基于无线传感网络的空气质量监测系统设计样本

摘要空气品质对人影响至关重要，运用传感器检测空气质量是当今流行一种办法，本文简介了传感器在空气质量检测方面原理应用及监控系统网络设计。本系统采用无线传感器网络来实现数据采集与发送。无线传感器网络是由布置在监测区域内大量便宜微型传感器节点构成，通过无线通信方式形成一种多跳自组织网络系统，其目是协作地感知、采集和解决网络覆盖区域中感知对象信息，并发送给观测者。本设计系统采用CC2430无线通信模块、温湿度传感器DHT90、空气质量传感器QS-01、电源模块构建无线传感器网络，通过RS－232串口和监控中心通信，使用软件开发平台IAREmbeddedWorkbench开发ZigBee合同栈，基于ZigBee无线网络技术以低功耗、低成本、低复杂度等特点受到越来越多公司和个人青睐。空气质量监测系统特别适合于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络安全规定较高、不便频繁更换电池或充电场合。预测将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用,运用ZigBee技术完毕传感器节点和汇聚节点应用程序，最后可以实现空气质量监测。核心字：无线传感器；cc2430；DTH90；zigbee技术；空气质量检测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目录摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1引言 11.2课题背景和研究意义 11.3无线传感器网络研究进展 21.4论文研究内容与组织构造 42无线传感器网络概述 62.1无线传感器网络简介 62.2无线传感器网络体系构造概述 62.3无线传感器网络特点 72.4无线传感器网络应用 102.5 无线传感器网络核心技术 102.6无线传感器网络拓扑构造 123空气质量监测系统硬件设计 163.1ZigBee技术 163.2系统总体构造设计 173.3传感器节点硬件设计 193.3.1节点硬件总体构造 193.3.2解决器和无线通信模块HFZ－CC2430EM－22 203.3.2传感器模块 223.4汇聚节点硬件设计 273.4.1电源模块 273.4.2RS－232串口模块 284空气质量监测系统软件设计 294.1ZigBee合同 294.2IAR开发环境简介 304.3传感器节点应用程序设计 314.4汇聚节点应用程序设计 335系统测试与成果分析 355.1测试方案 355.1.1硬件测试 355.1.2温度采集及串口显示测试 355.1.3数据通信测试 35参照文献 36附录C某些程序 384.2.1 原语概念 444.2.2 建立新网络 444.2.3 ZigBee设备加入网络过程 451绪论1.1引言由于环境问题严重性使得全社会环保意识提高,对于环境信息需求也越来越大。与老式空气质量监测系统相比，使用传感器网络进行环境监测具备如下长处：传感器网络对被监测环境影响小；传感器网络采集数据量大、精度高；传感器节点还具备无线通信能力，可以使得节点协同监控。无线传感器网络常合用于无人监守远程监测，该文采用无线传感器网络来监测空气质量,在都市内选取某些监测点,放置传感器节点，并通过ZigBee无线技术传播数据,终端工作人员可以通过监控中心对监测系统进行管理和配备、发布监测任务或是收集回传数据。1.2课题背景和研究意义课题背景：当今,人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后,又浮现了“室内空气污染”为主第三次环境污染[1]。大量触目惊心事实证明,室内空气污染已成为危害人类健康“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注问题。据记录,全球近一半人处在室内空气污染中,室内环境问题对咱们来讲，就显得尤为重要。然而对于室内环境问题，咱们又往往忽视其重要性。但如今，各种疾病给咱们敲响了警钟，再一次提示咱们，改进室内环境，杜绝和防止室内污染，不但是为了提高咱们生活质量，并且，它也关系到身体健康和生命安全。自然环境有涉及空气环境、声音环境、温湿环境和光环境[2]。人工环境又分为绿化环境、装饰环境、改造后自然环境等。咱们普通所提到环境污染只是提到空气环境污染，由于它对人危害最大、最直接，从而忽视了其她环境运用和改造。其实，其她室内环境污染同样对咱们生活、学习、工作、娱乐等等方面产生了各种危害和影响。美国专家研究表白，室内空气污染限度要比室外空气严重二至五倍，在特殊状况下可达100倍。室内空气中可检测出500各种挥发性有机物，某些有害气体浓度可高出户外十倍乃至几十倍，其中20各种是致癌物。因此美国已将室内空气污染归为危害公共健康5大环境因素之一。加拿大一种卫生组织调查也显示，当前人们68﹪疾病都与室内空气污染关于室内环境污染已经引起35.7%呼吸道疾病,22%慢性肺病和15%气管炎、支气管炎和肺癌，因此检测技术是人们结识和改造世界一种必不可少重要技术手段[3]。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源开发获取、传播与解决一种重要工具，并且在空气质量检测方面发挥重要作用。研究意义：人类生存离不开空气，而人毕生约80%时间是在室内度过，特别是老、弱、病、残、幼、孕等体弱者在室内活动时间更长，室内环境质量好坏对她们身心健康更加重要。因而加强室内环境监测与治理，对保证人民健康，提高国民整体素质十分重要。特别像国内这样人口众多，而医疗保健水平又跟不上国家，加强室内环境监测，维持一种绿色居住、办公场合，让广大人民都拥有一种健康体魄，显得尤为重要。国外大量研究成果也表白，室内空气污染会引起“致病建筑综合症”（BBS），症状涉及头痛、眼、鼻和喉部不适，干咳，皮肤干燥发痒，头晕恶心注意力难于集中和对气味敏感等[4]。建筑关联病（BRI），症状有咳嗽，胸部发紧，发热寒颤和肌肉疼痛等，因此任何一种场合涉及室内、室外均有必要进行空气检测，给家人朋友一种舒服健康生活环境。环保，监测先行，自动化、信息化是做好环境监测前提和保障，近年来在地方经济迅速发展同步，各地区不断浮现不同限度水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了人们生活质量，阻碍了本地经济持续发展[5]。随着国家制定各种环保政策及法规颁布实行，各级地方政府在对辖区内环境治理日益注重同步，加大了对环境监测及应急监测投资力度，各地区陆续规划安装了空气质量监测站。1.3无线传感器网络研究进展在西方和某些发达国家如加拿大、英国、德国、意大利和日本等国家研究机构也加入了无线传感器网络研究。欧盟Philips、FranceTelecom、Siemens、Ericsson等公司，日本NEC、欧姆龙、OKI、Sky2等开展了无线传感器网络研究美国科学基金委员会制定了无线传感器网络研究筹划，研究领域涉及能感知有毒化学物、生物袭击等传感器节点、分布环境下传感器网络特性等问题[6]。美国知名院校几乎均有研究小组在从事无线传感器网络有关技术研究。在国内无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，初次正式浮现于1999年中华人民共和国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》“信息与自动化领域研究报告”中。国内某些科研单位和知名大学，如中华人民共和国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。，将无线传感器网络基本理论和核心技术列入筹划；，将水下移动传感器网络核心技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也布置了无线传感器网络有关课题，国内也有越来越多公司开始关注无线传感器网络技术发展，开始推出针对无线传感器网络及ZigBee解决方案，而无线网络应用在生活中研究也是刚刚起步[7]。当前ZigBee网络应用范畴非常广泛，诸多咱们想象不到地方也在使用ZigBee技术。例如，在工业领域，ZigBee技术不但用来控制照明灯开关，它尚有一种用途是检查高速路上照明灯工作状况。此前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但由于车速较快，不能记下所有要检修灯编号，但通过ZigBee网络，工程师只需坐在计算机，就可以很清晰地监测到整个高速路上照明灯工作状况，这是当前一种热点应用。再如，ZigBee技术用于进出控制，可以记录汽车进出，也可以在人员进出时用于传播有关指纹来辨认数据，进行身份认证。此外，通过ZigBee网络路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点安全状况，防止事故发生。在加油站，某些客户不但愿布线，她们正在考虑采用ZigBee无线技术来传播有关数据。在消费类电子方面，ZigBee技术可以替当前红外遥控，于红外遥控相比，ZigBee优势在于每一种操作都会有反馈信息，告诉她们与否实现了有关操作。现今咱们也可以看到ZigBee用于家庭保安，消费者在家中门和窗上都安装了ZigBee网络，当有人闯入时，ZigBee可以控制启动室内摄像装置，这些数据再通过Internet或WLAN网络反馈给主人，从而实现报警[8]。当在家电产品如空调，热水器等安装ZigBee模块后，顾客可以通过ZigBee无线网络来控制这些产品启动。在建筑智能化领域，各种灯光控制，气体感应与监测，如煤气泄漏感应和报警都可以应用ZigBee技术。ZigBee在将来几年里将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等各种领域具备广泛应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为此后ZigBee芯片重要应用领域。在工业领域，运用传感器和ZigBee网络，使得数据自动采集，分析和解决变得更加容易，可以作为决策辅助系统重要构成某些。在汽车领域，重要是传递信息通用传感器。由于诸多传感器只能内置在飞转车轮或者发动机中，例如轮胎压力监测系统，这就规定内置无线通信设备使用电池有较长寿命，同步应当克服嘈杂环境和金属构造对电磁波屏蔽效应。在精准农业领域，老式农业重要使用孤立，没有通信能力机械设备，重要是依托人力监测作物生产状况，采用了传感器和ZigBee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心生产模式，使用更多自动化，网络化，职能化和远程控制设备来耕种。在家庭和楼宇自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术集成得以迅速扩展，易于进入，简朴明了和便宜安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术重要动因[8]。在医学领域，将借助于各种传感器和ZigBee网络精确并且实时地监测病人血压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生查房工作承担，有助于医生做出迅速反映，特别是对重病和病危患者监护和治疗。在消费和家用自动化市场，可以联网家用设备有电视，录像机，无线耳机，PC外设，运动与休闲器械，小朋友玩具，游戏机，窗户和窗帘，照明设备，空调系统和其他家用电器。1.4论文研究内容与组织构造研究内容：本论文研究了如何运用传感器检测空气质量及简介了传感器在空气质量检测方面原理应用,分析了当前气体传感器特点,以及气体传感器发展趋势和前景本涉及系统软硬、件设计及其详细实现，重要研究内容如下。一是，当前国内采用空气质量监测办法研究，基于无线传感器网络空气质量监测系统研究意义和无线传感器网络概述，概述涉及基本概念、构造、体系构造、特点、应用、核心技术和网络拓扑构造。二是，该系统硬件设计。该系统采用符合IEEE802.15.4原则ZigBee无线技术来实现网络中节点间无线通信。温湿度传感器节点由西安华凡科技有限公司HFZ－CC2430EM－22模块，温湿度传感器DHT90和两节五号电池构成。气体传感器节点由西安华凡科技有限公司HFZ－CC2430EM－22模块，空气质量传感器QS-01和5V锂电池构成。研究了HFZ－CC2430EM－22模块构造、特性和CC2430芯片内部构造、外在电路；研究了DHT90工作原理并实现了传感器通信，最后焊接制作出温湿度传感器节点。汇聚节点由西安华凡科技有限公司HFZ－CC2430EM－22模块和SmartRF07DB母板构成。重要应用母版串口电路和电源模块，由于汇聚节点始终处在工作状态因而选取持续USB供电方式，通过串口连接汇聚节点和PC机并显示测试数据，而串口电平与TTL电平幅值不同无法直接相连，因而需要串口电路转换电平。三是，该系统软件设计。论文研究了德州仪器开发ZigBee合同栈Z－Stack软件构架，并在IAR集成开发环境中开发该合同栈，依照传感器节点和汇聚节点应用流程添加自己温湿度采集应用程序和修改主文献中任务解决函数，最后实现功能。论文构造：共分为5章，构造安排如下：第1章：绪论。简介了当前空气质量监测办法，课题研究背景及研究意义，无线传感器网络研究进展和论文重要研究内容和组织框架。第2章：无线传感器网络概述。简介了无线传感器网络基本构架、体系构造、特点、应用和核心技术。第3章：空气质量监测系统硬件设计。简介了ZigBee技术，系统总体构造设计，传感器节点和汇聚节点硬件设计。第4章：空气质量监测系统软件设计。简介了ZigBee合同栈，IAR集成开发环境，传感器节点和汇聚节点应用程序设计。第5章：总结与展望。总结本论文所做工作，提出既有方案局限性之处，并对下一步工作进行了展望。2无线传感器网络概述2.1无线传感器网络简介无线传感器网络是大量静止或移动传感器以自组织和多跳方式构成无线网络，其目是协作地感知，采集，解决和网络传播覆盖地理区域感知对象检测信息，并报告给顾客。它英文是WirelessSensorNetwork简称WSN。大量传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其她网络发送给了顾客[9]。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集，解决和传播三种功能，而这相应着当代信息技术三大基本技术，即传感器技术，计算机技术和通信技术。无线传感器网络是新一代传感器网络，具备非常广泛应用前景，其发展和应用，将会给人类生活和生产各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常注重无线传感器网络发展，IEEE正在努力推动无线传感器网络应用和发展。波士顿大学，还于近来开办了传感器网络协会，盼望能增进传感器联网技术开发。美国《技术评论》杂志在阐述将来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项将来新兴技术，《商业周刊》预测将来四大新技术中，无线传感器网络也被列入其中[10]。可以预测，无线传感器网络广泛应用是一种必然趋势，它浮现将会给人类社会带来极大变革。2.2无线传感器网络体系构造概述近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（MEMS）等技术飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能微型无线传感器大量生产成为也许，这些微型无线传感器具备无线通信、数据采集和解决、协同合伙等功能，无线传感器网络（如下简称传感器网络）就是由许多这些传感器节点协同组织起来。传感器网络节点可以随机或者特定地布置在目的环境中，它们之间通过特定合同自组织起来，可以获取周边环境信息并且互相协同工作完毕特定任务。传感器网络被以为是21世纪最重要技术之一，它将会对人类将来生活方式产生深远影响[11]。2月份美国《技术评论》杂志评出对人类将来生活产生深远影响十大新兴技术，传感器网络被列为第一。传感器网络最初来源于美国先进国防研究项目局(DARPA-DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)一种研究项目，当时处在冷战时期，为了监测敌方潜艇活动状况，需要在海洋中布置大量传感器，使用这些传感器所监测信息来实时监测海水中潜艇行动。但是由于当时技术条件限制，使得传感器网络应用只能局限于军方某些项目中，难以得到推广和发展。近年来随着无线通信、微解决器、微电机系统等技术发展，使得传感器网络抱负蓝图可以得以实现，其应用前景越来越广，国外各个研究机构对它研究也正方兴未艾。在传感器网络中，每个节点功能都是相似，大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自己所探测到有用信息通过初步数据解决和信息融合之后传送给顾客，数据传送过程是通过相邻节点接力传送方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或有线网络连接方式传送给最后顾客。2.3无线传感器网络特点传感器网络是由大量体积小、成本低、具备无线通信、传感、数据解决传感器节点（sensornode）构成，传感器节点普通由传感单元、解决单元、收发单元、电源单元等功能模块构成（如图2-1所示）。除此之外依照详细应用需要，也许还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等[12]。其中电源单元是最重要模块之一，有系统也许采用太阳能电池等方式来补充能量，但是大多数状况下传感器节点电池是不可补充。定位系统对传感器网络路由是很重要，有些传感器节点采用全球定位系统（GPS）进行定位，但是GPS模块价格昂贵且体积难以减少，因此不也许所有节点都使用GPS来进行定位。此外，GPS定位还受到其她限制，如某些应用于建筑物内部等。普通状况下是在整个网络中会有某些传感器节点配有GPS系统，其她节点通过局部定位算法得到它们与配有GPS节点之间相对位置，这样所有节点都能懂得各自详细位置了。除借助GPS定位方式外，尚有离散梯度法等间接定位方式。图2-1传感器网络节点构成模块Fig2-1nodemoduleofSensornetwork传感器网络与老式网络相比有某些独有特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在诸多新问题，提出了诸多新挑战[13]。传感器网络重要特点有：1)传感器网络节点数量大、密度高由于传感器网络节点微型化，每个节点通信和传感半径很有限，普通为十几米范畴之内，并且为了节能，传感器节点大某些时间处在睡眠状态，因此往往通过铺设大量传感器节点来保证网络质量。传感器网络节点数量和密度都要比普通网络高几种数量级，也许达到每平方米上百个节点密度，甚至多到无法为单个节点分派统一物理地址。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息有效传送途径选取、大量节点之间如何协同工作等。2)传感器网络节点有一定故障率由于传感器网络也许工作在恶劣外界环境之中，网络中节点也许会由于各种不可预料因素而失效，为了保证网络正常工作，规定传感器网络必要设计成具备一定容错能力，容许传感器节点具备一定故障率。3)传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制由于传感器节点微型化，节点电池能量有限，并且由于物理限制难以给节点更换电池，因此传感器节点电池能量限制是整个传感器网络设计最核心约束之一，它直接决定了网络工作寿命。另一方面，传感器节点计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂计算，老式Internet网络上成熟合同和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必要重新设计简朴有效合同及算法[14]。4)传感器网络拓扑构造变化不久由于传感器网络自身特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时也许由于各种因素发生故障而失效，或者有新传感器节点补充进来以提高网络质量，这些特点都使得传感器网络拓扑构造变化不久，这对网络各种算法（如路由算法和链路质量控制合同等）有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有也许带来网络拓扑变化。5)以数据为中心在传感器网络中人们只关怀某个区域某个观测指标值，而不会去关怀详细某个节点观测数据，例如说人们也许但愿懂得“检测区域东北角上温度是多少”，而不会关怀“节点N所探测到温度值是多少”。这就是传感器网络以数据为中心特点。而老式网络传送数据是和节点物理地址联系起来，以数据为中心特点规定传感器网络可以脱离老式网络寻址过程，迅速有效组织起各个节点信息并融合提取出有用信息直接传送给顾客[15]。当前已有某些致力于传感器网络公司，如美国Crossbow公司和Dust公司等，其中Crossbow公司已经推出了Mica系列传感器网络产品，到当前已有了Mica，Mica2，Mica2Dot三种产品。她们还为Mica开发了一套微型操作系统TinyOS。Mica2Dot大小和一枚硬币差不多，每个Mica2可以分为两个模块，一种是基本射频和解决模块MPR（MoteProcessorRadioBoard），另一种是可选传感模块MDA（MoteDataAcquisitionBoard）。Mica2工作在915MHzISM频段上，有两个可调工作频率：914.007MHz和915.998MHz[16]。以AA电池或钮扣电池作为能源，AtmelAtmega微控制器工作频率为4MHz，无线通信最大速率为40Kbps，单个节点之间最大通信距离为200英尺（约60米）。当前关于传感器网络大多数科研和演示系统都是以Mica为平台。由于传感器网络需要大规模铺设，规定每个传感器节点成本很低，要达到实用化规定每个节点价格控制在1美元如下，当前每个传感器节点造价大概在80美元左右，但是相信随着集成技术进一步提高和大规模生产带来经济效益，传感器节点成本将会不久下降。另一方面由于节点微型化规定每个节点体积越来越小，Dust公司已经开始设计最后可以悬浮于空气中“机灵微尘”（smartdust）传感器，现已设计出最小全功能“机灵微尘”直径只有5mm左右，她们筹划将在1年之内最后设计出体积不不不大于1mm3产品。2.4无线传感器网络应用传感器网络在军事领域应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型便宜传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周边环境变化，并将监测到数据通过卫星信道等方式发送回基地[17]。这样就可以以便地监控我军布防阵地与否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密方式监控敌方阵地和敌军活动状况。当代战争越来越体现出信息战特点，战争中信息及时获取和反映对整个战局影响至关重要，运用传感器网络特点可以给指挥部门提供及时精确信息，这对增强国家国防军事力量是非常重要。虽然传感器网络最初重要应用于军事领域，但是随着技术发展，传感器节点成本越来越低，而功能却日益强大，使得此前造价昂贵传感器网络当前已经可以进入民用领域。当前传感器网络已经在民用领域中得到了诸多应用，越来越多也许应用领域也不断呈当前人们面前，毫无疑问在传感器网络中隐藏着巨大商机。传感器网络在民用方面应用重要有：生态环境监测；基本设施安全；先进制造；物流管理；医疗健康；工业传感；智能交通控制；智能能源等。传感器网络尚有诸多其她方面应用，前景无限，这里就不一一列举了[18]。可以必定是，随着技术进步和经济发展，传感器网络必将会越来越多应用到社会生活各个方面。无线传感器网络核心技术无线传感器网络作为当今信息领域新研究热点，有非常多核心技术有待发现和研究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要性能指标，因此WSN核心技术必然以减少网络功耗和保证网络安全为主线。下面简介网络拓扑控制、数据融合等某些核心技术。1)网络拓扑控制对于自组织传感器网络而言，网络拓扑控制具备特别重要意义。通过拓扑控制自动生成良好网络拓扑构造，可以提高路由合同和MAC合同效率，可为数据融合、目的定位等诸多方面奠定基本，有助于节约节点能量来延长网络生存期。因此，拓扑控制是WSN研究核心技术之一[19]。WSN拓扑控制当前重要研究问题是在满足网络覆盖度和连通度前提下，通过功率控制和骨干网节点选取，剔除节点之间不必要无线通信链路，生成一种高效数据转发网络拓扑构造。拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑构造控制两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点发射功率，在满足网络连通度前提下，减少节点发送功率，均衡节点单跳可达邻居数目；当前已经提出了以邻居节点度为参照根据算法，以及运用邻近图思想生成拓扑构造DRNG和DLSS算法。层次型拓扑控制运用分簇机制，让某些节点作为簇头，由簇头形成一种解决并转发数据骨干网，其她非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节约能量。2)数据融合在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。但是在数据采集和传播过程中，总要对采集数据进行解决，因而存在如何对采集数据进行解决、融合问题。如果完全在本地节点上解决采集数据而只发送解决后成果，可以减少传播数据功耗，但增长了本地节点解决器功耗；如果传播原始采集数据，可以减少节点解决器功耗但增长了节点传播数据功耗。因而，如何对采集数据进行解决与融合对减少节点能耗起到相称大作用。普通网络中传感器数量诸多，传感器采集数据具备一定冗余度，因而将各种节点采集数据互相结合起来进行解决可以减少整个网络数据传播量，有效减少系统功耗，问题是如何寻找本地节点解决与节点联合解决平衡点。3)定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少某些，没有位置信息监测消息普通毫无意义。为了提供有效位置信息，随机布置传感器节点必要可以在布置后拟定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机布置、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必要满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等规定。既有WSN定位算法依照定位机制不同，可以分为基于测距办法与不基于测距办法两类。基于测距定位机制运用到达时间延迟、信号到达时差和接受信号强度来预计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然预计等计算未知节点位置。而不基于测距定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅依照网络连通性等信息实现节点定位。距离无关定位机制定位性受环境因素影响小，虽然定位误差相应有所增长，但定位精度可以满足多数传感器网络应用需求，是当前人们重点关注定位机制[20]。4)无线通信技术传感器网络需要低功耗短距离无线通信技术。IEEE802.15.4原则是针对低速无线个人域网络无线通信原则，把低功耗、低成本作为设计重要目的。由于IEEE802.15.4原则网络特性与无线传感器网络存在诸多相似之处，因而诸多研究机构把它作为无线传感器网络无线通信平台。此外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络首选方案，这为WSN数据传播开辟了一种崭新方案。5)时间同步传感器网络中由于节能方略,节点在大某些时间是休眠,因此规定解决通信同步问题,即通信节点双方需要在通信时同步唤醒。此外,传感器网络是一种分布式网络,所有节点在通信上地位对等,没有优先级可言。因此要让整个网络可以工作在有效状态,往往需要做到全网或者一定范畴内所有节点同步,而不是通信双方简朴同步。2.6无线传感器网络拓扑构造从无线传感器组网形态和办法来看，有集中式、分布式和混合式。集中式类似于移动通信蜂窝构造，可以集中管理；分布式构造类似于Ad-hoc网络构造，可自组织网络接入连接，可以分步管理；混合式构造是集中式和分布式构造组合。其中无线传感器按节点功能及构造层次来看，有可分为平面网络构造、分级网络构造、混合网络构造以及Mesh网络构造[21]。1)平面网络：构造如下图2-2所示，是无线传感器网络中最简朴拓扑构造，每个节点都为对等构造，具备完全一致功能特性，也就是每个节点包括相似MAC、路由、管理和安全等合同。但是由于采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂：图2-2无线传感器网络平面网络构造Fig2-2levelnetworkstructureofWirelesssensornetwork2)分级网络构造（层次网络构造）：如下图2-3所示，分级网络分为上层和下层两个某些—上层为中心骨干节点；下层为普通传感器节点。骨干节点之间或者普通传感器节点间采用是平面网络构造，然而骨干节点和普通节点之间采用是分级网络构造。普通传感器节点没有路由、管理及汇聚解决等功能。图2-3无线传感器网络分级网络构造Fig2-3hierarchicalnetworkstructureofwirelesssensornetwork3)混合网络构造：如下图2-4所示，混合网络构造时无线传感器网络中平面网络构造和分级网络构造一种混合拓扑构造。这种构造和分级网络构造不同是普通传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据，但是对所需硬件成本更高[22]。图2-4无线传感器网络混合网络构造Fig2-4hybridnetworkstructureofWirelesssensornetwork4)Mesh网络构造：如下图2-5所示，这是新型网络拓扑构造，这是种规则分步网络，不同于完全连接网络构造。普通只容许和节点近来邻居通信。网络内部节点普通也是相似，因而Mesh网络也称为对等网。由于普通Mesh网络构造节点之间存在多条路由途径，网络对于单点或单个链路故障具备较强容错能力。其中长处就是尽管所有节点都是对等地位[23]，且具备相似计算和通信传播功能，某个节点可被指定为簇首节点，并且可执行额外功能，一旦簇首节点失效，此外一种节点可以立即补充并接管原簇首那些额外执行功能。图2-5无线传感器网络Mesh网络构造Fig2-5MeshnetworkstructureofWirelesssensornetwork从技术上看，基于Mesh网络构造无线传感器具备如下特点：a.由无线节点构成网络：这种类型网络节点是由一种传感器或执行器构成且连接到一种双向无线收发器。b.节点按照Mesh拓扑构造布置：网内每个节点至少可以和一种其她节点通信，这种方式可以实现比老式集线式或星型拓扑更好地网络连接性。具备自我形成、自愈功能，以保证存在一条更加可靠通信途径。c.支持多跳路由：来自一种节点数据在其到达一种主机网关或控制器前，可以通过各种别的节点转发。通过Mesh方式网络连接，只需短距离通信链路，经受较少干扰，因而可觉得网络提供较高吞吐率及较高频谱复用效率。d.功耗限制和移动性取决于节点类型及应用特点：普通基站或汇聚节点移动性较低，感应节点可移动性较高。基站不受电源限制，而感应节点普通由电池供电。e.存在各种网络接入方式：可以通过新型、Mesh等节点方式和其她网络集成。无线传感器节点构造：如下图2-6所示，无线传感器由传感器模块、解决器模块、无线通信模块和能量供应模块这四某些构成。其中，传感器模块（传感器和模数转换器）负责监测区域内信息采集和数据转换；解决器模块（CPU、存储器、嵌入式操作系统等）负责控制整个传感器节点操作，存储和解决自身采集数据；无线通信模块（网络、MAC、收发器）负责与其她传感器节点进行无线通信；能量供应模块为传感器节点提供运营所需能量，普通采用微型电池。图2-6无线传感器节点构造Fig2-6Wirelesssensornodestructure除了这四个模块外，传感器节点还可以涉及其她辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于传感器节点采用电池供电，因而尽量采用低功耗器件，以获得更高电源效率。3空气质量监测系统硬件设计3.1ZigBee技术ZigBee是基于IEEE802.15.4原则低功耗个域网合同。依照这个合同规定技术是一种短距离、低功耗无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依托这样方式构成了群体中通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。重要合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简朴说，Zigbee是一种高可靠无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从原则75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一种由可多到65000个无线数传模块构成一种无线数传网络平台，在整个网络范畴内，每一种Zigbee网络数传模块之间可以互相通信，每个网络节点间距离可以从原则75m无限扩展。与移动通信CDMA网或GSM网不同是，ZigBee网络重要是为工业现场自动化控制数据传播而建立，因而，它必要具备简朴，使用以便，工作可靠，价格低特点。而移动通信网重要是为语音通信而建立，每个基站价值普通都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不但自身可以作为监控对象，例如其所连接传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别网络节点传过来数据资料。除此之外，每一种Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖范畴内，和各种不承担网络信息中转任务孤立子节点(RFD)无线连接。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具备最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s传播速率，它传播距离在10-75m范畴内,但可以继续增长。作为一种无线通信技术，ZigBee具备如下特点：1)低功耗：由于ZigBee传播速率低,发射功率仅为1mW,并且采用了休眠模式，功耗低,因而ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右使用时间,这是其他无线设备望尘莫及。2)成本低：ZigBee模块初始成本在6美元左右，预计不久就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee合同是免专利费。低成本对于ZigBee也是一种核心因素。3)时延短：通信时延和从休眠状态激活时延都非常短，典型搜索设备时延30ms,休眠激活时延是15ms,活动设备信道接入时延为15ms。因而ZigBee技术合用于对时延规定苛刻无线控制(如工业控制场合等)应用。4)网络容量大：一种星型构造Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一种主设备，一种区域内可以同步存在最多100个ZigBee网络,并且网络构成灵活。5)可靠：采用了碰撞避免方略，同步为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据竞争和冲突。MAC层采用了完全确认数据传播模式，每个发送数据包都必要等待接受方确认信息。如果传播过程中浮现问题可以进行重发。6)安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128加密算法,各个应用可以灵活拟定其安全属性。ZigBee联盟对ZigBee原则制定：IEEE802.15.4物理层、MAC层及数据链路层，原则已在5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层制定也获得了较大进展。V1.0版本已经发布[24]。其她应用领域及其有关设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不但只是802.15.4代名词，并且IEEE仅解决低档MAC层和物理层合同，因而ZigBee联盟对其网络层合同和API进行了原则化。完全合同用于一次可直接连接到一种设备基本节点4K字节或者作为Hub或路由器协调器32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几种协调器则可形成一种网络，对路由传播数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标记，并且这种运用网络远距离传播不会被其他节点获得。3.2系统总体构造设计EEE802.15.4和ZigBee合同中明拟定义了三种拓扑构造:星型构造(Star)、网状构造(Mesh)和星-网构造(ClusterTrec)，如图3-1所示。在星型网络构造中，ZigBee协调器负责整个网络控制，无其他路由节点，ZigBee终端设备直接与zigBee。协调器通信，终端设备间通信则需通过协调器转发。这是最简朴拓扑构造，网络通信范畴十分有限，单独使用这种拓扑构造状况很少。图3-1Zigbee三种网络拓扑构造Fig3-1ThreekindsnetworktopologystructureofZigBee在网状网络和簇树型网络中，ZigBee协调器负责网络建立和初始参数设定，网络都可以通过ZigBee路由器进行扩展。但是，在簇树型网络中，路由器采用分级路由方略传送数据和控制信息，并且普通是基于信标(Beacon)通信模式。而在网状网中则是完全对等点对点通信，路由器不会定期发送信标，仅在网内设备规定期对其单播信标。对于簇树型网络，其通信路由相对单一，骨干网络中一旦有路由节点瘫痪，则相应区域就进入通信瘫痪状态，要等待该某些网络重组后，才干恢复通信。但是，簇树型网定期发送信标，使网内节点能做到较好同步，便于节点定期进入休眠状态，减少功耗，延长网络寿命。在网状网中状况则正好相反，完全点对点通信使路由有各种选取，提高了网络容错性，但是不定期发送信标使网络中节点很难达到同步，必要采用别手段来实现，如广播。因而，网状构造与簇树构造层次融合，必然是ZigBee网络拓扑构造一种发展方向。网状网长处是容错能力和可靠性高，缺陷是不易维护和管理、费用高、安装复杂和不经济。基于以上分析，故设计选取星状网络拓扑构造。总体设计图如图3-2：图3-2总体设计图Fig3-2Overalldesign3.3传感器节点硬件设计无线传感器网络节点设计重要考虑如下几点原则：1)成本低：为了满足工业控制上某些需要，无线传感器网络普通大量分布在被监测区域，因而无线传感器节点设计应尽量简朴，减少成本。2)功耗低：无线传感器网络普通应用人工方式现场采集困难高危环境下，工作人员往往无法接近场合，终端节点普通规定不能经常更换供电设备，规定功耗尽量较低。并规定节点普通在仅以小型电池供电状况下，工作数月或更长。因此在无线传感器节点设计中，节能是至关重要。3)尺寸小：无线传感器节点尺寸应尽量小，保证对目的系统自身不会导致影响。并能被放置在任何物理环境下，能适应不同环境规定。4)扩展性灵活性：无线传感器节点需要定义统一、完整外部接口，在需要添加新硬件部件时，可以在既有节点上直接添加，不需要开发新节点。同步，节点可以按照功能拆提成各种组件，组件之间通过原则接口自由组合，维护以便。在不同应用环境下，选取不同组件自由配备系统，这样就不必为每个应用都开发一种全新硬件系统[25]。3.3.1节点硬件总体构造如图3-3所示，无线传感器网络节点，普通由数据采集单元(各种传感器)、数据解决单元(微控制器等)、数据收发单元(射频收发器、天线等)、电池供电单元构成。可以依照详细规定在数据采集单元模块上进行相应传感器扩充以完毕特定数据采集。图3-3传感器节点硬件设计框图Fig3-3Hardwareblockdiagramofsensornode3.3.2解决器和无线通信模块HFZ－CC2430EM－22CC2430单片机是TI公司（德州仪器）生产一款专用于IEEE802.15.4和ZigBee合同通信片上系统解决方案。其RF内核是基于工业领先射频通信芯片CC2420。在单个芯片上集成了CPU、存储器、惯用片内外设和RF射频单元。它具备1个8位CPU（8051），主频达32MHZ，具备最大128KB可编程FLASH和8KBSRAM，片内外设非常丰富，重要涉及1个5通道8位至14位可编程ADC转换器、4个定期器（其中涉及一种MAC定期器）、2个USART，1个DMA控制器、1个AES128协同解决器、1个看门狗定期器、1个内部稳压器、21个可编程I/O引脚，可配备为通用I/O，也可配备为外设专用引脚。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，在接受和发射模式下，电流损耗分别低于27mA和25mA。具备3种休眠模式,从休眠模式转换到正常模式仅需54us，特别适合规定电池长期供电应用场合[26]。其重要特点如下：(1)高性能和低功耗8051微控制器核。(2)集成符合IEEE802.15.4原则2.4GHzRF无线电收发机。(3)优良无线接受敏捷度和强大抗干扰性。(4)32,64,128KB在线系统可编程flash。(5)多通道DMA控制器。(6)非常少外部组件。(7)低电流功耗（运营在32MHZ时，RX：27mA，TX：25mA）。(8)在休眠模式时仅0.9μA电流功耗，外部中断或RTC能唤醒系统。(9)在待机模式时少于0.6μA流耗，外部中断能唤醒系统。(10)低功耗到正常工作模式需要时间很少。硬件支持CSMA/CA功能。(11)较宽电压范畴（2.0～3.6V）。(12)支持数字RSSI/LQI批示。(13)具备电池监测和温度传感器。(14)8通道8~14位模数转换ADC。(15)集成AES安全协解决器。(16)带有2个强大支持多组串行合同USART。(17)1个符合IEEE802.15.4规范MAC定期器，1个16位定期器和2个8位定期器。(18)21个通用I/O引脚，其中有2个具备20mA灌电流和拉电流能力。(19)灵活功能强大开发环境。图3-4CC2430内部构造示意图Fig3-4TheCC2430internalstructurediagramCC2430芯片内部集成了大量必要电路，因而只需很少外围电路就可以正常运营并实现无线收发功能。图3-5是CC2430外围电路设计图[27]。图3-5CC2430外围电路设计Fig3-5CC2430peripheralcircuitdesign在图3-5中电容C8到C6通过除去杂波干扰稳定电压，还可以用来滤波，其电容值分别是220nF，220nF，100nF。0.1uF电容C5可以防止单片机错误复位，某些去除杂波干扰。C14,C13，C12，C11，C10是对电源进行滤波以提高工作稳定性去耦电容。一种PCB微波传播线和电感值分别为8.2nH，22nH，1.8nH电感L1，L2，L3电感以及5.6pF电容C9构成非平衡变压器，满足RF输出/输入对匹配电阻(50Ω)规定。偏置电阻R2阻值为56kΩ，32MHZ晶体振荡器精密偏置电流由阻R1值为43kΩ偏置电阻设立。用于正常工作32MHZ晶振电路由电容值为22pF电容C2，C1连接起来。用于休眠工作32.768KHZ晶振电路由电容值为15pF电容C4，C3连接起来，从而减少能量消耗。选用外置天线，选用两节干电池为低功耗CC2430芯片供电[28]。3.3.2传感器模块1.温湿度传感器DHT90DHT90/91/95系列插针型温湿度传感器采用原装进口数字温湿度传感器芯片，引脚插针为原则2.54插针。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高。她合用代工生产顾客，免焊接、免水合解决，缩短开发时间，提高开发效率；精准测量相对湿度、温度、露点；全标定输出，使用时无需重新校准；卓越长期稳定性；高精度两线制数字接口，直接与单片机相连；祈求式测量，超低能耗；无需其她外部元件；自动休眠。实物如图3.6所示，由图可知提供4针单排引脚封装，从下至上为一到四号引脚。一号引脚SCK（时间线），二号引脚VDD（电源线），三号引脚GND（接地线），四号引脚DATA（数据线）。DHT90工作电压范畴为2.4－5.5V，最佳工作电压为3.3V，普通在二号引脚（VDD）和三号引脚(GND)之间加一种去耦电容，稳定电压。一号引脚（SCK）用于微解决器和DHT90通信同步，不存在最小SCK频率，由于有一种完全静态逻辑接口。四号引脚（DATA）是读取数据三态门引脚。数据线在时钟线上升沿有效，在时钟线下降沿之后变化状态。当传播数据时，时钟线处在高电平时数据线需要坚持稳定，微解决器使数据线处在低电平来解决信号冲突问题，因而需要上拉一种电阻拉高电平。DHT90是数字温湿度传感器系列中插针型传感器。实物如图3-6，传感器输出全标定数字信号，并把信号解决和传感元件连在一起。为保证产品稳定性与可靠性采用采用专利CMOSens技术。传感器重要由一种14位A/D转换器，串行接口电路，一种由能隙材料制作测试温度元件和一种敏感电容性聚合体测试湿度元件构成。默认14位辨别率输出温度值，12位辨别率输出湿度值，通过状态寄存器将为12位和8位[29]。图3-6DHT90实物Fig3-6DHT90因而，DHT90具备体积小，全标定，数字输出，低功耗，卓越长期稳定性，4针单排引脚封装易于安装，超快响应，可靠CRC校验功能，抗干扰能力强和性价比高等长处。DHT90测湿范畴为0～100%RH，测温范畴为－40～120℃，温度响应时间不大于30s，湿度响应时间为8s，温度测量精度为±0.5℃，湿度测量精度为±4.5%RH，安装2.54mm插针。传感器DHT90通信实现重要由如下几步构成。一方面是启动传感器，依照DHT90供电电压范畴选取恰当电压向传感器通电，上电后传感器进入休眠状态，在此状态11ms内不可以向传感器发送任何命令。传感器启动后，开始发送命令，先由微解决器向传感器发送一种“启动传播”时序，完毕传播采集数据初始化工作。“启动传播”时序如图3-7所示，SCK高电平时DATA是低电平，随后SCK翻转为低电平，之后SCK翻转为高电平时DATA也变为高电平[20]。图3-7“启动传播”时序Fig3-7Starttimingtransmission初始化时序发送之后，微解决器向DHT90发送测量命令，一种字节测量命令高三位是地址位（当前值为000），低五位是命令位（湿度测量为00101，温度测量为00011,写状态寄存器为00110，读状态寄存器为00111，软复位为11110。DHT90通过第八个和第九个SCK时钟下降沿之后DATA先后为低电平和高电平来拟定接受到命令，对的接受。微解决器向DHT90发送了测量命令，并拟定DHT90已经对的接受到了命令，之后就是耐心等待测量数据，由DHT90感知采集数据，然后DHT90通过把DATA变为低电平并进入空闲模式来表达数据测量完毕。测量数据结束前微解决器不可以触发SCK时钟。测量完毕数据在读出之前可以先存储在DHT90存储器中[21]。数据测量完毕之后重新启动时钟，开始向微解决器传播数据，测量时序如图3-8所示。如图由一种字节CRC校验和两个字节测量数据形式传播成果，每个字节间通过拉低DATA来判断，数据右对齐从MSB开始传播，最后一位叫做确认位用来结束通信[22]。图3-8测量时序Fig3-8Measurementtime微解决器用复位串口时序如图3-9，避免中断与DHT90通信。发送完复位时序后发送其她命令之前要发送一种“启动传播”时序[23]。图3-9复位串口时序Fig3-9ResetserialporttimingDHT90与CC2430接口电路如图3-10所示。图3-10DHT90与CC2430接口电路Fig3-10DHT90andCC2430interfacecircuit通过上图可得，DHT90一号引脚SCLK与CC2430P1_0口相连，二号引脚VDD与电源相连，三号引脚GND接地，四号引脚DATA与CC2430P1_3口相连，其中电源与地间接上0.1uF去耦电容，提供稳定电压，数据线与电源间接一种10K上拉电阻提高驱动能力。空气质量传感器QS-01QS-01是一种二氧化锡半导体气体传感器，对各种空气污染源（诸如：VOC）均有很高敏捷度，并且响应时间不久，传感器采用塑料外壳，有3个引脚，可在极低功耗状况下获得极好感应特性，这款产品非常适合应用于空气品质控制系统、排风电扇和空气清新机。空气质量传感器QS-01外部构造图如图3-11所示。其中1号管脚为电源线接5.0V电压，2号管脚为模仿信号线，3号管脚为接地线。其中2号管脚和3号管脚之间需要接一种恰当阻值负载电阻RL[30]。图3-11空气质量传感器QS-01外部构造图Fig3-11TheairqualitysensorQS-01externalstructurediagram传感器QS-01内部由一种传感器电阻RS和一种加热器电阻RH构成。传感器电阻RS在空气中阻值范畴为5KΩ～20KΩ，当有有害气体时RS变小，传感器电阻RS变化体当前负载电阻RL上电压变化,RS=(VC*RL)/VRL-RL。2号管脚信号线与CC2430内部A/D转化器接口P0.7口相接，CC2430芯片24号引脚为其内部A/D转换器提供1.8V工作电压，因而要保证2号管脚输出电压VRL不大于1.8V。经计算设定负载电阻RL阻值为280Ω，加热器电阻RH为91Ω[31]。图3-12是空气质量传感器QS-01与CC2430接口电路。图3-12空气质量传感器QS-01与CC2430接口电路Fig3-12theairqualitysensorQS-01andtheinterfacecircuitofCC24303.4汇聚节点硬件设计无线传感器网络中汇聚节点由解决器模块，无线收发模块，电源模块构成。其中解决器模块和无线收发模块与传感器节点形同都采用HFZ－CC2430EM－22模块，不同是电源模块。汇聚节点始终处在启动状态，等待接受传感器节点采集数据，因此汇聚节点应当始终供电，本系统选用USB供电模式。系统中汇聚节点将解决后采集数据通过串口发送给PC机进而进行实时数据监控，因而在汇聚节点上要增设一种RS－232串口电路，这里咱们采用西安华凡科技有限公司SmartRF07DB母板来实现电源模块和串口电路。3.4.1电源模块汇聚节点电源模块电路如图3-13所示。图3-13电源模块电路原理图Fig3-13schematicdocumentofthepowermodule由图可知该模块可以满足各种供电方式，如电池供电、实验室电源供电、PWRjack供电和USB供电。本系统汇聚节点采用USB供电方式。当该模块与PC机通过USB总线连接时，可以直接获取USB总线上电源，经板子上LP2985－3.3线性稳压芯片后输出3.3V（和1.8V）电压。3.4.2RS－232串口模块RS－232接口经常直接于PC机或者其她设备进行通信，涉及MAX3232串口电平转换器，原则DB9female接口。RS－232接口原理图如图3-14所示[32]。图3-14RS－232接口原理图Fig3-14RS-232interfacediagramMAX3232为双通道串口电平转换芯片，其与串口线和CC2430连接状况如下。MAX3232RS－232电平收发端R2IN与T20UT引脚和串口线收发端RS232－RTS与RS232－CTS引脚相连，TTL电平收发端T2IN与R2OUT引脚和CC2430P0.5与P0.4端口相连。MAX3232TllN引脚接CC2430P0.3引脚，RIOUT引脚接CC2430P0.2引脚，接受CC2430汇聚节点通过ZigBee通信传送过来数据。4空气质量监测系统软件设计4.1ZigBee合同无线传感器网络节点要进行互相数据交流就要有相应无线网络合同(涉及MAC层、路由、网络层、应用层等)，老式无线合同很难适应无线传感器低耗费、低能量、高容错性等规定，这种状况下，ZigBee合同应运而生。Zigbee基本是IEEE802.15.但IEEE仅解决低档MAC层和物理层合同，因而Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层合同和API进行了原则化。Zigbee是一种新兴短距离、低速率无线网络技术。重要用于近距离无线连接。它有自己合同原则，在数千个微小传感器之间互相协调实现通信。这些传感器只需要很少能量，以接力方式通过无线电波将数据从一种传感器传到另一种传感器，因此它们通信效率非常高。ZigBee是一种由可多到65000个无线数传模块构成一种无线数传网络平台，十分类似既有移动通信CDMA网或GSM网，每一种ZigBee网络数传模块类似移动网络一种基站，在整个网络范畴内，它们之间可以进行互相通信；每个网络节点间距离可以从原则75米，到扩展后几百米，甚至几公里；此外整个ZigBee网络还可以与既有其他各种网络连接。普通，符合如下条件之一应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传播：需要数据采集或监控网点多；规定传播数据量不大，而规定设备成本低；规定数据传播可靠性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大网络覆盖；既有移动网络覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传播遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高局部区域移动目的定位应用。值得注意是，在已经发布ZigBeeV1.0中并没有规定详细路由合同，详细合同由合同栈实现如图4-1。图4-1zigbee合同栈Fig4-1theZigBeeprotocolstackZigBee合同基本规定涉及:一种8位解决器，完整合同软件需要32K字节ROM，而最小合同软件仅需要4K字节ROM。ZigBee合同易于实现、简朴、紧凑，虽然该合同模型是在原则开放式系统互连（OSI）模型之上建立，但只定义涉及到ZigBee层。ZigBee合同总共四层分别为：应用层（APL）、网络层（NWK）、介质接入控制子层（MAC）和物理层（PHY）。应用层由制造商制定应用对象、ZigBee设备对象（ZDO）和应用支持子层（APS）构成，该层功能是为网络层提供服务接口、定义顾客对象和提供必要函数。网络层功能是定义网络拓扑构造、传送数据、路由查找、抛弃或者接受其她节点、实现节点离开或者加入网络。MAC层功能是支持PAN连接和分离、为两个对等MAC实体提供可靠链路、访问无线信道并产生同步信号和网络信号。物理层功能是定义了MAC层与物理层接口，定义了物理无线信道信道频率、信道接入方式和信道能量监测。每层为上一层提供服务：管理实体提供其她所有所有服务，数据实体只提供数据传播服务。通过服务接入点(SAP)每一层为上一层提供服务，相应功能是通过SPA提供原语实现。4.2IAR开发环境简介本系统设计选取了IAREmbeddedWorkbench作为软件开发平台，其界面和谐，调试功能强大得到了广泛应用。IAREmbeddedWorkbench为开发不同目的解决器项目提供了强有力集成开发工具。该集成开发环境中IARC/C++编辑器，汇编工具，链接器，库管理器，文献编辑器，工程管理器和C-SPY调试器。通过其内置针对不同芯片代码优化器，IAREmbeddedWorkbench可觉得8051系列芯片生成非常高效和可靠FLASH/PROMable代码。不但有这些过硬技术，IARSystems还能提供专业全球技术支持[32]。IAREW合用于开发基于8位、16位以及32位微解决器嵌入式系统，其集成开发环境具备统一界面，为顾客提供了一种易学和具备最大代码继承能力开发平台，以及对各种特殊目的支持。IARSystemsC/C++编译器可以生成高效可靠可执行代码，并且应用程序规模越大，效果越明显；与其她工具开发商相比，系统提示使用全局和针对详细芯片优化技术；连接器提供全局类型检测和范畴检测对于生成目的代码质量是至关重要。IAREmbeddedworkbench生成可执行代码可以运营于更小尺寸、更低成本微解决之上，从而减少了产品开发成本。IAREmbeddedworkbench集成编译器重要产品特性有：(1)高效PROMable代码。(2)完全原则C兼容。(3)内建对芯片程序速度和大小优化器。(4)目的特性扩充。(5)版本控制和扩展工具支持良好。(6)便捷中断解决和模仿。(7)瓶颈性能分析。(8)高效浮点支持。(9)内存模式选取。用IAREW进行开发典型环节如下：第一步：配备开发环境，选取芯片类型、程序堆栈大小、仿真器类型等；第二步：编辑并编译源文献；第三步：连接目的文献，包括调试选项；第四步：调试程序，若发现错误，返回第二步，修改文献后继续进行；第五步：调试通过后，去掉调试选项，重新连接；第六步：生成程序代码，下载到Soc片上系统中。4.3传感器节点应用程序设计本系统中无线传感器节点工作流程是先进行初始化工作，涉及初始化操作系统、应用帧层合同、MAC层合同、非易失变量、FLASH存储、各个硬件模块、堆栈、系统时钟等十余项，形成芯片MAC地址，监测芯片电压。初始化完毕后，传感器节点发出信号祈求加入网络，这里采用父节点直接方式加入网络，详细在前面做过简介，如果传感器节点入网成功，传感器节点开始对监测区域内对象进行数据采集，数据采集结束后向汇聚节点即协调器发送采集数据，发送成功之后返回到信息采集阶段，继续采集数据，周而复始不断采集数据发送数据[29]。如下是程序设计重要实现过程，以温度作为监控采集数据。1.主程序设计终端节点重要功能：加入到当前网络中去，可以读取采集数据信息，将其发送至中心节点，可以接受来自中心节点传来数据和命令。终端节点流程图如图4.5所示。终端节点一方面进行初始化，涉及解决器、开发板、合同栈、中断、串口、批示灯以及其她某些外设。另一方面发送连接网络信号，试图加入网络，如果加入网络失败将继续尝试若干次。成功加入网络之后，进行数据采集并发送，如果发送失败继续尝试，直到发送成功为止。2.初始化程序在CC2430上电复位后，一方面进行初始化工作，涉及合同栈初始化、串口初始化、定期器初始化、硬件初始化、变量初始化、AD初始化等。图4-2终端传感器节点流程图Fig4-2FrameformatofterminalnodevoidSAPI_Init(bytetask_id)；//任务初始化函数voidHalAdcInit(void)；//AD初始化HAL_BOARD_INIT()；//硬件初始化zmain_ram_init()；//合同栈初始化InitBoard(OB_COLD)；//I/O串口初始化3.无线数据收发无线数据发送：voidzb_SendDataRequest(uint16destination，uint16commandId，uint8len,uint8*pData，uint8handle，uint8txOptions，uint8radius)；//发送函数afStatus_tAF_DataRequest(afAddrType_t*dstAddr，endPointDesc_t*srcEP,uint16cID，uint16len，uint8*buf，uint8*transID,uint8options，uint8radius)；//发送数据某些函数在该程序中，一方面进行初始化，关闭接受机，并定义发送数据包字节数，在不超过最大字节数前提下，将采集到温度传至帧格式数据载荷中存储，之后进行发送。无线数据接受：voidzb_ReceiveDataIndication(uint16source，uint16command，uint16len，uint8*pData)；//接受函数在该程序中，一方面进行初始化，打开接受机，当上一种数据包已经成功读取完毕，之后进行接受。4.数据采集程序uint8myApp_ReadTemperature(void);//温度采集在该程序中，一方面对温度传感器ADC进行初始化，然后进行温度采集并取平均值。4.4汇聚节点应用程序设计本系统中汇聚节点即协调器工作流程状况为先是进行初始化，详细状况与传感器节点类似。然后组建网络，组建网络过程在上文已经做过详细简介，组网成功之后汇聚节点等待传感器节点采集数据，当收到传感器节点采集数据时，汇聚节点通过ZigBee无线通信技术接受数据，对采集数据进行一定解决后通过串口发送给PC机然后向传感器节点发送应答信息，发送完毕返回到之前等待信息状态，依次循环下去[33]。1.主程序设计协调器重要功能：组建网络，接受数据，解决数据，串口发送数据至PC机并进行显示。程序流程图[34]如图4-3所示。初始化涉及解决器、开发板、合同栈、中断、串口、批示灯以及其她某些外设。协调器节点一方面进行初始化，然后初始化一种网络，网络详细形成见上一小节，如果网络初始化成功，可以在液晶屏上看到网络初始化某些信息。如协调器节点物理地址、已建立网络网络ID号和频道号等。之后等待来自终端采集数据信息，将其通过串口发送至PC机进行显示，同步，其所有信息都可以在液晶屏上进行显示。初始化函数和无线数据收发与终端节点类似，这里就不再重述。仅在接受某些加入了与计算机串口通信程序，这一某些将在下一章进行简朴简介。图4-3汇聚节点流程图Fig4-3sinkframeformat2.串口通信及PC显示程序voiddebug_str((uint8*)buf)；//将采集到温度值发送至串口一方面进行串口初始化，将采集到温度信息通过串口发送字符串函数传至计算机，并在每次传完温度后将采集到温度显示在串口调试助手界面上。3.液晶显示程序voidHalLcdWriteString(char*str，uint8option)；//在LCD上显示行voidHalLcdWriteScreen(char*line1，char*l