【正文】 令處理判斷，使此節(jié)點進入工作模式，進行數據采集，向上級發(fā)送采集的信息。數據傳輸單元：主要功能是傳輸數據或接收命令?？紤]到無線傳感器網絡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。數據傳輸單元接收到數據處理單元的數字信息后，會立即將此數字信息經zigbee無線網絡傳送給網關節(jié)點。如果此節(jié)點收到網關節(jié)點傳送的命令時，會將此命令轉入數據處理單元，并等待處理單元的相應命令。電源模塊，主要功能是給以上三個功能單元提供電能。由于我們所設計的傳感器節(jié)點為低功耗的設備，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，方便了設備的維護，減少了工作人員的工作量。傳感器節(jié)點中數據傳輸單元的設計指標如下表： CC2420芯片的設計指標 數據采集模塊設計 （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如下表： 傳感器的具體型號參數 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，其內部具有信號處理功能。傳感器的多層結構對應用環(huán)境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環(huán)境中常見的化學品具有最佳的抗力，因此可認定它能適用礦下環(huán)境。濕度范圍：0～100%RH供電電壓：4～工作溫度：40～85℃補償溫度：帶溫度補償響應時間：15Sec產品精度：177。%RHDS18B20數字溫度傳感器特點：采用傳感器導線功耗低（采用鍍鋅導線，導線截面積大（），導電率高），組網傳感器較多時，此性能尤為突出?？梢栽谒泄ぷ?，防水防塵，防護等級達IP65。溫度精度 177。℃（10176。～+85176。C范圍內）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） 傳感器電路設計考慮到傳感器長期暴露在空氣中，空氣中的污染物質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計時，本系統(tǒng)考慮將傳感器與電路板的連接處設計成接口式，這樣就方便了更換傳感器，使設備維護變得簡單易行，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)測設計，將上述四種相應的傳感器分布與相應的傳感器接口相連接，便可實現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 數據處理模塊設計數據處理模塊是傳感器節(jié)點核心控制器件。傳感器節(jié)點的數據搜集、處理、轉換傳輸以及接收從上位機傳輸過來的命令，都需要數據處理模塊的處理和執(zhí)行。因此數據處理模塊的設計性能，關系到傳感器節(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?先進的RISC結構—— 133條指令一大多數可以在一個時鐘周期內完成—— 32x8通用工作寄存器+外設控制寄存器—— 全靜態(tài)工作—— 工作于16MHz時性能高達16MIPS—— 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器?非易失性的程序和數據存儲器—— 128K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程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)，通過片內的啟動程序實現系統(tǒng)內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)的內部SRAM—— 多達64K字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空問—— 可以對鎖定位進行編程以實現軟件加密—— 可以通過SPI實現系統(tǒng)內編程—— JTAG接口(與IEEE )—— 遵循JTAG標準的邊界掃描功能—— 支持擴展的片內調試—— 通過JTAG接口實現對Flash, EEPROM，熔ALL位和鎖定位的編程外設特點—— 兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器—— 兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器—— 具有獨立預分頻器的實時時鐘計數器—— 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）處理器外圍電路設計ATmega128主要與傳輸單元中的CC2420芯片以及數據采集單元中的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。（3）報警指示燈的設計 報警指示燈設計電路 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。當數據處理單元處理數據后，判斷該數據為超標數據，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，使相應的報警指示燈變亮。 zigbee無線數據傳輸模塊設計 本節(jié)點的網絡設計是基于Zigbee無線傳輸系統(tǒng)網絡的一種無線傳感器網絡。Zigbee, 在中國被譯為紫蜂,與藍牙相類似，是一種新興的短距離無線技術。它類似于CDMA和GSM網絡。Zigbee的節(jié)點與節(jié)點之間可以互相通信，接力傳輸。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。zigBee網絡節(jié)點的設計具有微型化、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。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 Kb／s，即可實現多點對多點的快速組網，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) 設置芯片的工作模式, 并實現讀/ 寫緩存數據,讀/ 寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/ 接收緩存器。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外, 通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計, 通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘/ 定時信息的輸入。CC2420的主要性能參數如下：●工作頻帶范圍：～；●；●數據速率達250kbps碼片速率達2MChip/s；●采用ＯQPSK調制方式；●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(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）數據傳輸模塊的協(xié)議數據傳輸模塊采用的通信協(xié)議為Zigbee協(xié)議。Zigbee的基礎是IEEE ，但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網絡層協(xié)議和API進行了標準化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術。主要用于近距離無線連接。它有自己的協(xié)議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現通信。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據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+數據幀+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置寄存器改變，采用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發(fā)送或接收的數據幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進行相應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閉無線收發(fā)器、能量監(jiān)測、鏈路質量監(jiān)測、信道選擇、清除信道評估以及通過物理介質對數據包進行發(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接口，具體功能是信標管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送確認幀、發(fā)送連接及斷開連接請求。此外，MAC層還為應用合適的安全機制提供了一些方法。 網絡層主要用于建立和維護網絡連接。它獨立處理傳入數據的請求、關聯(lián)、解除關聯(lián)和孤立通知請求。 應用層主要為Zigbee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對Zigbee技術進行開發(fā)應用。 由于Zigbee技術已經定義了物理層、介質鏈路層和網絡層的標準規(guī)范，因此這三層的實現通常是類似的。無線傳感器網絡的不同應用都是由基本應用組成，如加入網絡、脫離網絡、發(fā)送數據等。Zigbee協(xié)議技術的特點如下：數據傳輸速率低：只有 20～250 kbit/ s,專注于低傳輸速率的應用。 時延短：休眠激活時延和活動設備接入信道時延均為 15 ms,典型的搜索設備時延為 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 )的數據包完整性檢查功能 ，支持鑒權和認證，采用高級加密標準 (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、醫(yī)療 )頻段 ,2. 4 GHz (全球 )、915 MHz (美國)樹狀和網狀868 MHz(歐洲 ),均為免執(zhí)照頻段。 網絡容量大：Zigbee可采用星狀、網絡結構，并采用 IEEE標準的 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)點還可由上一層網絡節(jié)點管理,最多可組成 65 000個節(jié)點的大網。 可靠性高：采用了 CSMA 2CA技術來避免發(fā)送數據的競爭和沖突。 MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。 低成本：由于 Zigbee數據傳輸速率低 ,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） 數據傳輸模塊的電路設計 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數據傳輸的控制方；CC2420設為從機工作方式。當ATmega128的SPI接口設為主機工作方式時，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，當把數據寫入主機的SPI數據寄存器后，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將數據移出ATmega128，并同時從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。 CC2420接收數據時，它會從天線接收到射頻信號，首先經過低噪聲放大器(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，兩路信號經過