基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要空氣品質(zhì)對(duì)人的影響至關(guān)重要，利用傳感器檢測(cè)空氣質(zhì)量是當(dāng)今流行的一種方法，本文介紹了傳感器在空氣質(zhì)量檢測(cè)方面的原理應(yīng)用及監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用CC2430無線通信模塊、溫濕度傳感器DHT90、空氣質(zhì)量傳感器QS-01、電源模塊構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過RS－232串口和監(jiān)控中心通信，使用軟件開發(fā)平臺(tái)IAREmbeddedWorkbench開發(fā)ZigBee協(xié)議棧，基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特點(diǎn)受到越來越多企業(yè)和個(gè)人的青睞?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特別適合于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資少、網(wǎng)絡(luò)安全要求較高、不便頻繁更換電池或充電的場(chǎng)合。預(yù)計(jì)將在消費(fèi)類電子設(shè)備、家庭智能化、工控、醫(yī)用設(shè)備控制、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,利用ZigBee技術(shù)完成傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序，最終能夠?qū)崿F(xiàn)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵字：無線傳感器；cc2430；DTH90；zigbee技術(shù)；空氣質(zhì)量檢測(cè)ABSTRACTAirqualityimpactonpeopleisveryimportant,usingsensorstodetectairqualityisnowapopularmethod,thispaperintroducesthesensorinairqualitytestingprinciple,analyzestheadvantagesanddisadvantagesofgassensor,andgassensordevelopmenttrendandprospects.Thesystemuseswirelesssensornetworkstoachievedata’scollectionandtransmission.Wirelesssensornetworksarecomposedofalargenumberoflow-costmicro-sensornodeswhicharedeployedinthemonitoringregion,useswirelesscommunicationmeanstoformamulti-hop'sself-organizingnetwork,withtheaimofperception,collectionandprocessingofperceivedtargetinformationinthenetworkcoverageregion,andsendthemtoobservers.ThissystemusesCC2430wirelesscommunicationmodule,temperatureandhumiditysensorDHT90,airqualitysensorQS-01,powermoduletobuildwirelesssensornetworks,andusesRS－232serialporttocommunicatewithmonitoringcenter.UsethesoftwaredevelopmentplatformIAREmbeddedWorkbenchtodevelopZigBeeprotocolstack.BasedontheZigBeewirelessnetworkingbylowcharacteristicsandsoonpowerloss,lowcost,lowcomplexityreceivesmoreandmoremanyenterprisesandindividualfavor.TheZigBeetechnologysuitsspeciallyinthedatavolumeofgoodshandledsmall,thenetworkconstructioninvestsfew,thenetworksecurityrequestishigh,inconvenientreplacesthebatteryorthechargesituationfrequently.Theestimateintheexpenseclasselectronicinstallation,thefamilyintellectualization,thelaborwillcontrol,medicaldomainsandsoondevicecontrol,agriculturalautomationobtainsthewidespreadapplicationThesecandefinitivelyachievethepurposeofairqualitymonitoring.Keywords:wirelesssensor;CC2430;DTH90;ZigBeetechnology;airqualitytesting目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1引言 11.2課題背景和研究意義 11.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展 21.4論文的研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu) 42無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 62.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介 62.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述 62.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 72.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 102.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 102.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 123空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 163.1ZigBee技術(shù) 163.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 173.3傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 193.3.1節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu) 193.3.2處理器和無線通信模塊HFZ－CC2430EM－22 203.3.2傳感器模塊 223.4匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 273.4.1電源模塊 273.4.2RS－232串口模塊 284空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 294.1ZigBee協(xié)議 294.2IAR開發(fā)環(huán)境介紹 304.3傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 314.4匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 335系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析 355.1測(cè)試方案 355.1.1硬件測(cè)試 355.1.2溫度采集及串口顯示測(cè)試 355.1.3數(shù)據(jù)通信測(cè)試 35參考文獻(xiàn) 36附錄C部分程序 384.2.1 原語概念 444.2.2 建立新網(wǎng)絡(luò) 444.2.3 ZigBee設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)過程 451緒論1.1引言1.2課題背景和研究意義1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題，國內(nèi)也有越來越多的企業(yè)開始關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，開始推出針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee的解決方案，而無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在生活中的研究也是剛剛起步[7]。目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍非常廣泛，很多我們想象不到的地方也在使用ZigBee技術(shù)。例如，在工業(yè)領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)不僅用來控制照明燈的開關(guān)，它還有一個(gè)用途是檢查高速路上照明燈的工作情況。以前工程師要開車到高速路上檢查哪些照片燈已經(jīng)壞掉了，需要維修，但因?yàn)檐囁佥^快，不能記下所有要檢修燈的編號(hào)，但通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，工程師只需坐在計(jì)算機(jī)，就可以很清楚地監(jiān)測(cè)到整個(gè)高速路上照明燈的工作情況，這是目前的一個(gè)熱點(diǎn)應(yīng)用。再如，ZigBee技術(shù)用于進(jìn)出的控制，可以記錄汽車的進(jìn)出，也可以在人員進(jìn)出時(shí)用于傳輸相關(guān)指紋來識(shí)別數(shù)據(jù)，進(jìn)行身份認(rèn)證。此外，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，它還可以用來實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦內(nèi)各點(diǎn)的安全狀況，防止事故的發(fā)生。在加油站，一些客戶不希望布線，他們正在考慮采用ZigBee無線技術(shù)來傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。在消費(fèi)類電子方面，ZigBee技術(shù)可以替現(xiàn)在的紅外遙控，于紅外遙控相比，ZigBee的優(yōu)勢(shì)在于每一個(gè)操作都會(huì)有反饋信息，告訴他們是否實(shí)現(xiàn)了相關(guān)操作?，F(xiàn)今我們也可以看到ZigBee用于家庭保安，消費(fèi)者在家中的門和窗上都安裝了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有人闖入時(shí)，ZigBee可以控制開啟室內(nèi)攝像裝置，這些數(shù)據(jù)再通過Internet或WLAN網(wǎng)絡(luò)反饋給主人，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警[8]。當(dāng)在家電產(chǎn)品如空調(diào)，熱水器等安裝ZigBee模塊后，用戶可以通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)來控制這些產(chǎn)品的開啟。在建筑智能化領(lǐng)域，各種燈光的控制，氣體的感應(yīng)與監(jiān)測(cè)，如煤氣泄漏的感應(yīng)和報(bào)警都可以應(yīng)用ZigBee技術(shù)。ZigBee在未來的幾年里將在工業(yè)控制，工業(yè)無線定位，家庭網(wǎng)絡(luò)，汽車自動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化，消費(fèi)電子，醫(yī)用設(shè)備控制等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制，將成為今后ZigBee芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。在汽車領(lǐng)域，主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內(nèi)置在飛轉(zhuǎn)的車輪或者發(fā)動(dòng)機(jī)中，比如輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這就要求內(nèi)置無線通信設(shè)備使用的電池有較長的壽命，同時(shí)應(yīng)該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的屏蔽效應(yīng)。在精確農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的，沒有通信能力的機(jī)械設(shè)備，主要是依靠人力監(jiān)測(cè)作物的生產(chǎn)狀況，采用了傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)化，職能化和遠(yuǎn)程控制的設(shè)備來耕種。在家庭和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)作為電子技術(shù)的集成得以迅速擴(kuò)展，易于進(jìn)入，簡單明了和廉價(jià)的安裝成本等成了驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化居家，建筑開發(fā)和應(yīng)用無線技術(shù)的主要?jiǎng)右騕8]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確而且實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)病人的血壓，體溫和心跳速度等信息，從而減輕醫(yī)生的查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生做出快速的反應(yīng)，特別是對(duì)重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)和治療。在消費(fèi)和家用自動(dòng)化市場(chǎng)，可以聯(lián)網(wǎng)的家用設(shè)備有電視，錄像機(jī)，無線耳機(jī)，PC外設(shè)，運(yùn)動(dòng)與休閑器械，兒童玩具，游戲機(jī)，窗戶和窗簾，照明設(shè)備，空調(diào)系統(tǒng)和其它家用電器。1.4論文的研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容：本論文研究了如何利用傳感器檢測(cè)空氣質(zhì)量及介紹了傳感器在空氣質(zhì)量檢測(cè)方面的原理應(yīng)用,分析了當(dāng)前氣體傳感器的特點(diǎn),以及氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)和前景本包括系統(tǒng)的軟硬、件設(shè)計(jì)及其具體實(shí)現(xiàn)，主要研究內(nèi)容如下。一是，目前我國采用的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法的研究，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究意義和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述，概述包括基本概念、結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用、關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二是，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的無線通信。溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)由西安華凡科技有限公司的HFZ－CC2430EM－22模塊，溫濕度傳感器DHT90和兩節(jié)五號(hào)電池組成。氣體傳感器節(jié)點(diǎn)由西安華凡科技有限公司的HFZ－CC2430EM－22模塊，空氣質(zhì)量傳感器QS-01和5V鋰電池組成。研究了HFZ－CC2430EM－22模塊的結(jié)構(gòu)、特性和CC2430芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外在電路；研究了DHT90的工作原理并實(shí)現(xiàn)了傳感器通信，最終焊接制作出溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)由西安華凡科技有限公司的HFZ－CC2430EM－22模塊和SmartRF07DB母板組成。主要應(yīng)用母版的串口電路和電源模塊，因?yàn)閰R聚節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài)因此選擇持續(xù)的USB供電方式，通過串口連接匯聚節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)并顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，而串口電平與TTL電平幅值不同無法直接相連，因此需要串口電路轉(zhuǎn)換電平。三是，該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。論文研究了德州儀器開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧Z－Stack的軟件構(gòu)架，并在IAR集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)該協(xié)議棧，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用流程添加自己的溫濕度采集應(yīng)用程序和修改主文件中的任務(wù)處理函數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)功能。論文結(jié)構(gòu)：共分為5章，結(jié)構(gòu)安排如下：第1章：緒論。介紹了目前的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法，課題的研究背景及研究意義，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展和論文的主要研究內(nèi)容和組織框架。第2章：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述。介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架、體系結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)。第3章：空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。介紹了ZigBee技術(shù)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。第4章：空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。介紹了ZigBee協(xié)議棧，IAR集成開發(fā)環(huán)境，傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。第5章：總結(jié)與展望?？偨Y(jié)本論文所做的工作，提出現(xiàn)有方案的不足之處，并對(duì)下一步工作進(jìn)行了展望。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。發(fā)達(dá)國家如美國，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展。波士頓大學(xué)，還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。美國的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被列入其中[10]。可以預(yù)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來極大的變革。2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述[11]2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)[12][13][14][15]2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[17][18]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究。而功耗和安全問題對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，是兩個(gè)最重要的性能指標(biāo)，所以WSN的關(guān)鍵技術(shù)必然以降低網(wǎng)絡(luò)功耗和確保網(wǎng)絡(luò)安全為主線。下面介紹網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、?shù)據(jù)融合等部分關(guān)鍵技術(shù)。1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖?duì)于自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。通過拓?fù)淇刂谱詣?dòng)生成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。所以，拓?fù)淇刂剖荳SN研究的核心技術(shù)之一[19]。WSN拓?fù)淇刂颇壳爸饕芯康膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇刂品譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制兩個(gè)方面。功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，減少節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目；目前已經(jīng)提出了以鄰居節(jié)點(diǎn)度為參考依據(jù)的算法，以及利用鄰近圖思想生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DRNG和DLSS算法。層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭，由簇頭形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。2)數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)傳感器采集數(shù)據(jù)并將它發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)終端。但是在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中，總要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此存在如何對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合的問題。如果完全在本地節(jié)點(diǎn)上處理采集的數(shù)據(jù)而只發(fā)送處理后的結(jié)果，可以降低傳輸數(shù)據(jù)的功耗，但增加了本地節(jié)點(diǎn)處理器的功耗；如果傳輸原始采集的數(shù)據(jù)，可以降低節(jié)點(diǎn)處理器的功耗但增加了節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的功耗。因此，如何對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與融合對(duì)降低節(jié)點(diǎn)能耗起到相當(dāng)大的作用。通常網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)量很多，傳感器采集的數(shù)據(jù)具有一定的冗余度，因此將多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)相互結(jié)合起來進(jìn)行處理可以降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸量，有效降低系統(tǒng)功耗，問題是如何尋找本地節(jié)點(diǎn)處理與節(jié)點(diǎn)聯(lián)合處理的平衡點(diǎn)。3)定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)消息通常毫無意義。為了提供有效位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點(diǎn)失效等特點(diǎn)，定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求。現(xiàn)有的WSN定位算法根據(jù)定位機(jī)制的不同，可以分為基于測(cè)距的方法與不基于測(cè)距的方法兩類?；跍y(cè)距的定位機(jī)制利用到達(dá)時(shí)間延遲、信號(hào)到達(dá)時(shí)差和接收信號(hào)強(qiáng)度來估計(jì)距離或來波方向，然后使用三邊測(cè)量法或最大似然估計(jì)等計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。而不基于測(cè)距的定位機(jī)制無需距離或角度信息，或者不用直接測(cè)量這些信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位。距離無關(guān)的定位機(jī)制的定位性受環(huán)境因素的影響小，雖然定位誤差相應(yīng)有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，是目前大家重點(diǎn)關(guān)注的定位機(jī)制[20]。4)無線通信技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。由于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，因此很多研究機(jī)構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺(tái)。另外，超寬帶無線通信以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優(yōu)勢(shì)，已成為室內(nèi)短距離無線網(wǎng)絡(luò)的首選方案，這為WSN的數(shù)據(jù)傳輸開辟了一種嶄新的方案。5)時(shí)間同步傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)能策略,節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間是休眠的,所以要求解決通信同步問題,即通信節(jié)點(diǎn)雙方需要在通信時(shí)同時(shí)喚醒。另外,傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò),所有節(jié)點(diǎn)在通信上地位對(duì)等,沒有優(yōu)先級(jí)可言。所以要讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠工作在有效狀態(tài),往往需要做到全網(wǎng)或者一定范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的同步,而不是通信雙方的簡單同步。2.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從無線傳感器組網(wǎng)形態(tài)和方法來看，有集中式、分布式和混合式。集中式類似于移動(dòng)通信的蜂窩結(jié)構(gòu)，可以集中管理；分布式結(jié)構(gòu)類似于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可自組織網(wǎng)絡(luò)接入連接，可以分步管理；混合式結(jié)構(gòu)是集中式和分布式結(jié)構(gòu)的組合。其中無線傳感器按節(jié)點(diǎn)功能及結(jié)構(gòu)層次來看，有可分為平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[21]。1)平面網(wǎng)絡(luò)：結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都為對(duì)等結(jié)構(gòu)，具有完全一致的功能特性，也就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議。但是由于采用自組織協(xié)同算法形成網(wǎng)絡(luò)，其組網(wǎng)算法比較復(fù)雜：圖2-2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig2-2levelnetworkstructureofWirelesssensornetwork2)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）：如下圖2-3所示，分級(jí)網(wǎng)絡(luò)分為上層和下層兩個(gè)部分—上層為中心骨干節(jié)點(diǎn)；下層為一般傳感器節(jié)點(diǎn)。骨干節(jié)點(diǎn)之間或者一般傳感器節(jié)點(diǎn)間采用的是平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然而骨干節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)之間采用的是分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般傳感器節(jié)點(diǎn)沒有路由、管理及匯聚處理等功能。圖2-3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig2-3hierarchicalnetworkstructureofwirelesssensornetwork3)混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：如下圖2-4所示，混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)和分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的是一般傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，可不需要通過匯聚骨干節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但是對(duì)所需硬件成本更高[22]。圖2-4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig2-4hybridnetworkstructureofWirelesssensornetwork4)Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：如下圖2-5所示，這是新型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是種規(guī)則分步的網(wǎng)絡(luò)，不同于完全連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通常只允許和節(jié)點(diǎn)最近的鄰居通信。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)一般也是相同的，因此Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為對(duì)等網(wǎng)。由于通常Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間存在多條路由路徑，網(wǎng)絡(luò)對(duì)于單點(diǎn)或單個(gè)鏈路故障具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。其中優(yōu)點(diǎn)就是盡管所有節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的地位[23]，且具有相同的計(jì)算和通信傳輸功能，某個(gè)節(jié)點(diǎn)可被指定為簇首節(jié)點(diǎn)，而且可執(zhí)行額外的功能，一旦簇首節(jié)點(diǎn)失效，另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以立刻補(bǔ)充并接管原簇首那些額外執(zhí)行的功能。圖2-5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig2-5MeshnetworkstructureofWirelesssensornetwork從技術(shù)上看，基于Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無線傳感器具有以下特點(diǎn)：a.由無線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)：這種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是由一個(gè)傳感器或執(zhí)行器構(gòu)成且連接到一個(gè)雙向無線收發(fā)器。b.節(jié)點(diǎn)按照Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署：網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少可以和一個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信，這種方式可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的集線式或星型拓?fù)涓玫鼐W(wǎng)絡(luò)連接性。具有自我形成、自愈功能，以確保存在一條更加可靠的通信路徑。c.支持多跳路由：來自一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在其到達(dá)一個(gè)主機(jī)網(wǎng)關(guān)或控制器前，可以通過多個(gè)其余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。通過Mesh方式的網(wǎng)絡(luò)連接，只需短距離的通信鏈路，經(jīng)受較少的干擾，因而可以為網(wǎng)絡(luò)提供較高的吞吐率及較高的頻譜復(fù)用效率。d.功耗限制和移動(dòng)性取決于節(jié)點(diǎn)類型及應(yīng)用的特點(diǎn)：通?；净騾R聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較低，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)性較高?；静皇茈娫聪拗?，而感應(yīng)節(jié)點(diǎn)通常由電池供電。e.存在多種網(wǎng)絡(luò)接入方式：可以通過新型、Mesh等節(jié)點(diǎn)方式和其他網(wǎng)絡(luò)集成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：如下圖2-6所示，無線傳感器由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊這四部分組成。其中，傳感器模塊（傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器）負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊（CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)；無線通信模塊（網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器）負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。圖2-6無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig2-6Wirelesssensornodestructure除了這四個(gè)模塊外，傳感器節(jié)點(diǎn)還可以包括其他輔助單元，如移動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和自供電系統(tǒng)等。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，因此盡量采用低功耗器件，以獲得更高的電源效率。3空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1ZigBee技術(shù)[24]3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)EEE802.15.4和ZigBee協(xié)議中明確定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和星-網(wǎng)結(jié)構(gòu)(ClusterTrec)，如圖3-1所示。在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制，無其它路由節(jié)點(diǎn)，ZigBee終端設(shè)備直接與zigBee。協(xié)調(diào)器通信，終端設(shè)備間的通信則需通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。這是最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信范圍十分有限，單獨(dú)使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況很少。圖3-1Zigbee的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig3-1ThreekindsnetworktopologystructureofZigBee在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇樹型網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和初始參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)都可以通過ZigBee路由器進(jìn)行擴(kuò)展。但是，在簇樹型網(wǎng)絡(luò)中，路由器采用分級(jí)路由策略傳送數(shù)據(jù)和控制信息，并且通常是基于信標(biāo)(Beacon)的通信模式。而在網(wǎng)狀網(wǎng)中則是完全對(duì)等的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，路由器不會(huì)定期發(fā)送信標(biāo)，僅在網(wǎng)內(nèi)設(shè)備要求時(shí)對(duì)其單播信標(biāo)。對(duì)于簇樹型網(wǎng)絡(luò)，其通信路由相對(duì)單一，骨干網(wǎng)絡(luò)中一旦有路由節(jié)點(diǎn)癱瘓，則相應(yīng)區(qū)域就進(jìn)入通信癱瘓狀態(tài)，要等待該部分網(wǎng)絡(luò)重組后，才能恢復(fù)通信。但是，簇樹型網(wǎng)定期發(fā)送信標(biāo)，使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能做到很好的同步，便于節(jié)點(diǎn)定期進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。在網(wǎng)狀網(wǎng)中情況則恰好相反，完全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信使路由有多種選擇，提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，但是不定期發(fā)送信標(biāo)使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)很難達(dá)到同步，必須采取別的手段來實(shí)現(xiàn)，如廣播。因此，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與簇樹結(jié)構(gòu)的層次融合，必定是ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)發(fā)展方向。網(wǎng)狀網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是容錯(cuò)能力和可靠性高，缺點(diǎn)是不易維護(hù)和管理、費(fèi)用高、安裝復(fù)雜和不經(jīng)濟(jì)?；谝陨戏治觯试O(shè)計(jì)選擇星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。總體設(shè)計(jì)圖如圖3-2：圖3-2總體設(shè)計(jì)圖Fig3-2Overalldesign3.3傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)原則：1)成本低：為了滿足工業(yè)控制上的某些需要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般大量分布在被監(jiān)測(cè)區(qū)域，因此無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡單，降低成本。2)功耗低：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用人工方式現(xiàn)場(chǎng)采集困難的高危環(huán)境下，工作人員往往無法接近的場(chǎng)所，終端節(jié)點(diǎn)一般要求不能經(jīng)常更換供電設(shè)備，要求功耗盡可能較低。并要求節(jié)點(diǎn)通常在僅以小型電池供電的情況下，工作數(shù)月或更長。所以在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，節(jié)能是至關(guān)重要的。3)尺寸?。簾o線傳感器節(jié)點(diǎn)尺寸應(yīng)盡量小，保證對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身不會(huì)造成影響。并能被放置在任何物理環(huán)境下，能適應(yīng)不同的環(huán)境要求。4)擴(kuò)展性靈活性：無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要定義統(tǒng)一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件時(shí)，可以在現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)上直接添加，不需要開發(fā)新的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以按照功能拆分成多個(gè)組件，組件之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合，維護(hù)方便。在不同的應(yīng)用環(huán)境下，選擇不同組件自由配置系統(tǒng)，這樣就不必為每個(gè)應(yīng)用都開發(fā)一個(gè)全新的硬件系統(tǒng)[25]。3.3.1節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，一般由數(shù)據(jù)采集單元(各種傳感器)、數(shù)據(jù)處理單元(微控制器等)、數(shù)據(jù)收發(fā)單元(射頻收發(fā)器、天線等)、電池供電單元組成?？梢愿鶕?jù)具體要求在數(shù)據(jù)采集單元模塊上進(jìn)行相應(yīng)的傳感器的擴(kuò)充以完成特定數(shù)據(jù)采集。圖3-3傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖Fig3-3Hardwareblockdiagramofsensornode3.3.2處理器和無線通信模塊HFZ－CC2430EM－22CC2430單片機(jī)是TI公司（德州儀器）生產(chǎn)的一款專用于IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。其RF內(nèi)核是基于工業(yè)領(lǐng)先的射頻通信芯片CC2420。在單個(gè)芯片上集成了CPU、存儲(chǔ)器、常用片內(nèi)外設(shè)和RF射頻單元。它具有1個(gè)8位CPU（8051），主頻達(dá)32MHZ，具有最大128KB可編程FLASH和8KB的SRAM，片內(nèi)外設(shè)非常豐富，主要包括1個(gè)5通道8位至14位可編程ADC轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器（其中包括一個(gè)MAC定時(shí)器）、2個(gè)USART，1個(gè)DMA控制器、1個(gè)AES128協(xié)同處理器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、1個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器、21個(gè)可編程I/O引腳，可配置為通用I/O，也可配置為外設(shè)專用引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA。具有3種休眠模式,從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式僅需54us，特別適合要求電池長期供電的應(yīng)用場(chǎng)合[26]。其主要特點(diǎn)如下：(1)高性能和低功耗的8051微控制器核。(2)集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)。(3)優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。(4)32,64,128KB在線系統(tǒng)可編程flash。(5)多通道DMA控制器。(6)非常少的外部組件。(7)低電流功耗（運(yùn)行在32MHZ時(shí)，RX：27mA，TX：25mA）。(8)在休眠模式時(shí)僅0.9μA的電流功耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)。(9)在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。(10)低功耗到正常工作模式需要的時(shí)間極少。硬件支持CSMA/CA功能。(11)較寬的電壓范圍（2.0～3.6V）。(12)支持?jǐn)?shù)字RSSI/LQI指示。(13)具有電池監(jiān)測(cè)和溫度傳感器。(14)8通道8~14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。(15)集成AES安全協(xié)處理器。(16)帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持多組串行協(xié)議的USART。(17)1個(gè)符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC定時(shí)器，1個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器。(18)21個(gè)通用I/O引腳，其中有2個(gè)具有20mA灌電流和拉電流能力。(19)靈活功能強(qiáng)大的的開發(fā)環(huán)境。圖3-4CC2430內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig3-4TheCC2430internalstructurediagramCC2430芯片內(nèi)部集成了大量必要電路，因此只需很少的外圍電路就可以正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)功能。圖3-5是CC2430外圍電路設(shè)計(jì)圖[27]。圖3-5CC2430外圍電路設(shè)計(jì)Fig3-5CC2430peripheralcircuitdesign在圖3-5中電容C8到C6通過除去雜波干擾穩(wěn)定電壓，還可以用來濾波，其電容值分別是220nF，220nF，100nF。0.1uF的電容C5可以防止單片機(jī)錯(cuò)誤復(fù)位，部分去除雜波干擾。C14,C13，C12，C11，C10是對(duì)電源進(jìn)行濾波以提高工作穩(wěn)定性的去耦電容。一個(gè)PCB微波傳輸線和電感值分別為8.2nH，22nH，1.8nH的電感L1，L2，L3電感以及5.6pF的電容C9組成非平衡變壓器，滿足RF輸出/輸入對(duì)匹配電阻(50Ω)的要求。偏置電阻R2的阻值為56kΩ，32MHZ晶體振蕩器的精密偏置電流由阻R1值為43kΩ的偏置電阻設(shè)置。用于正常工作的32MHZ晶振電路由電容值為22pF的電容C2，C1連接起來。用于休眠工作的32.768KHZ晶振電路由電容值為15pF的電容C4，C3連接起來，從而減少能量消耗。選用外置天線，選用兩節(jié)干電池為低功耗的CC2430芯片供電[28]。3.3.2傳感器模塊1.溫濕度傳感器DHT90DHT90/91/95系列插針型溫濕度傳感器采用原裝進(jìn)口數(shù)字溫濕度傳感器芯片，引腳插針為標(biāo)準(zhǔn)2.54插針。該傳感器品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高。他適用代工生產(chǎn)用戶，免焊接、免水合處理，縮短開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率；精確測(cè)量相對(duì)濕度、溫度、露點(diǎn)；全標(biāo)定輸出，使用時(shí)無需重新校準(zhǔn)；卓越的長期穩(wěn)定性；高精度兩線制數(shù)字接口，直接與單片機(jī)相連；請(qǐng)求式測(cè)量，超低能耗；無需其他外部元件；自動(dòng)休眠。實(shí)物如圖3.6所示，由圖可知提供4針單排引腳封裝，從下至上為一到四號(hào)引腳。一號(hào)引腳SCK（時(shí)間線），二號(hào)引腳VDD（電源線），三號(hào)引腳GND（接地線），四號(hào)引腳DATA（數(shù)據(jù)線）。DHT90的工作電壓范圍為2.4－5.5V，最佳工作電壓為3.3V，一般在二號(hào)引腳（VDD）和三號(hào)引腳(GND)之間加一個(gè)去耦電容，穩(wěn)定電壓。一號(hào)引腳（SCK）用于微處理器和DHT90的通信同步，不存在最小SCK頻率，因?yàn)橛幸粋€(gè)完全靜態(tài)邏輯的接口。四號(hào)引腳（DATA）是讀取數(shù)據(jù)的三態(tài)門引腳。數(shù)據(jù)線在時(shí)鐘線上升沿有效，在時(shí)鐘線下降沿之后改變狀態(tài)。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘線處于高電平時(shí)數(shù)據(jù)線需要堅(jiān)持穩(wěn)定，微處理器使數(shù)據(jù)線處于低電平來解決信號(hào)的沖突問題，因而需要上拉一個(gè)電阻拉高電平。DHT90是數(shù)字溫濕度傳感器系列中插針型的傳感器。實(shí)物如圖3-6，傳感器輸出全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，并把信號(hào)處理和傳感元件連在一起。為確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性與可靠性采用采用專利的CMOSens技術(shù)。傳感器主要由一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，串行接口電路，一個(gè)由能隙材料制作的測(cè)試溫度的元件和一個(gè)敏感的電容性聚合體測(cè)試濕度元件組成。默認(rèn)14位分辨率輸出溫度值，12位分辨率輸出濕度值，通過狀態(tài)寄存器將為12位和8位[29]。圖3-6DHT90實(shí)物Fig3-6DHT90因此，DHT90具有體積小，全標(biāo)定，數(shù)字輸出，低功耗，卓越的長期穩(wěn)定性，4針單排引腳封裝易于安裝，超快響應(yīng)，可靠的CRC校驗(yàn)功能，抗干擾能力強(qiáng)和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。DHT90的測(cè)濕范圍為0～100%RH，測(cè)溫范圍為－40～120℃，溫度響應(yīng)時(shí)間小于30s，濕度響應(yīng)時(shí)間為8s，溫度測(cè)量精度為±0.5℃，濕度測(cè)量精度為±4.5%RH，安裝2.54mm插針。傳感器DHT90的通信實(shí)現(xiàn)主要由以下幾步組成。首先是啟動(dòng)傳感器，根據(jù)DHT90的供電電壓范圍選擇適當(dāng)?shù)碾妷合騻鞲衅魍姡想姾髠鞲衅鬟M(jìn)入休眠狀態(tài)，在此狀態(tài)的11ms內(nèi)不可以向傳感器發(fā)送任何命令。傳感器啟動(dòng)后，開始發(fā)送命令，先由微處理器向傳感器發(fā)送一個(gè)“啟動(dòng)傳輸”的時(shí)序，完成傳輸采集數(shù)據(jù)的初始化工作?！皢?dòng)傳輸”時(shí)序如圖3-7所示，SCK高電平時(shí)DATA是低電平，隨后SCK翻轉(zhuǎn)為低電平，之后SCK翻轉(zhuǎn)為高電平時(shí)DATA也變?yōu)楦唠娖絒20]。圖3-7“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序Fig3-7Starttimingtransmission初始化時(shí)序發(fā)送之后，微處理器向DHT90發(fā)送測(cè)量命令，一個(gè)字節(jié)的測(cè)量命令的高三位是地址位（目前值為000），低五位是命令位（濕度測(cè)量為00101，溫度測(cè)量為00011,寫狀態(tài)寄存器為00110，讀狀態(tài)寄存器為00111，軟復(fù)位為11110。DHT90通過第八個(gè)和第九個(gè)SCK時(shí)鐘下降沿之后DATA先后為低電平和高電平來確定接收到命令，正確接收。微處理器向DHT90發(fā)送了測(cè)量命令，并確定DHT90已經(jīng)正確接收到了命令，之后就是耐心的等待測(cè)量數(shù)據(jù)，由DHT90感知采集數(shù)據(jù)，然后DHT90通過把DATA變?yōu)榈碗娖讲⑦M(jìn)入空閑模式來表示數(shù)據(jù)測(cè)量完畢。測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)束前微處理器不可以觸發(fā)SCK時(shí)鐘。測(cè)量完成的數(shù)據(jù)在讀出之前可以先存儲(chǔ)在DHT90的存儲(chǔ)器中[21]。數(shù)據(jù)測(cè)量完畢之后重新啟動(dòng)時(shí)鐘，開始向微處理器傳輸數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)序如圖3-8所示。如圖由一個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)和兩個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)形式傳輸結(jié)果，每個(gè)字節(jié)間通過拉低DATA來判斷，數(shù)據(jù)右對(duì)齊從MSB開始傳輸，最后一位叫做確認(rèn)位用來結(jié)束通信[22]。圖3-8測(cè)量時(shí)序Fig3-8Measurementtime微處理器用復(fù)位串口時(shí)序如圖3-9，避免中斷與DHT90的通信。發(fā)送完復(fù)位時(shí)序后發(fā)送其他命令之前要發(fā)送一個(gè)“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序[23]。圖3-9復(fù)位串口時(shí)序Fig3-9ResetserialporttimingDHT90與CC2430的接口電路如圖3-10所示。圖3-10DHT90與CC2430的接口電路Fig3-10DHT90andCC2430interfacecircuit通過上圖可得，DHT90的一號(hào)引腳SCLK與CC2430的P1_0口相連，二號(hào)引腳VDD與電源相連，三號(hào)引腳GND接地，四號(hào)引腳DATA與CC2430的P1_3口相連，其中電源與地間接上0.1uF的去耦電容，提供穩(wěn)定電壓，數(shù)據(jù)線與電源間接一個(gè)10K的上拉電阻提高驅(qū)動(dòng)能力?？諝赓|(zhì)量傳感器QS-01QS-01是一種二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器，對(duì)各種空氣污染源（諸如：VOC）都有很高的靈敏度，并且響應(yīng)時(shí)間很快，傳感器采用塑料外殼，有3個(gè)引腳，可在極低的功耗情況下獲得極好的感應(yīng)特性，這款產(chǎn)品非常適合應(yīng)用于空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)、排風(fēng)電扇和空氣清新機(jī)?？諝赓|(zhì)量傳感器QS-01的外部結(jié)構(gòu)圖如圖3-11所示。其中1號(hào)管腳為電源線接5.0V電壓，2號(hào)管腳為模擬信號(hào)線，3號(hào)管腳為接地線。其中2號(hào)管腳和3號(hào)管腳之間需要接一個(gè)適當(dāng)阻值的負(fù)載電阻RL[30]。圖3-11空氣質(zhì)量傳感器QS-01外部結(jié)構(gòu)圖Fig3-11TheairqualitysensorQS-01externalstructurediagram傳感器QS-01內(nèi)部由一個(gè)傳感器電阻RS和一個(gè)加熱器電阻RH組成。傳感器電阻RS在空氣中的阻值范圍為5KΩ～20KΩ，當(dāng)有有害氣體時(shí)RS變小，傳感器電阻RS變化體現(xiàn)在負(fù)載電阻RL上的電壓變化,RS=(VC*RL)/VRL-RL。2號(hào)管腳信號(hào)線與CC2430的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化器接口P0.7口相接，CC2430芯片的24號(hào)引腳為其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器提供1.8V的工作電壓，因此要保證2號(hào)管腳的輸出電壓VRL小于1.8V。經(jīng)計(jì)算設(shè)定負(fù)載電阻RL阻值為280Ω，加熱器電阻RH為91Ω[31]。圖3-12是空氣質(zhì)量傳感器QS-01與CC2430的接口電路。圖3-12空氣質(zhì)量傳感器QS-01與CC2430的接口電路Fig3-12theairqualitysensorQS-01andtheinterfacecircuitofCC24303.4匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)由處理器模塊，無線收發(fā)模塊，電源模塊組成。其中處理器模塊和無線收發(fā)模塊與傳感器節(jié)點(diǎn)形同都采用HFZ－CC2430EM－22模塊，不同的是電源模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)一直處于開啟狀態(tài)，等待接收傳感器節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，所以匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)該一直供電，本系統(tǒng)選用USB供電模式。系統(tǒng)中匯聚節(jié)點(diǎn)將處理后的采集數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)而進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，因此在匯聚節(jié)點(diǎn)上要增設(shè)一個(gè)RS－232串口電路，這里我們采用西安華凡科技有限公司的SmartRF07DB母板來實(shí)現(xiàn)電源模塊和串口電路。3.4.1電源模塊匯聚節(jié)點(diǎn)的電源模塊電路如圖3-13所示。圖3-13電源模塊電路原理圖Fig3-13schematicdocumentofthepowermodule由圖可知該模塊可以滿足多種供電方式，如電池供電、實(shí)驗(yàn)室電源供電、PWRjack供電和USB供電。本系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)采用USB供電方式。當(dāng)該模塊與PC機(jī)通過USB總線連接時(shí)，可以直接獲取USB總線上的電源，經(jīng)板子上的LP2985－3.3線性穩(wěn)壓芯片后輸出3.3V（和1.8V）電壓。3.4.2RS－232串口模塊RS－232接口經(jīng)常直接于PC機(jī)或者其他設(shè)備進(jìn)行通信，包括MAX3232串口電平轉(zhuǎn)換器，標(biāo)準(zhǔn)DB9female接口。RS－232接口原理圖如圖3-14所示[32]。圖3-14RS－232接口原理圖Fig3-14RS-232interfacediagramMAX3232為雙通道串口電平轉(zhuǎn)換芯片，其與串口線和CC2430的連接情況如下。MAX3232的RS－232電平收發(fā)端R2IN與T20UT引腳和串口線的收發(fā)端RS232－RTS與RS232－CTS引腳相連，TTL電平收發(fā)端T2IN與R2OUT引腳和CC2430的P0.5與P0.4端口相連。MAX3232的TllN引腳接CC2430的P0.3引腳，RIOUT引腳接CC2430的P0.2引腳，接收CC2430匯聚節(jié)點(diǎn)通過ZigBee通信傳送過來的數(shù)據(jù)。4空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1ZigBee協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(包括MAC層、路由、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等)，傳統(tǒng)的無線協(xié)議很難適應(yīng)無線傳感器的低花費(fèi)、低能量、高容錯(cuò)性等的要求，這種情況下，ZigBee協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.但I(xiàn)EEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。通常，符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)做無線傳輸：需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多；要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低；要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高；設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；電池供電；地形復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)；使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測(cè)遙控系統(tǒng)；使用GPS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用。值得注意的是，在已經(jīng)發(fā)布的ZigBeeV1.0中并沒有規(guī)定具體的路由協(xié)議，具體協(xié)議由協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)如圖4-1。圖4-1zigbee協(xié)議棧Fig4-1theZigBeeprotocolstackZigBee協(xié)議的基本要求包括:一個(gè)8位處理器，完整協(xié)議軟件需要32K字節(jié)的ROM，而最小的協(xié)議軟件僅需要4K字節(jié)的ROM。ZigBee協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)、簡單、緊湊，雖然該協(xié)議模型是在標(biāo)準(zhǔn)開放式系統(tǒng)互連（OSI）模型之上建立的，但只定義涉及到ZigBee的層。ZigBee協(xié)議總共四層分別為：應(yīng)用層（APL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、介質(zhì)接入控制子層（MAC）和物理層（PHY）。應(yīng)用層由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和應(yīng)用支持子層（APS）組成，該層的功能是為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)接口、定義用戶對(duì)象和提供必要函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)層的功能是定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳送數(shù)據(jù)、路由查找、拋棄或者接受其他節(jié)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)離開或者加入網(wǎng)絡(luò)。MAC層的功能是支持PAN連接和分離、為兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體提供可靠鏈路、訪問無線信道并產(chǎn)生同步信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。物理層的功能是定義了MAC層與物理層的接口，定義了物理無線信道的信道頻率、信道接入方式和信道能量監(jiān)測(cè)。每層為上一層提供服務(wù)：管理實(shí)體提供其他全部所有服務(wù)，數(shù)據(jù)實(shí)體只提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)每一層為上一層提供服務(wù)，相應(yīng)的功能是通過SPA提供的原語實(shí)現(xiàn)的。4.2IAR開發(fā)環(huán)境介紹本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了IAREmbeddedWorkbench作為軟件開發(fā)平臺(tái)，其界面友好，調(diào)試功能強(qiáng)大得到了廣泛應(yīng)用。IAREmbeddedWorkbench為開發(fā)不同的目標(biāo)處理器的項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的集成開發(fā)工具。該集成開發(fā)環(huán)境中IAR的C/C++編輯器，匯編工具，鏈接器，庫管理器，文件編輯器，工程管理器和C-SPY調(diào)試器。通過其內(nèi)置的針對(duì)不同芯片的代碼優(yōu)化器，IAREmbeddedWorkbench可以為8051系列芯片生成非常高效和可靠的FLASH/PROMable代碼。不僅有這些過硬的技術(shù)，IARSystems還能提供專業(yè)的全球技術(shù)支持[32]。IAREW適用于開發(fā)基于8位、16位以及32位微處理器的嵌入式系統(tǒng)，其集成開發(fā)環(huán)境具有統(tǒng)一界面，為用戶提供了一個(gè)易學(xué)和具有最大代碼繼承能力的開發(fā)平臺(tái)，以及對(duì)各種特殊目標(biāo)的支持。IARSystems的C/C++編譯器可以生成高效可靠的可執(zhí)行代碼，并且應(yīng)用程序規(guī)模越大，效果越明顯；與其他的工具開發(fā)商相比，系統(tǒng)提示使用全局和針對(duì)具體芯片的優(yōu)化技術(shù)；連接器提供的全局類型檢測(cè)和范圍檢測(cè)對(duì)于生成目標(biāo)代碼的質(zhì)量是至關(guān)重要的。IAREmbeddedworkbench生成的可執(zhí)行代碼可以運(yùn)行于更小尺寸、更低成本的微處理之上，從而降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本。IAREmbeddedworkbench集成的編譯器的主要產(chǎn)品特征有：(1)高效的PROMable代碼。(2)完全標(biāo)準(zhǔn)C兼容。(3)內(nèi)建對(duì)芯片的程序速度和大小優(yōu)化器。(4)目標(biāo)特性擴(kuò)充。(5)版本控制和擴(kuò)展工具支持良好。(6)便捷的中斷處理和模擬。(7)瓶頸性能分析。(8)高效浮點(diǎn)支持。(9)內(nèi)存模式選擇。用IAREW進(jìn)行開發(fā)的典型步驟如下：第一步：配置開發(fā)環(huán)境，選擇芯片類型、程序堆棧大小、仿真器類型等；第二步：編輯并編譯源文件；第三步：連接目標(biāo)文件，包含調(diào)試選項(xiàng)；第四步：調(diào)試程序，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，返回第二步，修改文件后繼續(xù)進(jìn)行；第五步：調(diào)試通過后，去掉調(diào)試選項(xiàng)，重新連接；第六步：生成程序代碼，下載到Soc片上系統(tǒng)中。4.3傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程是先進(jìn)行初始化工作，包括初始化操作系統(tǒng)、應(yīng)用幀層協(xié)議、MAC層協(xié)議、非易失變量、FLASH存儲(chǔ)、各個(gè)硬件模塊、堆棧、系統(tǒng)時(shí)鐘等十余項(xiàng)，形成芯片MAC地址，監(jiān)測(cè)芯片電壓。初始化完成后，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，這里采用父節(jié)點(diǎn)直接方式加入網(wǎng)絡(luò)，具體在前面做過介紹，如果傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功，傳感器節(jié)點(diǎn)開始對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后向匯聚節(jié)點(diǎn)即協(xié)調(diào)器發(fā)送采集數(shù)據(jù)，發(fā)送成功之后返回到信息采集階段，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，周而復(fù)始不斷采集數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)[29]。以下是程序設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)過程，以溫度作為監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)。1.主程序設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)的主要功能：加入到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)中去，能夠讀取采集數(shù)據(jù)信息，將其發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)，能夠接收來自中心節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)和命令。終端節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4.5所示。終端節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化，包括處理器、開發(fā)板、協(xié)議棧、中斷、串口、指示燈以及其他一些外設(shè)。其次發(fā)送連接網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，試圖加入網(wǎng)絡(luò)，如果加入網(wǎng)絡(luò)失敗將繼續(xù)嘗試若干次。成功加入網(wǎng)絡(luò)之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送，如果發(fā)送失敗繼續(xù)嘗試，直到發(fā)送成功為止。2.初始化程序在CC2430上電復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化工作，包括協(xié)議棧初始化、串口初始化、定時(shí)器初始化、硬件初始化、變量初始化、AD初始化等。圖4-2終端傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig4-2FrameformatofterminalnodevoidSAPI_Init(bytetask_id);//任務(wù)初始化函數(shù)voidHalAdcInit(void);//AD初始化HAL_BOARD_INIT();//硬件初始化zmain_ram_init();//協(xié)議棧初始化InitBoard(OB_COLD);//I/O串口初始化3.無線數(shù)據(jù)的收發(fā)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送：voidzb_SendDataRequest(uint16destination,uint16commandId,uint8len,uint8*pData,uint8handle,uint8txOptions,uint8radius);//發(fā)送函數(shù)afStatus_tAF_DataRequest(afAddrType_t*dstAddr,endPointDesc_t*srcEP,uint16cID,uint16len,uint8*buf,uint8*transID,uint8options,uint8radius);//發(fā)送數(shù)據(jù)部分函數(shù)在該程序中，首先進(jìn)行初始化，關(guān)閉接收機(jī)，并定義發(fā)送數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)，在不超過最大字節(jié)數(shù)的前提下，將采集到的溫度傳至幀格式的數(shù)據(jù)載荷中存儲(chǔ)，之后進(jìn)行發(fā)送。無線數(shù)據(jù)的接收：voidzb_ReceiveDataIndication(uint16source,uint16command,uint16len,uint8*pData);//接收函數(shù)在該程序中，首先進(jìn)行初始化，打開接收機(jī)，當(dāng)上一個(gè)數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功讀取完畢，之后進(jìn)行接收。4.數(shù)據(jù)采集程序uint8myApp_ReadTemperature(void);//溫度采集在該程序中，首先對(duì)溫度傳感器ADC進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行溫度采集并取平均值。4.4匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中匯聚節(jié)點(diǎn)即協(xié)調(diào)器的工作流程情況為先是進(jìn)行初始化，具體情況與傳感器節(jié)點(diǎn)類似。然后組建網(wǎng)絡(luò)，組建網(wǎng)絡(luò)過程在上文已經(jīng)做過詳細(xì)的介紹，組網(wǎng)成功之后匯聚節(jié)點(diǎn)等待傳感器節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，當(dāng)收到傳感器節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線通信技術(shù)接收數(shù)據(jù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理后通過串口發(fā)送給PC機(jī)然后向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信息，發(fā)送完畢返回到之前的等待信息狀態(tài)，依次循環(huán)下去[33]。1.主程序設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器的主要功能：組建網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，串口發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機(jī)并進(jìn)行顯示。程序流程圖[34]如圖4-3所示。初始化包括處理器、開發(fā)板、協(xié)議棧、中斷、串口、指示燈以及其他一些外設(shè)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化，然后初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的具體形成見上一小節(jié)，如果網(wǎng)絡(luò)初始化成功，可以在液晶屏上看到網(wǎng)絡(luò)初始化的一些信息。如協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的物理地址、已建立網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和頻道號(hào)等。之后等待來自終端的采集數(shù)據(jù)信息，將其通過串口發(fā)送至PC機(jī)進(jìn)行顯示，同時(shí)，其所有信息都可以在液晶屏上進(jìn)行顯示。初始化函數(shù)和無線數(shù)據(jù)的收發(fā)與終端節(jié)點(diǎn)類似，這里就不再重述。僅在接收部分加入了與計(jì)算機(jī)串口通信程序，這一部分將在下一章進(jìn)行簡單介紹。圖4-3匯聚節(jié)點(diǎn)流程圖Fig4-3sinkframeformat2.串口通信及PC顯示程序voiddebug_str((uint8*)buf);//將采集到的溫度值發(fā)送至串口首先進(jìn)行串口初始化，將采集到的溫度信息通過串口發(fā)送字符串函數(shù)傳至計(jì)算機(jī)，并在每次傳完溫度后將采集到的溫度顯示在串口調(diào)試助手界面上。3.液晶顯示程序voidHalLcdWriteString(char*str,uint8option);//在LCD上顯示行voidHalLcdWriteScreen(char*line1,char*line2);//在LCD上顯示所有的行通過液晶顯示程序?qū)⒁恍┏跏蓟畔⒓安杉降臄?shù)據(jù)信息顯示到開發(fā)母版上的LCD上面，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)程序進(jìn)行跟蹤，為程序設(shè)計(jì)的完成有很大的幫助。5系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析5.1測(cè)試方案本測(cè)試方案利用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)虛擬一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首先在平臺(tái)上進(jìn)行硬件測(cè)試，然后利用數(shù)字溫度傳感器和ZigBee芯片搭建溫度采集系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和顯示測(cè)試，在PC機(jī)上運(yùn)行的IAR開發(fā)環(huán)境可以實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)[36]，從中可以看出，所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，完成對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集的整體要求。5.1.1硬件測(cè)試硬件測(cè)試主要側(cè)重于檢查線路板有無斷路或短路的地方，使用的芯片及元器件有無問題。然后對(duì)各個(gè)主要部分分別進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)中的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試過程中被發(fā)現(xiàn)和糾正。但通常是先排除明顯的硬件故障之后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試。硬件調(diào)試的大概步驟如下[35]：1)在系統(tǒng)加電之前，先用萬用表等工具，測(cè)試一下電源和地是否短路，然后根據(jù)硬件接線圖仔細(xì)檢查線路的正確性，元器件封裝的正確性，元件安裝是否符合要求。2)在系統(tǒng)加電后，檢查電源芯片輸出的電壓是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，然后逐個(gè)檢查各個(gè)插件上引腳的電平是否正常。經(jīng)過這兩步完成硬件的調(diào)試工作。5.1.2溫度采集及串口顯示測(cè)試選取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行溫度采集及串口顯示測(cè)試。終端節(jié)點(diǎn)上附加數(shù)字溫度傳感器DHT90,并將終端節(jié)點(diǎn)通過串口線與PC相連，編寫不用組網(wǎng)通信的簡單程序測(cè)試溫度采集與串口顯示功能。5.1.3數(shù)據(jù)通信測(cè)試采用2塊ZigBee模塊來組建個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)作為匯聚節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集終端我們采用的是美國DALLAS公司生產(chǎn)的DHT90可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器,數(shù)據(jù)采集終端直接連接到ZigBee開發(fā)母版，同時(shí)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間用串口線相連。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線的方式將數(shù)據(jù)傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS232串口傳送給PC機(jī)參考文獻(xiàn)[1]朱天樂.室內(nèi)空氣污染控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.[2]潘峰.室內(nèi)空氣污染不容忽視[J].科學(xué)時(shí)報(bào),1999(3)23.[3]周中平,趙壽堂,朱立.室內(nèi)污染檢測(cè)與控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003[4]參見《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》1.0.3節(jié)，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50325—2001.[5]檀建國.居室裝修污染對(duì)人體健康的危害與防治[J].邯鄲醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)報(bào),2005,18.[6]孫利民,李建中,陳渝,朱紅松.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2005.5.[7]劉堅(jiān).無線環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)［D］.上海交通大學(xué),2009年.[8]鐘輝，錢志鴻，劉影，劉丹，王雪．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011年3月.[9]陳玉蘭.基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［D］.東南大學(xué),2006年.[10]楊寧,田輝,張平,李立宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯浚跩］.無線電工程,2006年,3（2）：11～13.[11]雷震洲,面向低速率應(yīng)用的全球標(biāo)準(zhǔn)zigbee.現(xiàn)代電信科技.2004年12月.[12]龍承志.馬玉秋.沈樹群.基于低速率的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)—ZigBee.數(shù)據(jù)通信.[13]王權(quán)平，王莉.Zigbee技術(shù)及其應(yīng)用.現(xiàn)代電信科技.2004年9月.50-65.[14]原弈，蘇紅根.基于zigbee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究.計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件.2004年7月.06-34.[15]彭天平，廖曉紅.基于zigbee的WPAN的構(gòu)建方案.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn).2003年5月.08-210.[16]崔文華.ZigBee協(xié)議棧的研究與實(shí)現(xiàn)[D].華東師范大學(xué),2007.[17]耿瑞芬.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用[D].山東大學(xué).2007.[18]LinKe,Huangtinglei,Lilifang.DesignofTemperatureandHumidityMonitoringSystemBasedonZigbeeTechnology[J].IEEE,2009.[19]Lee,Jin-Shyan.DesignandimplementationofZigBee/IEEE802.15.4nodesforwirelesssensornetworks[C].MeasurementandControl,August,2006,39(7):204-208.[20]BoChen,MingguangWu,ShuaiYao,NiBinbin.ZigBeeTechnologyandItsAppliationonWirelessMeter-readingSystem[C].IndustrialInformatics.2006IEEEInternationalConferenceonAug,2006Page(s):1257-1260.[21]閆沫.ZigBee的協(xié)議棧的分析與設(shè)計(jì)[D].廈門大學(xué),2007.[22]張瑛瑛,朱雙東.基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）,2009年9月,第22卷第3期.[23]金德新,郭宇.應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)[J].鞍山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2009-08,11(4):54-57.[24]陸克中,黃劉生,萬穎渝,徐宏力.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的布置［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2006年11月,27（11）：2003～2006.[25]李莉,李海霞，劉卉.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009年9月,第40卷增刊.[26]武風(fēng)波,強(qiáng)云霄.基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008年10月,第38卷第5期.[27]黃海.ZigBee技術(shù)在無線定位領(lǐng)域的應(yīng)用[J].全國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2009.[28]成銳，李靜，雷鳴，雷志勇.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案[J].電子元器件應(yīng)用，2007，(12).[29]屈明佑，雷航，郭文生.基于ZigBee的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2008，(04).[30]梁振亞，鄧壯，陳明.基于ZigBee的信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].黑龍江科技信息，2007，(23)[31]穆乃剛.ZigBee技術(shù)簡介[J].電信技術(shù)，2006.[32]宋迪,程志華,牛斗,姚翔.基于SHT11的WSN在礦井測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.傳感器世界,2008年6月：45～49.[33]張愷，劉志勤．基于WSN的汽車尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2010年,32（7）：1469～1472.[34]孫德輝,龔關(guān)飛,楊揚(yáng).基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2010年,第13期總第324期：66～72.[35]耿軍濤,周小佳,張冰潔.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2007年7月,26（4）：44～46.[36]于金濤,韓軻,姜海濤,李俊玲,丁明理,李云.基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010年4月,26（2）：192～195.附錄C部分程序/*******************************************************************函數(shù)功能：發(fā)送函數(shù)*入口參數(shù)：幀格式參數(shù)*返回值：無******************************************************************/voidzb_SendDataRequest(uint16destination,uint16commandId,uint8len,uint8*pData,uint8handle,uint8txOptions,uint8radius){afStatus_tstatus;afAddrType_tdstAddr;txOptions|=AF_DISCV_ROUTE;//Setthedestinationaddressif(destination==ZB_BINDING_ADDR){//BindingdstAddr.addrMode=afAddrNotPresent;}else{//UseshortaddressdstAddr.addr.shortAddr=destination;dstAddr.addrMode=afAddr16Bit;if(ADDR_NOT_BCAST!=NLME_IsAddressBroadcast(destination)){txOptions&=~AF_ACK_REQUEST;}}//SettheendpointdstAddr.endPoint=sapi_epDesc.simpleDesc->EndPoint;//Sendthemessagestatus=AF_DataRequest(&dstAddr,&sapi_epDesc,commandId,len,pData,&handle,txOptions,radius);if(status!=afStatus_SUCCESS){SAPI_SendCback(SAPICB_DATA_CNF,status,handle);}}/*******************************************************************函數(shù)功能：接收函數(shù)*入口參數(shù)：幀格式參數(shù)*返回值：無******************************************************************/CONSTuint8strDevice[]="Device:0x";CONSTuint8strTemp[]="Temp:";CONSTuint8strBattery[]="Battery:";voidzb_ReceiveDataIndication(uint16source,uint16command,uint16len,uint8*pData){uint8buf[32];uint8*pBuf;uint8tmpLen;uint8sensorReading;if(command==SENSOR_REPORT_CMD_ID){sensorReading=pData[1];//ReceivedreportfromasensortmpLen=(uint8)osal_strlen((char*)strDevice);//Iftoolavailable,writetoserialportpBuf=osal_memcpy(buf,strDevice,tmpLen);_ltoa(source,pBuf,16);pBuf+=4;*pBuf++='';if(pData[0]==BATTERY_REPORT){tmpLen=(uint8)osal_strlen((char*)strBattery);pBuf=osal_memcpy(pBuf,strBattery,tmpLen);*pBuf++=(sensorReading/10)+'0';//conventmsbtoascii*pBuf++='.';//decimalpoint(batteryreadingisinunitsof0.1V*pBuf++=(sensorReading%10)+'0';//convertlsbtoascii*pBuf++='';*pBuf++='V';}else{tmpLen=(uint8)osal_strlen((char*)strTemp);pBuf=osal_memcpy(pBuf,strTemp,tmpLen);*pBuf++=(sensorReading/10)+'0';//conventmsbtoascii*pBuf++=(sensorReading%10)+'0';//convertlsbtoascii*pBuf++='';*pBuf++='C';}*pBuf++='\r';*pBuf++='\n';*pBuf='\0';#ifdefined(MT_TASK)debug_str((uint8*)buf);#endif//canalsowritedirectlytouart}}/*******************************************************************函數(shù)功能：溫度測(cè)量*入口參數(shù)：無*返回值：溫度返回給載荷******************************************************************/uint8myApp_ReadTemperature(void){#ifdefinedHAL_MCU_CC2430uint16value;/*ClearADCinterruptflag*/ADCIF=0;ADCCON3=(HAL_ADC_REF_125V|HAL_ADC_DEC_512|HAL_ADC_CHN_TEMP);/*Waitfortheconversiontofinish*/while(!ADCIF);/*Gettheresult*/value=ADCL;value|=((uint16)ADCH)<<8;/**valuerangesfrom0to0x8000indicating0Vand1.25V*VOLTAGE_AT_TEMP_ZERO=0.743V=19477*TEMP_COEFFICIENT=0.0024V/C=62.9/C*Thesepar