【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 點(diǎn)連接傳感器對(duì)溫溫度傳感器 濕度傳感器 CO2 傳感器ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)CC2430網(wǎng)關(guān)硬件S3C2440AInter用戶監(jiān)控機(jī)GPRS 模塊DTPS05CI服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)手機(jī)終端控制中心（微處理器）增 氧 機(jī)簾 幕循 環(huán) 泵加 熱 器室中的濕度、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng) ZigBee 局域網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)收集采集的數(shù)據(jù)后，由 GPRS 遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)到手機(jī)客戶端或網(wǎng)絡(luò)基站，在網(wǎng)絡(luò)基站中建立自己的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，并負(fù)責(zé)將傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)收集到建立好的數(shù)據(jù)庫(kù)中，經(jīng)監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析作出相應(yīng)的預(yù)警處理，其檢測(cè)系統(tǒng)主要分為以下五部分：1）溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集部分。2）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸單元。3）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元。4）監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)處理分析部分。5）PC 機(jī)顯示部分。具體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 23 所示：CC2430InterZigBee網(wǎng)關(guān)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶監(jiān)控機(jī)溫度傳感器CO2 傳感器濕度傳感器溫度傳感器CO2 傳感器濕度傳感器圖 23 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖3. 系統(tǒng)技術(shù)概述 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee 是一種成熟的短距離、低速率、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線傳感技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee 是一種無(wú)線連接，可工作在 (全球流行)、868MHz(歐洲流行)和 915 MHz(美國(guó)流行 )3 個(gè)頻段上 ,分別具有最高 250kbit/s、20kbit/s 和 40kbit/s 的傳輸速率，它的傳輸距離在 10~75m 的范圍內(nèi) ,但可以繼續(xù)增加。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee 具有如下特點(diǎn)： 　　1）低功耗: 由于 ZigBee 的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為 1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此 ZigBee 設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee 設(shè)備僅靠?jī)晒?jié) 5 號(hào)電 池就可以維持長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的使用時(shí)間,這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。 　　 2）成本低： ZigBee 模塊的 初始成本在 6 美元左右，估計(jì)很快就能降到 ~ 美元, 并且 ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于 ZigBee 也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。 　　 3）時(shí)延短: 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延 30ms,休眠激活的時(shí)延是 15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為 15ms。因此 ZigBee 技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。 　　4）網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納 254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多 100 個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 　　5）可靠: 采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。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。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。 　　6）安全： ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了 AES128 的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee 技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC 層和鏈路層采用了（無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)由 ZigBee 聯(lián)盟進(jìn)行了制定，整個(gè)協(xié)議棧架構(gòu)如圖 31 所示： 　應(yīng)用軟件應(yīng)用層規(guī)范 API 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層 DLL介質(zhì)存取層 MAC物理層 PHY用戶代碼ZigBee stack圖 31 ZigBee 協(xié)議棧架構(gòu) IEEE ZigBee 是以一個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD） ；而另外還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備(FFD) 即協(xié)調(diào)器，如圖 32 所示：圖 32 ZigBee 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 GPRS 技術(shù)GPRS(GeneralPacket Radio Service)是“通用分組無(wú)線服務(wù)”的英文簡(jiǎn)稱，是中國(guó)移動(dòng)開辟的無(wú)線移動(dòng)服務(wù)業(yè)務(wù)。在許多方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、接入范圍大，系統(tǒng)構(gòu)建便捷、運(yùn)行成本較低等特點(diǎn)。2）傳輸速率較高，理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá) 171Ｋbps。3）登錄和接入等待時(shí)間短，可快速建立連接。4）提供實(shí)時(shí)在線功能，用戶將處于“永遠(yuǎn)在線”狀態(tài)，這將使訪問(wèn)服務(wù)變得非常簡(jiǎn)單、快速，幾乎不會(huì)出現(xiàn)“掉線”或信息丟失現(xiàn)象。5）計(jì)費(fèi)合理，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，即使用戶可以一直在線，但只按數(shù)據(jù)流量收取費(fèi)用。GPRS 上述優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)非常適用于間歇的、突發(fā)的、頻繁的、小流量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)對(duì)偶有大流量數(shù)據(jù)傳輸也能承受。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor work）簡(jiǎn)稱 WSN，是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳感器一般稱作 sensor node（傳感器節(jié)點(diǎn)）或者 mote（灰塵） 。此種網(wǎng)絡(luò)中一般也有一個(gè)或幾個(gè)基站(稱作 sink)用來(lái)集中從小型傳感器收集的數(shù)據(jù)。WSN 具有以下特點(diǎn)：1）硬件資源有限。WSN 節(jié)點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器，計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計(jì)算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。2）電源容量有限。WSN 節(jié)點(diǎn)通過(guò)自身攜帶的電他來(lái)提供電源，當(dāng)電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何 WSN 技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。3）無(wú)中心。WSN 沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。4）自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無(wú)需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。5）多跳（Multihop）路由。WSN 節(jié)點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN 中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。6）動(dòng)態(tài)拓?fù)洹SN 是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。7）節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。WSN 節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護(hù)甚至不可維護(hù)。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件健壯性和容錯(cuò)性。 GPRS 模塊—DTPS05CIDTP 系列 GSM/GPRS Modem 是針對(duì)工業(yè)級(jí)用戶，采用 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介的無(wú)線通訊產(chǎn)品?？蓮V泛用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程抄表、道路交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、GPS 定位、金融交易、移動(dòng)辦公等領(lǐng)域。DTPS05Ci 的內(nèi)核主體是西門子雙頻工業(yè)手機(jī)模塊，支持 EGSM900 / GSM1800 頻段，能提供語(yǔ)音、SMS、FAX、GPRS 多種通訊方式。產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：1）采用 5VDC 電壓，500mA 電流的外接電源，功耗低，方便用戶系統(tǒng)供電。 2）產(chǎn)品體積小巧，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到不同環(huán)境下的應(yīng)用，避免了各種內(nèi)因造成的工作隱患。既可作為嵌入式使用，也可以外置使用。3）外殼采用鋁合金材料，堅(jiān)固耐用，抗強(qiáng)電磁干擾能力和散熱能力極強(qiáng)。 4）工作溫度：20℃~55℃，工作濕度≤90%。 5）用戶可根據(jù)自身需要靈活選擇產(chǎn)品接口。 6）使用 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口通信，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。 CC2430 芯片CC2430 芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從 IDE 的IAR 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合 Chipcon 公司全球先進(jìn)的ZigBee 協(xié)議、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示了領(lǐng)先的 ZigBee 解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無(wú)線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于 ZigBee 之外 GHz 頻率的其他設(shè)備。 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了 ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用 1 個(gè) 8 位 MCU(8051)，具有 128 KB 可編程閃存和 8 KB的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(Watch dog timer)、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown out detection)，以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。CC2430 包括四個(gè)定時(shí)器：一個(gè) 16 位 MAC 定時(shí)器，用以為 IEEE 的 CSMACA 算法提供定時(shí)以及為 IEEE 的 MAC 層提供定時(shí)。一個(gè)一般的 16 位和兩個(gè) 8位定時(shí)器，支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和 PWM 功能。 CC2430 內(nèi)集成的其他外設(shè)有: 實(shí)時(shí)時(shí)鐘；上電復(fù)位；8 通道，8~14 位 ADC；可編程看門狗；兩個(gè)可編程 USART，用于主/從 SPI 或 UART 操作。 為了更好的處理網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作的帶寬，CC2430 集成了大多數(shù)對(duì)定時(shí)要求嚴(yán)格的一系列 IEEE MAC 協(xié)議，以減輕微控制器的負(fù)擔(dān)。這包括：自動(dòng)前導(dǎo)幀發(fā)生器、同步字插入/檢測(cè)、CRC16 校驗(yàn)、CCA 、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)/數(shù)字 RSSI、連接品質(zhì)指示(LQI) 和CSMA/CA 協(xié)處理器 。CC2430 芯片采用 CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為 27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于 27 mA 或 25 mA。CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。CC2430 芯片的主要特點(diǎn)如下：1）高性能和低功耗的 8051 微控制器核。2）集成符合 標(biāo)準(zhǔn)的 GHz 的 RF 無(wú)線電收發(fā)機(jī)。3）優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。4）較寬的電壓范圍（~ V） 。5）具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。6）集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC。 　　7）集成 AES 安全協(xié)處理器。8）強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。CC2430 芯片引腳如圖 33 所示：圖 33 CC2430 芯片引腳圖 溫度傳感器模塊（DS18B20 ） 該 產(chǎn) 品 采 用 美 國(guó) DALLAS 公 司 生 產(chǎn) 的 DS18B20 可 組 網(wǎng) 數(shù) 字 溫 度 傳 感 器 芯 片 封裝 而 成 ， 具 有 耐 磨 耐 碰 ， 體 積 小 ， 使 用 方 便 ， 封 裝 形 式 多 樣 ， 適 用 于 各 種 狹 小 空 間 設(shè)備 數(shù) 字 測(cè) 溫 和 控 制 領(lǐng) 域 。 DS18B20 的主要特性：1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：~，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 　　2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 　　3）DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫?！　?）DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 　　5）溫度范圍－55℃~+125℃，在10~+85 ℃時(shí)精度為177?！?。 　　6）可編程 的分辨率為 9~12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃、℃、℃ 和℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 　　7）在 9 位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12 位分辨率時(shí)最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度