（通信与信息系统专业论文）便携式自动连续环境监测系统中的嵌入式网关设计与实现.pdf

中文摘要 在经济日趋发展的今天，环境也越来越引起人们的重视。一方面，烟尘烟气、 废水污染日益加重；另一方面，在某些特殊领域，如：电子制造工业、制药工程 等，对环境参数有较高的要求。无论是环境保护，还是环境控制，都离不开对环 境参数进行准确、实时的监测。因此，环境监测已经成为日趋严峻的课题和任务。 目前，国内的环境监测仪器的整体技术含量还不是很高，与国外一些先进的 环境监测仪器相比，在自动化、连续性、可靠性和实时性等方面，还存在明显的 不足，因此不能很好的满足当前对环境监测质量的要求。 本论文首先阐述了环境监测对社会的重要作用，以及环境监测仪器对提高环 境监测质量的重要影响。在此基础上，详细介绍了我国环境监测仪器的发展概况， 以及本课题研究的背景、目标和意义。最终确定开发一套通用体系结构的便携式 自动连续环境监测系统作为本课题的研究目标。 其次，从本课题的总体任务入手，自主设计了便携式自动连续环境监测系统 硬件方案。系统结合了最新的无线传感器网络技术以及成熟的嵌入式技术。然后， 论文又从硬件和软件两方面，针对芯片、各个功能模块( 微型打印机、液晶屏和 触摸屏等) 的选型，以及软件的架构( l i n u x 操作系统、s q l i t e 数据库和m i n i g u i 等) ，详细介绍了便携式自动连续环境监测系统的开发。 再次，从系统功能入手，设计和实现了便携式自动连续环境监测系统中的嵌 入式网关。同时，在a d s l 2 集成开发环境下，开发了基于$ 3 c 2 4 1 0 x 的嵌入式 网关的硬件测试程序。并且对整个系统进行了联合调试，完全实现了本课题中嵌 入式网关的功能要求。 最后，介绍了嵌入式l i n u x 软件开发平台的构建。 关键词：环境监测无线传感器网络嵌入式便携式$ 3 c 2 4 1 0l i n u x a d s l 2 a b s t r a c t n o w a d a v s m o r ea n dm o r ee m p h a s i si sp u to nt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yw i t ht h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n t o nt h eo n eh a n d ，t h ep o l u t i o no fd u s ta n ds m o k e a n dw a s t e w a r e ri sg e t t i n gw o r s e h o w e v e r , o nt h eo t h e rh a n d ，h i g h - q u a l i t ye n v i r o n m e n tl so f g r e a ti m p o r t a n c ei ns o m ep a r t i c u l a rf i e l d s ，s u c ha se l e c t r o n i cm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , p h a r m a c e u t i c a le n g i n e e r i n g e i t h e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n o rc o n t r o ln e e d st o m o i l i t o rt h ee n v i r o n m e n ta c c u r a t e l ya n dr e a lt i m e t h e r e f o r e ， e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gh a sb e c o m ea ni n c r e a s i n g l yc h a l l e n g i n gs u b j e c ta n dt a s kc u r r e n t l y a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i ce n v i r o n m e n t a lm o n i t o t i n ge q u i p m e n t1 8n o to fh i g h t e c h n i c a ll e v e l c o m p a r e dt os o m ef o r e i g na d v a n c e de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g e q u i p m e n t ，i th a sa p p a r e n td e f e c t si nt h ea s p e c to fa u t o m a t i o n ，c o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t y a n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h ed o m e s t i c sc a n n o tm e e tt h eq u a l i t y r e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g f i r s t l y , t h i sp a p e re x p o u n d s t h e w e l l i m p o r t a n ti m p a c t o ft h ee n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gu p o ns o c i e t y , a n dt h ei m p a c to f e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ge q u i p m e n tu p o n t h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gq u a l i t y b a s e d o nt h ea b o v es t a t e m e n t s ，t h e d e v e l o d m e n td e t a i l sa b o u tt h ed o m e s t i ce n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，a sw e l l a st i l eb a c k g r o u n d ，t a r g e ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss t u d y , a r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n g l y , i d e c i d et o d e v e l o p ac o l n m o na r c h i t e c t u r ef o rp o r t a b l ea u t o m a t i c c o n t i n u o u s e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t i v e s e c o n d l y , i h a v ei n d e p e n d e n t l yd e s i g n e d t h es c h e m eo ft h ep o r t a b l e e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lr e q u i r e m e n t s t h es y s t e m c o m b i n e sb o t ht h el a t e s t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dt h em a t u r ee m b e d d e d t e c h n o l o g y s u b s e q u e n t l y , t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n t o ft h ea u t o m a t i c c o n t i n u o u se n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mf r o mb o t ha s p e c t so fs o f t w a r e a n d h a r d w a r e i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i t sa n df u n c t i o n a lm o d e l s ( e g ， m i c r op t i n t e r , l c da n dt o u c hs c r e e n ) a n dt h es t r u c t u r eo ft h es o f t w a r e ( e g ，l i n u xo s ， s q l i t ed a t a b a s ea n dm i n i o u i ) t h i r d l y , t h e e m b e d d e d g a t e w a y i nt h e p o r t a b l e a u t o m a t i cc o n t i n u o u s e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e d a l s o ，ih a v ea l r e a d yw r i t t e nt h e h a r d w a r et e s t i n gp r o g r a mo f $ 3 c 2 4 10 xu n d e ra d s1 2i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ( i d e ) t h e n ，j o i n td e b u g g i n go ft h ew h o l es y s t e mp r o c e e d s ，w i t ht h e r e q u i r e m e n t sw e l lf u l f i l l e d f i n a l l y , t h i sp a p e re x p l a i n st h ec o n s t r u c t i o no ft h el i n u xs o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mo i le m b e d d e ds y s t e m 。 k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，e m b e d d e d ， p o r t a b l e ，$ 3 c 2 4 1 0 ，l i n u x ，a d s l 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：逞西年 签字日期： 3 _ o 。g 年口月口牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：吕西年 签字日期：如口留年o 月。牛日 导师虢别乐彳 j i 签字日期：加d 孑年。莎月叶日 第一章绪论 1 1 环境监测的内涵 第一章绪论 “环境监测”是用化学、物理、生物或综合性方法，间断或连续地监视和检 测环境质量、污染物变化趋势和规律及其对环境影响的全部工作过程。这是一个 复杂的科学技术活动和系统工作。一切环境问题的研究和解决都要依赖于这个过 程。随着人们对环境质量要求的提高及环境科学的不断发展，“环境监测”将会 快速发展 1 】o 1 1 1 世界环境监测的发展历史 “环境监测”是一个新兴的科学技术活动，是一个独立的学科。从世界总体 来看，大约有5 0 多年的历史，各国发展不平衡，其发展过程大致经过3 个阶段。 ( 一) 被动监测或称污染监测 2 0 世纪5 0 年代，发达的工业国家污染事件不断发生，由于当时对环境污染 的认识不足，又受到技术条件的局限，基本上是哪里发现污染危害就到那里去调 查、布点监测；主要是针对化学毒物，基本上是手工监测方法。 ( 二) 主动监测或环境质量监测阶段 2 0 世纪7 0 年代，发达的工业国家饱尝了污染的危害，政府和企业面对民众 对环境排污，造成环境质量恶化现象的愤怒和抗议，采取了一系列限制排污的法 规和措施，与此相适应，有目的的、间断性的、定时定点的开展环境质量监测。 监测手段包括化学的、物理的检测仪器和监测方法。监测的范围也由点扩大到监 测网、城市区域、流域、水域等的质量监测。但是，由于采样手段的限制，仍不 能及时监测因排污量或污染物浓度的增减或环境因素的急剧变化而引起的环境 质量的急剧变化。也就是说，环境质量的变化和污染物的排放情况不能建立对应 关系。因此，环境监测仍是以说明环境质量为主。不能做到及时地监视环境质量 的变化，更做不到及时地用监测结果发布指令，采取防治措施。 ( 三) 自动监测或预警监测阶段 2 0 世纪8 0 年代以后，随着计算机的普及和i t 产业的发展，环境监测技术 水平迅速提高，发达国家先后建立了自动连续监测系统，并实现了远程传输。预 警、预测系统也逐渐实施，可以预知可能发生的污染事件并及时采取防治措施。 第一章绪论 1 1 2 环境监测的重要作用 在经济日趋发展的今天，随着全球环境的变化，世界各国己清醒的认识到保 护环境必须成为全人类的一致行动。保护环境主要是改变经济发展的模式，人类 必须将两者协调起来，走可持续发展的道路。环境监测是环境保护必不可少的基 础性工作，是掌握环境质量状况和发展趋势的重要手段，在实践中常被形象地称 为“环境保护的眼睛”。 另外，环境监测在城市建设、企业发展、产品质量和科学研究等各个领域也 都发挥着重要作用【2 】。举例如下： 企业或城市选择水源时，如果由于环境监测忽视质量控制，报出了错误的数 据。一是可能出现本来可以利用的水源不能利用，舍近求远，增加了给水的投资； 还可能出现把本来不可使用的水源错报成符合用水标准，结果花了一大笔资金， 却因水质不符合标准而不能投入使用。 药物制造工业中，环境质量要求特别严格。环境监测可以使企业时刻掌握厂 房的环境状况，从而保证药品的质量，避免企业经济上的损失，同时确保病患者 的安全。 在突发性污染事件的处理上，环境监测不仅仅可以确定污染物的来源，解决 环境污染纠纷，更可以通过监测结果了解污染物组成，为解决污染事故提供科学 依据。 1 。2 影响环境监测质量的主要因素 保证环境监测质量是环境监测的根本要求，环境监测数据的良好与否，直接 影响着决策的正确与否。然而，影响环境监测质量的因素有很多，这里主要介绍 如下几个因素【3 j ： ( 一) 采样质量：采样容器的材质、采样的深度或厚度、样品的储存方法、 气象条件和采样的时间等因素都会影响到采样的质量。 ( 二) 测试系统和仪器：环境监测仪器的性能会直接影响到环境监测数据的 准确性和环境管理的水平。 ( 三) 测试环境：监测布点是监测工作的第一步，也是至关重要的一步。如 果在监测点位布设不规范，且具有一定程度随意性的情况下，所采集的样品、测 得的数据都可能不能反映真实情况。 ( 四) 分析方法：环境污染物的测定方法并不是一成不变的，而是需要在实 践中不断完善的，另外根据环境污染物浓度的高低也有不同的分析方法。如果分 第一章绪论 析方法不完善或选取不当，都会直接影响监测结果的质量。 ( 五) 人员素质：监测样品采样、分析及质量控制等人员操作技能的高低、 责任心的强弱、工作态度的好坏将会主观地影响监测结果的准确性。 鉴于以上因素对环境监测质量的影响，以及结合专业背景，本课题致力于环 境监测仪器的研发，从而在根本上提高环境监测质量和环境管理水平。 1 3 国内环境监测仪器的发展概况 3 0 多年来，特别是近l o 余年来，我国的环境监测技术和能力有了长足的发 展。国际上认为需要测定的大多数污染物，我国均已具备监测能力，在这方面的 差距正在迅速缩小。鉴于我国国情的特殊性，正在形成具有自己特色的环境监测 技术体系和具有相当水平的监测技术专家队伍。环境监测正在从简单的手工操作 方式向自动化、连续化、智能化、在线监测、污染物总量监测技术方向迈进【4 】。 然而，目前我国的环境监测仪器行业还存在诸多问题【5 】： ( 一) 产品集中度过低，企业规模偏小 与环保产业的其它行业相比，连续自动监测仪器行业的生产企业规模普遍偏 小，缺乏对产业起支撑作用的大企业，产品集中度过低。企业内现代企业制度的 建立发展缓慢，甚至有部分企业仍延续传统的家族式管理模式，其生产的仪器不 仅难以满足国内市场的要求，更无法与国外产品进行竞争。而且，由于生产企业 规模偏小、批量化程度低，也难以提供及时、优质的售后服务。有相当一些企业， 其主要技术人员和销售人员一旦发生变动，就将影响到该企业的生存与发展。此 外，企业规模偏小，还表现在业内相当部分企业是系统集成商，连续自动监测 系统的核心部件分析仪等则来自于上游的仪器仪表或分析仪器行业。 ( 二) 产品单一、趋同化严重，质量难以保证持续稳定 由于企业规模普遍偏小，企业生产缺乏规模性，生产成本居高不下，产品质 量难以保证持续稳定。产品功能特点基本相同，品种过于单一，既无法满足污染 源监测多样化的要求，也无法适应市场以带动行业的快速发展。一旦产业政策或 市场有变化，部分企业就有可能被淘汰出局。 ( 三) 技术含量偏低 总体而言，国内自动连续监测系统的技术水平基本上还处于发展阶段，具有 独创性的监测方法和仪器尚不多见。尤其是烟尘烟气连续自动监测系统，其国产 系统的设计还处于学习阶段，自主知识产权的国产核心技术不足。核一t l , 分析仪或 主要零部件基本依赖进口。国产c o d 自动连续监测系统由于按国家标准分析方 第一章绪论 法( 重铬酸钾氧化法) 的原理进行设计，系统响应时间过长，化学试剂的消耗量 较大，故障率较高。 ( 四) 缺乏规制，企业进出行业标准较低，市场竞争无序 自动连续监测产业缺乏产业规制，国家对企业进出该行业没有法律和法规上 的限制，企业进出该行业也没有技术和资金上的要求。由于缺乏产业规制，在利 益驱动下，企业投机现象普遍，导致排污企业得不到应有的售后服务，监测数据 无法客观地反映现实。目前，国家环保总局正在进行的自动连续监测系统适用性 检测，这种技术上的规制，对企业的进出多少有些限制。但适用性检测的进入和 退出成本相对还是较低，并且部分地方环保主管部门对此产业规制消极对待，导 致了适用性检测这种技术上的产业规制不能充分发挥效用。 另外，自动连续监测系统生产企业缺乏业内的合作，技术上不能优势互补， 运营维护上又各自为战，缺乏开拓市场和稳定市场的共谋。企业之间竞争的无序 也说明了连续自动监测行业现仍处于发展的初级阶段。 ( 五) 资金紧缺，牵制发展 企业的发展与其所具有的资金量是密不可分的。自动连续监测行业内的企业 大多为民营企业，发展之初就面临资金紧缺，并且基本没有得到投融资和税收方 面的政策优惠。尤其目前，在销售资金回笼率过低的情况下，业内企业又不得不 为排污企业进行几乎无偿的运行维护。在此双重压力下，导致业内产生了一个不 正常的现象，即谁发展得越大，销售和售后服务系统越健全，谁的负担就越重。 由于资金不足的原因，影响和牵制了企业的发展。 任何一个产业，都有一个发展周期。与国外的自动连续监测产业相比，我国 的自动连续监测产业尚处于发展初期，亟需发展壮大以应对国际和国内的竞争态 势。中国环境保护产业协会环境监测仪器委员会提出了如下建议： ( 一) 加强产业政策管理，提高产业进入和提出成本 国家在坚持并严格适用性检测产业规制的基础上，应进一步提高行业的进入 和退出成本，促使企业在选择从事自动连续监测系统的生产和销售时，需要慎重 考虑进入和退出风险，避免投机性行为。 ( - - ) 加强企业间合作，促进仪器生产规模化 在配合产业规制，提高行业进出壁垒的同时，对现有的自动连续监测仪器企 业进行企业间合作和兼并的引导；对重点企业加大支持力度，出台投融资的优惠 政策；促进仪器生产规模化，尽快建立现代企业制度，避免作坊式生产和家族式 管理模式，提高产品质量的稳定性。企业间的合作不仅表现在技术的共同开发上， 而是应更多地表现在市场的开拓、销售和运营维护的配合以及技术人员的培训 上；兼并也不仅表现在同类企业之间的以大吃小，而应更多地表现在不同类企业 第章绪论 以及上下游企业间的优势互补上。 ( 三) 加强核心技术的研发，应对日益多样化的环境监测需求 连续自动监测企业应加强与高校和研究部门的合作，提高产品的技术含量， 丰富产品种类，使产品功能多样化、增强企业的竞争实力，以应对环境监测和环 境管理的需求。国家应根据未来环境管理发展的需要，加强技术引导，加大对关 键技术的投入力度，提高并加快系统的国产化率，引导企业的技术走向。 1 4 课题研究的背景、目标与意义 随着环境监测仪器行业的迅猛发展，企业之间的竞争日趋激烈，与此同时， 国家也正在积极地制定相关的产业政策，以对行业的发展进行合理的导向和规 制，使得市场竞争更加规范，结构布局更加合理。面对当前的机遇和挑战，天津 市星望科学仪器有限公司在积极推广t h p 2 0 0 0 系列温湿度记录仪的同时，又开 始着手研发下一代便携式自动连续环境监测系统，公司与天津大学保持紧密的合 作关系，借助于高校雄厚的研发实力，以及公司超前的市场眼光，天津市星望科 学仪器有限公司正逐步走在国内环境监测仪器行业的前列。 公司目前主推的t h p 2 0 0 0 系列温湿度记录仪主要特点是：4 通道8 路温湿 度采集；汉字化菜单显示界面；自带微型打印机；数据、列表、图形打印输出； 采集间隔可调；u s b 数据输出接口；r s 4 8 5 接口实现远距离传输等等。但是， 在数据采集方式、界面显示、数据存储以及联网方面，t h p 2 0 0 0 还有很大改进 的余地。 因此，在本课题的设计方案中，针对目前监测仪器的诸多不足之处，提出了 一种更先进的系统构架，不仅弥补了现有系统的不足，而且在功能上也对现有系 统有了很大的提升。 本课题主要实现传感器在监测区域内采集数据，通过与周围的传感器节点所 组成的无线传感器网络，对监测数据进行传输并汇集到网关。网络中的每个结点 负责存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据，并负责与其他传感器 节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。然后，监测数据在网关处做 存储备份，并对数据进行分析和处理，通过液晶屏方便直观地显示给用户所需要 的监测结果，同时可以实时地将监测数据传输给上位p c 机。另外，本系统自带 微型打印机，支持数据、列表以及图形的打印输出。 总之，本课题在各个方面都对现有系统有了很大的提高，技术含量和产品价 值都处于国内本领域的领先水平，无论是从市场需求角度，还是从振兴民族产业 角度，本课题都有极高的研究价值。 第一章绪论 1 5 本文的主要工作 本人在项目组中主要负责嵌入式网关的硬件实现，并且在系统硬件与软件联 调过程中，负责系统维护以及总体协调。至此，嵌入式网关的样板已经可以正常 运行。软件上，嵌入式网关与有线数据采集模块、z i g b e e 无线网络通信正常，微 型打印机也可以正常接收嵌入式网关发送的命令，打印数据、列表以及图形等。 接下来的工作是对系统进行全面地完善，使功能更多样，界面更丰富。 1 6 论文的结构 第一章：绪论。介绍了环境监测的内涵，国内环境监测仪器的发展概况，以 及本课题研究的背景、目标和意义。 第二章：便携式自动连续环境监测系统的总体方案设计。本章从课题的总体 任务入手，自主设计了便携式自动连续环境监测系统的方案框图。然后，论文又 从硬件和软件两方面，针对芯片、各个功能模块( 微型打印机、液晶屏和触摸屏 等) 的选型，以及软件的架构( l i n u x 操作系统、s q l i t e 数据库和m i n i g u l 等) ， 详细介绍了便携式自动连续环境监测系统的开发。 第三章：嵌入式网关的电路设计与实现。本章从系统功能入手，设计和实现 了便携式自动连续环境监测系统中的嵌入式网关。并且介绍了高速p c b 的设计 要点。 第四章：嵌入式网关的硬件测试程序设计。在a d s l 2 集成开发环境下，开 发了基于$ 3 c 2 4 1 0 x 的嵌入式网关的硬件测试程序。本章主要介绍了a d s l 2 的 使用方法，以及e t h e r n e t 模块、s d m m c 存储卡、液晶屏、触摸屏和r t c 实时 时钟等测试程序的开发。 第五章：嵌入式网关l i n u x 软件开发平台构建。本章主要介绍了b o o t l o a d e r 、 k e r n e l 以及f i l es y s t e m 的主要功能以及工作原理，然后详细说明了如何在嵌入式 网关中安装l i n u x 开发平台。 第二章便携式自动连续环境监测系统的总体设计方案 第二章便携式自动连续环境监测系统的总体设计方案 2 1 便携式自动连续环境监测系统任务书 矿系统功能 1 。实现对温度、湿度等环境参数的实时采集、存储，并对采集的数据进行软 件降噪、格式转换以及友好显示等处理； 2 实现无线传感器网络准确、可靠的采集环境监测数据，以及无线传感器网 络与嵌入式网关之间的通信； 3 集成t f t 液晶屏界面显示，触摸屏操作，可显示操作菜单，以及查询的数 据和图形； 4 集成微型打印机，可以打印数据、列表和图形； 5 可以通过互联网对监测数据实现异地实时查询。 矿系统指标 1 主机预留：u s b 接口、音频输出接口、蜂鸣器接口以及两路控制线； 2 u s b 接口兼容u s b l 1 标准，以太网传输速率为1 0 m b p s ； 3 数据存储容量不低于2 g b ； 酽测量精度 温度测量范围：2 0 1 0 0 ，数据精度：小数点后两位； 湿度测量精度：小数点后一位； 2 2 便携式自动连续环境监测系统的设计方案 据系统功能的要求，课题选择了目前流行的嵌入式系统作为开发平台。嵌入 式微处理器处理速度快、支持外围设备多、性价比高，可以运行l i n u x 操作系统 ( 芯片内部需集成内存管理单元m m u ) 。与d s p 和f p g a 相比，嵌入式系统可 以更加灵活的扩展各种外围设备，接口简单，而且成本最低。另外，系统基于最 新的无线传感器网络技术，无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微 型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，它具 有组网灵活、自组织、自愈合以及低功耗等特点，环境监测是无线传感器网络的 一个典型应用领域。 第二章便捐式自动连续环境监测系统的总体设计方案 本课题所设计的便携式自动连续环境监测系统的方案框图如图2 - 1 所示： o o ? “p “ 。恍- ，宅一o 。冀“ 、矗每“ 。三i 薹= 。 u l ，l 。n 6 ml 0 i s 3 c 2 4 1 0 a“”舞“= ! ! ! ! ! ! 世”竺 圉2 - 】便携式自动连续环境监测系统的方案框图 2 21 无线传感器网络的节点结构与组网 l 按照覆盖范围区分，无线组网主要有无线广域网( v n v a n ) 、无线城域网 ( w n l a 4 ) 、无线局域两( w l a n ) 和无线个域网( w p a n ) 四种模式。见图2 - 2 ： 00 0 】i 1 0 1 0 01 0 0 0 d a t ar a t e ( m b p s ) 圈2 - 2 无线通信协议的覆盖范围厦数据传输率 塾囊 瓣 墨 ! 苎圣= 蚕曼 霎_ n n n k m 。=日比 第二章便携式自动连续环境监测系统的总体设计方案 其中，i e e e8 0 2 1 5 4 组网方式最适合无线传感器网络的应用。i e e e8 0 2 1 5 4 也称z i g b e e 技术，主要任务是低功耗、低复杂度、低速率的w p a n 标准制定， 该标准定位于低数据传输速率的应用。 z i g b e e 与b l u e t o o t h 相比：1 、z i g b e e 设备可链接设备数达2 5 4 个，可构成星 状、树状和网状网络：b l u e t o o t h 可链接设备数最多为8 个，仅支持a d h o c 对等 网络；2 、z i g b e e 的节点接入网络时延典型值为3 0 m s ，休眠节点唤醒时延为1 5 m s ； 而b l u e t o o t h 的节点接入网络时延为3 0 s ，休眠节点唤醒时延为3 s ；3 、z i g b e e 设 备的功耗、成本很低，主要用于低速率数据通信；b l u e t o o t h 设备的功耗、成本 高，主要用于数据和语音通信。 可以看到，b l u e t o o t h 技术在网络容量和时延等方面均无法与z i g b e e 相比拟。 另外，z i g b e e 在电池供电下，可以工作几个月甚至几年，而b l u e t o o t h 却只能工 作几周。因此，可以说z i g b e e 填补了低速率无线通信技术的空缺，在工业控制、 无线传感器网络等领域中，z i g b e e 比b l u e t o o t h 更具有优势。 无线传感器节点的芯片选型 每一个无线传感器节点由传感器模块、无线通信处理模块和能量供应模块三 部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集；无线通信处理模块负责实现 无线组网传输并处理数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。 目前市场上z i g b e e 芯片提供商主要有：t i ( c h i p c o n ) 、e m b e r ( s t ) 、 j e n n i c ( 捷力) 、f r e e s c a l e 、m i c r o c h i p 等几家。 z i g b e e 技术提供方式主要有三种： ( 1 ) z i g b e er f + m c u 。例如： t ic c 2 4 2 0 + m s p 4 3 0 、f r e e s c l a e m c l 3 x x + g t 6 0 、m i c r o c h i pm j 2 4 4 0 + p i cm c u 。 ( 2 ) 单芯片集成s o c 。例如：t ic c 2 4 3 0 c c 2 4 3 l ( 8 0 5 1 内核) 、f r e e s c a l e m c l 3 2 1 x 、e m b e re m 2 5 0 。 ( 3 ) 单芯片内置z i g b e e 协议栈+ 外挂芯片。例如：j e n n i c 的 s o c + e e p r o m 、e m b e r 的e n 心6 0 + m c u 。 其中，除了c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 外，其他四家公司都是采用自己的微处理器。 只有c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 采用标准的8 0 5 1 处理器。8 0 5 1 微处理器诞生3 0 多年，目 前在国内最为普及。随着芯片科技的发展，今天的8 0 5 1 早已经脱胎换骨，只是 片上系统( s o c ) 的- - d , 部分，而且在低功耗、高速度、低噪声等方面，有了质的 飞跃。c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 的8 0 5 1 内核经过特别设计，可以和2 4 g h z 的z i g b e e 无 线收发电路完美的配合工作，绝不会因为其8 0 5 1 内核的高速运行而对高频无线 通讯有任何影响。 第二章便携式自动连续环境监测系统的总体设计方案 t i 提供c c 2 4 3 0 c c 2 4 31z i g b e e 2 0 0 6 协议栈，原来全套协议栈报价10 万元， 目前已经开放免费下载，这是一个惊人之举。虽然开放下载的协议栈是库文件， 但是全功能的，包括网状网络拓扑的全功能协议栈，从1 0 万元到0 万元。其他 几家情况如下，f r e e s c a l ez i g b e ek i t 是3 个月自动失效，需要购买正版才能使用， 价格为12 0 0 美元。e m b e r 的z i g b e e2 0 0 6 报价为1 万美元。m i c r o c h i p 提供免费源 代码，但它只支持p i c 和m j 2 4 4 0 芯片。因此，在协议栈方面，c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 l 更具有优势【6 j 。 并且，c c 2 4 3 0 c c 2 4 31 是全部方案中，唯一一个集成f l a s h 存储器+ m c u + z i g b e er f 的真正的单芯片解决方案。 所以最后选取c c 2 4 3 0 芯片。 c c 2 4 3 0 芯片介绍 c c 2 4 3 0 芯片延用了以往c c 2 4 2 0 芯片的架构，在单个芯片上整合了z i g b e e 射频前端、f l a s h 存储器和微控制器。 射频前端：c c 2 4 2 0 是c h i p c o n 公司推出的符合2 4 g h zi e e e8 0 2 1 5 4 标准 的射频收发器。它的选择性和敏感性指标均超过了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的要求， 可确保短距离通信的有效性和可靠性，数据传输率高达2 5 0 k b p s 。 微处理器：c c 2 4 3 0 集成一个8 位m c u ( 8 0 5 1 内核) ，还包含模数转换器 a d c 、几个定时器( t i m e r ) 、a e s l 2 8 协同处理器、看门狗定时器( w a t c h d o g t i m e r ) 、3 2k h z 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路( p o w e ro nr e s e t ) 、掉电 检测电路以及2 1 个可编程i o 引脚。 f l a s h 存储器：芯片内部集成了3 2 k b 、6 4 k b 或1 2 8 k b ( 可选) 可编程存储 器。 c c 2 4 3 0 芯片的主要特点如下 7 】： 高性能和低功耗的8 0 5 1 微控制器核 集成符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的2 4g h z 的r f 无线电收发机 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 在休眠模式时仅0 9pa 的流耗，外部的中断或r t c 能唤醒系统；在待 机模式时少于0 6 pa 的流耗，外部的中断能唤醒系统 硬件支持c s m a c a 功能 较宽的电压范围( 2 0 3 6v ) 数字化的r s s i l q l 支持和强大的d m a 功能 具有电池监测和温度感测功能 、 集成了1 4 位模数转换的a d c 集成a e s 安全协处理器 第二章便携式自动连续环境监测系统的总体设计方案 带有2 个强大的支持几组协议的u s a r t ，以及1 个符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的m a c 计时器，1 个常规的1 6 位计时器和2 个8 位计时器 强大和灵活的开发工具 z i g b e e 技术概述 z i g b e e 名字来源于蜜蜂的通信方式，蜜蜂之间是通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来 相互交流信息，以便共享食物源的方向、距离和位置等信息的。它是一种近距离、 低复杂度、低功耗、低数据传输率以及低成本的双向无线通信技术，主要适用于 自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定 的。z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 技术的商业名称，其前身是“h o m e r f l i t e ”技术，该 技术的核心协议由2 0 0 0 年1 2 月成立的i e e e8 0 2 1 5 4 工作组制定，高层应用、 互联互通测试和市场推广由2 0 0 2 年8 月组成的z i g b e e 联盟负责。z i g b e e 联盟由英 i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美 m o t o r o l a 及荷兰p h i l i p s 半导体公司等 组成，已经吸引了上百家芯片公司、无线设备开发商和制造商的加入【8 】。 z i g b e e 的主要优点有： 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确保 两节五号电池支持长达六个月到几年的使用时间，避免了频繁更换电池的麻烦。 可靠：z i g b e e 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。m a c 层采用了完全确认的数据传 输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，才可发送下一个数据 包。 网络容量大：一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多1 0 0 个z i g b e e 网络。 时延小：z i g b e e 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的 时延都非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值为15 m s ，活 动设备信道接入时延为1 5 m s 。 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 成本低：相对于蓝牙模块，z i g b e e 模块的成本非常低，且z i g b e e 协议是免 专利费的。 协议套件紧凑而简单：z i g b e e 具体实现的要求很低，仅用一个8 位微处理器 ( 如8 0 5 1 ) 即可完成z i g b e e 任务。全功能设备需要3 2 k b 的r o m ；精简功能设 备大约只需要4 k b 的r o m 。 z i g b e e ! t tn 协议分析1 9 i 完整的z i g b e e 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路 第二章便携式自动连续环境监测系统的总体设计方案 层和物理层组成，其中，数据链路层又分为l l c 子层和m a c 子层。z i g b e e 协 议架构如图2 3 所示： 高层应用规范 应用会聚层 网络层 i e e e 8 0 2 1 5 4i e e e 8 0 2 2 逻辑链路控制层( l l c )逻辑链路控制层( l l c ) i e e e 8 c2 1 5 4 媒体接入控皋l层( m a c ) 8 6 8 9 15 m h z2 4 g h z 物理层物理层 图2 - 3z i g b e e 的协议架构 其中，应用会聚层是把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，主要包括安全属 性设置和多个业务数据流的汇聚等功能；网络层则采用基于a d h o c 技术的路由 协议，除了包含通用的网络层功能外，还应该同底层的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准一样 省电，另外，还应实现网络的自组织和自维护，从而降低了网络的维护成本和方 便消费者的使用。下面分别介绍物理层和数据链路层。 ( 1 ) 物理层 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频( d s s s ，d i r e c t s e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 技术，使用相同的物理包格式，区别在于工作频率、调制方式、扩频 码片长度和传输速率。2 4 g h z 是全球统一、无须申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推广以及生产成本的较低，2 4 g h z 的物理层有1 6 个信道，通过采用 o q p s k 调制技术，可以获得2 5 0 k b p s 的传输速率，从而提高了数据吞吐量，减 小了通信时延，2 4 g h z 频段上采用了每符号3 2 个码片；8 6 8 m h z 是欧洲附加的 i s m 频段，9 1 5 m i - i z 是美国附加的i s m 频段，8 6 8 m h z 频段只有一个信道，传输 速率为2 0 k b p s ，9 1 5 m h z 频段有1 0 个信道，传输速率为4 0 k b p s ，在8 6 8 9 1 5 m h z 频段上采用了每符号15 个码片。由于这两个频段上无线信号的传播损耗和所受 到的无线电干扰均较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较大的有效 通信距离，从而使用较少的设备即可覆盖整个区域。 z i g b e e 使用的无线信道由表2 1 决定。从中可以看出，z i g b e e 使用的三个频 第二章便携式自动连续环境监测系统的总体设计方案 段定义了2 7 个物理信道，其中8 6 8 m h z 频段定义了1 个信道；9 1 5 m h