【正文】 令處理判斷，使此節(jié)點進(jìn)入工作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，向上級發(fā)送采集的信息。數(shù)據(jù)傳輸單元：主要功能是傳輸數(shù)據(jù)或接收命令?？紤]到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信方面的功耗問題，本單元采用TI公司的zigbee 無線收發(fā)模塊CC2420芯片。數(shù)據(jù)傳輸單元接收到數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)字信息后，會立即將此數(shù)字信息經(jīng)zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。如果此節(jié)點收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳送的命令時，會將此命令轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理單元，并等待處理單元的相應(yīng)命令。電源模塊，主要功能是給以上三個功能單元提供電能。由于我們所設(shè)計的傳感器節(jié)點為低功耗的設(shè)備，所以我們采用電池盒供電。一般四節(jié)5號干電池就可以使用一到兩年之久。這樣節(jié)約了成本，而且更換電池的周期和更換傳感器的周期一致，方便了設(shè)備的維護(hù)，減少了工作人員的工作量。傳感器節(jié)點中數(shù)據(jù)傳輸單元的設(shè)計指標(biāo)如下表： CC2420芯片的設(shè)計指標(biāo) 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計 （1） 傳感器選型傳感器是傳感器節(jié)點的主要工作器件，它們長時間暴露在化工區(qū)環(huán)境中，以便搜集化工區(qū)化環(huán)境的有害氣體的濃度、成分等，因此，傳感器的選擇是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)化工區(qū)環(huán)境的主要有害氣體成分，本系統(tǒng)選擇了二氧化氮傳感器、二氧化硫傳感器、二氧化碳傳感器和硫化氫傳感器。4種氣體傳感器的具體型號參數(shù)如下表： 傳感器的具體型號參數(shù) 二氧化氮傳感器（7NO220） 二氧化硫傳感器（SO2/SF2000S） 硫化氫傳感器（4H2S1000傳感器） 二氧化碳傳感器（BMGCO2NDIR型）濕度和溫度傳感器如下：? HIH4000系列測濕傳感器： HIH4000系列測濕傳感器作為一個低成本、可軟焊的單個直插式組件(SIP)能提供儀表測量質(zhì)量的相對濕度(RH)傳感性能。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個熱固塑料型電容傳感元件，其內(nèi)部具有信號處理功能。傳感器的多層結(jié)構(gòu)對應(yīng)用環(huán)境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環(huán)境中常見的化學(xué)品具有最佳的抗力，因此可認(rèn)定它能適用礦下環(huán)境。濕度范圍：0～100%RH供電電壓：4～工作溫度：40～85℃補償溫度：帶溫度補償響應(yīng)時間：15Sec產(chǎn)品精度：177。%RHDS18B20數(shù)字溫度傳感器特點：采用傳感器導(dǎo)線功耗低（采用鍍鋅導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積大（），導(dǎo)電率高），組網(wǎng)傳感器較多時，此性能尤為突出?？梢栽谒泄ぷ鳎浪缐m，防護(hù)等級達(dá)IP65。溫度精度 177?！妫?0176?！?85176。C范圍內(nèi)）測溫范圍 55℃～+125℃溫度分辨率 912位(℃)測溫速度 750ms(12位分辨率)電源要求 通訊電纜 三芯電纜支持通訊電纜長度 ＞100m運行環(huán)境 55℃～+80℃外型尺寸 φ6mm 長度25mm,30mm可選（2） 傳感器電路設(shè)計考慮到傳感器長期暴露在空氣中，空氣中的污染物質(zhì)本身具有一定的腐蝕性，比如二氧化硫等。那么傳感器就需要定期更換。假如傳感器是直接焊在電路板上的，那么更換一個傳感器就需要再買一塊傳感器子節(jié)點環(huán)境監(jiān)測模塊。這不僅浪費了資源還增加了使用成本。所以在對傳感器電路設(shè)計時，本系統(tǒng)考慮將傳感器與電路板的連接處設(shè)計成接口式，這樣就方便了更換傳感器，使設(shè)備維護(hù)變得簡單易行，同時也避免了資源的浪費降低了成本。在電路圖設(shè)計過程中，本文首先考慮的是對二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氫等四種氣體的監(jiān)測設(shè)計，將上述四種相應(yīng)的傳感器分布與相應(yīng)的傳感器接口相連接，便可實現(xiàn)對四種氣體的實時監(jiān)測。： 傳感器接口與處理器的硬件電路連接圖 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計數(shù)據(jù)處理模塊是傳感器節(jié)點核心控制器件。傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)搜集、處理、轉(zhuǎn)換傳輸以及接收從上位機傳輸過來的命令，都需要數(shù)據(jù)處理模塊的處理和執(zhí)行。因此數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計性能，關(guān)系到傳感器節(jié)點的工作效率。（1）處理器的選擇 處理器的選型要求和指標(biāo)是功耗低，保證長時間不更換電源也能順利工作，供給電壓小于5 V，有較快的處理速度和能力，由于節(jié)點是需要大量安置的，所以價格也要相對便宜。選用AVR單片機，考慮到電路中I／O的個數(shù)不多，功耗低、成本低、適合與無線器件接口配合等多方面因素，綜合對比后，選用Atmel公司的ATmega128。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節(jié)能模式，方便低功耗設(shè)計。 ATmega128的主要性能如下：?高性能、低功耗的AVR 8位微處理器?先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)—— 133條指令一大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成—— 32x8通用工作寄存器+外設(shè)控制寄存器—— 全靜態(tài)工作—— 工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS—— 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器?非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器—— 128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，壽命:10, 000次寫/擦除周期—— 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū)，通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的讀一修改一寫操作—— 4K字節(jié)的EEPROM，壽命:100, 000次寫/擦除周期—— 4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM—— 多達(dá)64K字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空問—— 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)軟件加密—— 可以通過SPI實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程—— JTAG接口(與IEEE )—— 遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能—— 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試—— 通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash, EEPROM，熔ALL位和鎖定位的編程外設(shè)特點—— 兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器—— 兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器—— 具有獨立預(yù)分頻器的實時時鐘計數(shù)器—— 兩路8位PWM—— 6路分辨率可編程(2到16位)的PWM—— 兩個可編程的串行USART—— 可工作于主機/從機模式的SPI串行接口—— 片內(nèi)模擬比較器?特殊的處理器特點—— 6種睡眠模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式—— 可以通過軟件進(jìn)行選擇的時鐘頻率—— 全局上拉禁止功能?I/O和封裝—— 53個可編程I/O口線—— 64引腳TQFP與64引腳MLF} J裝?工作電壓—— ATmega128?速度等級—— 16MHz ATmega128（2）處理器外圍電路設(shè)計ATmega128主要與傳輸單元中的CC2420芯片以及數(shù)據(jù)采集單元中的AD芯片連接。 ATmega128通過編程控制這兩種芯片的工作，此外ATmega128還與四個繼電器連接了四個指示燈，以指示空氣中那種污染氣體超標(biāo)。（3）報警指示燈的設(shè)計 報警指示燈設(shè)計電路 如上圖所示，我們采用四個不同顏色的指示燈表示四種不同的污染氣體。這四盞指示燈通過繼電器與 ATmega128芯片連接。當(dāng)數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)后，判斷該數(shù)據(jù)為超標(biāo)數(shù)據(jù)，即此節(jié)點處于環(huán)境污染狀態(tài)中，處理器會發(fā)出命令，使相應(yīng)的報警指示燈變亮。 zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計 本節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是基于Zigbee無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee, 在中國被譯為紫蜂,與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無線技術(shù)。它類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的節(jié)點與節(jié)點之間可以互相通信，接力傳輸。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。zigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計具有微型化、擴展性和靈活性、穩(wěn)定性和安全性、低成本等要求。（1）無線收發(fā)芯片的選型CC2420是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器， GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸單元模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 Kb／s，即可實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點。CC2420芯片的引腳介紹見附錄4。CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn) 設(shè)置芯片的工作模式, 并實現(xiàn)讀/ 寫緩存數(shù)據(jù),讀/ 寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/ 接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外, 通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計, 通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時鐘/ 定時信息的輸入。CC2420的主要性能參數(shù)如下：●工作頻帶范圍：～；●；●數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps碼片速率達(dá)2MChip/s；●采用ＯQPSK調(diào)制方式；●超低電流消耗（RX:,TX:）高接收靈敏度（99dBm）；●抗鄰頻道干擾能力強(39dB)；●內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(～)；●輸出功率編程可控；● ＭＡＣ層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護(hù)(CTR,CBC－MAC,CCM)；●與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)；●開發(fā)工具齊全，提供所有開發(fā)套件和演示套件；●采用QLP48封裝，外形尺寸只有７７ｍｍ（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊的協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸模塊采用的通信協(xié)議為Zigbee協(xié)議。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE ，但I(xiàn)EEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。CC2420為IEEE 。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設(shè)置寄存器改變，采用16位CRC校驗來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊組成，定義了物理無線信道和MAC層之間的接口。主要功能是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)器、能量監(jiān)測、鏈路質(zhì)量監(jiān)測、信道選擇、清除信道評估以及通過物理介質(zhì)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。 MAC 層為高層訪問物理信道提供了點到點通信的服務(wù)接口，具體功能是信標(biāo)管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請求。此外，MAC層還為應(yīng)用合適的安全機制提供了一些方法。 網(wǎng)絡(luò)層主要用于建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。它獨立處理傳入數(shù)據(jù)的請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。 應(yīng)用層主要為Zigbee技術(shù)的實際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對Zigbee技術(shù)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。 由于Zigbee技術(shù)已經(jīng)定義了物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此這三層的實現(xiàn)通常是類似的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用都是由基本應(yīng)用組成，如加入網(wǎng)絡(luò)、脫離網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等。Zigbee協(xié)議技術(shù)的特點如下：數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有 20～250 kbit/ s,專注于低傳輸速率的應(yīng)用。 時延短：休眠激活時延和活動設(shè)備接入信道時延均為 15 ms,典型的搜索設(shè)備時延為 30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時間，從而大大降低能量消耗。 功耗低 :由于 Zigbee的傳輸速率低，且采用了休眠式，因此大大降低了功耗。單靠兩節(jié) 5號電池便可維持 6到24個月，這是其他無線通信技術(shù)望塵莫及的。 安全性高：Zigbee提供了基于 CRC (循環(huán)冗余校驗 )的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能 ，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES2128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在 ISM (工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療 )頻段 ,2. 4 GHz (全球 )、915 MHz (美國)樹狀和網(wǎng)狀868 MHz(歐洲 ),均為免執(zhí)照頻段。 網(wǎng)絡(luò)容量大：Zigbee可采用星狀、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用 IEEE標(biāo)準(zhǔn)的 642bit編址和 16 bit短編址。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點 ,最多一個主節(jié)點可管理 254個子節(jié)點；同時，主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理,最多可組成 65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。 可靠性高：采用了 CSMA 2CA技術(shù)來避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。 MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 低成本：由于 Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低 ,協(xié)議簡單 ,因此大大降低了成本。CC2420芯片除了擁有以上 Zigbee的所有優(yōu)點外 ,還具有與微控制器的接口配置容易 (四線 SP I串行口 )、接收與發(fā)送采用不同存儲空間、所需外部元件較少以及采用 QLP248封裝 ,外形尺寸只有 7 mm 7 mm等性能特征。（3） 數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設(shè)計 CC2420與ATmega128單片機的接口電路圖 。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時CC2420是受控的。ATmega128的SPI接口工作在主機模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?；CC2420設(shè)為從機工作方式。當(dāng)ATmega128的SPI接口設(shè)為主機工作方式時，其硬件電路不會自動控制SS引腳。因此，在SH通信時，應(yīng)在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當(dāng)把數(shù)據(jù)寫入主機的SPI數(shù)據(jù)寄存器后，主機接口將自動啟動時鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數(shù)據(jù)移出ATmega128，并同時從CC2420由MISO移人數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)全部移出時，兩個寄存器就實現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)交換。 CC2420接收數(shù)據(jù)時，它會從天線接收到射頻信號，首先經(jīng)過低噪聲放大器(LowNOisoAmplifier，LNA)，然后正交下邊頻到2MHz的中頻，形成中頻信號的同相分量和正交分量，兩路信號經(jīng)過