基于Zigbee协议的工业

基于Zigbee协议的工业环境检测无线传感网设计

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顾鑫森

主要内容总体结构网络节点软硬件设计网络主机软硬件设计系统测试无线传感网总体结构传感器网络节点的设计-器件选择主控模块：低功耗8位MCU-Atmega16L无线通信模块：单片无线收发器芯片nRF905传感器：DS18b20数字温度传感 MQ-3气体传感器（酒精）

红外测温模块

传感器网络节点的设计-电源设计本设计所需电压为3.3V，采用LM1117-3.3供电系统。对于发送端，可采用5V电池供电。对于接收端，可采用5V开关电源供电。传感器网络节点的设计-温度传感器温度传感器选择DS18b20数字温度传感器，该传感器可以提供9位二进制温度读数，指示器件的温度。DS18b20通过单线与MCU通信，且不需要额外电源。每一个DS18b20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS18b20可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感传感器。DS18b20工作过程协议包括初始化，ROM操作命令，存储器操作命令和处理数据等。传感器网络节点的设计-酒精气体传感器酒精气体传感器选择MQ-3气体传感器。该传感器使用的气敏材料是二氧化锡，当环境中存在酒精蒸汽时，气敏材料电导率随酒精蒸汽浓度增大而增大。传感器网络节点的设计-红外传感器热释电红外探测器输出的红外辐射响应信号是一种频率较低的微弱动态信号，为获得与目标表面温度变化规律相对应的标准信号，必须对这种信号进行滤波、放大、环境温度补偿等。环境温度补偿直接采用半导体集成温度传感器。传感器网络节点的设计-通信模块Atmega16L与nRF905之间的双向数据传输采用SPI接口。微处理器的PB7-PB4连接nRF905的SPI接口，PB2-PB0、PD2-PD3连接nRF905的控制信号和检测信号接口，用于nRF905的模式切换以及通信过程中必要的信号指示。nRF905四种模式：发送模式、接收模式、空闲模式和关机模式。这几种模式是由nRF905的TRX_CE、TX_EN和PWR_UP这几个引脚决定。传感器网络节点的设计-节点硬件设计传感器节点采用Atmega16L微处理器，通过自身四路AD口与传感器通信，微处理器通过RF接口与nRF905通信模块进行数据交换。节点的nRF905通信模块轮询等待主机的start信号，当收到主机起始信号后，微控制器打开AD转换，等待预定的时间后nRF905将传感器数据发回主机，然后节点再次轮询，等待下个start信号。传感器网络节点的设计-节点软件工作流程传感节点程序主要完成网络的发现、加入和维护、控制节点工作模式的切换，工作模式处理中还包括传感器数据的采集和发送。节点上电后，首先进行协议栈初始化，开启全局中断，然后进行信道扫描寻找网络，发现网络后申请加入。一旦成功加入网络，立即上传DS数据给网络协调器，进行身份注册完成智能化识别，为后续数据服务提供依据。节点根据协调器命令选择工作模式，初始化时命令缓存列表有默认模式，在接受新的命令后及时调整和更新，依据不同模式进行数据采集收发、控制以及休眠。为保证节点接入网络可靠性，节点需要定时进行网络状态检查，将状态数据上报协调器，如果发现与上级设备连接丢失，节点将启动重入网机制，再次加入网络，保证与协调器连接稳定。传感器网络节点的设计-底层驱动传感器网络主机的设计-硬件设计主机包括两个移位寄存器和一个主机时钟发生器。通过将需要的从机的SS引脚拉低，主机启动一次通讯过程。主机和从机将需要发送的数据放入相应寄存器。配置为SPI主机时，SPI接口不自动控制SS引脚，须由用户通过软件来设置。传感器网络主机的设计-软件设计主机SPI底层驱动nRF905模块驱动四种工作模式用户对SS引脚控制同步设置数据收发系统测试主机通过RS232总线将读取到的信息送到计算机显示。在测试环境中，主机每10秒读取一次各个节点数据，然后传送给计算机。如果没有节点数据则重复读取该节点。若连续3次没有读取到数据则认为该节点故障，并通过串口在计算机上显示。计算机上显示协调器组网过程以及读取各个节点数据的情况。系统测试需要达到的技术标准传输距离：室内有间隔通信距离大于40米功耗情况：采用3.3