【正文】 ，它會一直處于正常工作狀態(tài)。在此期間，也可以向下發(fā)送命令。因此，協(xié)調(diào)器可以即時掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點信息，維護網(wǎng)絡(luò)信息庫（PIB，PAN Information Base）。同理，一個節(jié)點要離開（Leave）網(wǎng)絡(luò)，只須向其父節(jié)點提出請求即可。協(xié)調(diào)器啟動后，其他普通節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，只要將自己的信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同，并提供正確的認(rèn)證信息，即可請求加入（Join）網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過掃描空信道嘗試建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。初始化完畢后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，等候外部事件中斷的產(chǎn)生，并通過判斷響應(yīng)的類型進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動作。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點主程序流程圖系統(tǒng)上電后，初始化應(yīng)用程序，選定一個PANID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)并通知其他節(jié)點加入。初始化完畢后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，等候外部事件中斷的產(chǎn)生，并通過判斷響應(yīng)的類型進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動作。 系統(tǒng)上電后，初始化應(yīng)用程序，選定一個PANID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)并通知其他節(jié)點加入。MC55模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，提供了連接網(wǎng)絡(luò)的API接口, 可通過AT指令直接對其進行網(wǎng)絡(luò)配置，降低了設(shè)計的復(fù)雜度。應(yīng)用程序主要包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理程序。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件大致分為：網(wǎng)關(guān)模塊主程序、路由節(jié)點模塊程序、終端設(shè)備節(jié)點程序。在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，系統(tǒng)需要周期性獲得被監(jiān)測區(qū)域的空氣質(zhì)量（重點是SO2和NO2），同時當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域敏感污染氣體超標(biāo)時要求傳感器節(jié)點能夠立即上傳數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控的目的。同時，由于節(jié)點所放置的位置和其巨大的數(shù)量，也不可能定期更換電池。同時，軟件還應(yīng)該具備可升級性，可擴展性，可以根據(jù)不同的需求適應(yīng)不同的工作環(huán)境。 軟件設(shè)計功能分析本軟件是無線傳感通信節(jié)點的一部分，其主要作用是對無線傳感通信節(jié)點硬件電路提供軟件支持，使節(jié)點可以達(dá)到項目所規(guī)定的需求。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點節(jié)點硬件設(shè)計中，主要圍繞GPRS模塊的硬件設(shè)計和太陽能電池對蓄電池充電電路展開的設(shè)計，并對相關(guān)的芯片做了詳細(xì)的介紹。自動充電電路見附錄6。由于Q3（TB123），關(guān)閉E腳輸出電壓，停止供應(yīng)電壓給BT（電池）充電。當(dāng)電壓經(jīng)過R10（10K）及D10（4148），由于R5（1K）與SVR1（1K）調(diào)變，分壓出來，電壓通過D3（4148）至OP（LM358）第5只腳正端。 MC34063A為單片機控制電路，能夠DC─DC轉(zhuǎn)換，同時功能尚有升壓、降壓、穩(wěn)壓，并且能夠轉(zhuǎn)成負(fù)電壓。雖然它的效率還不算很高，但電路簡單、成本低廉、溫升低，所以被廣泛應(yīng)用在許多電源轉(zhuǎn)換用途上。太陽能電池充電器采用MC34063芯片。由于存在太陽能的非連續(xù)性和節(jié)點工作連續(xù)性的矛盾,不能直接利用太陽能對節(jié)點進行供電,所以采用充電電池給節(jié)點充電,并用電池電壓測量單元對充電電池電壓進行監(jiān)測,當(dāng)?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。： MC35i與SIM卡的連接電路圖 電源模塊設(shè)計通過本節(jié)點的設(shè)計指標(biāo)參數(shù)可知，本節(jié)點的耗能較大，如果按照傳統(tǒng)做法采用普通干電池供電,由于電池容量有限,即使節(jié)點本身功耗極小,電池漏電流的存在也將大大縮短電池的壽命,特別是在較潮濕的環(huán)境中使用而未采用一定保護措施,或電池本身的質(zhì)量問題等造成電池的自身放電,節(jié)點也將由于能量耗盡而很快失效。這樣為SIM卡構(gòu)成了一個隔離地，屏蔽了其他信號線對 SIM卡的干擾。 在設(shè)計中為SIM卡布線時，發(fā)現(xiàn)了一個值得引起注意問題：如果將SIM卡的第四腳CCGND直接與印刷電路板的GND相連，不作任何信號的隔離保護，則通話時音量很小。當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進入正常工作狀態(tài)。為了適合外部的SIM接口，該接口連接到主接口(ZIF連接器)。通過AT指令，可以設(shè)置MC35i的不同運行模式。由于MC35i的接口電路使用了9針串口的全部引腳，使MC35i可以獲得DTR、DSR、DCD和RING控制信號。才能完成電平轉(zhuǎn)換功能。 該芯片的以上特性，滿足了MC35i作為移動終端的3路接收、5路發(fā)送電路連接要求。 V， V～ V的時間小于30 us，則/INVALID(15腳)引腳為高電平(數(shù)據(jù)有效)。如果FORCEON和/FORCEOFF引腳均為高電平，那么AutoPowerdown Plus功能失效。該芯片的最大特點是，在串行口無數(shù)據(jù)輸入的情況下，可以靈活的進行電源管理，即當(dāng)FORCEON為低電平、/FORCEOFF為高電平時，AutoPowerdown Plus功能有效。具有獨特的177。數(shù)據(jù)通信電路以MAXIM公司的MAX3238芯片為核心，實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能。數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位，可以在300 bps115 kbps的波特率下運行， kbps—115 kbps( kbps除外)。l 數(shù)據(jù)通信電路數(shù)據(jù)通信電路主要完成GPRS數(shù)據(jù)流傳輸、短消息收發(fā)、與PC機通信、軟件流控制等功能。其中：r=R總C+；R總=R1+R2=200Ω ；r=R總C+=200103 106=200 ms。UR1=i(t)R1 (2)由式2得：= 5/(200103)e1/200200103。穩(wěn)態(tài)值是根據(jù)“電容相當(dāng)于開路”而確定為Us的。且t≥0時RC電路與電源相接，因此可以認(rèn)為是求零狀態(tài)響應(yīng)的問題。由于電容電壓不能跳變，在開關(guān)投到b的瞬間，電容電壓仍為零。所以這里對C1的容值，RRR3的阻值就有要求了，這時需要調(diào)整C1的電容值，RR2的阻值以滿足開機條件。顯然IGT腳在 POWERON腳電壓由低變高時處于低電平，GPRS模塊開機。當(dāng)POWER ON腳電壓由高變低時。 啟動信號下降根據(jù)上面的分析，設(shè)計啟動部分的參考電路如下： 啟動電路圖，當(dāng)Power ON腳電壓由低變高時，電容C1被充電左負(fù)右正。啟動后，15腳的信號應(yīng)保持高電平。 MC35i芯片引腳l 啟動電路啟動電路由開漏極三極管和上電復(fù)位電路組成。（3） GPRS模塊外圍電路設(shè)計MC35i模塊的正常運行需要相應(yīng)的外圍電路與其配合。 CS 1,2,3,4； GPRS: 最大 kbps。C to +55176。◇ MC35I GPRS模塊電氣特性支持電壓范圍： ；電流消耗： mA（睡眠）、 mA（閑置）、300 mA (通話， A) 、100 μA（掉電）；◇ MC35I GPRS模塊輸出功率– 2W，for EGSM 900；– 1W，for GSM 1800；◇ MC35I GPRS模塊機械特性；尺寸: x 36 x mm；重量。系統(tǒng)介紹：產(chǎn)品介紹： 西門子MC35I GPRS模塊產(chǎn)品類型： 無線通訊模塊◇ MC35I GPRS模塊技術(shù)特點體積小、重量輕；GPRS多通道類別8；低功耗；支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真；SIM 應(yīng)用工具包；AT 命令集控制；Ramp。作為MC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。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。常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。該模塊包括了前期版本TC35的所有功能，同時新增加了快速的GPRS技術(shù)，采用GPRS分時復(fù)用的CLASS 8標(biāo)準(zhǔn)， kb/s，通信傳輸時延較小，最長不超過3s。MC35i是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù) (Short Message Service)和傳真。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。此外，在GSM phase 2 的標(biāo)準(zhǔn)里，GPRS可以提供四種不同的編碼方式，這些編碼方式也分別提供不同的錯誤保護（Error Protection）能力。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸?shù)?。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。（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移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS模塊設(shè)計隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，無線遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，采用先進的GPRS技術(shù)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集計算機、通信等多種先進技術(shù)于一體，成功實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸問題。見附錄CC2420芯片48引腳及其功能介紹。電源模塊負(fù)責(zé)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點提供能量，按工作模式可劃分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，本節(jié)點是利用太陽能電池板實現(xiàn)可供高效蓄電池充電，這樣可以有效的解決此節(jié)點的能耗大問題，延長了此節(jié)點的有效工作時間。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的系統(tǒng)構(gòu)架 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計框圖基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點是由CC2420模塊、處理器模塊、GPRS模塊和電源模塊四部分組成。這樣做是為了避免化工區(qū)的污染物質(zhì)腐蝕電池，同時避免傳感器長時間暴露在工作區(qū)而被雨淋灌水破壞電路的現(xiàn)象發(fā)生。它的優(yōu)點是價格便宜，兩節(jié)5號干電池就可以使用一到兩年的時間，而且在前面提到的傳感器的使用時間也是一到兩年，二者更換周期一致也就方便了使用和維護。PCB引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過它來感應(yīng)空中電波。天線的選擇和設(shè)置會直接影響整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量。最后 ,經(jīng)過低通濾波和變頻混頻 ,并在能量放大器中進行放大后交由天線發(fā)送。報頭和起始幀由硬件自動生成。 CC2420接收數(shù)據(jù)時，它會從天線接收到射頻信號，首先經(jīng)過低噪聲放大器(LowNOisoAmplifier，LNA)，然后正交下邊頻到2MHz的中頻，形成中頻信號的同相分量和正交分量，兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，后續(xù)的自動增益控制、信道的選擇、解擴及同步等處理都是以數(shù)字信號的形式處理的。當(dāng)ATmega128的SPI接口設(shè)為主機工作方式時，其硬件電路不會自動控制SS引腳。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時CC2420是受控的。CC2420芯片除了擁有以上 Zigbee的所有優(yōu)點外 ,還具有與微控制器的接口配置容易 (四線 SP I串行口 )、接收與發(fā)送采用不同存儲空間、所需外部元件較少以及采用 QLP248封裝 ,外形尺寸只有 7 mm 7 mm等性能特征。 MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點 ,最多一個主節(jié)點可管理 254個子節(jié)點；同時，主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理,最多可組成 65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在 ISM (工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療 )頻段 ,2. 4 GHz (全球 )、915 MHz (美國)樹狀和網(wǎng)狀868 MHz(歐洲 ),均為免執(zhí)照頻段。單靠兩節(jié) 5號電池便可維持 6到24個月，這是其他無線通信技術(shù)望塵莫及的。 時延短：休眠激活時延和活動設(shè)備接入信道時延均為 15 ms,典型的搜索設(shè)備時延為 30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時間，從而大大降低能量消耗。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。 應(yīng)用層主要為Zigbee技術(shù)的實際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對Zigbee技術(shù)進行開發(fā)應(yīng)用。 網(wǎng)絡(luò)層主要用于建立和維護網(wǎng)絡(luò)連接。 MAC 層為高層訪問物理信道提供了點到點通信的服務(wù)接口，具體功能是信標(biāo)管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請求。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。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設(shè)置寄存器改變，采用16位CRC校驗來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。主要用于近距離無線連接。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE ，但I(xiàn)EEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。另外, 通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計, 通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時鐘/ 定時信息的輸入。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/ 接收緩存器。CC2420芯片的引腳介紹見附錄4。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網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計具有微型化、擴展性和靈活性、穩(wěn)定性和安全性、低成本等要求。Zigbee的節(jié)點與節(jié)點之間可以互相通信，接力傳輸。Zigbee, 在中國被譯為紫蜂,與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無線技術(shù)。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)點處于環(huán)境污染狀態(tài)中，處理器會發(fā)出命令，使相應(yīng)的報警指示燈變亮。（3）報警指示燈的設(shè)計 報警指示燈設(shè)計電路 如上圖所示，我們采用四個不同顏色的指示燈表示四種不同的污染氣體。 ATmega128的主要性能如下：?高性能、低功耗的AVR 8位微處理器?先進的RISC結(jié)構(gòu)—— 133條指令一大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成—— 32x8通用工作寄存器+外設(shè)控制寄存器—— 全靜態(tài)工作—— 工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS—— 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器?非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器—— 128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，壽命:10, 000次寫/擦除周期—— 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū)，通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的讀一修改一寫操作—— 4K字節(jié)的EEPROM，壽命:100, 000次寫/擦除周期—— 4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM—— 多達(dá)64K字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空問—— 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密—— 可以通過SPI實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程—— JTAG接口(與IEEE )——