【正文】 我們以完成一次小小的實(shí)驗(yàn)做為給自己的鼓舞，以調(diào)試成功一個(gè)短短的程序做為給自己的激勵(lì)，以實(shí)現(xiàn)我們共同的科研夢(mèng)想做為給自己的動(dòng)力。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)和完善的空間。 系統(tǒng)報(bào)表顯示、編輯、打印窗口配置系統(tǒng)用戶畫面設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)相應(yīng)的操作權(quán)限, 管理員可以添加和刪除用戶, 并且可以同時(shí)確定此用戶的操作和瀏覽權(quán)限。 系統(tǒng)報(bào)警界面實(shí)時(shí)曲線畫面設(shè)計(jì) 在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)曲線包括畫面坐標(biāo)的定義、曲線繪制等。可在TouohVew環(huán)境下不斷運(yùn)行及調(diào)試在畫面制作系統(tǒng)中所建立的圖形界面。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(yīng)的I/O設(shè)備寄存器連接。為此本項(xiàng)目采用組態(tài)王工控組態(tài)軟件（KINGVIEW ）為軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。 所示。如果網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量大時(shí)，路由器節(jié)點(diǎn)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。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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，但是不能有新的?jié)點(diǎn)加入。一個(gè)節(jié)點(diǎn)若成功地接收一個(gè)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(bào)。通過發(fā)送AT指令啟動(dòng)GPRS模塊，設(shè)定串口的通信速率，建立socket連接準(zhǔn)備數(shù)據(jù)通信。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)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。本項(xiàng)目主要是用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，節(jié)點(diǎn)所放置的位置大多在野外或者比較危險(xiǎn)（如污染高危區(qū)）的地方，因此在一般的情況下，節(jié)點(diǎn)本身不可能獲得額外能量供應(yīng)，只能依靠本身所攜帶電池供電。R2（1K）與SVR2（1K）調(diào)變，分壓出來電壓通過OP（LM358）第2腳負(fù)端，若D點(diǎn)電壓測(cè)出低于B點(diǎn)電壓（）時(shí)，OP（LM358）第1腳輸出電壓到C8（47uf/50V），產(chǎn)生瞬間電壓，驅(qū)動(dòng)Q1（2N2222）的B腳啟動(dòng)C腳與E腳導(dǎo)通，將C點(diǎn)電壓短暫接地，讓OP（LM358）的B腳OP重新動(dòng)作，進(jìn)行充電。MC34063是一個(gè)低價(jià)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(fù)向電壓?？紤]到設(shè)計(jì)中的電磁兼容和靜電保護(hù)等因素，為了達(dá)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(gè)并聯(lián)的電容和電感耦合。信號(hào)RING用來向蜂窩設(shè)備指示接收到Unsolicited Result Code(URC)。在AutoPowerdown Plus功能有效的時(shí)，如果檢測(cè)到接收或發(fā)送引腳有信號(hào)輸入，該芯片自動(dòng)被激活，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。MC35i模塊還支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制。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(shí)，三極管將截止， V時(shí)的時(shí)間。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。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(shí)長至少為100ms的低電平信號(hào)，且該信號(hào)下降沿時(shí)間小于1 ms。17g；環(huán)境溫度: –20176。通過獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)、及控制信號(hào)的雙向傳輸。（2） GPRS模塊選型GPRS單元采用MC35i模塊。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)有：永遠(yuǎn)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。此外我們還充分考慮到電池用久了電壓會(huì)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外圍天線連接電路圖天線對(duì)于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，是十分重要的。ATmega128的SPI接口工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?；CC2420設(shè)為從機(jī)工作方式。 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(shí)現(xiàn)通常是類似的。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。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(qiáng)(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(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bit CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)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。（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。這四盞指示燈通過繼電器與 ATmega128芯片連接。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)搜集、處理、轉(zhuǎn)換傳輸以及接收從上位機(jī)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?！?85176。4種氣體傳感器的具體型號(hào)參數(shù)如下表： 傳感器的具體型號(hào)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(cè)濕傳感器： HIH4000系列測(cè)濕傳感器作為一個(gè)低成本、可軟焊的單個(gè)直插式組件(SIP)能提供儀表測(cè)量質(zhì)量的相對(duì)濕度(RH)傳感性能。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(huì)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(diǎn)。數(shù)據(jù)處理單元：主要功能是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，并將此數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元。在對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行分析比較時(shí)，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。同時(shí)，此節(jié)點(diǎn)也接收基站監(jiān)控中心經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令，使相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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。本系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)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(cè)的布線難問題；利用太陽能電源裝置給接點(diǎn)充電電池充電,并用電池電壓測(cè)量單元對(duì)充電電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)閾值時(shí),控制太陽能電池板給充電電池充電,直到電壓高于某值時(shí),切斷太陽能電池板對(duì)充電電池的充電，解決了監(jiān)測(cè)接點(diǎn)的電源供應(yīng)問題。但也存在所用設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、國產(chǎn)化率低、難以維護(hù)、運(yùn)營成本高等缺陷，很難在全國大范圍內(nèi)普及。保護(hù)人們的身體健康，實(shí)現(xiàn)化工區(qū)發(fā)生事故前的科學(xué)預(yù)防，事故后科學(xué)處理，最大限度地減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)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。2008年8月26日，廣西宜州一家化工廠發(fā)生爆炸，據(jù)稱爆炸車間儲(chǔ)存著甲醇等化工原料。關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 低功耗 GPRS 組態(tài)軟件不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 69 第五章 工作總結(jié)目錄摘 要 I第一章 緒 論 5 項(xiàng)目研發(fā)及背景意義 5 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展前景 6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能及特點(diǎn) 7 本章小結(jié) 8第二章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架 9 傳感器節(jié)點(diǎn) 10 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) 10 上位機(jī)監(jiān)控中心 11 本章小結(jié) 12第三章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 13 傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)架 13 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 15 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì) 19 zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì) 22 電源模塊設(shè)計(jì) 26 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 27 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)架 27 CC2420模塊設(shè)計(jì) 28 微處理器模塊的設(shè)計(jì) 28 GPRS模塊設(shè)計(jì) 28 電源模塊設(shè)計(jì) 35 本章小結(jié) 38第四章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 39 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 39 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 39 軟件設(shè)計(jì)功能分析 39 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì) 39 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 42 路由器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 43 終端節(jié)點(diǎn)低功耗軟件設(shè)計(jì) 44 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 45 監(jiān)控軟件開發(fā)環(huán)境介紹 45 45 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 47 本章小結(jié) 52第五章 工作總結(jié) 53參考文獻(xiàn) 54致 謝 55附錄1 目前化工區(qū)在線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 56附錄2 傳感器節(jié)點(diǎn)總體硬件設(shè)計(jì)圖 57附錄3 CC2420芯片48引腳及其功能介紹 58附錄4 AT指令集指令簡編 61附錄5 采用MC35i模塊的GPRS 67附錄6 太陽能電池電路 68第一章 緒 論 項(xiàng)目研發(fā)及背景意義化工生產(chǎn)的出現(xiàn)是社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步、人類文明提高到一定程度的標(biāo)志，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要領(lǐng)域，也是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)的重要體現(xiàn)。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究報(bào)告 摘 要基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究報(bào)告摘 要本文針對(duì)當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)中面臨的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等特點(diǎn)，研制了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks ,WSN）的化工區(qū)空氣環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，化學(xué)工業(yè)也在飛速發(fā)展，隨之而來的是化工事故發(fā)生的頻率不斷增大，造成了大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成不良的政治影響。爆炸事故造成16人死亡（其中有2人身份無法確定，可能是失去聯(lián)系人員），另有6人失去聯(lián)系，醫(yī)院收治傷員60人。因此研制一種能在突發(fā)空氣污染物泄漏或惡劣環(huán)境下，替代工作人員執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，同時(shí)能得到準(zhǔn)確及時(shí)數(shù)據(jù)等的系統(tǒng)顯得尤為的迫切而必要。同時(shí)其工作環(huán)境苛刻,一旦建站地點(diǎn)確定后就很難再次移動(dòng),這就限制了工廠的擴(kuò)建、改建等發(fā)展的要求，對(duì)化工區(qū)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有不靈活性。 本章小結(jié)本章通過對(duì)國內(nèi)化工區(qū)環(huán)境污染事故造成的嚴(yán)重危害，展開了關(guān)于化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)的論述，闡述了此項(xiàng)目的研發(fā)背景和研究意義。當(dāng)采集數(shù)據(jù)比數(shù)據(jù)設(shè)定值高時(shí)，即數(shù)據(jù)超標(biāo)出現(xiàn)污染事故時(shí)，不論此節(jié)點(diǎn)處于何種工作模式下，此節(jié)點(diǎn)會(huì)立即進(jìn)入工作模式，向上級(jí)發(fā)送超標(biāo)數(shù)據(jù)，以便基站監(jiān)控中心采取有效措施進(jìn)行處理，同時(shí)此節(jié)點(diǎn)也有相應(yīng)的報(bào)警指示電路，提示有污染事件發(fā)生，提醒工作人員給予及時(shí)的處理。主界面的傳感器節(jié)點(diǎn)終端列表定時(shí)更新傳感器節(jié)點(diǎn)終端的具體信息。此單元由處理器、內(nèi)存、應(yīng)用程序及報(bào)警指示燈構(gòu)成。如果此節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送的命令時(shí)，會(huì)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。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個(gè)熱固塑料型電容傳感元件，其內(nèi)部具有信號(hào)處理功能。C范圍內(nèi)）測(cè)溫范圍 55℃～+125℃溫度分辨率 912位(℃)測(cè)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(yùn)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(jì)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。因此數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)性能，關(guān)系到傳感器節(jié)點(diǎn)的工作效率。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(diǎn)處于環(huán)境污染狀態(tài)中，處理器會(huì)發(fā)出命令，使相應(yīng)的報(bào)警指示燈變亮。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。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE ，但I(xiàn)EEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。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。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。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn) ,最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成 65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。當(dāng)ATmega128的SPI接口設(shè)為主機(jī)工作方式時(shí)，其硬件電路不會(huì)自動(dòng)控制SS引腳。天線的選擇和設(shè)置會(huì)直接影響整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)架 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是由CC2420模塊、處理器模塊、GPRS模塊和電源模塊四部分組成。（1） GPRS概述GPRS（General Packet Radio Service)是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。MC35I模塊屬于無線通訊核心模塊，是結(jié)合語音、數(shù)據(jù)傳輸、簡訊服務(wù)及傳真等功能的高科技產(chǎn)品。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。C to +55176。啟動(dòng)后，15腳的信號(hào)應(yīng)保持高電平。所以這里對(duì)C1的容值，RRR3的阻值就有要求了，這時(shí)需要調(diào)整C1的電容值，RR2的阻值以滿足開機(jī)條件。UR1=i(t)R1 (2)由式2得：= 5/(200103)e1/200200103。數(shù)據(jù)通信電路以MAXIM公司的MAX3238芯片為核心，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能。 V， V～ V的時(shí)間小于30 us，則/INVALID(15腳)引腳為高電平(數(shù)據(jù)有效)。通過AT指令，可以設(shè)置MC35i的不同運(yùn)行模式。這樣為SIM卡構(gòu)成了一個(gè)隔離地，屏蔽了