【正文】 同時也感謝北華大學“設計與創(chuàng)新綜合實驗室”里王輝、陳挺、羅榮能等學長，劉少平、楊榮等同學的指點和幫助。在本系統(tǒng)的研究過程中，我們經歷了無數次的失敗，產生過許多回困惑，有時為了探討一次實驗失敗的原因，調試一個無法運行的程序，我們就需要經歷一個個無眠的黑夜。參考文獻[1] 孫利民,李建中,陳渝,等. 無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社, 2005: 279287.[2] [J].北京:計算機研究與發(fā)展,2005,42(l):163174.[3] (美) Gene F. FrankL in, J. Divid Powel. Feed2 Back Control of Dynamic System [M ]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2004[4] 李天璞,鞠海玲,[M] 中國科學院計算機技術研究所信息網絡室,2001.[5] 任豐原,黃海寧,林闖. 無線傳感器網絡[J] . 軟件學報, 2003 ,14 (7) :128721291.[6] 耿軍濤,周小佳,[7] 陳丹,鄭增威,李際軍. 無線傳感器網絡研究綜述[J] . 計算機測量與控制,2004 ,12 (8) :7012704.[8] 張福學. 傳感器應用及其電路精選(上下冊) [ M] . 北京:電子工業(yè)出版社,1992.[9] 馬祖長,孫怡寧,梅濤. 無線傳感器網絡綜述[J]. ,25（4）：114123.[10] ,2006.[11] ,4.[12] 李建中, 李金寶, 石勝飛. 傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展[J]. 軟件學報, 2003。本文所作的工作如下:(l)在無線傳感器網絡體系結構的基礎上，設計出適合本系統(tǒng)的網絡體系結構；(2)設計并實現(xiàn)了本系統(tǒng)傳感器節(jié)點和網關節(jié)點的硬件電路；(3)對本系統(tǒng)的傳輸協(xié)議進行了設計，實現(xiàn)兩種不同的無線通信方式，加大數據傳輸距離，保證了數據的安全、可靠、快速等特點；(4)在基站的監(jiān)測平臺上對采集到的數據進行比較分析，并得出數據是否超標，那種污染氣體超標及其超標量的大小等相關結論。首先，對軟件開發(fā)環(huán)境做了簡要介紹，針對軟件要實現(xiàn)的功能進行了分析，之后分別圍繞網關節(jié)點、路由設備、終端設備進行了軟件設計，保證了傳輸數據的準確性、可靠性、快速性。這里利用組態(tài)王提供的SOL 訪問功能,結合MS ACCESS,可以實現(xiàn)微機測控系統(tǒng)或數據采集系統(tǒng)中的毫秒級數據保存功能。實時曲線用于實時顯示數據的變化情況,在畫面運行時實時曲線對象由系統(tǒng)自動更新。組態(tài)王能夠自動對“變量定義”對話框中的“報警定義”有效的數據變量進行監(jiān)視,如果發(fā)生報警事件,就將這些事件存于內存的報警事件緩沖器中,報警窗口的報警和報警事件都是取自報警緩沖器。 上位機監(jiān)控軟件設計環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件包括：實時數據查詢畫面、報警窗口畫面、實時曲線畫面、歷史曲線畫面、系統(tǒng)報表畫面、配置系統(tǒng)用戶畫面等部分設計。組態(tài)王完全基于網絡的概念，是一種真正的客戶機/服務器模式，支持分布式歷史數據庫和分布式報警系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議。畫面包括具備一定功能的按鈕及菜單、實時數據及歷史數據顯示、實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線、報警顯示等。數據庫是“組態(tài)王”最核心的部分，是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。組態(tài)王為它支持的設備配有專門的驅動程序，工程人員不必關心具體的通信協(xié)議，只需在組態(tài)王的設備庫中選擇相應設備的類型，然后按照“設備配置向導”的提示一步一步完成安裝即可。TOUCHVEW 從工業(yè)控制對象中采集數據,并記錄在實時數據庫中。 上位機監(jiān)控軟件設計 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）是由北京亞控自動化軟件科技有限公司開發(fā)的，在PC機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包。一旦終端節(jié)點收到匯聚節(jié)點或其他鄰近節(jié)點的數據采集或轉發(fā)命令,則節(jié)點被喚醒,進入正常工作狀態(tài),開始處理相應的任務。 路由節(jié)點程序流程圖 終端節(jié)點低功耗軟件設計本系統(tǒng)中,無線傳感器網絡終端節(jié)點軟件負責采集本地各類氣體傳感器的信息,以及通過ZigBee 協(xié)議棧將采集的數據包傳送到匯聚節(jié)點。： 終端設備節(jié)點主程序流程圖 路由器節(jié)點的軟件設計路由器節(jié)點在網絡中主要起轉發(fā)數據包的作用，同時也會使用傳感器采集環(huán)境數據。 協(xié)調器子程序流程圖 終端設備節(jié)點的軟件設計傳感器節(jié)點上的軟件負責完成現(xiàn)場數據的采集以及通過無線通信模塊將采集數據包無線傳送。它的事件主要有接收子節(jié)點發(fā)來的數據，將數據顯示，上傳至監(jiān)控主機，按鍵命令等。本設計中的協(xié)調器節(jié)點接收所有節(jié)點的數據，顯示在自己的LCD上，并將接收到的數據全部上傳至監(jiān)控主機以便于數據的分析和保存。一個節(jié)點加入網絡后，可以從其父節(jié)點得到自己的短MAC地址，ZigBee網絡地址以及協(xié)調器規(guī)定的拓撲參數。無線傳感器網絡協(xié)調器節(jié)點工作過程如下：首先建立Zigbee網絡。而網關的另一部分Zigbee模塊充當無線傳感器網絡的協(xié)調器作用，因此網關也稱為無線傳感器網絡的協(xié)調器節(jié)點。GPRS通信部分以子程序的模式進行編寫，供主程序調用，用來管理GPRS模塊的初始化、網絡激活、數據傳輸等相關操作。 網關的軟件設計網關的主要功能就是實現(xiàn)串口數據和網絡數據的轉發(fā)。為了延長節(jié)點的工作壽命，不僅僅要從硬件方面著手考慮節(jié)能的問題，也要從軟件上做到能量優(yōu)化。重點放在電路本身的運行速度、運行環(huán)境、運行效率以及穩(wěn)定性等方面。 本章小結本章對該系統(tǒng)做了詳細的硬件設計，在傳感器節(jié)點硬件設計中，首先均是對總體設計方案初步規(guī)劃，圍繞其核心芯片處理器和zigbee無線收發(fā)芯片展開芯片選擇和硬件電路設計，同時對傳感器的選擇及其參數進行了統(tǒng)計。OP（LM358）第7腳輸出會有電壓通過R11（），D4（4148）不斷供應給OP（LM358）第5腳超過1V的電壓，由于第7腳有電壓通過，驅動Q2（2N2222）的B腳，啟動C腳與E腳導通，將A點電壓接地。 MC34063引腳MC34063引腳（）功能：（1）SWC（開關晶體管集極）（2）SWE（開關晶體管射極）（3）TC（定時電容器）（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（峰值電流感測端）（9）DRC（驅動晶體管集極）太陽能電池充電器電路：太陽能電池板 太陽能電池升壓電路，本電路使用太陽能板之規(guī)格為8V／800mA，升壓電路利用IC MC34063，將電壓提升為15V來供應充電器所需之電源。這種充電可以是斷續(xù)的,即太陽能電池板的電壓足以給充電電池充電時就自動給充電電池充電,直到監(jiān)測到電壓高于某值。再進行語音通話時，話音清晰。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳，所以在設計電路時將引腳CCIN與CCVCC相連。l SIM卡電路基帶處理器集成了一個與ISO 78163 IC Card標準兼容的SIM接口。MC35i模塊通過RS232接口各引腳輸出的信號有RXD、 CTS、DSR、DCD、RING，輸入的信號為TXD、RTS、DTR。 V～ V的時間大于30 us，則/INVALID(15腳)引腳為低電平(數據無效)。在正常運行模式下，約30秒時間內若芯片在接收和發(fā)送引腳沒有檢測到有效信號，將自動進入Powerdown模式，此時耗電1uA。 V，符合TIA/。MC35i的數據接口采用串行異步收發(fā)，符合 ，工作在CMOS電平( V)。解得：t=255 ms。 啟動電路簡介圖當開關投向b后電容電壓從零值開始充電，電壓逐漸上升，最后應趨于穩(wěn)態(tài)值。為了方便說明，模塊開機電路電路圖可以簡化如下：，開關由a投向b，并在t=0前開關與a端相連時間足夠長達到穩(wěn)態(tài)，即Uc(0)=0。電容C1開始放電，此時電阻R1的電壓上負下正使Q1的發(fā)射結反偏，晶體管截止，IGT腳處于高電平。為啟動電路產生的信號，從中可以看出10 ms的延時和100 ms的低電平。MC35i共有40個引腳（），通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關機電路、數據通信電路、SIM卡電路、指示燈電路等連接。C （GSM ）；數據特征: CSD kbps、 USSD、 不透明模式；譯碼方式。TTE 認證、GCF認證；SMS:MT/MO/CB/PDU模式。： ZIF連接框圖MC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。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、。此模塊功能強大，利用此無線模塊的通訊產品便能夠很好地在客戶端進行系統(tǒng)整合的規(guī)劃。所謂的封包（Packet）就是將Date封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸的資料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為象Internet這類的數據傳輸大多數的時間頻寬是間置的。 它經常被描述成“”，也就是說這項技術位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術之間。 微處理器模塊的設計此節(jié)點的處理器仍然選擇AT公司的AVR系列的ATmega128型單片機。為了保證數據傳輸的安全性、可靠性，CC2420模塊設計同第四章的CC2420模塊的性能參數一致，負責與傳感器節(jié)點之間的無線通信；處理器模塊是由ATmega128型單片機、內存和應用程序組成，此模塊負責數據傳輸，即實現(xiàn)了CC2420芯片數據和GPRS模塊的數據傳輸；GPRS模塊由網絡協(xié)議單元、MAC接入單元和射頻模塊三個子單元組成，負責向基站監(jiān)控中心傳送數據，同時也接收基站發(fā)出的命令。電池盒采用密封設計，置于傳感器節(jié)點模塊底部。本節(jié)點射頻芯片CC2420可以使用金屬倒F型PCB引線天線和單極天線兩種設計方案。根據 IEEE 802. 15. 4標準，將數 據流的每 4個比特擴展為32碼片 ,然后送到 D /A轉換器。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(xiàn)了一次數據交換。（3） 數據傳輸模塊的電路設計 CC2420與ATmega128單片機的接口電路圖 。 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。 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。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。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。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。CC2420為IEEE 。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 Kb／s，即可實現(xiàn)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。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。 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。（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。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(xiàn)對四種氣體的實時監(jiān)測。那么傳感器就需要定期更換。溫度精度 177。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。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)。電源模塊，主要功能是給以上三個功能單元提供電能。數據傳輸單元：主要功能是傳輸數據或接收命令。處理器采用的是AT公司的AVR系列ATmega128型芯片。在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實現(xiàn)連接，避免了當傳感器使用壽命終止而此節(jié)點報廢的狀況。 上位機數據處理流程圖、 本章小結 本章首先對化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構進行了闡述，然后圍繞總體框架結構，對每一個子系統(tǒng)結構，即傳感器節(jié)點、網關節(jié)點和上位機控制中心進行了總體描述和簡要說明。 上位機監(jiān)控中心化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測的數據顯示、報警、處理、打印等功能主要是依靠以PC機作為上位機的監(jiān)測控制來實現(xiàn)的。 網關節(jié)點網關節(jié)點是化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要模塊，有兩種工作模式，即工作模式和休眠模式，主要負責傳感器節(jié)點與基站監(jiān)控中心的信息連接。 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模擬圖 傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點是無線傳感器網絡的基本組成部分。同時，針對目前我國在化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測方面的現(xiàn)狀引入了基于無線傳感器網絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并做了簡要介紹?；跓o線傳感器網絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究將有效地解決化工區(qū)域環(huán)境監(jiān)測難的問題，可以檢測得到及時有效的數據，又能做到監(jiān)測方法安全簡便可靠，同時不用環(huán)境監(jiān)測人員親