基于ZigBee的WSN室内有毒气体检测系统 5-27.doc

摘要改革开放以来，随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平越来越高。随着人们整体环保意识的增强，人们对室内的空气质量也越来越重视。本设计根据应用实际，设计了一种基于ZigBee的WSN室内有毒气体检测系统。结合物联网技术、传感与监测技术、计算机控制技术，互联网通信技术等，基于ZigBee所组建的无线传感通信网络（WSN），配合各种气体传感器，通过控制端（上位机）、协调器、终端节点（下位机）三层机构，对室内控制质量参数进行采集，并且可以在任何一台安装有上位机软件的PC机上显示、查看室内空气参数信息。设计工作以关系生活实际为出发点，在本科所学专业为基础，前期调研了大量的学术论文，总结前人研究方式，结合自己的研究实际，完成本次论文。在硬件方面主要先采取protel画图软件，设计出系统各部分的电路图，完成器件选型，并依据电路图焊接器件。根据各部分电路所要实现的功能，在已有程序的基础上进行修改，烧录程序，在Protues上进行仿真运行，根据运行情况进行硬件和软件的调试工作。本次设计的基于ZigBee的WSN室内有毒气体检测系统与国外相应产品相比较，实现了远程控制功能，成本较低、性能稳定、能耗较低、组网简单、扩展方便，完全适合用于家庭室内空气环境的监测。关键词：有毒气体；物联网；ZigBee；WSN；传感器 AbstractSince Chinas reform and opening up, with the rapid development of social economy, peoples standard of living is higher and higher.As people overall environmental protection consciousness enhancement, people on indoor air quality is becoming more and more attention. The design according to the actual application, designed WSN indoor toxic gas detection system for ZigBee-based. Combination of networking technology, sensing and monitoring technology, computer control technology, the Internet and other communication technologies, ZigBee wireless sensor by the formation of a communications network (WSN) based, with a variety of gas sensors, the control terminal (PC), the coordinator the terminal node (the crew) three-tier mechanism, indoor quality control parameters for the collection, and can be displayed on any computer equipped with a PC software PC, view the indoor air parameters.Design work in relation to real life as the starting point, in undergraduate science professional basis, a lot of preliminary research papers, previous research mode, combined with their actual study, the completion of this thesis. In terms of hardware taken protel first major drawing software to design a circuit diagram of the various parts of the system, complete device selection, and based on a circuit diagram of the welding device. Each part of the circuit according to the functions to be achieved, on the basis of the existing program to modify the burning process, the simulation runs on Protues, debug hardware and software to work according to the operating conditions.The design of the ZigBee-based WSN indoor toxic gas detection systems and the corresponding foreign products compared to realize the remote control function, low cost, stable performance, low power consumption, networking simple, easy expansion, perfectly suited for home monitoring indoor air environment.Keywords: Toxic gases; Internet of things; ZigBee; WSN; Sensor目录摘要3Abstract3目录5第1章绪论71.1课题研究的背景71.2国内外研究现状及目的与意义81.3论文的主要工作及结构91.3.1论文的主要工作91.3.2论文的结构9第2章室内有毒气体检测系统的关键技术112.1物联网技术112.1.1物联网的定义112.1.2物联网的特点112.1.3物联网的基本架构112.1.4物联网的关键技术122.2短距离无线通信技术132.2.1室内有毒气体检测的功能需求132.2.2室内有毒气体检测的功能结构13第3章室内有毒气体检测系统的总体设计173.1室内有毒气体检测系统的功能需求173.2室内有毒气体检测系统的总体功能结构173.2室内有毒气体检测系统的硬件设计方案183.2.1系统的通信技术183.2.2系统的硬件的拓扑结构183.3系统的软件设计方案20第4章室内有毒气体检测系统的硬件设计214.1系统的整体硬件电路214.1.1 WSN的主控芯片214.2 WSN的协调器硬件设计224.3传感器模块硬件设计234.3.1一氧化碳检测节点的硬件设计234.3.2甲醛检测节点的硬件设计254.3.3 PM2.5检测节点的硬件设计26第5章 室内有毒气体检测系统的软件设计275.1 搭建ZigBee开发环境275.2 ZigBee节点的软件设计295.2.1 ZigBee的半开源协议栈Z-Stack295.2.2协调器节点的软件设计295.2.3终端节点的软件设计315.3上位机软件的设计34第6章系统测试356.1 基于ZigBee的WSN网络的测试356.1.1室内有毒气体检测系统的功能测试35第7章 总结与展望36参考文献37致谢38第一章 绪论1.1课题研究的背景自人类进入工业时代以来，“空气污染”这个词汇越来越频繁地出现在人们生活中。在世界史上，英国最先实现了工业革命1。大量的化石燃料不充分的燃烧，烟雾未经处理就排放，在当时极力推进工业时代发展的年代，忽视了对空气质量的关注，结果就是遭到了大自然的报复。20世纪50年代轰动全球的伦敦烟雾事件，导致了一万多人死亡，给整个英国社会带来了极大地震慑与损失。自此次事件之后，英国政府通过了治理污染的特别法案，其中清洁空气法案成为英国全境通行的法律2。世界各国也对空气污染的治理越来越重视，加大了治理力度。随着整个社会环境保护意识的增强，室内的空气质量情况也越来越受到人们的重视3。室内是人们工作、生活、起居的重要场所，通常人的一天有三分之二是在室内度过，可见室内空气质量对人们身体健康的影响有多大。近年来室内甲醛超标事件、煤气泄漏事件等等频繁见诸报端。例如：据报道，2015年秋季开学后，深圳某中学新铺设的塑胶跑道中甲苯和二甲苯含量严重超标，本来是为了让学生强身健体的跑道，却变成了危害学生身体健康的毒跑道；2016年4月19日中央电视台报道了江苏一所学校，在一处原是化工厂的土地旁边设立新校区，结果导致近500名学生血液指标异常，部分学生还检查出白血病、淋巴癌等；2016年5月9日新浪微博用户揭露了吉林一所中学由于校方新建教室和所购置的桌椅甲醛含量超标，导致全体初三学生出现呕吐、恶心，眼睛充血等甲醛中毒症状。甲醛（HCHO）是一种气体，其无色，有强烈的刺激性气味，在工业生产中甲醛是作为一种重要的工业原料被添加至各种工业产品中。其主要的危害是对人体的皮肤黏膜造成刺激，一定浓度下的甲醛会导致人的眼睛发红、咽喉疼痛、胸闷气短，长期接触甲醛就会引发呼吸功能障碍、肝中毒、基因突变、淋巴癌、白血病等。苯（C6H6）本质上是一种芳香烃，其极易燃烧、无色、有香味。苯也是作为一种工业原料被添加至各种工业制品中，具有极高的毒性和致癌性。目前我国城市居民日常做饭以天然气为主，天然气主要成分为甲烷（CH4），甲烷本身无色、无味、没有毒性，但当室内通风不畅，甲烷泄漏，导致空气中甲烷含量达到25%以上时，就会使人头痛、头晕、四肢乏力、恶心，严重时会导致窒息死亡。除此之外，甲烷充分燃烧会产生二氧化碳（CO2），一旦其燃烧不充分，会产生一氧化碳（CO），一氧化碳也是一种无色、无味的气体，但人一旦吸入这种气体，一氧化碳会与血液中的血红蛋白相结合，导致血红蛋白失去与氧气结合的能力，进而导致人体组织缺氧，最终导致窒息死亡。在我国中部或中部偏南地区由于没有采取集中供暖，人们通常会采用煤炉取暖或者燃油取暖器，一旦通风不畅，就会出现一氧化碳中毒事故发生。PM2.5是最近几年在中国叫的特别多的一个词汇。PM2.5泛指空气中直径等于或小于2.5m的颗粒，通常称之为可吸入肺颗粒物。PM 2.5颗粒物的来源极其复杂，但人为因素是其最大的生产源4。人类燃烧的化石燃料所排放的烟尘、燃烧各种垃圾产生的烟尘、各种燃油燃气囧车辆和设备的尾气、室内人们大量吸食的烟草所释放的烟雾等等都是PM2.5的重要来源。据2012年联合国环境规划署的一份报告显示，在全球，每年有近210万人的死因与吸入过量的细颗粒如有关。PM2.5不仅对人的身体造成极大地伤害，在PM2.5值较高的情况下，能见度受到影响，高速公路封闭、机场封闭，学校停课等等，极大地影响了整个社会的良好健康发展。鉴于以上诸多空气质量问题，如何安全、高效、便捷的监测控制室内空气质量，是人们迫切希望解决的问题。1.2国内外研究现状及目的与意义为了保障家用煤气、液化气、天然气等的安全使用和煤矿内瓦斯的准确监测，国外自上世纪30年代就展开了对气体传感器的研究工作，并取得了瞩目的成果。DOAS即差分吸收光谱技术由Noxon于上世纪70年代提出，这种技术广泛应用于大气环境监测、烟雾监测等领域6。20世纪90年代中期，David W. T. Griffith开始使用傅里叶变换红外光谱即FTIR对空气质量进行检测；TDLAS是近年来推出的一种空气质量监测技术，其具有灵敏度高、分辨率高的特点，能够对甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）等进行检测；国外在有毒气体检测领域比较先进，但其设备昂贵，并不适用于家庭的推广和使用。与国外很早开展气体检测的研究相比较，国内在此类领域的研究开展的较晚，整体方面与国外有较大的差距。中科院安徽光机所主持开发了机动车尾气在线监测系统7；天津大学吴桢教授等进行“DOAS系统设计及数据处理”研究；上海理工大学郑海明等对“二氧化氮可见光区内压力对吸收特性的影响”8做了研究；东南大学汤光华等对“差分吸收光谱法在线测量烟气浓度实验研究”9进行了相关论述；随着科技的发展，物联网技术被认为是一种可以给当今世界带来巨变的技术，麻省理工学院Auto-ID研究中心指出所谓的物联网就是实现物品以传感器为桥梁连接互联网，达到能够智能辨识与管控物品的目的。依托物联网技术气体传感检测的系统，能够进行远距离检测，实现多节点综合检测管理。本课题根据室内空气质量监测的应用实际，结合物联网通信技术、传感器与检测技术、计算机控制技术、信息网络技术等，以高效、便捷、低成本为目的，设计研究了一款基于ZigBee的WSN室内有毒气体监测系统。本设计可以实现对室内有害气体的实时监测，并对有害气体的超标情况进行报警提示，能最大限度的减少室内空气污染对人体的危害，市场空间广阔，具有很大的实际意义。1.3论文的主要工作及结构1.3.1论文的主要工作本次毕业设计工作以关系生活实际为出发点，在本科所学专业的基础上，选取了基于ZigBee的WSN有毒气体检测系统这样一个课题。前期调研了大量的学术论文，总结前人研究方式，结合自己的研究实际，完成本次论文。在硬件方面主要先采取protel画图软件，设计出系统各部分的电路图，完成器件选型，并依据电路图焊接器件。根据各部分电路所要实现的功能，在已有程序的基础上进行修改，烧录程序，在Protues上进行仿真运行，根据运行情况进行硬件和软件的调试工作。1.3.2论文的结构第二章室内有毒气体检测系统的关键技术；本章节主要介绍物联网的定义、特点、关键技术及其应用。分析室内有毒气体检测的功能需求、功能结构、有毒气体检测系统的通信技术、物联网与有毒气体检测的关系。整个检测系统的网络拓扑结构和基于ZigBee的WSN网络的拓扑结构；家庭网关的工作原理与功能。第三章基于ZigBee的WSN有毒气体检测系统的总体设计；本章节主要介绍系统的总体架构、各环节硬件设计方案、软件设计方案。第四章基于ZigBee的WSN有毒气体检测系统的硬件设计；本章节主要介绍基于ZigBee的WSN网络的搭建、主控芯片CC2530的构成、家庭网关的的电路原理和ZigBee终端节点与相应气体传感器的电路原理。第五章基于ZigBee的WSN有毒气体检测系统的软件设计；本章节主要介绍ZigBee协调器的软件工作流程、家庭网关与上位机的通信实现、各终端节点的软件设计和上位机客户端的软件设计10。第六章基于ZigBee的WSN有毒气体检测系统的各环节功能测试；本章节主要介绍了开发环境的安装、模块调试、终端节点的功能测试。第七章总结与展望。第二章 室内有毒气体检测系统的关键技术2.1物联网技术2.1.1物联网的定义物联网（Internet of Things”，IOT）是伴随着全球信息网络技术的发展所推出的概念，麻省理工学院Auto-ID研究中心指出所谓的物联网就是实现物品以传感器为桥梁连接互联网，达到能够智能辨识与管控物品的目的。2005年，ITU-T发布的报告中阐述到：物联网就是人、物在任何地点、时间以各种形式互连形成的动态网络。如今被大众认可的物联网是指遵从一定的协议，利用电子传感设备，射频识别设备、全球定位系统（GPS、北斗）等，使物体与互联网之间能够产生通信的网络，在这种网络下可以实现对物的智能化识别、定位、管控。2.1.2物联网的特点物联网有三个特性：信息感知的全面性、信息传递的可靠性和信息处理的智能化。信息感知的全面性是指物联网需要掌握物体的所有信息。例如物体所处环境的温湿度、位置等信息与状态，信息感知犹如人的感觉器官，全面掌握身体所有状态。信息传递的可靠性是指利用传感网络与互联网的互连，实现传感信息对用户的实时、准确传递。信息传递犹如人的神经系统，将各种信号传输到大脑神经中枢。信息处理的智能化指通过多种智能计算技术分析处理数据并达到智能控制的目的。信息处理犹如人的大脑神经中枢，处理神经系统传递来的各种信号并作出相应的反馈动作。2.1.3物联网的基本架构物联网的通讯依靠无线通信网络和互联网进行，要实现物联网的真正实用价值，需要结合通信技术、传感技术、终端设备等。根据物联网的三个特征：信息感知的全面性、信息传递的可靠性和信息处理的智能化，建立起物联网系统的基本架构11，分别由：感知层、传输层和应用层组成12。1.感知层感知层是由各种传感器和近距离组网设备等组成的传感网络。主要采集、辨识物体的物质属性、环境状态等信息，传感网络中的设备多采用嵌入式系统，其自组网技术可满足多节点网络进行数据传递。2.传输层传输层是直接通过现有各种通信网络传输由感知层所产生的信息。为了实现信息的顺利传输，传输层往往需要有基于相应协议所设计的网关来实现异构网的接入。3.应用层应用层主要是用户控制管理设备终端等综合平台。构建一个完整合理的应用层需基于相应的行业应用模型，融合多种专业知识和各种用户需求。2.1.4物联网的关键技术从物联网定义、特点、基本架构以及当前信息网络技术的发展分析，物联网技术可以分为四个大类：感知技术、传输技术、支撑技术和应用技术。1.感知技术感知技术是物联网感知层感知信息的技术，常用的技术主要有射频识别（RFID）技术，也就是RFID标签内存储有满足协议要求的实用信息，在应用中，系统利用无线通信网络采集存储的信息，从而完成物品的识别。传感器技术，这是采集物体与自然环境等处信息，并对所采集信息进行处理的一种技术。GPS、北斗等全球定位技术，GPS技术是美国的全球定位系统，北斗导航系统（BDS）是中国自行研发的全球导航技术。全球定位作为感知移动的技术，可以满足物联网对移动物体状态的信息采集，推进物流交通的智能化发展。多媒体信息采集与处理技术，这是利用图像采集、语音采集设备等采集图像、音、视频信息并对其进行处理的技术。条形码/二维码技术，这种技术采用特定的几何图形遵从一定的规律分布于二维平面上，其黑白相间的图形代表其所隐藏的信息，利用扫描设备就可以辨识其中的信息，非常方便快捷。2.传输技术传输技术是利用各种通信网络传输感知层数据信息的技术。目前常用的传输技术有：移动通信网、互联网、无线网络、卫星通信、短距离无线通信。其中目前常用短距离无线通信技术有802.11系列无线局域网、蓝牙、近场通信（NFC）技术和红外传输技术等。3.支撑技术支撑技术是指对数据进行处理、加工的技术，它与计算机技术的发展密切相关，包括云计算技术、嵌入式系统、人工智能技术、数据库与数据挖掘技术、分布式并行计算和多媒体与虚拟现实等。4.应用技术应用技术是使物联网系统成功运行的技术，其融合各类技术、行业模型实现物联网系统的集成、综合管理。整体来讲，物联网应用技术包含有专家系统、系统集成技术、编、解码技术等。2.2短距离无线通信技术室内有毒气体检测网络在通信的实现上有无线方式和有线方式两种选择。有线方式信号持续性、稳定性好一些，但采取有线方式在设置网络时布线复杂、维护工作量大、成本高、扩展困难、不易组网等问题给用户带来不便。而无线通信有着更好的发展空间和市场前景。无线通信方式完美的弥补了有线通讯方式的各种不足，在无线通信网络信号的辐射下，各种设备可以灵活的移动，在整个室内有毒气体检测网络的建设中将增加很多的灵活性。将短距离无线通信技术应用于室内有毒气体检测符合功能性和环保性的需求，短距离无线通信是指在无线网络所辐射的一定范围内的通信，目前常见的技术有蓝牙（Bluetooth）、802.11系列无线局域网、NFC（近场通信）技术和红外传输技术等。下面将简单介绍这几种常用的短距离无线通信技术，并作出综合分析与比较。1.蓝牙蓝牙(Bluetooth)是一种低成本、短距离的无线数据与语音传输的开放性全球规范。属于2.4GHz ISM (IndustrialScientificMedical)开放频段，无需申请专门的开发许可执照。传输速率可达1Mbps，传输距离可达10m。由于蓝牙芯片体积小、功率低，在对数据传输速率要求不高的移动设备中应用比较广泛。2.Wi-Fi Wi-Fi是无线保真技术(Wireless Fidelity)的英文简称，频段为2.4GHz8，无需申请专门的开发许可执照。目前有IEEE802.11a和IEEE802.11b两个标准。其特点是：无线网络辐射范围较广（100m左右）、数据传输速率高（可达11Mbps）、应用便捷、能耗较大。3.IrDA IrDA是红外线数据协会(Infrared Data Association)的简称。通常所说的IrDA是指利用红外线进行点对点通信的技术，其无需申请专门的开发许可执照。最早的IrDA传输设备传输性能十分有限，传输范围仅1m，传输速率仅115.2Kbps，如今这类设备性能及工艺已经有了很大的提升，传输速率可以达到 4Mbps (Fast Infrared, FIR) 和16 Mbps (Very Fast Infrared, VFIR) 。 其特点是：体积小、功率低、能耗低、易连接、多设备（两台以上）传输困难、核心部件生命周期短。4.ZigBee ZigBee名称源于蜜蜂的Zigzag形状的舞蹈来传递信息的通信方式。ZigBee联盟负责制定ZigBee技术规范，IEEE802.15.4标准定义了ZigBee的PHY（物理）层和MAC（媒体访问控制）层14，其无需申请专门的开发许可执照。ZigBee基本传输速率是250kbps，待机模式下，两节普通5号干电池可持续使用6个月以上，可与254个节点连网。与蓝牙相比，ZigBee相较蓝牙有着组网简单、速率低、功耗和成本低的优势， ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟。其特点是：近距离、低速率、低成本、低功耗、自组网、多节点。5.RFID RFID是射频识别(Radio Frequency Identification)的简称。本质是一种非接触式的自动辨识技术，其主要是利用射频信号和该信号的空间耦合(电感或电磁耦合)的传输特性15，对物品进行辨识。最原始的射频识别由阅读器(Reader)、应答器(Transponderi)和电子标签(Tag)组成，电子标签无需使用电池，只需要在其内部安置芯片。常见的应用有门禁卡、校园卡等。RFID的特点是：免接触重复读写、体积小、抗污性好、数据容量大、安全性高。6.NFC NFC是近场通信(Near Field Communication)的简称。本质是与RFID类似的短距离无线通信技术标准，最初由PHILIPS等公司所提出。但NFC采用了双向的辨识与互连，只要两个NFC设备足够接近就实现连接，其传输距离很近（20cm以内），工作频率为13.56MHz。NFC的特点是：极近距离、低功耗、低速率、高安全性。 7.UWBUWB是超宽带(Ultra Wide Band)的英文简称。其本质上是一种利用纳秒级非正弦波窄脉冲的无线载波通信技术。UWB在3.110.6GHz频段中占用500MHz 以上的带宽。8.60 GHz 随着互联网的普及和多媒体的兴起，海量的数据交互要求更高的无线传输技术，60GHz毫米波技术能够满足这种需求。60 GHz 无线数据传输技术的特点是：可用带宽多、速率高、抗干扰能力强、体积小、安全性高。 9.Z-Wave 丹麦的Zensys公司最早提出Z-Wave，主要应用于自动化控制领域。其工作频带为868.42MHz(欧洲)908.42MHz(美国)，调制方式为FSK(BFSK/GFSK)，传输速率非常低（9.6Kbps），在不同场合其信号有效辐射范围不同，室内有效辐射范围为30m，室外有效辐射范围为100m。Z-Wave的特点是：距离近、速率低、成本低、功耗低。用户的需求推动着技术的发展，以上几种短距离无线通信技术都有各自产生的历史背景和实用价值。表2-1给出了蓝牙、超宽带、ZigBee和WLAN等4种主要短距离无线通信技术的比较。总的来说，这几种短距离无线通信技术之间相互竞争，但在某些应用方面它们又互为弥补。表2-1 几种常见短距离无线通信技术的比较Bluetooth UWB WLAN IrDA ZigBee速率 1Mbps 500Mbps 11Mbps 16Mbps 20-250kbps成本 中 高 高 小 小能耗 较耗电 耗电 最耗电 较省电 最省电距离 10m 10m 30-100m 定向1 m 10-75m介质 2.4GHz 3.1-10.6 GHz 2.4 GHz 980nm红光 2.4GHz节点数 7 100 30 2 255 / 65535第3章室内有毒气体检测系统的总体设计3.1系统总体架构完善的安全保障机制与便利的监测控制操作是家庭室内有毒气体检测最重要的点。室内空气质量的监测主要依靠各种传感器设备，传感器设备要具有很高的灵敏度，以便于在空气质量超标的一瞬间采取报警措施。设备上电运行后，一旦空气中相应气体的浓度超过预设的阈值，报警器报警，并通过WSN传送给上位机显示。要实现通信功能，就离不开通信网络，用合适的技术和措施使家庭WSN网络与外部互联网实现连通，实现远程通信功能，这一方法就是家庭网关技术。家庭网关技术很好的解决了家庭内部无线传感器通信网络主芯片处理器与内存的限制，无法运行TCP/IP协议的弊端，在家庭网关的以太网芯片硬件上实现了TCP/IP协议，从而可以使无线传感器通信网络主芯片可以实现连接互联网的功能。物联网的通讯依靠无线通信网络和互联网进行，要实现物联网的真正实用价值，需要结合通信技术、传感技术、终端设备等。根据实际应用情况，可以从结构上将物联网分为三层：感知层、传输层、应用层。基于ZigBee的WSN室内有毒气体检测系统作为物联网的一个典型应用场景，当然也符合这三层结构，室内有毒气体检测系统的功能结构如图3-1所示。3-1室内有毒气体检测系统的功能结构1.感知层。感知层要实现两点，第一点是全面感知、采集与辨识室内空气环境，包括一氧化碳、甲醛、PM2.5等的信息；第二点是接收来自控制端（应用层）的控制指令信息。感知层囊括了与监测室内空气环境有关的各种设备，通过传感器技术，获取各种感知信息。2.网络层。网络层实际上对应于物联网结构中的传输层，在这一层面主要目的是实现室内无线通信网络（WSN）能与外部互联网进行无障碍、可靠、安全的互连，进而能够实时的传输各种数据信息、操作指令等。室内有毒气体检测系统的网络层在实际应用的具体体现就是家庭网关，顾名思义，网关是连接家庭内部网络（WSN）与外部互联网的枢纽、桥梁，其技术层面的原理是实现两种不同协议进行通信。3.应用层。应用层可以是控制管理设备终端等综合平台，应用层在室内有毒气体检测系统中具体体现在满足用户通过控制终端（PC机）所展示的直观方便的人机交互界面，对室内环境信息进行查询，综合、全面的掌握室内空气质量情况的需求。3.2硬件设计方案3.2.1系统的通信技术根据室内有毒气体检测的功能需求与应用实际，分析得到室内有毒气体检测系统的室内无线通信网络（WSN）所需的特点是：短通信距离、多终端节点、低能耗、低速率、高可靠性、高安全性、高灵活性即能够适应网络拓扑结构的动态变化。通过对上一章节的表2.1中所展示的各种常用的短距离无线通信技术的各类参数综合对比，整体而言，ZigBee技术的协议栈简单，移植方便，其低功耗、低成本、高安全性、高可靠性和高扩展性使其更合适应用在组建室内网络中。因此，在本此设计中选择ZigBee技术来组建室内有毒气体检测系统的无线传感通信网络（WSN）。3.2.2系统的硬件的拓扑结构在建立一个无线通信网络之前，需要根据具体的应用实际来规划、设计合适的网络拓扑结构。合理的规划、设计等前期工作，有利于组建一个高效、节能的通信网络。在正式介绍ZigBee网络拓扑结构之前，有必要先了解一下ZigBee网络中的设备类型。ZigBee常用来组建低速率、低功耗的无线个域网(LR WPAN)。其网络的基本组成单元是设备，在同一个物理信道范围内，两个或者两个以上的设备就可以组建一个简单功能的无线个域网。在IEEE802.15.4网络中，根据设备的配置及其实现的功能将ZigBee网络中的设备分为FFD(full-Function device)，全功能设备的英文简称和RFD(reduced-function device)，精简功能设备的英文简称两种类型10。在配置方面，FFD设备能够实现全部IEEE802.15.4协议的功能。RFD设备仅能实现部分IEEE802.15.4协议的功能。在通信能力方面，全功能设备FFD具有与其同类型设备和精简功能设备RFD实现通信的能力。精简功能设备RFD却不具有与其同类型设备实现通信的能力。在ZigBee网络中，所有ZigBee设备会被分为三种角色，一种为协调器，一种为路由器，一种为终端节点。一般情况下，全功能设备FFD设备担任协调器和路由器的角色，精简功能设备RFD设备则充当终端设备，而且在一个ZigBee网络中仅允许有一个协调器存在。协调器的主要功能是组建和分配网络子地址。一旦网络建立完成，协调器的作用就像路由器节点(或者其至可以离开)，这个协调器的存在与否不会影响ZigBee网络的正常运行。路由器负责管理其他电子设备入网申请，多跳路由和协助它自己的由电池供电的子终端设备的正常通信。通常情况下，路由器全时间处于工作状态，因此能量损耗较大。终端设备的功能相对简单，它主要功能是加入、退出网络、发送、接收网络报文等。终端设备不能转发报文且不负责网络维护，在为了节能情况下，可以设置进入休眠状态，在需要时进行激活即可。基于ZigBee的WSN网络有三种组织网络方式，分别为：星型网络、树状网络和网状网络，三种网络拓扑结构的示意图如图3-2所示。图3-2 基于ZigBee的WSN网络的三种拓扑结构星型网络拓扑结构由一个作为中心节点的协调器（主设备）和多个从设备构成，是一种发散式网络。协调器负责发起和维护网络，必须是全功能设备（FFD）。从设备既可以是全功能设备（FFD），也可以是精简功能设备（RFD），可根据实际情况选取。树状网络拓扑结构是由ZigBee协调器、若干个路由器节点及终端节点组成的。树状网络可以看做由ZigBee协调器作为根，终端节点作为叶的一个树状网络，在此网络中的协调器仅仅担任网络的控制和管理角色，不对数据进行转发。网状网络(mesh)拓扑结构是ZigBee网络三种拓扑结构中最复杂的一种。在网状网络中，只要处于设备的通信范围内，两个全功能设备（FFD）设备就能够通信。即在此网络中全功能设备（FFD）有着路由器的功能。 ZigBee网络中的所有设备均有一个64bit的全球唯一的IEEE地址。为了减小数据报的大小，在子网内部，协调器在进行初始连接(Association)时能够为设备分配一个16bit的地址作为网内通信地址。综合比对、分析ZigBee三种网络拓扑结构，并联系室内有毒气体检测的应用实际，本系统选择星型网络拓扑结构来设计、组建WSN网络。3.3软件设计方案本系统的软件设计总体方案为：实现对终端节点的数据进行实时显示的上位机程序、实现协调器功能和不同网络协议之间转换的家庭网关程序、实时采集空气质量参数信息的终端节点的控制程序。其中家庭网关程序和终端节点的控制程序需要在ZigBee协议下进行开发设计。所有环节的程序共同合作完成了对空气质量参数的采集、数据处理、传输和数据显示等所有功能，是整个硬件系统的灵魂。本系统的软件总体设计框图如图3-3所示。图3-3 系统的软件总体设计框图第4章室内有毒气体检测系统的硬件设计4.1系统的整体硬件电路ZigBee开发板硬件电路主要由CC2530芯片及其外围电路、电源模块的硬件电路、PL2303芯片及其外围电路等组成。系统的整体硬件电路如图4-1所示。ZigBee模块核心板与WiFi芯片集成在一个板子上，处理器芯片具有32M 的RAM，8M 的Flash。整块开发板采用模块化设计，集成有用于异步通信通用串行数据总线UART、可做总线扩展器的通用输入/输出口GPIO 、一个WAN口、一个LAN口、USB接口、各种传感器接口、串口收发指示灯、仿真器接口、显示屏接口、WiFi调试串口、组网指示灯、手动组网按键等，具有过压、过流、反接等多级保护措施。在实际应用中将网线接入WAN口，家庭网关上电后，设置其IP地址，即可实现协议转换、路由选择、组建网络等家庭网关的功能。图4-1系统整体硬件电路考虑到室内有毒气体检测的应用实际与信号传输的稳定性等众多因素，在本次设计中，采用德州仪器（TI）的ZigBee片上系统CC253X系列的CC2530芯片作为基于ZigBee的WSN的主控芯片，其原理电路如图4-1所示。CC253X系列设备的基本组成：1.CPU和与内存相关的模块：CC253x系列设备所使用的8051 CPU内核是一种单周期的8051兼容内核。这类内核通过三个不同的存储器（SFR、DATA和CODE/XDATA）实现对总线的访问功能。2.时钟电路和电源管理相关的模块：该类设备利用一个1.8V低差稳压器来给数字内核和外设供电。除此之外，CC253x系列设备还具备管理电源的功能，能够设置不同的供电模式，使低功耗应用得以正常运行，此类应用通常使用电池供电，因功耗低，电池使用寿命很长。3.外设部分：例如：调试接口、I/O控制器、多功能五通道DMA控制器、定时器、USART0和USART1 、AES 协处理器等。4.无线电模块：该系列设备具有一个能在IEEE802.15.4协议下工作的无线RF收发器。为便于嵌入式单片机对无线通信的控制，该系列设备还具有一个接口连接嵌入式设备。图4-1 CC2530电路原理CC253x系列设备可以方便的利用HW工具设置开发环境、利用SmartRF软件安装所需的驱动，设置编译器工具链等等。在编写应用程序软件时，可以在Z-Stack软件、RemoTI 网络协议和TIMAC软件等这些可用的标准协议上面建立程序，也可以将程序建立在SimpliciTI网络协议这种专门的协议上面。4.2传感器模块硬件设计4.2.1一氧化碳检测节点的硬件设计MQ-7型传感器是气体、烟雾传感器，常用于检测某些气体和烟雾的泄漏。该类型传感器中的气敏材料部分是由微型Al2O3陶瓷管、SnO2所组成的敏感层。其对各类气体检测的灵敏度特性如图4-4所示。在传感器的腔体内固定安置有测量电极和加热器，其中电极和与加热器组成传感器的敏感元件部分，腔体材料通常为塑料或者不锈钢。因为不同温湿度会导致检测精准度有波动，为了使传感器在各种温湿度下稳定工作，在腔体内设置了加热器，其气敏元件的温湿度特性如图4-3所示。加热器的作用是为了给气敏材料（Al2O3陶瓷管、SnO2）提供了适宜的工作环境条件。该类型传感器适宜于一氧化碳、煤气、天然气等的检测。实验中使用主控芯片的 P0_6引脚做为检测引脚, 正常状态时为该引脚电平为高电平，当气体或烟雾浓度高于设定值时，该引脚电平降为低电平16。在实际电路中该传感器各引脚的接线方式是：VCC端接直流5V电源的正极，GND端接直流电源的负极，DO端接主控芯片的TTL开关信号输出，AO接模拟信号输出(悬空没有使用)。其电路原理如图4-4所示。图4-2 MQ-7型气敏元件的灵敏度特性其中：温度：20、相对湿度：65%、氧气浓度：21%RL=10kRs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R 0: 元件在洁净空气中的电阻值。图4-3 MQ-7型气敏元件的温湿度特性由表中数据可知Ro: 20，33%RH条件下，100ppm一氧化碳中元件电阻。Rs:不同温度，湿度下，100ppm一氧化碳中元件电阻。图4-4 MQ-7电路原理4.2.2甲醛检测节点的硬件设计甲醛传感器是具有两电极的电化学型传感器，其对甲醛的检测是根据扩散原理来实现的，无需外部采样硬件设备17。当有甲醛气体存在的时候，将会有一个很小的直流产生；该传感器本身无需电源支持，但是其所产生的小电流需外部设备将其转变为单片机等可读的信号，在此设计中由ADC0809来实现对小电流的模数转换功能。甲醛传感器硬件电路图如图4-5所示，AD转换电路如图4-6所示。图4-5甲醛传感器电路原理图4-6 AD转换电路原理4.2.3 PM2.5检测节点的硬件设计PM2.5检测节点的工作原理为：烟灰或灰尘等粉尘处于检测设备的工作范围内时，由于这些粉尘而导致散射的光射入光接收元件作为电压输出18。其电路原理如图4-7所示。图4-9 PM2.5检测节点的电路原理4.3 WSN的协调器硬件设计在基于ZigBee的WSN网络中，协调器的作用是建立和配置网络，是整个网络的核心环节。在WSN中协调器又是连接ZigBee模块与网关的重要桥梁。本设计所采用的家庭网关实际上综合了协调器和网关的功能，本质上协调器与网关仍然是两部分独立电路。为了实现ZigBee模块的主控芯片通过RS232总线与网关通信，需要采用MAX232芯片及其外围电路来实现电平的逻辑转换，其电路原理图如图4-8所示。MAX232正常工作所需的3.3V直流电压由AMS1117来转换。其转换电路如图4-9所示。图4-8 MAX232电平转换电路原理图4-9 AMS1117电压转换电路原理第5章 室内有毒气体检测系统的软件设计5.1 搭建ZigBee开发环境 一般情况下，我们从硬件环境、软件环境两个部分，软硬结合地去搭建功能完善的ZigBee开发环境。硬件：PC机，ZigBee开发板（底板、核心板、仿真器、USB线）；软件：win7系统 ，ZigBee开发包。ZigBee开发包由众多需要协同工作的软件和工具组成，这些软件和工具包括： IAR Embedded Workbench、SmartRF Flash Programmer、SmartRF04EB仿真器或者CC Debugger仿真器、USB转串口驱动、串口调试助手、ZigBee Sensor Monitor 1.2.0、ZStack-CC2530-2.5.1.a协议栈等。其中IAR Embedded Workbench IDE提供了一个使很多开发工具（譬如IAR AVR C/C+编译器、汇编器、通用的IAR XLINK Linker等）都可以完整的嵌入到其内部的框架结构，除此之外，它还具有很强的代码承接能力以及对大多数和特殊目标的支持。1.安装IAR Embedded Workbench打开IAR EW8051 V8.1文件夹找到“EW8051-EV-8103-Web.exe”程序，安装该软件。该安装界面如图5-1所示。按照安装操作提醒，逐步操作。最后点击“确定接受许可”之后，找到IAR EW8051 V8.1文件夹下的“IAR kegen PartA.exe”程序，以管理员身份运行该程序，界面如图5-2所示。 图5-1 IAR EW8051 V8.1安装界面 图5-2 IAR kegen PartA运行界面选择“Generate”选项，分别将License和Licensekey内容粘贴到下一个窗口中。按照操作提示，成功安装完毕即可。2.安装安装 SmartRF Flash Programmer 和仿真器，此处我选择安装与开发板配套的SmartRF04EB仿真器。同样找到ZigBee开发包内的SmartRF Flash Programmer1.9.0.exe软件，因为与win7兼容性的问题，需要以管理员身份运行此类软件。按照操作提示，逐步完成安装。 SmartRF Flash Programmer软件安装成功后，通过10Pin 排线使仿真器与开发板实现连接,然后再利用USB数据线使仿真器另一端与PC实现连接，至此，三者连为一体，只需等待仿真器驱动安装完成。此时打开 SmartRF Fl