基于无线传感器网络的化工区环境监测系统研究报告

摘要I摘要本文针对当前环境监测中面临的监测点分散、布线困难和实时性差等特点，研制了一种基于无线传感器网络（WIRELESSSENSORNETWORKS,WSN）的化工区空气环境远程实时监测系统。该系统的主要功能是分布在化工厂区域的传感器节点采集空气环境参数，通过基站传输数据到中央控制室的数据中心进行实时处理与分析，远程终端用户可以通过INTERNET实现对空气质量全天候的实时监测，并对污染等突发事件和环境急剧变化所影响的区域的空气环境状况实时报警，为空气环境污染的防治提供决策支持。本项目对系统的传感器节点设计、网关节点设计、节点监测软件、上位机监控软件等方面进行了详细的设计。在系统结构上采用传感器节点、基站节点、数据处理监控中心的三层结构传感器节点的系统设计技术是组建无线传感器网络的关键技术之一，本文首先研究了无线传感器网络节点的系统设计与实现方法，分别阐述了传感器板和基站节点板的硬件设计，并详细讨论了基于ATMEGA128和CC2420芯片数据采集电路、通信电路设计和监控软件结构等构成，最后给出了I/O扩展接口的设计；基站与上位机的通信采用GPRS无线收发模块，有效地解决了数据传输距离的限制；设计了一种太阳能自供电的ZIGBEE无线传感器监测节点,可以为系统无限制的提供能量；在传输过程中常采用基于IEEE802154网络标准,有效的提高传输的稳定性及可靠性。上位机采用工业组态软件KINGVIEW对化工区现场的环境信息进行显示和管理，不仅降低了系统设计的复杂性，提高了系统工作的实时性和可靠性，又实现了界面的友好。此系统的设计成功，不但有效地克服了传统环境监测系统的低可靠性问题,而且增加了新的监测功能，很好地解决了化工区环境实时监测的问题，在条件恶劣和无人坚守的环境监测和事件跟踪中显示了很大的应用价值。关键词环境监测无线传感器网络低功耗GPRS组态软件第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品2目录摘要I第一章绪论511项目研发及背景意义512化工区环境监测系统的发展前景613无线传感器网络监测系统的功能及特点714本章小结8第二章化工区环境监测系统的设计921化工区环境监测系统构架922传感器节点1023网关节点1024上位机监控中心1125本章小结12第三章化工区环境监测系统的硬件设计1331传感器节点设计13311传感器节点的系统构架13312数据采集模块设计15313数据处理模块设计19314ZIGBEE无线数据传输模块设计22315电源模块设计2632网关节点设计27321网关节点的系统构架27322CC2420模块设计28323微处理器模块的设计28324GPRS模块设计28325电源模块设计3533本章小结38第四章化工区环境监测系统的软件设计3941无线传感器网络系统的软件设计39411软件开发环境介绍39412软件设计功能分析39413网关的软件设计39414终端设备节点的软件设计42415路由器节点的软件设计43第一章绪论3416终端节点低功耗软件设计4442上位机监控软件设计45421监控软件开发环境介绍45422上位机监控软件开发步骤45423上位机监控软件设计4743本章小结52第五章工作总结53参考文献54致谢55附录1目前化工区在线环境监测系统56附录2传感器节点总体硬件设计图57附录3CC2420芯片48引脚及其功能介绍58附录4AT指令集指令简编61附录5采用MC35I模块的GPRS67附录6太阳能电池电路68第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品4第一章绪论11项目研发及背景意义化工生产的出现是社会发展、科技进步、人类文明提高到一定程度的标志，是现代化生产的重要领域，也是当今工业发达的重要体现。随着我国经济的快速增长，化学工业也在飞速发展，随之而来的是化工事故发生的频率不断增大，造成了大量的人员伤亡和严重的经济损失，甚至造成不良的政治影响。化工产业一方面给我们的社会经济和人民生活水平起到了巨大的提高和促进作用，另一方面也给人民群众的生命财产安全构成了极大的威胁。在我国，安全生产，突发事件，环境处理等问题形式日益严峻。我国是一个化工业发展大国，由于工作设备相对落后，管理水平水平欠缺，环境监测系统未完善等原因，引起的化工事故频繁发生，造成重大的经济损失和人员伤亡，环境问题也日益恶化。2005年11月13日，中石油吉林石化分公司双苯厂苯胺二车间操作人员违反操作规程，发生爆炸事故，造成8人死亡。大量苯、硝基苯等物料流入松花江，造成松花江水体严重污染。2006年1月6日，浙江省绍兴市上虞市长征化工有限公司六氯车间一反应釜发生爆炸事故，造成2人死亡。2008年8月26日，广西宜州一家化工厂发生爆炸，据称爆炸车间储存着甲醇等化工原料。爆炸事故造成16人死亡（其中有2人身份无法确定，可能是失去联系人员），另有6人失去联系，医院收治伤员60人。2009年4月24日，沈阳化工集团一化工厂一车间在对设备检修时，一蒸汽水罐的盖子突然爆炸，造成4人死亡,所幸的是未造成火灾或者有毒、有害气体泄漏，未对环境造成严重污染或威胁，倘若有气体泄漏，造成的危害会更加严重。由此可知，化工区发生事故造成的经济损失和人员伤亡是比较严重的。据预测，到2020年全世界死于空气污染的人数将达到800万。目前我国11个最大城市中，空气中的烟尘和细颗粒物每年使5万人夭折，40万人感染上慢性支气管炎。可想而知，空气污染已经成为人类身体健康的无形杀手，如何防治空气污染，净化我们的空气已经成为当今刻不容缓的难题。针对我国化工区环境现状，我们必须得到全面的监测数据，及时准确的监测出空气污染物含量的含量，采取有效地处理措施，在可持续发展生产中具有重要的研第一章绪论5究意义。保护人们的身体健康，实现化工区发生事故前的科学预防，事故后科学处理，最大限度地减少人员伤亡和经济财产的损失，从而减少了化工区事故的发生具有重要的意义。因此研制一种能在突发空气污染物泄漏或恶劣环境下，替代工作人员执行环境监测，同时能得到准确及时数据等的系统显得尤为的迫切而必要。基于无线传感器网络的化工区环境监测系统采用多项创新设计，通过在化工区形成了一个立体的监测网，为环保部门工作的展开提供依据，这对环境的保护将起到很大作用。本项目采用无线传感器网络技术，它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术和分布式信息处理技术等，能够使这些先进技术协同地实时监测和采集网络覆盖区域中各种环境监测对象的信息，并进行处理，处理后的信息通过无线传输方式发送给终端设备。传感器能保证数据的精确采集，无线通信技术能保证数据的可靠、及时的传送等，这种技术能够很好地解决目前化工区的环境监测问题。12化工区环境监测系统的发展前景环境监测是环境保护的基础,其目的是为环境保护提供科学决策的依据,目前我国对化工区环境的监测主要采用两种方法一种是传统人工取样实验室分析的方法。但是它只能得到监测现场某段时间内被监测气体的平均浓度,不能够提供实时值,且监测结果受人为的影响很大,对有害气体浓度很高的现场进行监测时,现场摆放气体吸收液会严重损害环境监测人员的健康。图11人工取样便携式气体分析仪第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品6另一种是采用国外进口的自动化大气环境监测进行在线监测的方法。但也存在所用设备结构复杂、价格昂贵、国产化率低、难以维护、运营成本高等缺陷，很难在全国大范围内普及。同时其工作环境苛刻,一旦建站地点确定后就很难再次移动,这就限制了工厂的扩建、改建等发展的要求，对化工区环境进行监测具有不灵活性。特别是对目前频发的有毒有害气体泄漏等突发的环境污染事件的监测,自动化空气环境监测站更是显得力不从心,面对这样的突发化工区环境污染事件,环境监测人员就不得不采取在突发现场进行人工采样实验室分析的方法进行监测,这样不但危害环境监测人员的健康和安全,而且监测结果具有严重的滞后性,难以满足突发大气环境污染事件应急的需要。图12目前环境在线监测仪目前化工区在线环境监测系统见附录1。针对化工区监测系统存在隐患与弊端。现代化、安全可靠、高效的、价格低廉空气环境监测系统的研制势在必行。基于无线传感器网络的化工区环境监测系统研究将有效地解决化工区域环境监测难的问题，可以检测得到及时有效的数据，又能做到监测方法安全简便可靠，同时不用环境监测人员亲自去化工区进行监测，种种的原因是我们研制此环境监测系统的目的，此监测系统的研制将在化工区环境监测中起着越来越重要作用。13无线传感器网络监测系统的功能及特点基于无线传感器网络的化工区环境监测系统具有信息感知系统，通过在化工区第一章绪论7安装多种传感器能够检测出污染气体的种类、污染气体的含量和温度再把收集到的信息通过无线传输发送到网关节点，网关节点通过GPRS网络传到基站，最后由基站进行数据分析、处理、总结，接着把总结出来的信息发布到网上。本系统的显著特点是巧合地利用了无线数据传播技术，解决了化工区空气环境监测的布线难问题；利用太阳能电源装置给接点充电电池充电,并用电池电压测量单元对充电电池电压进行监测,当低于某个阈值时,控制太阳能电池板给充电电池充电,直到电压高于某值时,切断太阳能电池板对充电电池的充电，解决了监测接点的电源供应问题。14本章小结本章通过对国内化工区环境污染事故造成的严重危害，展开了关于化工区环境监测的论述，阐述了此项目的研发背景和研究意义。同时，针对目前我国在化工区环境监测方面的现状引入了基于无线传感器网络的化工区环境监测系统，并做了简要介绍。最后，介绍了本系统的功能及特点。第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品8第二章化工区环境监测系统的设计21化工区环境监测系统构架本系统采用PC机作为基站监控中心上位机，基于AVR系列ATMEGA128处理器的开发平台作为下位机，由传感器节点采集化工区环境信息，经ZIGBEE无线网络将数据传送到网关节点，再经网关节点转发，将所采集的信息通过GPRS无线网络传送到基站的上位机中，经过上位机软件的在线监测，实现对化工区环境的实时监视。传感器部分ATMEGA128模块CC2420模块传感器节点CC2420模块ATMEGA128模块MC351网关节点基站监控中心ZIGBEE无线传输远程服务器有线网络GPRS无线传输图21化工区环境监测系统框图基于无线传感器网络的化工区环境监测系统由三部分组成无线网络的传感器节点、无线传输的网关节点和进行实时监测的基站监控中心。第二章化工区环境监测系统的设计9基站网关节点传感器节点传感器节点图22化工区环境监测系统模拟图22传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成部分。传感器节点主要功能是定时采集化工区环境中排放有害气体的浓度、湿度、温度等信息，并把该信息经A/D转换器转换成数字信号，发送到网关节点，最终将此数据传送到基站监控中心以便上位机的实时监控和进行数据统计。同时，此节点也接收基站监控中心经网关节点发送的命令，使相应节点进行数据采集，并将采集的信息经原路传送到监控中心。当采集数据比数据设定值高时，即数据超标出现污染事故时，不论此节点处于何种工作模式下，此节点会立即进入工作模式，向上级发送超标数据，以便基站监控中心采取有效措施进行处理，同时此节点也有相应的报警指示电路，提示有污染事件发生，提醒工作人员给予及时的处理。23网关节点网关节点是化工区环境监测系统的重要模块，有两种工作模式，即工作模式和休眠模式，主要负责传感器节点与基站监控中心的信息连接。网关节点中设有与传感器节点中匹配的CC2420模块，进行无线短距离通信，同时也有与基站监控中心第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品10进行远程无线通信的GPRS模块。当网关节点收到传感器节点发来的数据时，网关节点进入工作模式，处理器进行快速处理，将该数据传送给基站监控中心，数据发送完毕后，此节点立即进入休眠模式。当网关节点收到基站控制中心发来的命令时，网关节点进入工作模式，经处理器处理后，将命令发送给相应的传感器节点，等待接收传感器节点的信息数据，并转发给基站监测中心，一定时间后进入休眠模式。24上位机监控中心化工区环境监测的数据显示、报警、处理、打印等功能主要是依靠以PC机作为上位机的监测控制来实现的。传感器节点通过网关节点按照一定的工作模式向上位机传送采集的数据，上位机对数据进行处理后，一方面在主界面显示传感器节点终端的环境信息，另一方面将此信息数据存入数据库中进行存储。在对环境信息进行分析比较时，可以将数据库中信息读出，并显示在历史记录查询界面或历史日志查询界面。主界面的传感器节点终端列表定时更新传感器节点终端的具体信息。开始程序初始化接受并提取有效数据实时数据显示，并记录历史区把数据存入数据库根据数据统计需要作出相应的处理数据是否超标记录超标数据并报警是否图23上位机数据处理流程图、第二章化工区环境监测系统的设计1125本章小结本章首先对化工区环境监测系统结构进行了阐述，然后围绕总体框架结构，对每一个子系统结构，即传感器节点、网关节点和上位机控制中心进行了总体描述和简要说明。第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品12第三章化工区环境监测系统的硬件设计31传感器节点设计311传感器节点的系统构架图31传感器节点设计框图传感器节点共有四大部分组成，即数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块。传感器节点的硬件电路连接图见附录2。数据采集单元主要功能是采集空气污染物浓度信息，其中包括采集氮氧化合物（NO2）、二氧化硫（SO2）、二氧化碳CO2、硫化氢H2S等几种有害气体污染物。在此单元中传感器与处理器之间采用传感器接口实现连接，避免了当传感器使用寿命终止而此节点报废的状况。考虑到传感器采集到的信息为模拟量，因此需要第三章化工区环境监测系统的硬件设计13在传感器接口与处理器之间增加一片A/D转换芯片，将传感器接收到的模拟量转化成数字信号，再传送到数据处理单元。数据处理单元主要功能是对传感器采集的数据进行初步的处理，并将此数据传送到数据传输单元。此单元由处理器、内存、应用程序及报警指示灯构成。处理器采用的是AT公司的AVR系列ATMEGA128型芯片。ATMEGA128单片机对数据进行初步判断后，将数据传送到数据传输单元，如果此数据超标即出现环境污染事故，报警指示灯会作出反应，相应的指示灯变亮。四盏指示灯的颜色分别为蓝、绿、黄、红四种，顺次表示其所对应二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氢四种有害气体。同时，本单元可以数据传输单元接收到经网关节点转发的上位机控制命令，进行命令处理判断，使此节点进入工作模式，进行数据采集，向上级发送采集的信息。数据传输单元主要功能是传输数据或接收命令。考虑到无线传感器网络在通信方面的功耗问题，本单元采用TI公司的ZIGBEE无线收发模块CC2420芯片。数据传输单元接收到数据处理单元的数字信息后，会立即将此数字信息经ZIGBEE无线网络传送给网关节点。如果此节点收到网关节点传送的命令时，会将此命令转入数据处理单元，并等待处理单元的相应命令。电源模块，主要功能是给以上三个功能单元提供电能。由于我们所设计的传感器节点为低功耗的设备，所以我们采用电池盒供电。一般四节5号干电池就可以使用一到两年之久。这样节约了成本，而且更换电池的周期和更换传感器的周期一致，方便了设备的维护，减少了工作人员的工作量。传感器节点中数据传输单元的设计指标如下表传输速率250KBPS节点发射功率1MW接收灵敏度90DB最大传输距离1M工作频率24GHZ调制方式OQPSK表31CC2420芯片的设计指标第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品14312数据采集模块设计（1）传感器选型传感器是传感器节点的主要工作器件，它们长时间暴露在化工区环境中，以便搜集化工区化环境的有害气体的浓度、成分等，因此，传感器的选择是环境监测系统的重要环节。根据化工区环境的主要有害气体成分，本系统选择了二氧化氮传感器、二氧化硫传感器、二氧化碳传感器和硫化氢传感器。4种气体传感器的具体型号参数如下表传感器种类二氧化硫二氧化氮硫化氢二氧化碳量程02PM02PM01PM01PM分辨率11测量精度2235工作温度045052050工作湿度19RH19RH19RH1RH模拟信号输出023MA05MA045MA420MA工作电压5VVV5V使用周期2年2年2年10年表32传感器的具体型号参数图32二氧化氮传感器（7NO220）第三章化工区环境监测系统的硬件设计1533二氧化硫传感器（SO2/SF2000S）图34硫化氢传感器（4H2S1000传感器）图35二氧化碳传感器（BMGCO2NDIR型）湿度和温度传感器如下卡HIH4000系列测湿传感器第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品16HIH4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件SIP能提供仪表测量质量的相对湿度RH传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。湿度范围0100RH供电电压458VDC工作温度4085补偿温度带温度补偿响应时间15SEC产品精度35RHDS18B20数字温度传感器特点采用传感器导线功耗低（采用镀锌导线，导线截面积大（023），导电率高），组网传感器较多时，此性能尤为突出。可以在水中工作，防水防尘，防护等级达IP65。温度精度05（1085C范围内）测温范围55125温度分辨率912位00625测温速度750MS12位分辨率第三章化工区环境监测系统的硬件设计17电源要求3V55V通讯电缆三芯电缆支持通讯电缆长度100M运行环境5580外型尺寸6MM长度25MM,30MM可选（2）传感器电路设计考虑到传感器长期暴露在空气中，空气中的污染物质本身具有一定的腐蚀性，比如二氧化硫等。那么传感器就需要定期更换。假如传感器是直接焊在电路板上的，那么更换一个传感器就需要再买一块传感器子节点环境监测模块。这不仅浪费了资源还增加了使用成本。所以在对传感器电路设计时，本系统考虑将传感器与电路板的连接处设计成接口式，这样就方便了更换传感器，使设备维护变得简单易行，同时也避免了资源的浪费降低了成本。在电路图设计过程中，本文首先考虑的是对二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氢等四种气体的监测设计，将上述四种相应的传感器分布与相应的传感器接口相连接，便可实现对四种气体的实时监测。其电路图如下图36所示PEN10RXD/ITO3CKA45B6789SMGVLWFHERMALDUG图36传感器接口与处理器的硬件电路连接图第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品18313数据处理模块设计数据处理模块是传感器节点核心控制器件。传感器节点的数据搜集、处理、转换传输以及接收从上位机传输过来的命令，都需要数据处理模块的处理和执行。因此数据处理模块的设计性能，关系到传感器节点的工作效率。（1）处理器的选择处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用AVR单片机，考虑到电路中IO的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用ATMEL公司的ATMEGA128。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4KBSRAM、128KBFLASH和4KBEEPROM；拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线器件和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。ATMEGA128的主要性能如下高性能、低功耗的AVR8位微处理器先进的RISC结构133条指令一大多数可以在一个时钟周期内完成32X8通用工作寄存器外设控制寄存器全静态工作工作于16MHZ时性能高达16MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器非易失性的程序和数据存储器128K字节的系统内可编程FLASH，寿命10,000次写/擦除周期具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读一修改一写操作4K字节的EEPROM，寿命100,000次写/擦除周期4K字节的内部SRAM多达64K字节的优化的外部存储器空问可以对锁定位进行编程以实现软件加密可以通过SPI实现系统内编程第三章化工区环境监测系统的硬件设计19JTAG接口与IEEE11491标准兼容遵循JTAG标准的边界扫描功能支持扩展的片内调试通过JTAG接口实现对FLASH,EEPROM，熔ALL位和锁定位的编程外设特点两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器具有独立预分频器的实时时钟计数器两路8位PWM6路分辨率可编程2到16位的PWM两个可编程的串行USART可工作于主机/从机模式的SPI串行接口片内模拟比较器特殊的处理器特点6种睡眠模式空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、STANDBY模式以及扩展的STANDBY模式可以通过软件进行选择的时钟频率全局上拉禁止功能I/O和封装53个可编程I/O口线64引脚TQFP与64引脚MLFJ装工作电压4555VATMEGA128速度等级16MHZATMEGA128（2）处理器外围电路设计ATMEGA128主要与传输单元中的CC2420芯片以及数据采集单元中的AD芯片连接。ATMEGA128通过编程控制这两种芯片的工作，此外ATMEGA128还与四个继电器连接了四个指示灯，以指示空气中那种污染气体超标。第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品20PEN10RXD/I2TO3CKA45B6789SMGVLWFHERMALDUGHZYPN图34ATMEGA128的最小系统电路图（3）报警指示灯的设计图37报警指示灯设计电路第三章化工区环境监测系统的硬件设计21如上图所示，我们采用四个不同颜色的指示灯表示四种不同的污染气体。这四盏指示灯通过继电器与ATMEGA128芯片连接。当数据处理单元处理数据后，判断该数据为超标数据，即此节点处于环境污染状态中，处理器会发出命令，使相应的报警指示灯变亮。314ZIGBEE无线数据传输模块设计本节点的网络设计是基于ZIGBEE无线传输系统网络的一种无线传感器网络。ZIGBEE,在中国被译为“紫蜂“,与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线技术。它类似于CDMA和GSM网络。ZIGBEE的节点与节点之间可以互相通信，接力传输。通讯距离从标准的75M到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZIGBEE网络节点的设计具有微型化、扩展性和灵活性、稳定性和安全性、低成本等要求。（1）无线收发芯片的选型CC2420是一款符合ZIGBEE技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802154规范，工作于24GHZ频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250KBS，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。CC2420芯片的引脚介绍见附录4。CC2420可以通过4线SPI总线SI、SO、SCLK、CSN设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据,读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSN必须始终保持低电平。另外,通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计,通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。CC2420的主要性能参数如下工作频带范围240024835GHZ；采用IEEE802154规范要求的直接序列扩频方式；数据速率达250KBPS码片速率达2MCHIP/S；采用QPSK调制方式；超低电流消耗（RX197MA,TX174MA）高接收灵敏度（99DBM）；第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品22抗邻频道干扰能力强39DB；内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，采用低电压供电2136V；输出功率编程可控；IEEE802154层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16BITCRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护CTR,CBCMAC,CCM；与控制微处理器的接口配置容易4总线SPI接口；开发工具齐全，提供所有开发套件和演示套件；采用QLP48封装，外形尺寸只有（2）数据传输模块的协议数据传输模块采用的通信协议为ZIGBEE协议。ZIGBEE的基础是IEEE802154，但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZIGBEE联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。ZIGBEE是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。CC2420为IEEE802154的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为头帧数据帧校验帧；PHY层的帧格式为同步帧PHY头帧MAC帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块组成，定义了物理无线信道和MAC层之间的接口。主要功能是启动和关闭无线收发器、能量监测、链路质量监测、信道选择、清除信道评估以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。MAC层为高层访问物理信道提供了点到点通信的服务接口，具体功能是信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求。此外，MAC层还为应用合适的安全机制提供了一些方法。网络层主要用于建立和维护网络连接。它独立处理传入数据的请求、关联、解第三章化工区环境监测系统的硬件设计23除关联和孤立通知请求。应用层主要为ZIGBEE技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZIGBEE技术进行开发应用。由于ZIGBEE技术已经定义了物理层、介质链路层和网络层的标准规范，因此这三层的实现通常是类似的。无线传感器网络的不同应用都是由基本应用组成，如加入网络、脱离网络、发送数据等。ZIGBEE协议技术的特点如下数据传输速率低只有20250KBIT/S,专注于低传输速率的应用。时延短休眠激活时延和活动设备接入信道时延均为15MS,典型的搜索设备时延为30MS，这便可以使系统有更多的睡眠时间，从而大大降低能量消耗。功耗低由于ZIGBEE的传输速率低，且采用了休眠式，因此大大降低了功耗。单靠两节5号电池便可维持6到24个月，这是其他无线通信技术望尘莫及的。安全性高ZIGBEE提供了基于CRC循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用高级加密标准AES2128的对称密码，以灵活确定其安全属性。免执照频段采用直接序列扩频在ISM工业、科学、医疗频段,24GHZ全球、915MHZ美国树状和网状868MHZ欧洲,均为免执照频段。在这里我们采用的是24GHZ。网络容量大ZIGBEE可采用星状、网络结构，并采用IEEE标准的642BIT编址和16BIT短编址。由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点；同时，主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。可靠性高采用了CSMA2CA技术来避免发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。低成本由于ZIGBEE数据传输速率低,协议简单,因此大大降低了成本。CC2420芯片除了拥有以上ZIGBEE的所有优点外,还具有与微控制器的接口配置容易四线SPI串行口、接收与发送采用不同存储空间、所需外部元件较少以及采用QLP248封装,外形尺寸只有7MM7MM等性能特征。第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品24（3）数据传输模块的电路设计图38CC2420与ATMEGA128单片机的接口电路图图38给出CC2420与ATMEGA128单片机的接口电路。CC2420通过简单的四线SI、SO、SCLK、CSN与SPI兼容串行接口配置，这时CC2420是受控的。ATMEGA128的SPI接口工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方；CC2420设为从机工作方式。当ATMEGA128的SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制SS引脚。因此，在SH通信时，应在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过MOSI将数据移出ATMEGA128，并同时从CC2420由MISO移人数据，8位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。CC2420接收数据时，它会从天线接收到射频信号，首先经过低噪声放大器LOWNOISOAMPLIFIER，LNA，然后正交下边频到2MHZ的中频，形成中频信号的同相分量和正交分量，两路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器转换成数字信号，后续的自动增益控制、信道的选择、解扩及同步等处理都是以数字信号的形式处理的。当其要发送数据时,先把要发送的数据放入容量为128字节的发送缓冲区。报头和起始帧由硬件自动生成。根据IEEE802154标准，将数据流的每4个比特扩展为32码片,然后送到D/A转换器。最后,经过低通滤波和变频混频,并在能第三章化工区环境监测系统的硬件设计25量放大器中进行放大后交由天线发送。PEN10RXD/I2TO3CKA45B6789SMGVLWFHERMALDUG_HNQPUYJ图39CC2420外围天线连接电路图天线对于无线通信网络来说，是十分重要的。天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行质量。本节点射频芯片CC2420可以使用金属倒F型PCB引线天线和单极天线两种设计方案。PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波，接收信息其工作频率为GHZ。315电源模块设计从成本和性能两方面考虑，根据前面三大主要单元的性能和指标，采用电池盒供电方式，来为整个传感器节点模块供电。它的优点是价格便宜，两节5号干电池就可以使用一到两年的时间，而且在前面提到的传感器的使用时间也是一到两年，二者更换周期一致也就方便了使用和维护。电池盒采用密封设计，置于传感器节点模块底部。这样做是为了避免化工区的污染物质腐蚀电池，同时避免传感器长时间暴露在工作区而被雨淋灌水破坏电路的现象发生。此外我们还充分考虑到电池用久了电压会不稳定，所以我在电路板上集成了一第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品26块稳压芯片，来满足核心芯片、发射模块及传感器的需要。32网关节点设计321网关节点的系统构架CC2420模块ATMEGA128内存MC35I模块天线电源（电池）太阳能电池板图310网关节点的设计框图基于无线传感器网络的化工区环境监测系统的网关节点是由CC2420模块、处理器模块、GPRS模块和电源模块四部分组成，如图310所示。为了保证数据传输的安全性、可靠性，CC2420模块设计同第四章的CC2420模块的性能参数一致，负责与传感器节点之间的无线通信；处理器模块是由ATMEGA128型单片机、内存和应用程序组成，此模块负责数据传输，即实现了CC2420芯片数据和GPRS模块的数据传输；GPRS模块由网络协议单元、MAC接入单元和射频模块三个子单元组成，负责向基站监控中心传送数据，同时也接收基站发出的命令。电源模块负责为网关节点提供能量，按工作模式可划分为工作状态和休眠状态，本节点是利用太阳能电池板实现可供高效蓄电池充电，这样可以有效的解决此节点的能耗大问题，延长了此节点的有效工作时间。两种无线收发模块的设计指标如下表31、表32所示第三章化工区环境监测系统的硬件设计27传输速率250KBPS节点发射功率1MW接收灵敏度90DB最大传输距1M工作频率24GHZ调制方式OQPSK表31CC2420模块设计指标传输速率172KBPS节点发射功率W接收灵敏度104DBM最大传输距无限制工作频率180MHZ天线5欧SIM卡3V表32GPRS模块设计指标322CC2420模块设计此节点的CC2420模块仍然采用TI公司的CC2420芯片，详见314节。见附录CC2420芯片48引脚及其功能介绍。323微处理器模块的设计此节点的处理器仍然选择AT公司的AVR系列的ATMEGA128型单片机，详见313节。324GPRS模块设计随着信息技术的迅速发展，无线远程监控技术得到了越来越广泛的应用，采用第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品28先进的GPRS技术的无线传输网络系统，集计算机、通信等多种先进技术于一体，成功实现了对数据的无线远程传输问题。GPRS网络传输的主要优点有永远在线、高速传输、覆盖范围内不受限制传输距离、地形、天气等、数据传输可靠等。（1）GPRS概述GPRS（GENERALPACKETRADIOSERVICE是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。它经常被描述成“25G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（PACKET）式来传输的。所谓的封包（PACKET）就是将DATE封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为象INTERNET这类的数据传输大多数的时间频宽是间置的。此外，在GSMPHASE2的标准里，GPRS可以提供四种不同的编码方式，这些编码方式也分别提供不同的错误保护（ERRORPROTECTION）能力。（2）GPRS模块选型GPRS单元采用MC35I模块。MC35I模块属于无线通讯核心模块，是结合语音、数据传输、简讯服务及传真等功能的高科技产品。此模块功能强大，利用此无线模块的通讯产品便能够很好地在客户端进行系统整合的规划。MC35I是SIEMENS公司推出的新一代无线通信GPRS模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务SHORTMESSAGESERVICE和传真。模块的工作电压为3348V，可以工作在900MHZ和1800MHZ两个频段，所在频段功耗分别为2W900M和1W1800M。该模块包括了前期版本TC35的所有功能，同时新增加了快速的GPRS技术，采用GPRS分时复用的CLASS8标准，具有始终在线的功能且理论上传输速率最高可达1712KB/S，通信传输时延较小，最长不超过3S。模块有AT命令集（见附录5）接口，支持文本和PDU模式的短第三章化工区环境监测系统的硬件设计29消息、第三组的二类传真、以及24K，48K，96K的非透明模式。常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。如图52所示的ZIF连接框图SYNCCCGNDCCVCCCCCLKCCIOCCRSTSYNCTXBATTGNDEMERGOFFIGTRX状态指示灯SIM卡座串口电源模块关模块按键开模块按键ZIF连接器图311ZIF连接框图MC35I模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块ASIC、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为MC35I的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。系统介绍产品介绍西门子MC35IGPRS模块产品类型无线通讯模块MC35IGPRS模块技术特点体积小、重量轻；GPRS多通道类别8；低功耗；支持数据、语音、短消息和传真；SIM应用工具包；AT命令集控制；R17G；环境温度20CTO55C（GSM1110标准）；数据特征CSD最大达到144KBPS、USSD、不透明模式；译码方式CS1,2,3,4；GPRS最大856KBPS。MC35IGPRS模块接口40脚连接；电源接口；SIM3V接口；标准RS232双向接口；50欧姆天线连接器。（3）GPRS模块外围电路设计MC35I模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。MC35I共有40个引脚（见图53所示），通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。BAT1245GND67890POWERU_TMLISXKY卡NFQ图312MC35I芯片引脚启动电路启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电10MS后电池电压第三章化工区环境监测系统的硬件设计31须大于3V，为使之正常工作，必须在15脚/IGT加时长至少为100MS的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1MS。启动后，15脚的信号应保持高电平。如图313所示，为启动电路产生的信号，从中可以看出10MS的延时和100MS的低电平。10MSMAX1MSMIN100MS30V0VBATTIGTHIZHIZ图313启动信号下降根据上面的分析，设计启动部分的参考电路如下QKR2UCNDPOWE图314启动电路图如图314所示，当POWERON脚电压由低变高时，电容C1被充电左负右正。电流方向为逆时针方向，此时电阻R1的电压上正下负当UR107V时使Q1的发射结正偏，晶体管处于导通状态，IGT脚处于低电平。当POWERON脚电压由高变低时。电容C1开始放电，此时电阻R1的电压上负下正使Q1的发射结反偏，晶体管截止，IGT脚处于高电平。显然IGT脚在POWERON脚电压由低变高时处于低电平，GPRS模块开机。根据引脚要求IGT脚电平在处于下降沿并保持低电平100MST1S后跳到高电平。所以这里对C1的容值，R1、R2、R3的阻值就有要求了，这时需要调整C1的电容值，R1、R2的阻值以满足开机条件。为了方便说第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品32明，模块开机电路电路图可以简化如下如图315所示，开关由A投向B，并在T0前开关与A端相连时间足够长达到稳态，即UC00。由于电容电压不能跳变，在开关投到B的瞬间，电容电压仍为零。即C00。且T0时RC电路与电源相接，因此可以认为是求零状态响应的问题。231SPFCKRUS图315启动电路简介图当开关投向B后电容电压从零值开始充电，电压逐渐上升，最后应趋于稳态值。稳态值是根据“电容相当于开路”而确定为US的。根据这样的考虑，得出1RCTCEUSDTUCTI总电容上的电压上升，而电阻上的电压逐渐下降，当R1上的电压降到07V时，三极管将截止，因而要算出R1的电压降到07V时的时间。UR1ITR12由式1、2得075/200103E1/200200103。解得T255MS。其中RR总C；R总R1R2200；RR总C200103106200MS。可知100MS255MS1S符合系统要求。数据通信电路数据通信电路主要完成GPRS数据流传输、短消息收发、与PC机通信、软件流控制等功能。MC35I的数据接口采用串行异步收发，符合ITUTRS232接口电路标准，工作在CMOS电平265V。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300BPS115KBPS的波特率下运行，支持的自动波特率为48KBPS115KBPS144KBPS和288KBPS除外。MC35I模块还支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制。第三章化工区环境监测系统的硬件设计33数据通信电路以MAXIM公司的MAX3238芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能。MAX3238芯片供电电压为355V，符合TIA/EIA232F和ITUV28标准。具有独特的15KV人体静电保护措施，兼容5V逻辑输入，内含3路接收、5路发送串行通信接口，最大数据传输速率可达250KBPS。该芯片的最大特点是，在串行口无数据输入的情况下，可以灵活的进行电源管理，即当FORCEON为低电平、/FORCEOFF为高电平时，AUTOPOWERDOWNPLUS功能有效。在正常运行模式下，约30秒时间内若芯片在接收和发送引脚没有检测到有效信号，将自动进入POWERDOWN模式，此时耗电1UA。如果FORCEON和/FORCEOFF引脚均为高电平，那么AUTOPOWERDOWNPLUS功能失效。在AUTOPOWERDOWNPLUS功能有效的时，如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自动被激活，转入正常工作状态。如果任一接收通道的输入电压高于27V或小于27V，或者位于03V03V的时间小于30US，则/INVALID15脚引脚为高电平数据有效。如果所有接收通道的输入电压位于03V03V的时间大于30US，则/INVALID15脚引脚为低电平数据无效。该芯片的以上特性，满足了MC35I作为移动终端的3路接收、5路发送电路连接要求。在MAX3238与ZIF连接器相应引脚连接时，要注意发送、接收引脚连接正确。MAX3238还需要连接4个01UF的电容配合，才能完成电平转换功能。MC35I模块通过RS232接口各引脚输出的信号有RXD、CTS、DSR、DCD、RING，输入的信号为TXD、RTS、DTR。由于MC35I的接口电路使用了9针串口的全部引脚，使MC35I可以获得DTR、DSR、DCD和RING控制信号。信号RING用来向蜂窝设备指示接收到UNSOLICITEDRESULTCODEURC。通过AT指令，可以设置MC35I的不同运行模式。SIM卡电路基带处理器集成了一个与ISO78163ICCARD标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口ZIF连接器。在GSM1111为SIM卡预留5个引脚的基础上，MC35I在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。但是目前移动运营商所提供的SIM卡均无CCIN引脚，所以在设计电路时将引脚CCIN与CCVCC相连。第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品34在设计中为SIM卡布线时，发现了一个值得引起注意问题如果将SIM卡的第四脚CCGND直接与印刷电路板的GND相连，不作任何信号的隔离保护，则通话时音量很小