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智能 环境监测 无线 传感器 网络 节点 设计

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目 录1 引言11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究与发展现状11.3 课题研究的主要内容42智能环境监测无线传感器网络节点总体设计方案42.1 节点功能分析42.2 节点硬件组成52.3 节点数据处理过程62.4 小结63智能环境监测无线传感器网络节点硬件设计63.1 温度采集模块电路设计63.1.1 实现功能63.1.2 器件特性73.1.3 工作原理73.1.4 电路设计73.2 湿度采集模块电路设计83.2.1 实现功能83.2.2 器件特性83.2.3工作原理93.2.4 电路设计93.3 红外人体采集模块电路设计103.3.1 实现功能103.3.2 器件特性113.3.3 工作原理113.3.4 电路设计123.4 火源传感器模块电路设计123.4.1 实现功能123.4.2 器件特性123.4.3 工作原理123.4.4 电路设计133.5 信息处理电路设计133.6 电源模块电路设计133.7 串口通信模块电路设计143.8 节点总体模块电路设计143.9 小结164 智能环境监测无线传感器网络节点程序设计164.1 温度采集模块节点程序功能164.1.1 流程图164.1.2 代码设计174.2 湿度采集节点程序功能204.2.1 流程图204.2.2 代码设计204.3红外人体感知节点程序功能224.3.1 流程图224.3.2 代码设计224.4火源传感器节点程序功能234.4.1 流程图234.4.2 代码设计244.5小结255 智能环境监测无线传感器网络节点设计性能测试255.1 节点实物照片255.2 节点测试255.2.1 测试目标255.2.2 测试过程265.2.3 测试结果285.3 小结29结 论30致 谢31参考文献32淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 34 页 共 33页1 引言1.1 课题研究背景及意义无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域1。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价小型或微型无线传感器网络节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织智能网络系统2。环境监测是一类典型的无线传感器网络应用，如加州大学伯克利分校计算机系的Intel实验室和大西洋学院联合开发了一个名为“in-situ”的利用无线传感器网络监测海岛生态环境的项目3，并在大鸭岛开展了对海燕栖息地生态环境的研究。实际上，无线传感器网络就是在特定应用背景下，以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合。因此传感器节点不仅是网络硬件系统的主体，而且也是整个网络软硬件系统最主要和最核心的部分。本课题主要是对智能环境监测无线传感器网络节点的硬件设计，本设计开发相应的硬件平台和嵌入式程序。主要工作是设计相应的传感器节点模块电路，研究编写传感器节点处理程序，测试实物电路板的性能指标，并对不良之处做进一步改进。该传感器节点可将ZigBee网络中所采集的数据传输到远程数据服务器中，系统结构简单、组网方便、传输距离远、使用成本低等特点，具有一定的工程应用价值，可以用于工业监控网络远距离数据传输。本文设计的传感器硬件节点包括温度传感器、湿度传感器、红外人体传感器和火源传感器。在环境监测中，由于野外环境比较恶劣或者由于人工控制不准确，环境信息不能很好的掌握，比如森林监测、火源监测、油库监测、大棚监测、车间监测等，不适合搭建有线网络。智能环境监测能够发挥无线传感器网络的低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，更方便的监测其环境的温度、湿度、人员接近以及是否有火源危险的各种环境数据信息，自动传送到数据库。一旦出现温湿度偏高、偏低、外来人员或火源危险的信息，就会发出报警信息。因此，对智能环境监测无线传感器节点设计的研究在环境监测中有一定的应用前景和意义。1.2 国内外研究与发展现状目前，由传感器、微处理器和无线通信接口组成的无线传感器网络得到了空前的发展。由大量的无线传感网节点自组织组成的无线传感网能够广泛应用于环境科学、医疗健康、空间探索、智能家居、军事、交通、采矿和灾难拯救等各个领域，无线传感网已成为下一代“计算无处不在”的关键技术6。传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会制定了传感器网络研究计划7；美国很多大学都已开展传感器网络的研究，其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和Intel公司联合成立的“智能尘埃”实验室7。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示7，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感网的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感网方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感网研究的行列7。传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发7。在研究环境监测时，一些研究通过传统方式采集原始数据时很困难，而无线传感器网络对其研究则提供了方便。应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需要更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素。WSN非常适合于自然环境中的灾害预警、生态监测及特定对象的数量监测等方面的应用。这类应用一般需要大地理范围的网络部署，很多项目都需要较长周期的数据获取8。环境监控应用的典型案例有：夏威夷大学在夏威夷火山国家公园部署了WSN进行生态环境监测，用来监测那些濒临灭种的植物所在地的微小气候变化，以揭示为何特定物种只能生存在某些特定环境中9。韩国研究人员将WSN部署到山地旅游区，来监测旅游者的数目 10 和周围环境，以便保护生态系统。监测海燕生存环境及其在气候变化时行为的GDI项目11。该系统将传感器获取的温度、湿度和气压等环境信息以多跳路由的方式发送到监测管理中心，管理中心使用这些信息可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视其活动和生存环境。美国学者将无线传感器网络放置在葡萄园中12。通过对葡萄园环境的监测来提高作物的品质。研究者通过与农业领域的专家合作，分析了湿度、温度和病虫害对葡萄成熟度和品质的影响。澳洲的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况13。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效。科研人员将采集到的信号在结点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发挥控制中心。通过处理，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。美国研究者在华盛顿东部的农场部署了环境监测无线传感器网络14。该系统除了自身的监测功能外还与相应的控制系统相结合，当测得的环境温度低于某个预先设定的临界值时，系统可以自动启动温控设备，防止出现冻害。国内学者王晓东、赵晓光、梁子泽、谭敏研制了用于煤矿环境监测的环境监测的无线传感器网络系统15。该系统基于加州大学伯克利分校的TMote SKY节点和Tiny OS操作系统，可以用来监测煤矿内部的环境变化，同时还能实现矿工的定位。重庆大学的研究者将无线传感器网络应用到了西双版纳的自然保护区内16。该系统结合了GPRS、GIS、红外夜视和GPS等技术，实现了自然保护区生态环境信息的监测、动物活动路线规律的跟踪、新动物的发现、火灾等自然灾害的预警、以及巡护管理等功能。上海交通大学自动化系17基于气体污染源浓度衰减模型，开展了气体源预估定位系统。电子科技大学、中国空气动力研究与发展中心以及北京航天指挥控制中心的研究人员，利用无线传感器网络进行大型风洞测控环境的监测，对旋转机构，气源系统、风洞运行系统，以及其他没有基础设施而有线传感器系统安装又不方便或不安全的应用环境进行全方位检测17。武汉理工大学开展了无线传感器网络在火车车厢环境中的测控应用，对车厢内的空气质量、安全隐患等等进行全程检测17。北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用” 17正式把农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中。最终使温室中传感器、执行机构标准化、数字化、网络化，从而达到增加作物产量、提高经济效益的目的。近几年随着无线传感器网络的不断发展，以及软硬件设备的逐渐成熟。世界范围内环境监测领域无线传感器网络的应用越来越广泛，新技术和新想法不断涌现，相信在环境和农业监测领域会有广泛的应用前景。1.3 课题研究的主要内容本课题围绕智能环境监测无线传感器网络节点进行分析和设计。在确定无线传感器节点采用ZigBee无线通信协议采集数据的总体设计方案的基础上，设计出该节点的硬件和软件，并进行测试与实验运行。归纳起来，主要的研究工作如下：（1） 节点总体方案设计。（2） 节点的硬件设计，包括各个传感器设计、信息处理模块、电源模块和数据测试模块设计。（3） 采用ZigBee点对点通信技术协议，应用无线传感器网络节点设计方案。（4） 编写了传感器节点数据采集的嵌入式程序和串口测试数据程序。（5） 传感器节点的调试与实验。2智能环境监测无线传感器网络节点总体设计方案2.1 节点功能分析无线传感器网络节点设计应用于智能环境监测，能够实时的传递环境数据信息，支持无线通信，点对点通信。节点可通过无线传感器网络建立连接，通过传感器节点采集环境数据，使用串口显示传感器节点采集的数据，查看其数据是否有异常情况。这些功能可概括如下：（1）节点数据采集：通过红外人体传感器、湿度传感器、温度传感器和火源传感器来实时的采集数据。（2）节点通信协议：采用无线通信ZigBee中SPP（简单包协议）协议完成端到端的数据传输。（3）节点数据分析：检查所测环境的温湿度，查看是否超出正常范围；检查是否有人进入危险区域；检查是否有火源出现，及时报警。信息采集模块发送数据数据接收处理模块串口显示数据SPP协议图2-1 节点功能结构图2.2 节点硬件组成节点硬件由无线传感器节点模块、处理器模块、无线射频模块和电源模块组成。其中，无线传感器节点模块采用温度传感器模块、湿度传感器模块、红外人体传感器模块和火源传感器模块组成。处理器模块和无线射频模块采用CC2430芯片。电源模块采用外接直流电源。由无线传感器节点采集环境数据信息，通过处理器和无线射频模块的处理，将信息发送至串口，以获得相关的实时信息，了解研究环境数据，并作出相应处理。如图2-2所示。无线传感器模块温度采集模块人体感知模块湿度采集模块火源采集模块处理器模块无线射频模块（CC2430）串口显示电源模块图2-2 节点组成2.3 节点数据处理过程在通信过程中，传感器节点数据处理由数据采集、数据处理、数据传输和数据接收四部分组成。数据处理部分，将信息采集节点设为发送节点，各传感器与CC2430芯片的可编程IO口相连，利用C51RF-3-PK仿真器下载嵌入式程序，实现传感器节点的环境数据采集和点对点通信。数据处理和传输部分采用CC2430芯片，完成无线点对点通信协议处理，利用ZigBee中数据链路层的SPP协议完成端到端的传输处理。数据接收部分，在接收节点中下载嵌入式通信程序，实现数据的接收和串口的数据显示功能，从而进行实时监测，了解环境信息，以便做出及时处理。如图2-3所示。数据接收 数据处理与传输 CC2430芯片处理串口通信数据采集 传感器采集节点温度湿度人体火源接收节点C51RF-3-PK仿真器图2-3 传感器节点数据处理过程2.4 小结本章对智能环境监测无线传感器节点设计进行了概要分析，给出了的硬件组成，并且介绍了节点数据处理过程。在本章中同时也给出了节点功能结构图、节点组成图和传感器节点数据处理过程图，详细说明了无线传感器网络节点设计的总体方案。3智能环境监测无线传感器网络节点硬件设计3.1 温度采集模块电路设计3.1.1 实现功能利用传感器DS18B20采集环境温度信息，经过A/D转换成数字信号以电信号的形式通过导线传送给CC2430芯片。主要功能要有：可完成多路温度采集；能实时显示各路温度信号值；可以自行设定温度上下限。该模块简单，体积小，测量精度高，抗干扰能力强。3.1.2 器件特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；（5）温度范围55125，在-10+85时精度为0.5；（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.1.3 工作原理传感器测量的温度值位数因分辨率不同而异，且温度转换时延时为750ms。低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度18。3.1.4 电路设计引脚说明：1GND：接地。2DA：数据输出口。单线运用的数据输入/输出引脚，漏极开路，常态下高电平。使用单线把温度信号直接转换成数字信号输入CC2430中的P1.4口。3VCC：可选电源脚。电源电压范围为35.5V。工作于寄生电源时，此引脚应接地。本设计中采用5V直流电压。图3-1 温度采集模块（DS18B20）电路原理图DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。温度采集模块利用灵敏传感器DS18B20精确采集温度信号，经过A/D转换成数字信号以电信号的形式通过导线传送给CC2430芯片。如图3-1所示。3.2 湿度采集模块电路设计3.2.1 实现功能湿度采集模块利用湿敏传感器感知环境湿度的变化，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。经湿敏传感器与CC2430芯片的可编程IO口相连，通过嵌入式程序下载可实现测试出周围环境的湿度变化。3.2.2 器件特性湿度传感器其特点19如下：（1）全互换性在标准环境下不需校正；（2）长时间饱和下快速脱湿；（3）可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；（4）高可靠性与长时间稳定性；（5）专利的固态聚合物结构；（6）可用于线性电压或频率输出回炉；（7）快速反应时间；（Ta=25，除非特别标定）。特征参数表，如表3-1。表3-1 HS1101特征参数表参数符号参数值单位工作温度Ta-40100储存温度Tstg-40125供电电压Vs10Vac湿度范围RH0100%RH焊接时间T=260t10S (Ta=25，10KHz,除非特别标定) 所得标定数据是通过CETIAT 实验室的NIST标准而来工作频率10KHz ， Ta=25 。多项式的反应方程式： （3-1）此电容测量都是在10KHz条件下测的，但是传感器并没有限制必须工作在5K100KHz。可以用以下的公式做校正： （3-2） （3-3）典型温度影响：+0.1%RH/（1060）电压输出典型参数（VCC=5V，25），如表3-2。表3-2 电压输出典型参数表RH0102030405060708090100Vout-1.411.651.892.122.362.602.833.073.313.553.2.3工作原理HS1101是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在测试时，电容值随着空气湿度的变化而变化，才能进行有效的数据采集。用555结成电路组成振荡电路，HS1101湿度传感器充当振荡电容，从而完成从湿度到频率的转换。当相对湿度从0%变化到100%时，电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为0.04pF/，湿度滞后量为1.5%，响应时间为5s。3.2.4 电路设计HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。在电路设计中，要将电容的变化量准确地转变为CPU易于接受的信号。在本设计中，采用将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比得到的电压频率信号，可直接被CPU所采集。频率输出的555测量振荡电路如图3-2所示。集成定时器555芯片外接电阻R23、R21与湿敏电容C1101，构成了对C1101的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1101的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R22是防止输出短路的保护电阻，R24用于平衡温度系数。图3-2 湿度采集模块（HS1101）电路原理图该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vcc通过R21、R23向C1101充电，经t充电时间后，HS1101的电压（Uc）达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vcc，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R23放电，经过t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vcc，此时输出引脚3端又由低电平升为高电平。如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为： （3-4） （3-5）因而，输出的方波频率为 （3-6）可见，空气湿度通过555测量振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号。表3-3给出了其中的一组典型测试值。表3-3 频率输出典型参数表RH（%RH）0102030405060708090100Fr(HZ)735172247100697668536728660064686330618660333.3 红外人体采集模块电路设计3.3.1 实现功能在智能环境监控系统中，需要了解有没有人员进入危险区域。这里的人体感知传感器，通过感知人体辐射出的红外线进行对人的判断，并根据相应的环境情况作出判别，判断是否进入危险区，并相应的作出反应或示警。3.3.2 器件特性热释电红外传感器RE200B 采用TO-5封装形式，正常工作直流电压3-10V；信号输出电压最小值2.5V，典型值4V；噪声输出电压最大250mV，典型值90 mV，频率响应0.3Hz-3Hz，增益10dB。该传感器探测范围平视角138度，仰视角125度。在传感器前安装菲涅尔透镜可以增大探测范围，增强传感器工作的稳定性。此传感器工作在 7-14um 的红外光谱之间。正常工作周围环境温度范围-3070，储存温度-4080。3.3.3 工作原理热释电人体红外传感器由敏感单元、滤光窗和菲涅尔透镜等三大部分组成20。（1）敏感单元从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电红外传感器敏感单元对红外线的感受表现在敏感单元的温度变化，而温度的变化导致电信号的变化。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了不向外输出信号；而传感器的低频响应（0.110Hz）和特定红外波长（一般为515m）响应决定了传感器只对外界的红外辐射而引起本身的温度变化敏感，或者说只对人体的运动敏感。因此，传感器可以抗可见光及其中极大部分红外线的干扰。（2）滤光窗滤光窗是由一块薄玻璃堵上多层滤光层薄膜而形成的，能有效地滤除7.014m波长以外的红外线。人体的正常体温为3637.5，即309310.5K，所辐射的最强的红外线的波长为=9.679.64m，中心波长为9.65m。人体辐射最强的红外线波长正好落在滤光窗的响应波长（714m）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线，以避免引起干扰。（3）菲涅尔透镜传感器只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。不加菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2m，配上透镜时至少可达10m。菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区，还有聚焦作用，焦距一般为5cm左右。实际应用时，应根据实际情况调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方15cm的地方。3.3.4 电路设计在RE200B的电路设计中主要芯片采用了BISS0001，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成热释电红外人体传感器模块。在人体传感器的正前方固定一个菲涅尔透镜，人体一旦在透镜前运动，人体辐射的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的“盲区”和“可见区”，使传感器敏感单元的温度不断发生变化，从而输出电信号。图3-3 红外人体感知模块（RE200B）电路原理图红外人体感知模块利用红外热释电传感器RE200B，感知人体辐射出的红外线进行对人的判断，并根据相应的环境情况产生中断，判断是否进入监测范围，并相应的作出反应或示警。如图3-3所示。3.4 火源传感器模块电路设计3.4.1 实现功能火源传感器利用红外线对对火源非常敏感21的特点，使用特制的红外线接受管来检测火源，然后把火源的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到CPU中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。3.4.2 器件特性远红外火源传感器可以用来探测火源或其它一些波长在700纳米1000纳米范围内的热源。在检测火源的过程中，远红外火源探头起着非常重要的作用，可以用它来寻找火源。模拟量输出，标准3线接口，工作电压+5V。3.4.3 工作原理远红外火源传感器能够探测到波长在700纳米1000纳米范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。远红外火源探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。3.4.4 电路设计红外火源传感器通过红外接收管来检测是否有火源信息出现，将红外光变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，可以通过A/D转换为0-1023范围内的数值。外界红外光越强，数值越小。图 3-4 火源传感器模块电路原理图红外火源探测模块利用红外热释电温度传感器感知监控区域内红外变化，通过传感器的温度变化量判断环境中是否存在危险火源。如图3-4所示为火源传感器电路原理图。3.5 信息处理电路设计信息处理部分：主要采用CC2430模块，实现信息的传输与接收。CC2430模块将接收到的信息通过串口传输给MCU处理单元。原理图如图3-5所示，其中包含芯片复位电路，JTAG口程序下载电路。图3-5 信息处理部分原理图3.6 电源模块电路设计电源模块：主要采用LM2576和AMS1117进行稳压调节，如图3-6所示。AMS111722是一个正向低压降稳压器，设计使用的AMS1117-3.3输出电压为+3.3V。AMS1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动NPN管组成的，漏失电压定义为：VDROP=VBE+VSAT。片内过热切断电路提供了过载和过热保护，以防环境温度造成过高的结温。LM257623芯片是单片集成电路，有优异的线性和负载调整能力，具有热关断及电流限制保护的特点。LM2576的电压调节满足Vout=VREF*(1+R52/R51)，VREF=1.23V，其中R51在1.0k到5.0k之间。设计使LM2576输出+5.0V的稳定电压，R52/R51=3.0 。为满足电路的需求，可将+5.0V电压进行进一步转换。图3-6 电源稳压模块3.7 串口通信模块电路设计串口通信模块通过DB9连接串口终端，显示通过串口0采集到的数据，便于实时了解程序传递的数据。串口通信模块电路如图3-7所示。图3-7 串口通信模块电路3.8 节点总体模块电路设计传感器节点将采集到的环境数据传送到CC2430芯片，芯片对数据进行处理并采用ZigBee协议发送至网关节点，完成信息采集节点的信息收发过程。如图3-8示为节点总体电路设计图，图3-9所示为节点的硬件PCB设计图。图3-8 节点总体电路设计图图3-9 节点的硬件PCB设计图3.9 小结本节详细介绍了智能环境监测无线传感器节点硬件设计，首先从整体出发，介绍了整个节点电路的功能需求及组成，再分别从温度传感器模块电路、湿度传感器模块电路、红外人体传感器模块电路、火源传感器模块电路及电源电路设计等方面分层解析整个节点电路的原理。其中重点描述了各个传感器模块的设计，提供了PCB设计方案，并且给出了实物图。另外着重解析了电源电路的设计，分别在对应模块中先介绍了传感器工作的原理及引脚功能，再在单独小节中对其设计进行描述说明。4 智能环境监测无线传感器网络节点程序设计4.1 温度采集模块节点程序功能4.1.1 流程图温度采集模块的流程图如图4-1所示。读取环境温度信息开始结束产生延时复位初始化DS18B20图4-1 温度采集模块流程图温度传感器DS18B20采用1-Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输。该协议规定了信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。每一次命令和数据的传输都是主动启动写时序开始，如 果要求单总线回送数据，在进行写命令后，需要启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20的写时序分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采用IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低后，在15us之内就得释放单总线。4.1.2 代码设计（1）读数据函数unsigned char read_1820() /读18B20 unsigned char temp,k,n; temp=0; for(n=0;n8;n+) CL_DQ; /清信号位 SET_DQ; /重置信号位 SET_IN; /初始化读数据位 k=IN_DQ; /读数据从低位开始 if(k) temp|=(1n); else temp&=(1n); Delay_nus(70); /60120us SET_OUT; return (temp);（2）写数据函数void write_1820(unsigned char x) unsigned char m; SET_OUT; for(m=0;m8;m+) CL_DQ; Delay_nus(1); /延时3个指令周期 if(x&(11;j-) Delay_nus(50000); if(init_1820() return; /如果没有初始化，返回 write_1820(0xcc); /跳过 write_1820(0xbe); /开始读teml=read_1820(); /读数据低位 temh=read_1820(); /读数据高位if(temh&0x80)/判断正负 flag=1; c=0; c=c|temh; c=c&0x00ff; c=c4; else flag=0; /为正 a=temh4; /得到高位的值 b=teml&0x0f; temh=a; teml=b&0x00ff; sensor_data_value0=teml; sensor_data_value1=temh;（4）处理温度数据unsigned char* GETtempData() unsigned char temh,teml; unsigned int num; unsigned char* pch=ch; read_data(); /读数据 teml=sensor_data_value0; temh=sensor_data_value1;num=teml*625; /小数部分的取值每位代表0.625（精度） if(flag=1) *pch+=-; /判断正负温度if(temh/100=0) /百位 *pch+= ; else *pch+=temh/100+0x30; /+0x30 变为09ASCII码 if(temh/10%10=0)&(temh/100=0) *pch+= ; /十位 else *pch+=temh/10%10+0x30;*pch+=temh%10+0x30; /个位 *pch+=.; *pch+=num/1000+0x30; /小数点后1位的数 pch=; *pch+=2; *pch+=0;return ch; 4.2 湿度采集节点程序功能4.2.1 流程图湿度传感器节点采集数据流程图如图4-2所示。1秒定时器初始化IO初始化开 始T1时钟初始化读取湿度值结 束图4-2 湿度传感器节点采集数据流程图HS1101主要完成在单位时间内的频率测量。程序设计采用端口扫描方式，间隔8S开始测量，测量时间为1S。统计单位时间内脉冲的个数，输出频率与相对湿度数据对照，确定湿度值的范围，并将湿度值通过串口显示。为确保测量精度，可以取3次以上测量数据，求平均值后，作为最终送显示数据。程序代码采用嵌入式C语言编写，经IAR编译环境中进行编译后，下载至CC2430处理器内执行。4.2.2 代码设计（1） 函数功能 ：初始化IO口void InitIO(void) P1DIR |= 0X03; P1_1 = 1; P1_0 = 1; P1INP &= 0X40;/有上拉、下拉 P1IEN |= 0X40; /P16开中断 PICTL&=0X02; /下降沿 EA = 1; IEN2 |= 0X10; / P1IE = 1; P1IFG &= 0x40; /P15中断标志清0（2）函数功能 ：T1中断函数#pragma vector = T1_VECTOR _interrupt void T1_ISR(void) IRCON &= 0x02;/清中断标志 counter+; if(counter = 250) counter = 0; /timetemp = 1; /一秒到 led1 = led1; / 调试指示用 /调用脉冲中断有多少次 HF=number; number=0;/次数清零 （3）函数功能 ：P16外部中断函数#pragma vector = P1INT_VECTOR_interrupt void P1_ISR(void) P1IF &=0x40; /清中断标志 number+; （4）函数功能 ：定时器初始化函数void InitClock(void) CLKCON = 0X38; /TICKSPD = 111 定时器计数时钟源 while(!(SLEEP&0X40); /等晶振稳定（5）函数功能 ：T1初始化函数void InitT1(void) T1CCTL0 = 0X44; T1CC0H = 0x03; T1CC0L = 0xe8; T1CTL |= 0X02; IEN1 |= 0X02; IEN0 |= 0X80;（6）主函数void hum_main(void) InitClock(); InitT1(); InitIO(); do /把频率转换成湿度 HUM=556-HF/13.3; while(1);/end /end hum_main()4.3红外人体感知节点程序功能4.3.1 流程图温度采集模块的流程图如图4-1所示。初始化开始结束延时是否产生中断是否处理中断图4-3 红外人体传感器节点采集数据流程图红外人体传感器模块在有人进入（即产生中断）感应范围时通过不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平。有人进入则产生中断，并处理中断；否则，清中断，继续检测区域范围人员进入情况。4.3.2 代码设计（1）初始化函数/32M晶振初始化void XtalInit(void) SLEEP&=0x04; /OSC_PD位设为0:32M的晶体振荡器和16M的RC振荡器都上电 while(!(SLEEP&0x40); /晶体振荡器开启且稳定 CLKCON&=0x47; /选择32MHz晶体振荡器 SLEEP|=0x04; /CLKCON.OSC指定的一个上电，也就是说选择32M的晶体振荡器工作；关闭不用的RC振荡器/UART0通信初始化void Uart0Init() P0SEL |= 0x0C; /初始化UART0端口 PERCFG&= 0x01; /选择UART0为可选位置1 U0CSR = 0xC0; /设置为UART模式，而且使能接受器 U0GCR = BAUD_E_115200; U0BAUD = BAUD_M_115200; /设置UART0波特率（2）处理中断#pragma vector=0x6B_interrupt void P0ExtSub() nCount+; /检测到人加1 P1IFG&=(15); /中断标志清0 P1IF=0; /清中断（3）主函数void main() xtalInit(); /系统时钟初始化 Uart0Init(); /串口初始化 /IO端口初始化，设置为输入 P1SEL&=(15); /选择为GPIO方式 P1DIR&=(15); /设置为输入 P1INP|=(15); /三态方式 /中断控制初始化 EA=1; /允许全局中断 IEN2|=(14); /允许P1中断 PICTL&=(11); /上升沿产生中断 P1IEN|=(15); /中断使能 P1IFG&=(10;m-)for(n=20;n0;n-)for(s=248;s0;s-);（2）主函数void main()while(1) /无限循环 LED=1; /熄灭P1.0口灯 if(DOUT=0)/当高于设定值时 ，执行条件函数 delay();/延时抗干扰if(DOUT=0)/确定高于设定值时 ，执行条件函数 LED=0; /点亮LED灯 4.5小结本节详细介绍了智能环境监测无线传感器网络节点嵌入式程序设计，首先从整体出发，介绍了整个节点程序的功能需求及组成，再分别从温度传感器、湿度传感器、红外人体传感器和火源传感器四个分层解析整个节点程序的过程流程并提供了程序设计流程图。详细对每个节点模式下的程序设计进行了描述说明。5 智能环境监测无线传感器网络节点设计性能测试5.1 节点实物照片节点硬件设计部分包括温度传感器、湿度传感器、红外人体传感器、火源传感器、信息处理模块、电源模块和数据测试模块。信息处理模块采用CC2430芯片，通过JTAG接口下载嵌入式程序。电源模块分为电源转换模块和电源供电模块。数据测试模块主要使用串口显示数据。照片如图5-1所示。图5-1节点硬件照片图5.2 节点测试5.2.1 测试目标各个传感器模块能够实时准确的采集到环境数据，希望观察到的实物现象是：传感网节点的红、黄指示灯轮流闪烁，表示能成功发送数据；节点上ZigBee模块的红、黄指示灯轮流闪烁，表示能成功接收到节点发送的信息；通过串口显示传感器节点采集到的环境数据信息。5.2.2 测试过程传感器节点性能测试，主要是对传感器参数传递进行测试，用IAR软件实现。下载传感器节点嵌入式程序界面如图5-2所示。下载点对点通信协议程序界面如图5-3所示。图5-2传感器节点嵌入式程序下载图5-3 点对点通信协议下载节点具体测试步骤如下：（1）在软件编译没有错误的情况下，连接上C51RF-3型仿真器后再把模块接到仿真器。下载程序成功，可以观察到节点硬件上CC2430芯片的绿灯和红灯不停交替闪烁，如图5-4所示。图5-4传感器节点与下载器相连（2）将传感器节点数据采集程序下载至芯片CC2430，然后中断，单步运行，在菜单View下选择Watch选项，弹出Watch窗口，在窗口中输入各参数的名称，运行程序，观察得到参数的值能否正确获取。如图5-5所示。图5-5 单步运行程序图（3）步骤（2）成功后，可以直接在节点硬件上先测试采集到的环境数据，如图5-6所示。图5-6 数据测试图（4）在实现节点间通信的情况下，传感器节点分别下载数据采集发送程序，上电后看到的现象是节点硬件模块上的两个LED轮流闪烁，表示程序下载成功，传感器节点能够正常采集环境信息；并且在接收节点上下载接收程序和串口显示程序，观察到的现象是两个LED也轮流闪烁，表示依次接收到传感器节点发出的信息，成功实现了点对点通信，如图5-7所示。图5-7 节点通信传输数据信息5.2.3 测试结果该硬件节点采用单独测试，传感器节点模块采集数据的具体数值可以通过串口观察。在调试程序时，温度传感器节点设定波特率分别为57600。测试时在室温下进行测试，室温下为28.0，把手放在温度传感器上，温度会随之上升，温度传感器的采集数据显示信息如图5-6所示。图5-6 温度传感器采集数据信息红外人体传感器设定其波特率为115200。本传感器用于测试移动的人体，所辐射的最强的红外线的波长为=9.679.64m，红外人体传感器节点采集数据显示的信息如图5-7所示。图5-7 红外人体传感器采集数据信息5.3 小结本章描述了智能环境监测无线传感器网络节点整个性能测试的过程，包括节点的功能测试、节点的性能测试。在确保基本功能能够实现的基础上，进行性能测试。性能测试包括温湿度、红外人体和火源检测的参数测试。测试结果表明，基本功能全部实现，性能基本达到要求。结 论本论文介绍了智能环境监测无线传感器网络节点设计，分别从总体设计方案、节点硬件设计、节点程序设计和节点设计的性能测试四个方面做了具体分析。完成了节点数据的采集功能，通过实时的数据采集，来实现对环境的实时监测，以了解在环境中是否有危险元素出现。从分析节点的设计原则入手，设计了传感器节点硬件平台，并设计了节点的各个功能模块，测试了系统的传输性能。测试了节点对温度、湿度、人体和火源信息的准确性。无线传感器网络具有快速部署、动态组网的特征。无线传感器网络在克服传统监测手段不足上具有一定的技术优势，随着系统的不断完善，将会在环境监测领域具有更广泛的应用前景。本论文主要围绕节点的硬件和软件方面做了工作，根据点对点通信协议设计了环境监测节点。实际测试表明，硬件节点实现了各个传感器节点的数据的采集功能，能够较稳定地工作。但由于个人能力有限和时间等其它方面的限制，也存在着一些不完善的地方：（1）完成了传感器节点的理论设计，但是硬件系统的焊接不够完善。开始电路设计图没有考虑周全和仔细检查，导致我的电路没有通过移动的电池供电，而是通过直流电源插座供电，这样使用起来不是很方便。而且有些电路设计存在着错误，后来通过切线来完成的，导致我的电路焊接不美观。（2）节点的电路设计及软件编程都存在着不完善。单个测试传感器节点的时候能够通过串口显示出数据，但是四个传感器同时下载程序时，没有设计好延时，不能很好的把握好测量环境的时间。（3）没有充分利用好协议。ZigBee协议栈运用不熟悉，从物理层到应用层都有一系列的协议。这些协议针对不同的应用环境各有特点。在以后的工作中，可以考虑通信更加灵活地路由策略让各个节点分担数据传输，平衡节点的能量。通过改进路由协议，减少数据碰撞和跳数，确保传输数据时的可靠性。另外，在应用中还必须考虑设计具有安全机制的路由协议。致 谢大学时光已接近尾声，首先我要感谢我的母校淮阴工学院，学校浓厚的学术氛围，舒适的学习环境将令我终生难忘。感谢对我倾囊相受，鞭策鼓励的诸位恩师，你们的谆谆教导，我将铭记于心。其次，我要特别感谢我的指导老师胡荣林，胡老师渊博的知识、严谨的治学态度使我感受良多、受益匪浅。胡老师对我的关心和教导尤为重要，如果没有胡老师给予的精心指导，尚不知以何等糟糕的面目出现。我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文的反复检查等等每个环节都凝结着老师付出的辛劳和汗水。我很自豪有这样一位老师，我对他怀着无限感激和尊敬之情。感谢通信班的季从顺、冯准和章建军同学。由于他们在无线传感器方面和专业知识学习过硬，每当我在硬件电路设计和软件部分编写协议格式转换程序时遇到了问题，向他们求教时，他们总能热心地指导我，给我讲述具体的操作方法，帮我走出困惑。让我不仅对无线传感器网络有了进一步的认识，而且掌握了编写一些简单协议的方法。四年大学生活即将结束，回顾美好的校园生活，无比留恋。感谢和我共度四年美好大学生活的07级通信工程的所有同学。感谢所有的授课老师传与我知识和做人的道理，是我终身受益。感谢所有关心、鼓励、支持我的家人、亲戚和朋友们。祝愿我的母校蒸蒸日上，永创辉煌！祝愿我的恩师们，身体健康，家庭幸福！祝愿我的同学们前程似锦，事业有成。祝愿我的父母健康长寿，平安幸福！参考文献1刘永强，郑宾.用于环境监测的无线传感器网络节点设计J.数字通信世界，2008：81-832杨光，杨波.面向环境监测的无线传感器网络节点设计J.单片机与嵌入式系统应用， 2008（3）：38-403王雪梅，徐本崇，陈俊杰.用于环境监测的无线传感器网络节点的设计与实现J. 测控技术，2007，26（11）：1-3, 64 李战明，李泉，殷培峰.基于ZigBee的环境监测无线传感器网络节点设计J.电子测量技术， 2010，33（6）：188-1225 范波，苗伟.无线传感器网络及其在环境监测应用概况J.通信技术，2009，12（42）：170-1726 曹明华.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用学位论文.甘肃：兰州理工大学，200