系統結構上采用傳感器節點、基站節點、數據處理監控中心的三層結構; 傳感器節點的系統設計技術是組建無線傳感器網絡的關鍵技術之一，本文首先研究了無線傳感器網絡節點的系統設計與實現方法，分別闡述了傳感器板和基站節點板的硬件設計，并詳細討論了基于atmega128和cc2420芯片數據采集電路、通信電路設計和監控軟件結構等構成，最后給出了i/o擴展接口的設計；基站與上位機的通信采用gprs無線收發模塊，有效地解決了數據傳輸距離的限制；設計了一種太陽能自供電的zigbee無線傳感器監測節點, 可以為系統無限制的提供能量；在傳輸過程中常采用基于ieee802.15.4網

3、絡標準, 有效的提高傳輸的穩定性及可靠性。上位機采用工業組態軟件kingview對化工區現場的環境信息進行顯示和管理，不僅降低了系統設計的復雜性，提高了系統工作的實時性和可靠性，又實現了界面的友好。此系統的設計成功，不但有效地克服了傳統環境監測系統的低可靠性問題, 而且增加了新的監測功能，很好地解決了化工區環境實時監測的問題，在條件惡劣和無人堅守的環境監測和事件跟蹤中顯示了很大的應用價值。關鍵詞：環境監測 無線傳感器網絡 低功耗 gprs 組態軟件目錄摘 要i第一章 緒 論51.1 項目研發及背景意義51.2 化工區環境監測系統的發展前景61.3 無線傳感器網絡監測系統的功能及特點71.4 本

4、章小結8第二章 化工區環境監測系統的設計92.1 化工區環境監測系統構架92.2 傳感器節點102.3 網關節點102.4 上位機監控中心112.5 本章小結12第三章 化工區環境監測系統的硬件設計133.1 傳感器節點設計133.1.1 傳感器節點的系統構架133.1.2 數據采集模塊設計153.1.3 數據處理模塊設計193.1.4 zigbee無線數據傳輸模塊設計223.1.5 電源模塊設計263.2 網關節點設計273.2.1 網關節點的系統構架273.2.2 cc2420模塊設計283.2.3 微處理器模塊的設計283.2.4 gprs模塊設計283.2.5 電源模塊設計353.3

5、本章小結38第四章 化工區環境監測系統的軟件設計394.1 無線傳感器網絡系統的軟件設計394.1.1 軟件開發環境介紹394.1.2 軟件設計功能分析394.1.3 網關的軟件設計394.1.4 終端設備節點的軟件設計424.1.5 路由器節點的軟件設計434.1.6 終端節點低功耗軟件設計444.2 上位機監控軟件設計454.2.1 監控軟件開發環境介紹454.2.2上位機監控軟件開發步驟454.2.3 上位機監控軟件設計474.3 本章小結52第五章 工作總結53參考文獻54致 謝55附錄1 目前化工區在線環境監測系統56附錄2 傳感器節點總體硬件設計圖57附錄3 cc2420芯片48引

6、腳及其功能介紹58附錄4 at指令集指令簡編61附錄5 采用mc35i模塊的gprs67附錄6 太陽能電池電路68第一章 緒 論1.1 項目研發及背景意義化工生產的出現是社會發展、科技進步、人類文明提高到一定程度的標志，是現代化生產的重要領域，也是當今工業發達的重要體現。隨著我國經濟的快速增長，化學工業也在飛速發展，隨之而來的是化工事故發生的頻率不斷增大，造成了大量的人員傷亡和嚴重的經濟損失，甚至造成不良的政治影響。化工產業一方面給我們的社會經濟和人民生活水平起到了巨大的提高和促進作用，另一方面也給人民群眾的生命財產安全構成了極大的威脅。在我國，安全生產，突發事件，環境處理等問題形式日益嚴峻。

7、我國是一個化工業發展大國，由于工作設備相對落后，管理水平水平欠缺，環境監測系統未完善等原因，引起的化工事故頻繁發生，造成重大的經濟損失和人員傷亡，環境問題也日益惡化。2005年11月13日，中石油吉林石化分公司雙苯廠苯胺二車間操作人員違反操作規程，發生爆炸事故，造成8人死亡。大量苯、硝基苯等物料流入松花江，造成松花江水體嚴重污染。2006年1月6日，浙江省紹興市上虞市長征化工有限公司六氯車間一反應釜發生爆炸事故，造成2人死亡。2008年8月26日，廣西宜州一家化工廠發生爆炸，據稱爆炸車間儲存著甲醇等化工原料。爆炸事故造成16人死亡（其中有2人身份無法確定，可能是失去聯系人員），另有6人失去聯系

8、，醫院收治傷員60人。2009年4月24日，沈陽化工集團一化工廠一車間在對設備檢修時，一蒸汽水罐的蓋子突然爆炸，造成4人死亡,所幸的是未造成火災或者有毒、有害氣體泄漏，未對環境造成嚴重污染或威脅，倘若有氣體泄漏，造成的危害會更加嚴重。由此可知，化工區發生事故造成的經濟損失和人員傷亡是比較嚴重的。據預測，到2020年全世界死于空氣污染的人數將達到800萬。目前我國11個最大城市中，空氣中的煙塵和細顆粒物每年使5萬人夭折，40萬人感染上慢性支氣管炎。可想而知，空氣污染已經成為人類身體健康的無形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經成為當今刻不容緩的難題。針對我國化工區環境現狀，我們必須得到全面

9、的監測數據，及時準確的監測出空氣污染物含量的含量，采取有效地處理措施，在可持續發展生產中具有重要的研究意義。保護人們的身體健康，實現化工區發生事故前的科學預防，事故后科學處理，最大限度地減少人員傷亡和經濟財產的損失，從而減少了化工區事故的發生具有重要的意義。因此研制一種能在突發空氣污染物泄漏或惡劣環境下，替代工作人員執行環境監測，同時能得到準確及時數據等的系統顯得尤為的迫切而必要。基于無線傳感器網絡的化工區環境監測系統采用多項創新設計，通過在化工區形成了一個立體的監測網，為環保部門工作的展開提供依據，這對環境的保護將起到很大作用。本項目采用無線傳感器網絡技術，它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術

10、、現代網絡及無線通信技術和分布式信息處理技術等，能夠使這些先進技術協同地實時監測和采集網絡覆蓋區域中各種環境監測對象的信息，并進行處理，處理后的信息通過無線傳輸方式發送給終端設備。傳感器能保證數據的精確采集，無線通信技術能保證數據的可靠、及時的傳送等，這種技術能夠很好地解決目前化工區的環境監測問題。1.2 化工區環境監測系統的發展前景環境監測是環境保護的基礎,其目的是為環境保護提供科學決策的依據,目前我國對化工區環境的監測主要采用兩種方法:一種是傳統人工取樣實驗室分析的方法。 但是它只能得到監測現場某段時間內被監測氣體的平均濃度,不能夠提供實時值,且監測結果受人為的影響很大,對有害氣體濃度很高

11、的現場進行監測時,現場擺放氣體吸收液會嚴重損害環境監測人員的健康。圖1.1 人工取樣便攜式氣體分析儀另一種是采用國外進口的自動化大氣環境監測進行在線監測的方法。但也存在所用設備結構復雜、價格昂貴、國產化率低、難以維護、運營成本高等缺陷，很難在全國大范圍內普及。同時其工作環境苛刻,一旦建站地點確定后就很難再次移動,這就限制了工廠的擴建、改建等發展的要求，對化工區環境進行監測具有不靈活性。特別是對目前頻發的有毒有害氣體泄漏等突發的環境污染事件的監測,自動化空氣環境監測站更是顯得力不從心,面對這樣的突發化工區環境污染事件,環境監測人員就不得不采取在突發現場進行人工采樣實驗室分析的方法進行監測,這樣不

12、但危害環境監測人員的健康和安全,而且監測結果具有嚴重的滯后性,難以滿足突發大氣環境污染事件應急的需要。圖1.2 目前環境在線監測儀目前化工區在線環境監測系統見附錄1。針對化工區監測系統存在隱患與弊端。現代化、安全可靠、高效的、價格低廉空氣環境監測系統的研制勢在必行。基于無線傳感器網絡的化工區環境監測系統研究將有效地解決化工區域環境監測難的問題，可以檢測得到及時有效的數據，又能做到監測方法安全簡便可靠，同時不用環境監測人員親自去化工區進行監測，種種的原因是我們研制此環境監測系統的目的，此監測系統的研制將在化工區環境監測中起著越來越重要作用。1.3 無線傳感器網絡監測系統的功能及特點基于無線傳感器

13、網絡的化工區環境監測系統具有信息感知系統，通過在化工區安裝多種傳感器能夠檢測出污染氣體的種類、污染氣體的含量和溫度再把收集到的信息通過無線傳輸發送到網關節點，網關節點通過gprs網絡傳到基站，最后由基站進行數據分析、處理、總結，接著把總結出來的信息發布到網上。本系統的顯著特點是：巧合地利用了無線數據傳播技術，解決了化工區空氣環境監測的布線難問題；利用太陽能電源裝置給接點充電電池充電,并用電池電壓測量單元對充電電池電壓進行監測,當低于某個閾值時,控制太陽能電池板給充電電池充電,直到電壓高于某值時,切斷太陽能電池板對充電電池的充電，解決了監測接點的電源供應問題。1.4 本章小結本章通過對國內化工區

14、環境污染事故造成的嚴重危害，展開了關于化工區環境監測的論述，闡述了此項目的研發背景和研究意義。同時，針對目前我國在化工區環境監測方面的現狀引入了基于無線傳感器網絡的化工區環境監測系統，并做了簡要介紹。最后，介紹了本系統的功能及特點。第二章 化工區環境監測系統的設計2.1 化工區環境監測系統構架本系統采用pc機作為基站監控中心上位機，基于avr系列atmega128處理器的開發平臺作為下位機，由傳感器節點采集化工區環境信息，經zigbee無線網絡將數據傳送到網關節點，再經網關節點轉發，將所采集的信息通過gprs無線網絡傳送到基站的上位機中，經過上位機軟件的在線監測，實現對化工區環境的實時監視。圖

15、2.1 化工區環境監測系統框圖基于無線傳感器網絡的化工區環境監測系統由三部分組成：無線網絡的傳感器節點、無線傳輸的網關節點和進行實時監測的基站監控中心。圖2.2 化工區環境監測系統模擬圖2.2 傳感器節點傳感器節點是無線傳感器網絡的基本組成部分。傳感器節點主要功能是定時采集化工區環境中排放有害氣體的濃度、濕度、溫度等信息，并把該信息經a/d轉換器轉換成數字信號，發送到網關節點，最終將此數據傳送到基站監控中心以便上位機的實時監控和進行數據統計。同時，此節點也接收基站監控中心經網關節點發送的命令，使相應節點進行數據采集，并將采集的信息經原路傳送到監控中心。當采集數據比數據設定值高時，即數據超標出現

16、污染事故時，不論此節點處于何種工作模式下，此節點會立即進入工作模式，向上級發送超標數據，以便基站監控中心采取有效措施進行處理，同時此節點也有相應的報警指示電路，提示有污染事件發生，提醒工作人員給予及時的處理。2.3 網關節點網關節點是化工區環境監測系統的重要模塊，有兩種工作模式，即工作模式和休眠模式，主要負責傳感器節點與基站監控中心的信息連接。網關節點中設有與傳感器節點中匹配的cc2420模塊，進行無線短距離通信，同時也有與基站監控中心進行遠程無線通信的gprs模塊。當網關節點收到傳感器節點發來的數據時，網關節點進入工作模式，處理器進行快速處理，將該數據傳送給基站監控中心，數據發送完畢后，此節

17、點立即進入休眠模式。當網關節點收到基站控制中心發來的命令時，網關節點進入工作模式，經處理器處理后，將命令發送給相應的傳感器節點，等待接收傳感器節點的信息數據，并轉發給基站監測中心，一定時間后進入休眠模式。2.4 上位機監控中心化工區環境監測的數據顯示、報警、處理、打印等功能主要是依靠以pc機作為上位機的監測控制來實現的。傳感器節點通過網關節點按照一定的工作模式向上位機傳送采集的數據，上位機對數據進行處理后，一方面在主界面顯示傳感器節點終端的環境信息，另一方面將此信息數據存入數據庫中進行存儲。在對環境信息進行分析比較時，可以將數據庫中信息讀出，并顯示在歷史記錄查詢界面或歷史日志查詢界面。主界面的

18、傳感器節點終端列表定時更新傳感器節點終端的具體信息。圖2.3 上位機數據處理流程圖、2.5 本章小結 本章首先對化工區環境監測系統結構進行了闡述，然后圍繞總體框架結構，對每一個子系統結構，即傳感器節點、網關節點和上位機控制中心進行了總體描述和簡要說明。第三章 化工區環境監測系統的硬件設計3.1 傳感器節點設計3.1.1 傳感器節點的系統構架圖3.1 傳感器節點設計框圖傳感器節點共有四大部分組成，即數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源模塊。傳感器節點的硬件電路連接圖見附錄2。數據采集單元：主要功能是采集空氣污染物濃度信息，其中包括采集氮氧化合物（no2）、二氧化硫（so2）、二氧化碳(

19、co2)、硫化氫(h2s)等幾種有害氣體污染物。在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實現連接，避免了當傳感器使用壽命終止而此節點報廢的狀況。考慮到傳感器采集到的信息為模擬量，因此需要在傳感器接口與處理器之間增加一片a/d轉換芯片，將傳感器接收到的模擬量轉化成數字信號，再傳送到數據處理單元。數據處理單元：主要功能是對傳感器采集的數據進行初步的處理，并將此數據傳送到數據傳輸單元。此單元由處理器、內存、應用程序及報警指示燈構成。處理器采用的是at公司的avr系列atmega128型芯片。atmega128單片機對數據進行初步判斷后，將數據傳送到數據傳輸單元，如果此數據超標即出現環境污染事故，報

20、警指示燈會作出反應，相應的指示燈變亮。四盞指示燈的顏色分別為：藍、綠、黃、紅四種，順次表示其所對應二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氫四種有害氣體。同時，本單元可以數據傳輸單元接收到經網關節點轉發的上位機控制命令，進行命令處理判斷，使此節點進入工作模式，進行數據采集，向上級發送采集的信息。數據傳輸單元：主要功能是傳輸數據或接收命令。考慮到無線傳感器網絡在通信方面的功耗問題，本單元采用ti公司的zigbee 無線收發模塊cc2420芯片。數據傳輸單元接收到數據處理單元的數字信息后，會立即將此數字信息經zigbee無線網絡傳送給網關節點。如果此節點收到網關節點傳送的命令時，會將此命令轉入數據處理單

21、元，并等待處理單元的相應命令。電源模塊，主要功能是給以上三個功能單元提供電能。由于我們所設計的傳感器節點為低功耗的設備，所以我們采用電池盒供電。一般四節5號干電池就可以使用一到兩年之久。這樣節約了成本，而且更換電池的周期和更換傳感器的周期一致，方便了設備的維護，減少了工作人員的工作量。傳感器節點中數據傳輸單元的設計指標如下表：表3.1 cc2420芯片的設計指標3.1.2 數據采集模塊設計（1） 傳感器選型傳感器是傳感器節點的主要工作器件，它們長時間暴露在化工區環境中，以便搜集化工區化環境的有害氣體的濃度、成分等，因此，傳感器的選擇是環境監測系統的重要環節。根據化工區環境的主要有害氣體成分，本

22、系統選擇了二氧化氮傳感器、二氧化硫傳感器、二氧化碳傳感器和硫化氫傳感器。4種氣體傳感器的具體型號參數如下表：表3.2 傳感器的具體型號參數圖3.2 二氧化氮傳感器（7no2-20）3.3 二氧化硫傳感器（so2/sf-2000-s）圖3.4 硫化氫傳感器（4h2s-1000傳感器）圖3.5 二氧化碳傳感器（bmg-co2-ndir型）濕度和溫度傳感器如下： hih-4000系列測濕傳感器： hih-4000系列測濕傳感器作為一個低成本、可軟焊的單個直插式組件(sip)能提供儀表測量質量的相對濕度(rh)傳感性能。rh傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個熱固塑料型電容傳感元件，其內部具有

23、信號處理功能。傳感器的多層結構對應用環境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環境中常見的化學品具有最佳的抗力，因此可認定它能適用礦下環境。濕度范圍：0100%rh供電電壓：45.8vdc工作溫度：-4085補償溫度：帶溫度補償響應時間：15sec產品精度：3.5%rhds18b20數字溫度傳感器特點：采用傳感器導線功耗低（采用鍍鋅導線，導線截面積大（0.23），導電率高），組網傳感器較多時，此性能尤為突出。可以在水中工作，防水防塵，防護等級達ip65。溫度精度 0.5（-10+85c范圍內）測溫范圍 -55+125溫度分辨率 9-12位(0.0625)測溫速度 750ms(12位分辨率)電

24、源要求 3v-5.5v通訊電纜 三芯電纜支持通訊電纜長度 100m運行環境 -55+80外型尺寸 6mm 長度25mm,30mm可選（2） 傳感器電路設計考慮到傳感器長期暴露在空氣中，空氣中的污染物質本身具有一定的腐蝕性，比如二氧化硫等。那么傳感器就需要定期更換。假如傳感器是直接焊在電路板上的，那么更換一個傳感器就需要再買一塊傳感器子節點環境監測模塊。這不僅浪費了資源還增加了使用成本。所以在對傳感器電路設計時，本系統考慮將傳感器與電路板的連接處設計成接口式，這樣就方便了更換傳感器，使設備維護變得簡單易行，同時也避免了資源的浪費降低了成本。在電路圖設計過程中，本文首先考慮的是對二氧化氮、二氧化硫

25、、二氧化碳和硫化氫等四種氣體的監測設計，將上述四種相應的傳感器分布與相應的傳感器接口相連接，便可實現對四種氣體的實時監測。其電路圖如下圖3.6所示：圖3.6 傳感器接口與處理器的硬件電路連接圖3.1.3 數據處理模塊設計數據處理模塊是傳感器節點核心控制器件。傳感器節點的數據搜集、處理、轉換傳輸以及接收從上位機傳輸過來的命令，都需要數據處理模塊的處理和執行。因此數據處理模塊的設計性能，關系到傳感器節點的工作效率。（1）處理器的選擇 處理器的選型要求和指標是功耗低，保證長時間不更換電源也能順利工作，供給電壓小于5 v，有較快的處理速度和能力，由于節點是需要大量安置的，所以價格也要相對便宜。選用av

26、r單片機，考慮到電路中io的個數不多，功耗低、成本低、適合與無線器件接口配合等多方面因素，綜合對比后，選用atmel公司的atmega128。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 kb sram、128kb flash和4 kbeeprom；擁有uart、spi、i2c、jtag接口，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節能模式，方便低功耗設計。 atmega128的主要性能如下：高性能、低功耗的avr 8位微處理器先進的risc結構 133條指令一大多數可以在一個時鐘周期內完成 32x8通用工作寄存器+外設控制寄存器 全靜態工作 工作于16mhz時性能高達16mips 只需兩

27、個時鐘周期的硬件乘法器非易失性的程序和數據存儲器 128k字節的系統內可編程flash，壽命:10, 000次寫/擦除周期 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區，通過片內的啟動程序實現系統內編程真正的讀一修改一寫操作 4k字節的eeprom，壽命:100, 000次寫/擦除周期 4k字節的內部sram 多達64k字節的優化的外部存儲器空問 可以對鎖定位進行編程以實現軟件加密 可以通過spi實現系統內編程 jtag接口(與ieee 1149.1標準兼容) 遵循jtag標準的邊界掃描功能 支持擴展的片內調試 通過jtag接口實現對flash, eeprom，熔all位和鎖定位的編程外設特點 兩個具有

28、獨立的預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器 兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器 具有獨立預分頻器的實時時鐘計數器 兩路8位pwm 6路分辨率可編程(2到16位)的pwm 兩個可編程的串行usart 可工作于主機/從機模式的spi串行接口 片內模擬比較器特殊的處理器特點 6種睡眠模式:空閑模式、adc噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、standby模式以及擴展的standby模式 可以通過軟件進行選擇的時鐘頻率 全局上拉禁止功能i/o和封裝 53個可編程i/o口線 64引腳tqfp與64引腳mlf j-裝工作電壓 4.5-5.5v atmega128速度等級 16mh

29、z atmega128（2）處理器外圍電路設計atmega128主要與傳輸單元中的cc2420芯片以及數據采集單元中的ad芯片連接。 atmega128通過編程控制這兩種芯片的工作，此外atmega128還與四個繼電器連接了四個指示燈，以指示空氣中那種污染氣體超標。圖3.4atmega128的最小系統電路圖（3）報警指示燈的設計圖3.7 報警指示燈設計電路 如上圖所示，我們采用四個不同顏色的指示燈表示四種不同的污染氣體。這四盞指示燈通過繼電器與 atmega128芯片連接。當數據處理單元處理數據后，判斷該數據為超標數據，即此節點處于環境污染狀態中，處理器會發出命令，使相應的報警指示燈變亮。3.

30、1.4 zigbee無線數據傳輸模塊設計 本節點的網絡設計是基于zigbee無線傳輸系統網絡的一種無線傳感器網絡。zigbee, 在中國被譯為紫蜂,與藍牙相類似，是一種新興的短距離無線技術。它類似于cdma和gsm網絡。zigbee的節點與節點之間可以互相通信，接力傳輸。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。zigbee網絡節點的設計具有微型化、擴展性和靈活性、穩定性和安全性、低成本等要求。（1）無線收發芯片的選型cc2420是一款符合zigbee技術的高集成度工業用射頻收發器，其mac層和phy層協議符合802.15.4規范，工作于2.4 ghz頻段。該器件只需極少外部元

31、件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 kbs，即可實現多點對多點的快速組網，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。cc2420芯片的引腳介紹見附錄4。cc2420可以通過4線spi總線(si、so、sclk、csn) 設置芯片的工作模式, 并實現讀/ 寫緩存數據,讀/ 寫狀態寄存器等。通過控制fifo和fifop管腳接口的狀態可設置發射/ 接收緩存器。在數據傳輸過程中csn必須始終保持低電平。另外, 通過cca管腳狀態的設置可以控制清除通道估計, 通過sfd管腳狀態的設置可以控制時鐘/ 定時信

32、息的輸入。cc2420的主要性能參數如下：工作頻帶范圍：2.4002.4835ghz；采用ieee802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式；數據速率達250kbps碼片速率達2mchip/s；采用-qpsk調制方式；超低電流消耗（rx:19.7ma,tx:17.4ma）高接收靈敏度（-99dbm）；抗鄰頻道干擾能力強(39db)；內部集成有vco、lna、pa以及電源整流器，采用低電壓供電(2.13.6v)；輸出功率編程可控；ieee802.15.4 層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit crc校驗、電源檢測、完全自動mac層安全保護(ctr,cbcmac,ccm)；與控制

33、微處理器的接口配置容易(4總線spi接口)；開發工具齊全，提供所有開發套件和演示套件；采用qlp-48封裝，外形尺寸只有（2）數據傳輸模塊的協議數據傳輸模塊采用的通信協議為zigbee協議。zigbee的基礎是ieee 802.15.4，但ieee僅處理低級mac層和物理層協議，因此zigbee聯盟擴展了ieee，對其網絡層協議和api進行了標準化。zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術。主要用于近距離無線連接。它有自己的協議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非

34、常高。cc2420為ieee 802.15.4的數據幀格式提供硬件支持。其mac層的幀格式為：頭幀+數據幀+校驗幀；phy層的幀格式為：同步幀+phy頭幀+mac幀，幀頭序列的長度可通過設置寄存器改變，采用16位crc校驗來提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入ram中的128字節緩存區進行相應的幀打包和拆包操作。phy層由射頻收發器以及底層的控制模塊組成，定義了物理無線信道和mac層之間的接口。主要功能是啟動和關閉無線收發器、能量監測、鏈路質量監測、信道選擇、清除信道評估以及通過物理介質對數據包進行發送和接收。 mac 層為高層訪問物理信道提供了點到點通信的服務接口，具體功能是信標管

35、理、信道接入、時隙管理、發送確認幀、發送連接及斷開連接請求。此外，mac層還為應用合適的安全機制提供了一些方法。 網絡層主要用于建立和維護網絡連接。它獨立處理傳入數據的請求、關聯、解除關聯和孤立通知請求。 應用層主要為zigbee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對zigbee技術進行開發應用。 由于zigbee技術已經定義了物理層、介質鏈路層和網絡層的標準規范，因此這三層的實現通常是類似的。無線傳感器網絡的不同應用都是由基本應用組成，如加入網絡、脫離網絡、發送數據等。zigbee協議技術的特點如下：數據傳輸速率低：只有 20250 kbit/ s,專注于低傳輸速率的應用。 時延短：休

36、眠激活時延和活動設備接入信道時延均為 15 ms,典型的搜索設備時延為 30 ms，這便可以使系統有更多的睡眠時間，從而大大降低能量消耗。 功耗低 :由于 zigbee的傳輸速率低，且采用了休眠式，因此大大降低了功耗。單靠兩節 5號電池便可維持 6到24個月，這是其他無線通信技術望塵莫及的。 安全性高：zigbee提供了基于 crc (循環冗余校驗 )的數據包完整性檢查功能 ，支持鑒權和認證，采用高級加密標準 (aes2128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 免執照頻段：采用直接序列擴頻在 ism (工業、科學、醫療 )頻段 ,2. 4 ghz (全球 )、915 mhz (美國)樹狀和網

37、狀868 mhz(歐洲 ),均為免執照頻段。在這里我們采用的是2.4ghz。 網絡容量大：zigbee可采用星狀、網絡結構，并采用 ieee標準的 642bit編址和 16 bit短編址。由一個主節點管理若干子節點 ,最多一個主節點可管理 254個子節點；同時，主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成 65 000個節點的大網。 可靠性高：采用了 csma 2ca技術來避免發送數據的競爭和沖突。 mac層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。 低成本：由于 zigbee數據傳輸速率低 ,協議簡單 ,因此大大降低了成本。cc2420芯片除了擁有以上 zigb

38、ee的所有優點外 ,還具有與微控制器的接口配置容易 (四線 sp i串行口 )、接收與發送采用不同存儲空間、所需外部元件較少以及采用 qlp248封裝 ,外形尺寸只有 7 mm 7 mm等性能特征。（3） 數據傳輸模塊的電路設計圖3.8 cc2420與atmega128單片機的接口電路圖 圖3.8給出cc2420與atmega128單片機的接口電路。cc2420通過簡單的四線(si、so、sclk、csn)與spi兼容串行接口配置，這時cc2420是受控的。atmega128的spi接口工作在主機模式，它是spi數據傳輸的控制方；cc2420設為從機工作方式。當atmega128的spi接口設

39、為主機工作方式時，其硬件電路不會自動控制ss引腳。因此，在sh通信時，應在spi接口初始化，它是由程序控制ss，將其拉為低電平，此后，當把數據寫入主機的spi數據寄存器后，主機接口將自動啟動時鐘發生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過mosi將數據移出atmega128，并同時從cc2420由miso移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。 cc2420接收數據時，它會從天線接收到射頻信號，首先經過低噪聲放大器(lownoisoamplifier，lna)，然后正交下邊頻到2mhz的中頻，形成中頻信號的同相分量和正交分量，兩路信號經過濾波和放大后，直接通過模數轉換器轉換

40、成數字信號，后續的自動增益控制、信道的選擇、解擴及同步等處理都是以數字信號的形式處理的。當其要發送數據時 ,先把要發送的數據放入容量為 128字節的發送緩沖區。報頭和起始幀由硬件自動生成。根據 ieee 802. 15. 4標準，將數 據流的每 4個比特擴展為32碼片 ,然后送到 d /a轉換器。最后 ,經過低通濾波和變頻混頻 ,并在能量放大器中進行放大后交由天線發送。圖3.9 cc2420外圍天線連接電路圖天線對于無線通信網絡來說，是十分重要的。天線的選擇和設置會直接影響整個無線通信網絡的運行質量。本節點射頻芯片cc2420可以使用金屬倒f型pcb引線天線和單極天線兩種設計方案。pcb引線天

41、線是印制在電路板上的導線，通過它來感應空中電波，接收信息其工作頻率為.ghz。3.1.5 電源模塊設計從成本和性能兩方面考慮，根據前面三大主要單元的性能和指標，采用電池盒供電方式，來為整個傳感器節點模塊供電。它的優點是價格便宜，兩節5號干電池就可以使用一到兩年的時間，而且在前面提到的傳感器的使用時間也是一到兩年，二者更換周期一致也就方便了使用和維護。電池盒采用密封設計，置于傳感器節點模塊底部。這樣做是為了避免化工區的污染物質腐蝕電池，同時避免傳感器長時間暴露在工作區而被雨淋灌水破壞電路的現象發生。此外我們還充分考慮到電池用久了電壓會不穩定，所以我在電路板上集成了一塊穩壓芯片，來滿足核心芯片、發

42、射模塊及傳感器的需要。3.2 網關節點設計3.2.1 網關節點的系統構架圖3.10 網關節點的設計框圖基于無線傳感器網絡的化工區環境監測系統的網關節點是由cc2420模塊、處理器模塊、gprs模塊和電源模塊四部分組成，如圖3.10所示。為了保證數據傳輸的安全性、可靠性，cc2420模塊設計同第四章的cc2420模塊的性能參數一致，負責與傳感器節點之間的無線通信；處理器模塊是由atmega128型單片機、內存和應用程序組成，此模塊負責數據傳輸，即實現了cc2420芯片數據和gprs模塊的數據傳輸；gprs模塊由網絡協議單元、mac接入單元和射頻模塊三個子單元組成，負責向基站監控中心傳送數據，同時

43、也接收基站發出的命令。電源模塊負責為網關節點提供能量，按工作模式可劃分為工作狀態和休眠狀態，本節點是利用太陽能電池板實現可供高效蓄電池充電，這樣可以有效的解決此節點的能耗大問題，延長了此節點的有效工作時間。 兩種無線收發模塊的設計指標如下表3.1、表3.2所示：表3.1 cc2420模塊設計指標表3.2 gprs模塊設計指標3.2.2 cc2420模塊設計 此節點的cc2420模塊仍然采用ti公司的cc2420芯片，詳見3.1.4節。見附錄cc2420芯片48引腳及其功能介紹。3.2.3 微處理器模塊的設計此節點的處理器仍然選擇at公司的avr系列的atmega128型單片機，詳見3.1.3節

44、。3.2.4 gprs模塊設計隨著信息技術的迅速發展，無線遠程監控技術得到了越來越廣泛的應用，采用先進的gprs技術的無線傳輸網絡系統，集計算機、通信等多種先進技術于一體，成功實現了對數據的無線遠程傳輸問題。gprs網絡傳輸的主要優點有：永遠在線、高速傳輸、覆蓋范圍內不受限制(傳輸距離、地形、天氣等)、數據傳輸可靠等。（1） gprs概述gprs（general packet radio service)是通用分組無線服務技術的簡稱，它是gsm移動電話用戶可用的一種移動數據業務。 它經常被描述成“2.5g”，也就是說這項技術位于第二代（2g）和第三代（3g）移動通訊技術之間。它通過利用gsm網

45、絡中未使用的tdma信道，提供中速的數據傳遞。gprs突破了gsm網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統進行部分改造來實現分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數據速率卻相當可觀。gprs和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包（packet）式來傳輸的。所謂的封包（packet）就是將date封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸的資料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為象internet這類的數據傳輸大多數的時間頻寬是間置的。此外

46、，在gsm phase 2 的標準里，gprs可以提供四種不同的編碼方式，這些編碼方式也分別提供不同的錯誤保護（error protection）能力。（2） gprs模塊選型gprs單元采用mc35i模塊。mc35i模塊屬于無線通訊核心模塊，是結合語音、數據傳輸、簡訊服務及傳真等功能的高科技產品。此模塊功能強大，利用此無線模塊的通訊產品便能夠很好地在客戶端進行系統整合的規劃。mc35i是siemens公司推出的新一代無線通信gprs模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務 (short message service)和傳真。模塊的工作電壓為3.34.8 v，可以工

47、作在900 mhz和1800 mhz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2w(900 m)和1w(1800 m)。該模塊包括了前期版本tc35的所有功能，同時新增加了快速的gprs技術，采用gprs分時復用的class 8標準，具有始終在線的功能且理論上傳輸速率最高可達171.2 kb/s，通信傳輸時延較小，最長不超過3s。模塊有at命令集（見附錄5）接口，支持文本和pdu模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。常用工作模式有省電模式、idle、talk等模式。通過獨特的40引腳的zif連接器，實現電源連接、指令、數據、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過zif連

48、接器及50天線連接器，可分別連接sim卡支架和天線。如圖5.2所示的zif連接框圖：圖3.11 zif連接框圖mc35i模塊主要由gsm基帶處理器、gsm射頻模塊、供電模塊(asic)、閃存、zif連接器、天線接口六部分組成。作為mc35i的核心，基帶處理器主要處理gsm終端內的語音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持fr、hr 和efr語音信道編碼。系統介紹：產品介紹： 西門子mc35i gprs模塊產品類型： 無線通訊模塊 mc35i gprs模塊技術特點體積小、重量輕；gprs多通道類別8；低功耗；支持數據、語音、短消息和傳真；s

49、im 應用工具包；at 命令集控制；r&tte 認證、gcf認證；sms:mt/mo/cb/pdu模式。 mc35i gprs模塊電氣特性支持電壓范圍：3.3 至4.4v；電流消耗：3.0 ma（睡眠）、10.0 ma（閑置）、300 ma (通話，最高2.0 a) 、100 a（掉電）； mc35i gprs模塊輸出功率 2w，for egsm 900； 1w，for gsm 1800； mc35i gprs模塊機械特性；尺寸: 54.5 x 36 x 6.75 mm；重量;17g；環境溫度: 20c to +55c （gsm 11.10標準）；數據特征: csd 最大達到14.4 kbps

50、、 ussd、 不透明模式；譯碼方式; cs 1,2,3,4； gprs: 最大 85.6 kbps。 mc35i gprs模塊接口40 腳連接； 電源接口； sim 3 v接口； 標準rs232 雙向接口；50 歐姆天線連接器。（3） gprs模塊外圍電路設計mc35i模塊的正常運行需要相應的外圍電路與其配合。mc35i共有40個引腳（見圖5.3所示），通過zif連接器分別與電源電路、啟動與關機電路、數據通信電路、sim卡電路、指示燈電路等連接。圖3.12 mc35i芯片引腳l 啟動電路啟動電路由開漏極三極管和上電復位電路組成。模塊上電10 ms后(電池電壓須大于3 v)，為使之正常工作，必

51、須在15腳(/igt)加時長至少為100ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1 ms。啟動后，15腳的信號應保持高電平。如圖3.13所示，為啟動電路產生的信號，從中可以看出10 ms的延時和100 ms的低電平。圖3.13 啟動信號下降根據上面的分析，設計啟動部分的參考電路如下：圖3.14 啟動電路圖如圖3.14所示，當power on腳電壓由低變高時，電容c1被充電左負右正。電流方向為逆時針方向，此時電阻r1的電壓上正下負(當ur10.7 v時)使q1的發射結正偏，晶體管處于導通狀態，igt腳處于低電平。當power on腳電壓由高變低時。電容c1開始放電，此時電阻r1的電壓上負下正使q

52、1的發射結反偏，晶體管截止，igt腳處于高電平。顯然igt腳在 poweron腳電壓由低變高時處于低電平，gprs模塊開機。根據引腳要求igt腳電平在處于下降沿并保持低電平100 mst1s后跳到高電平。所以這里對c1的容值，r1、r2、r3的阻值就有要求了，這時需要調整c1的電容值，r1、r2的阻值以滿足開機條件。為了方便說明，模塊開機電路電路圖可以簡化如下：如圖3.15所示，開關由a投向b，并在t=0前開關與a端相連時間足夠長達到穩態，即uc(0-)=0。由于電容電壓不能跳變，在開關投到b的瞬間，電容電壓仍為零。即c(0+)=0。且t0時rc電路與電源相接，因此可以認為是求零狀態響應的問題

53、。圖3.15 啟動電路簡介圖當開關投向b后電容電壓從零值開始充電，電壓逐漸上升，最后應趨于穩態值。穩態值是根據“電容相當于開路”而確定為us的。根據這樣的考慮，得出 (1)電容上的電壓上升，而電阻上的電壓逐漸下降，當r1上的電壓降到0.7 v時，三極管將截止，因而要算出r1的電壓降到0.7 v時的時間。ur1=i(t)r1 (2)由式1、2得：0.7= 5/(200103)e-1/200200103。解得：t=255 ms。其中：r=r總c+；r總=r1+r2=200 ；r=r總c+=200103 106=200 ms。可知100 ms255 ms1s符合系統要求。l 數據通信電路數據通信電路

54、主要完成gprs數據流傳輸、短消息收發、與pc機通信、軟件流控制等功能。mc35i的數據接口采用串行異步收發，符合 itu.t rs.232接口電路標準，工作在cmos電平(2.65 v)。數據接口配置為8位數據位、1位停止位、無校驗位，可以在300 bps-115 kbps的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8 kbps115 kbps(14.4 kbps和28.8 kbps除外)。mc35i模塊還支持rts0/cts0的硬件握手和xon/xoff的軟件流控制。數據通信電路以maxim公司的max3238芯片為核心，實現電平轉換及串口通信功能。max3238芯片供電電壓為3-5.5 v，符

55、合tia/eia-232-f和ituv.28標準。具有獨特的15 kv人體靜電保護措施，兼容5 v邏輯輸入，內含3路接收、5路發送串行通信接口，最大數據傳輸速率可達250 kbps。該芯片的最大特點是，在串行口無數據輸入的情況下，可以靈活的進行電源管理，即當forceon為低電平、/forceoff為高電平時，auto-powerdown plus功能有效。在正常運行模式下，約30秒時間內若芯片在接收和發送引腳沒有檢測到有效信號，將自動進入powerdown模式，此時耗電1ua。如果forceon和/forceoff引腳均為高電平，那么auto-powerdown plus功能失效。在auto

56、-powerdown plus功能有效的時，如果檢測到接收或發送引腳有信號輸入，該芯片自動被激活，轉入正常工作狀態。如果任一接收通道的輸入電壓高于2.7 v或小于-2.7 v，或者位于-0.3 v0.3 v的時間小于30 us，則/invalid(15腳)引腳為高電平(數據有效)。如果所有接收通道的輸入電壓位于-0.3 v0.3 v的時間大于30 us，則/invalid(15腳)引腳為低電平(數據無效)。 該芯片的以上特性，滿足了mc35i作為移動終端的3路接收、5路發送電路連接要求。在max3238與zif連接器相應引腳連接時，要注意發送、接收引腳連接正確。max3238還需要連接4個0.1uf的電容配合，才能完成電平轉換功能。mc35i模塊通過rs-232接口各引腳輸出的信號有rxd、 cts、dsr、dcd、ring，輸入的信號為txd、rts、dtr。由于mc35i的接口電路使用了9針串口的全部引腳，使mc35i可以獲得dtr、dsr、dcd和ring控制信號。信號ring用來向蜂窩設備指示接收到unsolicited result code(urc)。通過at指令，可以設