【正文】 ms的延時(shí)和100 ms的低電平。為了方便說(shuō)明，模塊開機(jī)電路電路圖可以簡(jiǎn)化如下：，開關(guān)由a投向b，并在t=0前開關(guān)與a端相連時(shí)間足夠長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即Uc(0)=0。解得：t=255 ms。 V，符合TIA/。 V～ V的時(shí)間大于30 us，則/INVALID(15腳)引腳為低電平(數(shù)據(jù)無(wú)效)。l SIM卡電路基帶處理器集成了一個(gè)與ISO 78163 IC Card標(biāo)準(zhǔn)兼容的SIM接口。再進(jìn)行語(yǔ)音通話時(shí)，話音清晰。 MC34063引腳MC34063引腳（）功能：（1）SWC（開關(guān)晶體管集極）（2）SWE（開關(guān)晶體管射極）（3）TC（定時(shí)電容器）（4）GND（接地端）（5）COMP（比較器之反向輸入端）（6）Vcc（電源輸入端）（7）Ipk（峰值電流感測(cè)端）（9）DRC（驅(qū)動(dòng)晶體管集極）太陽(yáng)能電池充電器電路：太陽(yáng)能電池板 太陽(yáng)能電池升壓電路，本電路使用太陽(yáng)能板之規(guī)格為8V／800mA，升壓電路利用IC MC34063，將電壓提升為15V來(lái)供應(yīng)充電器所需之電源。 本章小結(jié)本章對(duì)該系統(tǒng)做了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)，在傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中，首先均是對(duì)總體設(shè)計(jì)方案初步規(guī)劃，圍繞其核心芯片處理器和zigbee無(wú)線收發(fā)芯片展開芯片選擇和硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)傳感器的選擇及其參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。為了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作壽命，不僅僅要從硬件方面著手考慮節(jié)能的問(wèn)題，也要從軟件上做到能量?jī)?yōu)化。GPRS通信部分以子程序的模式進(jìn)行編寫，供主程序調(diào)用，用來(lái)管理GPRS模塊的初始化、網(wǎng)絡(luò)激活、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)操作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程如下：首先建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，顯示在自己的LCD上，并將接收到的數(shù)據(jù)全部上傳至監(jiān)控主機(jī)以便于數(shù)據(jù)的分析和保存。 協(xié)調(diào)器子程序流程圖 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)上的軟件負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及通過(guò)無(wú)線通信模塊將采集數(shù)據(jù)包無(wú)線傳送。 路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖 終端節(jié)點(diǎn)低功耗軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)軟件負(fù)責(zé)采集本地各類氣體傳感器的信息,以及通過(guò)ZigBee 協(xié)議棧將采集的數(shù)據(jù)包傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 監(jiān)控軟件開發(fā)環(huán)境介紹組態(tài)王工控組態(tài)軟件（KINGVIEW）是由北京亞控自動(dòng)化軟件科技有限公司開發(fā)的，在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包。組態(tài)王為它支持的設(shè)備配有專門的驅(qū)動(dòng)程序，工程人員不必關(guān)心具體的通信協(xié)議，只需在組態(tài)王的設(shè)備庫(kù)中選擇相應(yīng)設(shè)備的類型，然后按照“設(shè)備配置向?qū)А钡奶崾疽徊揭徊酵瓿砂惭b即可。畫面包括具備一定功能的按鈕及菜單、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警顯示等。 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢畫面、報(bào)警窗口畫面、實(shí)時(shí)曲線畫面、歷史曲線畫面、系統(tǒng)報(bào)表畫面、配置系統(tǒng)用戶畫面等部分設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)曲線用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的變化情況,在畫面運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)曲線對(duì)象由系統(tǒng)自動(dòng)更新。首先，對(duì)軟件開發(fā)環(huán)境做了簡(jiǎn)要介紹，針對(duì)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析，之后分別圍繞網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、路由設(shè)備、終端設(shè)備進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，保證了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、快速性。參考文獻(xiàn)[1] 孫利民,李建中,陳渝,等. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2005: 279287.[2] [J].北京:計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2005,42(l):163174.[3] (美) Gene F. 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2003。同時(shí)也感謝北華大學(xué)“設(shè)計(jì)與創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)室”里王輝、陳挺、羅榮能等學(xué)長(zhǎng)，劉少平、楊榮等同學(xué)的指點(diǎn)和幫助。在本系統(tǒng)的研究過(guò)程中，我們經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的失敗，產(chǎn)生過(guò)許多回困惑，有時(shí)為了探討一次實(shí)驗(yàn)失敗的原因，調(diào)試一個(gè)無(wú)法運(yùn)行的程序，我們就需要經(jīng)歷一個(gè)個(gè)無(wú)眠的黑夜。本文所作的工作如下:(l)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出適合本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；(2)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件電路；(3)對(duì)本系統(tǒng)的傳輸協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩種不同的無(wú)線通信方式，加大數(shù)據(jù)傳輸距離，保證了數(shù)據(jù)的安全、可靠、快速等特點(diǎn)；(4)在基站的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并得出數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，那種污染氣體超標(biāo)及其超標(biāo)量的大小等相關(guān)結(jié)論。這里利用組態(tài)王提供的SOL 訪問(wèn)功能,結(jié)合MS ACCESS,可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的毫秒級(jí)數(shù)據(jù)保存功能。組態(tài)王能夠自動(dòng)對(duì)“變量定義”對(duì)話框中的“報(bào)警定義”有效的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行監(jiān)視,如果發(fā)生報(bào)警事件,就將這些事件存于內(nèi)存的報(bào)警事件緩沖器中,報(bào)警窗口的報(bào)警和報(bào)警事件都是取自報(bào)警緩沖器。組態(tài)王完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶機(jī)/服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式報(bào)警系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議。數(shù)據(jù)庫(kù)是“組態(tài)王”最核心的部分，是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。TOUCHVEW 從工業(yè)控制對(duì)象中采集數(shù)據(jù),并記錄在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。一旦終端節(jié)點(diǎn)收到匯聚節(jié)點(diǎn)或其他鄰近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集或轉(zhuǎn)發(fā)命令,則節(jié)點(diǎn)被喚醒,進(jìn)入正常工作狀態(tài),開始處理相應(yīng)的任務(wù)。： 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)主程序流程圖 路由器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)路由器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中主要起轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的作用，同時(shí)也會(huì)使用傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)。它的事件主要有接收子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示，上傳至監(jiān)控主機(jī)，按鍵命令等。一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，可以從其父節(jié)點(diǎn)得到自己的短MAC地址，ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址以及協(xié)調(diào)器規(guī)定的拓?fù)鋮?shù)。而網(wǎng)關(guān)的另一部分Zigbee模塊充當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器作用，因此網(wǎng)關(guān)也稱為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。重點(diǎn)放在電路本身的運(yùn)行速度、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行效率以及穩(wěn)定性等方面。OP（LM358）第7腳輸出會(huì)有電壓通過(guò)R11（），D4（4148）不斷供應(yīng)給OP（LM358）第5腳超過(guò)1V的電壓，由于第7腳有電壓通過(guò)，驅(qū)動(dòng)Q2（2N2222）的B腳，啟動(dòng)C腳與E腳導(dǎo)通，將A點(diǎn)電壓接地。這種充電可以是斷續(xù)的,即太陽(yáng)能電池板的電壓足以給充電電池充電時(shí)就自動(dòng)給充電電池充電,直到監(jiān)測(cè)到電壓高于某值。但是目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所提供的SIM卡均無(wú)CCIN引腳，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)將引腳CCIN與CCVCC相連。MC35i模塊通過(guò)RS232接口各引腳輸出的信號(hào)有RXD、 CTS、DSR、DCD、RING，輸入的信號(hào)為TXD、RTS、DTR。在正常運(yùn)行模式下，約30秒時(shí)間內(nèi)若芯片在接收和發(fā)送引腳沒(méi)有檢測(cè)到有效信號(hào)，將自動(dòng)進(jìn)入Powerdown模式，此時(shí)耗電1uA。MC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合 ，工作在CMOS電平( V)。 啟動(dòng)電路簡(jiǎn)介圖當(dāng)開關(guān)投向b后電容電壓從零值開始充電，電壓逐漸上升，最后應(yīng)趨于穩(wěn)態(tài)值。電容C1開始放電，此時(shí)電阻R1的電壓上負(fù)下正使Q1的發(fā)射結(jié)反偏，晶體管截止，IGT腳處于高電平。MC35i共有40個(gè)引腳（），通過(guò)ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。TTE 認(rèn)證、GCF認(rèn)證；SMS:MT/MO/CB/PDU模式。模塊有AT命令集（見附錄5）接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、。所謂的封包（Packet）就是將Date封裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一個(gè)一個(gè)傳送出去，形式上有點(diǎn)類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)，這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是比較合理的計(jì)費(fèi)方式，因?yàn)橄驣nternet這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時(shí)間頻寬是間置的。 微處理器模塊的設(shè)計(jì)此節(jié)點(diǎn)的處理器仍然選擇AT公司的AVR系列的ATmega128型單片機(jī)。電池盒采用密封設(shè)計(jì)，置于傳感器節(jié)點(diǎn)模塊底部。根據(jù) IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù) 據(jù)流的每 4個(gè)比特?cái)U(kuò)展為32碼片 ,然后送到 D /A轉(zhuǎn)換器。（3） 數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設(shè)計(jì) CC2420與ATmega128單片機(jī)的接口電路圖 。 安全性高：Zigbee提供了基于 CRC (循環(huán)冗余校驗(yàn) )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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES2128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請(qǐng)求。CC2420為IEEE 。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。 ATmega128通過(guò)編程控制這兩種芯片的工作，此外ATmega128還與四個(gè)繼電器連接了四個(gè)指示燈，以指示空氣中那種污染氣體超標(biāo)。在電路圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文首先考慮的是對(duì)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(cè)設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)四種氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。溫度精度 177。傳感器節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)傳輸單元的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下表： CC2420芯片的設(shè)計(jì)指標(biāo) 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) （1） 傳感器選型傳感器是傳感器節(jié)點(diǎn)的主要工作器件，它們長(zhǎng)時(shí)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(cè)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸單元：主要功能是傳輸數(shù)據(jù)或接收命令。在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實(shí)現(xiàn)連接，避免了當(dāng)傳感器使用壽命終止而此節(jié)點(diǎn)報(bào)廢的狀況。 上位機(jī)監(jiān)控中心化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、處理、打印等功能主要是依靠以PC機(jī)作為上位機(jī)的監(jiān)測(cè)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模擬圖 傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究將有效地解決化工區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題，可以檢測(cè)得到及時(shí)有效的數(shù)據(jù)，又能做到監(jiān)測(cè)方法安全簡(jiǎn)便可靠，同時(shí)不用環(huán)境監(jiān)測(cè)人員親自去化工區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，種種的原因是我們研制此環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的，此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制將在化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中起著越來(lái)越重要作用。 但是它只能得到監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)某段時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測(cè)氣體的平均濃度,不能夠提供實(shí)時(shí)值,且監(jiān)測(cè)結(jié)果受人為的影響很大,對(duì)有害氣體濃度很高的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)擺放氣體吸收液會(huì)嚴(yán)重?fù)p害環(huán)境監(jiān)測(cè)人員的健康?？上攵?，空氣污染已經(jīng)成為人類身體健康的無(wú)形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經(jīng)成為當(dāng)今刻不容緩的難題。大量苯、硝基苯等物料流入松花江，造成松花江水體嚴(yán)重污染。上位機(jī)采用工業(yè)組態(tài)軟件KINGVIEW對(duì)化工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息進(jìn)行顯示和管理，不僅降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性和可靠性，又實(shí)現(xiàn)了界面的友好。本項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件等方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。在我國(guó)，安全生產(chǎn)，突發(fā)事件，環(huán)境處理等問(wèn)題形式日益嚴(yán)峻。由此可知，化工區(qū)發(fā)生事故造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡是比較嚴(yán)重的。本項(xiàng)目采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等，能夠使這些先進(jìn)技術(shù)協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并進(jìn)行處理，處理后的信息通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送給終端設(shè)備。 目前環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀目前化工區(qū)在線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見附錄1。最后，介紹了本系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中設(shè)有與傳感器節(jié)點(diǎn)中匹配的CC2420模塊，進(jìn)行無(wú)線短距離通信，同時(shí)也有與基站監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線通信的GPRS模塊。第三章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)架 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖傳感器節(jié)點(diǎn)共有四大部分組成，即數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源模塊。ATmega128單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判斷后，將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元，如果此數(shù)據(jù)超標(biāo)即出現(xiàn)環(huán)境污染事故，報(bào)警指示燈會(huì)作出反應(yīng)，相應(yīng)的指示燈變亮。由于我們所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)為低功耗的設(shè)備，所以我們采用電池盒供電。濕度范圍：0～100%RH供電電壓：4～工作溫度：40～85℃補(bǔ)償溫度：帶溫度補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間：15Sec產(chǎn)品精度：177。假如傳感器是直接焊在電路板上的，那么更換一個(gè)傳感器就需要再買一塊傳感器子節(jié)點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊。選用AVR單片機(jī)，考慮到電路中I／O的個(gè)數(shù)不多，功耗低、成本低、適合與無(wú)線器件接口配合等多方面因素，綜合對(duì)比后，選用Atmel公司的ATmega128。Zigbee, 在中國(guó)被譯為紫蜂,與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無(wú)線技術(shù)。CC2420芯片的引腳介紹見附錄4。主要用于近距離無(wú)線連接。 MAC 層為高層訪問(wèn)物理信道提供了點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口，具體功能是信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請(qǐng)求。 時(shí)延短：休眠激活時(shí)延和活動(dòng)設(shè)備接入信道時(shí)延均為 15 ms,典型的搜索設(shè)備時(shí)延為 30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時(shí)間，從而大大降低能量消耗。 MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 CC2420接收數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)從天線接收到射頻信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(LowNOisoAmplifier，LNA)，然后正交下邊頻到2MHz的中頻，