【正文】 工廠發(fā)生爆炸，據(jù)稱爆炸車間儲存著甲醇等化工原料。據(jù)預測，到2020年全世界死于空氣污染的人數(shù)將達到800萬。保護人們的身體健康，實現(xiàn)化工區(qū)發(fā)生事故前的科學預防，事故后科學處理，最大限度地減少人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)的損失，從而減少了化工區(qū)事故的發(fā)生具有重要的意義。傳感器能保證數(shù)據(jù)的精確采集，無線通信技術(shù)能保證數(shù)據(jù)的可靠、及時的傳送等，這種技術(shù)能夠很好地解決目前化工區(qū)的環(huán)境監(jiān)測問題。但也存在所用設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴、國產(chǎn)化率低、難以維護、運營成本高等缺陷，很難在全國大范圍內(nèi)普及。針對化工區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)存在隱患與弊端。本系統(tǒng)的顯著特點是：巧合地利用了無線數(shù)據(jù)傳播技術(shù)，解決了化工區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測的布線難問題；利用太陽能電源裝置給接點充電電池充電,并用電池電壓測量單元對充電電池電壓進行監(jiān)測,當?shù)陀谀硞€閾值時,控制太陽能電池板給充電電池充電,直到電壓高于某值時,切斷太陽能電池板對充電電池的充電，解決了監(jiān)測接點的電源供應問題。第二章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架本系統(tǒng)采用PC機作為基站監(jiān)控中心上位機，基于AVR系列ATmega128處理器的開發(fā)平臺作為下位機，由傳感器節(jié)點采集化工區(qū)環(huán)境信息，經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，將所采集的信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳送到基站的上位機中，經(jīng)過上位機軟件的在線監(jiān)測，實現(xiàn)對化工區(qū)環(huán)境的實時監(jiān)視。同時，此節(jié)點也接收基站監(jiān)控中心經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送的命令，使相應節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的信息經(jīng)原路傳送到監(jiān)控中心。當網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點進入工作模式，處理器進行快速處理，將該數(shù)據(jù)傳送給基站監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，此節(jié)點立即進入休眠模式。在對環(huán)境信息進行分析比較時，可以將數(shù)據(jù)庫中信息讀出，并顯示在歷史記錄查詢界面或歷史日志查詢界面。傳感器節(jié)點的硬件電路連接圖見附錄2。數(shù)據(jù)處理單元：主要功能是對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行初步的處理，并將此數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元。四盞指示燈的顏色分別為：藍、綠、黃、紅四種，順次表示其所對應二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氫四種有害氣體。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。一般四節(jié)5號干電池就可以使用一到兩年之久。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。%RHDS18B20數(shù)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(wǎng)傳感器較多時，此性能尤為突出?！?85176。這不僅浪費了資源還增加了使用成本。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。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。這四盞指示燈通過繼電器與 ATmega128芯片連接。它類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。（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。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。CC2420的主要性能參數(shù)如下：●工作頻帶范圍：～；●；●數(shù)據(jù)速率達250kbps碼片速率達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(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。它有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。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)進行相應的幀打包和拆包操作。此外，MAC層還為應用合適的安全機制提供了一些方法。 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)層的標準規(guī)范，因此這三層的實現(xiàn)通常是類似的。 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。 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標準的 642bit編址和 16 bit短編址。 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。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。當其要發(fā)送數(shù)據(jù)時 ,先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入容量為 128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。 CC2420外圍天線連接電路圖天線對于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，是十分重要的。 電源模塊設(shè)計從成本和性能兩方面考慮，根據(jù)前面三大主要單元的性能和指標，采用電池盒供電方式，來為整個傳感器節(jié)點模塊供電。此外我們還充分考慮到電池用久了電壓會不穩(wěn)定，所以我在電路板上集成了一塊穩(wěn)壓芯片，來滿足核心芯片、發(fā)射模塊及傳感器的需要。 、： CC2420模塊設(shè)計指標 GPRS模塊設(shè)計指標 CC2420模塊設(shè)計 此節(jié)點的CC2420模塊仍然采用TI公司的CC2420芯片。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕獌?yōu)點有：永遠在線、高速傳輸、覆蓋范圍內(nèi)不受限制(傳輸距離、地形、天氣等)、數(shù)據(jù)傳輸可靠等。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。（2） GPRS模塊選型GPRS單元采用MC35i模塊?！?V，可以工作在900 MHz和1800 MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900 M)和1W(1800 M)。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR 和EFR語音信道編碼。17g；環(huán)境溫度: –20176?！?MC35I GPRS模塊接口40 腳連接；– 電源接口；– SIM 3 V接口； – 標準RS232 雙向接口；50 歐姆天線連接器。模塊上電10 ms后(電池電壓須大于3 V)，為使之正常工作，必須在15腳(/IGT)加時長至少為100ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1 ms。電流方向為逆時針方向，此時電阻R1的電壓上正下負(當UR1≥ V時)使Q1的發(fā)射結(jié)正偏，晶體管處于導通狀態(tài)，IGT腳處于低電平。根據(jù)引腳要求IGT腳電平在處于下降沿并保持低電平100 ms≤t≤1s后跳到高電平。即C(0+)=0。根據(jù)這樣的考慮，得出 (1)電容上的電壓上升，而電阻上的電壓逐漸下降， V時，三極管將截止， V時的時間?？芍?00 ms≤255 ms≤1s符合系統(tǒng)要求。MC35i模塊還支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制。15 KV人體靜電保護措施，兼容5 v邏輯輸入，內(nèi)含3路接收、5路發(fā)送串行通信接口，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達250 kbps。在AutoPowerdown Plus功能有效的時，如果檢測到接收或發(fā)送引腳有信號輸入，該芯片自動被激活，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。在MAX3238與ZIF連接器相應引腳連接時，要注意發(fā)送、接收引腳連接正確。信號RING用來向蜂窩設(shè)備指示接收到Unsolicited Result Code(URC)。MC35i在ZIF連接器上為SIM卡接口預留了6個引腳，所添加的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡?？紤]到設(shè)計中的電磁兼容和靜電保護等因素，為了達到最佳的通話效果，采用在SIM支架下，即印刷電路板的頂層敷設(shè)一層銅隔離網(wǎng)，該層敷銅與 SIM卡的CCGND引腳相連，CCGND和電路板的GND之間通過兩個并聯(lián)的電容和電感耦合?？紤]到在化工區(qū)污染區(qū)域環(huán)境中或多或少地總有直射光或反射光,這就使得利用太陽能對節(jié)點供電成為可能。MC34063是一個低價位的DCDC交換式轉(zhuǎn)換IC，使用上非常方便，除了穩(wěn)壓、降壓、升壓，甚至還可以轉(zhuǎn)成負向電壓。當電壓輸入15V時，經(jīng)過R13（）及Z1（6B1），降壓至6V，此時驅(qū)動NPN（TB123）的B腳時，E腳輸出6V電壓至D2（4148）及R6（ 10Ω），供應BT（電池）充電。R2（1K）與SVR2（1K）調(diào)變，分壓出來電壓通過OP（LM358）第2腳負端，若D點電壓測出低于B點電壓（）時，OP（LM358）第1腳輸出電壓到C8（47uf/50V），產(chǎn)生瞬間電壓，驅(qū)動Q1（2N2222）的B腳啟動C腳與E腳導通，將C點電壓短暫接地，讓OP（LM358）的B腳OP重新動作，進行充電。第四章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件開發(fā)環(huán)境介紹本系統(tǒng)在CodevisionAVR的編譯環(huán)境和AVR Studio 。本項目主要是用于環(huán)境監(jiān)測，節(jié)點所放置的位置大多在野外或者比較危險（如污染高危區(qū)）的地方，因此在一般的情況下，節(jié)點本身不可能獲得額外能量供應，只能依靠本身所攜帶電池供電。同時由于被監(jiān)測區(qū)域面積具有不規(guī)則性和不確定性，要求節(jié)點可以根據(jù)實際監(jiān)測區(qū)域靈活布置，因此對系統(tǒng)的靈活性和擴展性也提出了要求。軟件采用模塊化的設(shè)計方案，各功能子程序分開編寫，以庫的形式給出供主程序調(diào)用。通過發(fā)送AT指令啟動GPRS模塊，設(shè)定串口的通信速率，建立socket連接準備數(shù)據(jù)通信。通過發(fā)送AT指令啟動GPRS模塊，設(shè)定串口的通信速率，建立socket連接準備數(shù)據(jù)通信。協(xié)調(diào)器首先進行信道掃描（Scan），采用一個其他網(wǎng)絡(luò)沒有使用的一個隨機的個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Personal Area Network，PAN）ID空閑信道，同時規(guī)定ClusterTree的拓撲參數(shù)，如最大的兒子數(shù)（Cm）、最大層數(shù)（Lm）、路由算法、路由表生存期等，此時就建立了網(wǎng)絡(luò)。一個節(jié)點若成功地接收一個兒子，或者其兒子成功脫離網(wǎng)絡(luò)，都必須向協(xié)調(diào)器匯報。若有多個設(shè)備節(jié)點同時向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送請求,協(xié)調(diào)器節(jié)點來不及響應處理會丟掉一些請求,發(fā)現(xiàn)自己的請求未得到響應的設(shè)備節(jié)點過幾秒鐘再次發(fā)出請求,直到得到協(xié)調(diào)器節(jié)點的響應為止。如果斷掉協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)還可以維持，即可以繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋遣荒苡行碌墓?jié)點加入。在睡眠狀態(tài)下, 處理器停止工作, 而SRAM、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作, 無線模塊處于低電流的接收狀態(tài)。如果網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量大時，路由器節(jié)點需要做數(shù)據(jù)融合，以降低發(fā)往協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)量。節(jié)點啟動后,首先申請入網(wǎng)。 所示。采用了多線程、COM組件等新技術(shù),實現(xiàn)了實時多任務(wù),軟件運行穩(wěn)定可靠。為此本項目采用組態(tài)王工控組態(tài)軟件（KINGVIEW ）為軟件開發(fā)平臺進行上位機監(jiān)控軟件設(shè)計。每一個驅(qū)動都是一個COM對象，這種方式使驅(qū)動和組態(tài)王構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，既保證了運行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)有很強的擴展性。工程人員根據(jù)需要建立內(nèi)存變量、I/0變量及特殊變量，并配置變量的類型和各種屬性，并將I/0變量與相應的I/O設(shè)備寄存器連接。當變量的值改變時，圖形對象可以按動畫連接的要求改變顏色、尺寸、位置、填充百分數(shù)等，也可以通過動畫連接輸入數(shù)據(jù)變量的值?？稍赥ouohVew環(huán)境下不斷運行及調(diào)試在畫面制作系統(tǒng)中所建立的圖形界面。實時數(shù)據(jù)查詢畫面設(shè)計實時數(shù)據(jù)查詢畫面用于顯示各個環(huán)境測點的氮氧化合物，二氧化硫，二氧化碳，硫化氫、電池狀態(tài)，且用不同的顏色來指示氣體含量的運行狀況，以便于操作員在監(jiān)控室的上位機就可及時了解現(xiàn)場各個環(huán)境測點的空氣質(zhì)量情況。 系統(tǒng)報警界面實時曲線畫面設(shè)計 在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中,實時曲線能夠用來反映氮氧化合物、二氧化硫、二氧化碳、硫化氫、電池狀態(tài)的變化情況,實時曲線包括畫面坐標的定義、曲線繪制等。 環(huán)境監(jiān)測點實時曲線 電池組狀態(tài)監(jiān)測實時曲線歷史曲線畫面設(shè)計歷史曲線可用于查詢以前的氮氧化合物，二氧化硫，二氧化碳，硫化氫變化趨勢,組態(tài)王圖庫里備有完整的歷史趨勢曲線圖片,可對其進行移動、縮放,并通過定義筆屬性、填充屬性,調(diào)整跨度、卷動百分比來界定曲線的具體形式,曲線定義的數(shù)據(jù)變量必須是在數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)定義的,此功能實現(xiàn)了歷史狀況的趨勢再現(xiàn)。 系統(tǒng)報表顯示、編輯、打印窗口配置系統(tǒng)用戶畫面設(shè)計配置系統(tǒng)用戶畫面是用來管理用戶信息的, 用戶以什么樣的身份登陸, 則對應相應的操作權(quán)限, 管理員可以添加和刪除用戶, 并且可以同時確定此用戶的操作和瀏覽權(quán)限。第五章 工作總結(jié)本文以基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究為選題，旨在解決目前在化工區(qū)環(huán)境污染問題，彌補當前化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測的缺陷，實現(xiàn)對化工區(qū)環(huán)境的實時監(jiān)測。同時，隨著計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，本系統(tǒng)還有許多可改進和完善的空間。通過對本系統(tǒng)的研究，使我們所學習的科研知識得到了綜合性應用，所掌握的實踐能力得到了實質(zhì)性提高，所具有的科學信念得到了堅貞性加深。我們以完成一次小小的實驗做為給自己的鼓舞，以調(diào)試成功一個短短的程序做為給自己的激勵，以實現(xiàn)我們共同的科研夢想做為給自己的動