【正文】 遵循JTAG標準的邊界掃描功能—— 支持擴展的片內(nèi)調(diào)試—— 通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash, EEPROM，熔ALL位和鎖定位的編程外設特點—— 兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器—— 兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器—— 具有獨立預分頻器的實時時鐘計數(shù)器—— 兩路8位PWM—— 6路分辨率可編程(2到16位)的PWM—— 兩個可編程的串行USART—— 可工作于主機/從機模式的SPI串行接口—— 片內(nèi)模擬比較器?特殊的處理器特點—— 6種睡眠模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式—— 可以通過軟件進行選擇的時鐘頻率—— 全局上拉禁止功能?I/O和封裝—— 53個可編程I/O口線—— 64引腳TQFP與64引腳MLF} J裝?工作電壓—— ATmega128?速度等級—— 16MHz ATmega128（2）處理器外圍電路設計ATmega128主要與傳輸單元中的CC2420芯片以及數(shù)據(jù)采集單元中的AD芯片連接。選用AVR單片機，考慮到電路中I／O的個數(shù)不多，功耗低、成本低、適合與無線器件接口配合等多方面因素，綜合對比后，選用Atmel公司的ATmega128。因此數(shù)據(jù)處理模塊的設計性能，關系到傳感器節(jié)點的工作效率。： 傳感器接口與處理器的硬件電路連接圖 數(shù)據(jù)處理模塊設計數(shù)據(jù)處理模塊是傳感器節(jié)點核心控制器件。所以在對傳感器電路設計時，本系統(tǒng)考慮將傳感器與電路板的連接處設計成接口式，這樣就方便了更換傳感器，使設備維護變得簡單易行，同時也避免了資源的浪費降低了成本。假如傳感器是直接焊在電路板上的，那么更換一個傳感器就需要再買一塊傳感器子節(jié)點環(huán)境監(jiān)測模塊。C范圍內(nèi)）測溫范圍 55℃～+125℃溫度分辨率 912位(℃)測溫速度 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運行環(huán)境 55℃～+80℃外型尺寸 φ6mm 長度25mm,30mm可選（2） 傳感器電路設計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。℃（10176?？梢栽谒泄ぷ鳎浪缐m，防護等級達IP65。濕度范圍：0～100%RH供電電壓：4～工作溫度：40～85℃補償溫度：帶溫度補償響應時間：15Sec產(chǎn)品精度：177。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個熱固塑料型電容傳感元件，其內(nèi)部具有信號處理功能。根據(jù)化工區(qū)環(huán)境的主要有害氣體成分，本系統(tǒng)選擇了二氧化氮傳感器、二氧化硫傳感器、二氧化碳傳感器和硫化氫傳感器。這樣節(jié)約了成本，而且更換電池的周期和更換傳感器的周期一致，方便了設備的維護，減少了工作人員的工作量。由于我們所設計的傳感器節(jié)點為低功耗的設備，所以我們采用電池盒供電。如果此節(jié)點收到網(wǎng)關節(jié)點傳送的命令時，會將此命令轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理單元，并等待處理單元的相應命令?？紤]到無線傳感器網(wǎng)絡在通信方面的功耗問題，本單元采用TI公司的zigbee 無線收發(fā)模塊CC2420芯片。同時，本單元可以數(shù)據(jù)傳輸單元接收到經(jīng)網(wǎng)關節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的上位機控制命令，進行命令處理判斷，使此節(jié)點進入工作模式，進行數(shù)據(jù)采集，向上級發(fā)送采集的信息。ATmega128單片機對數(shù)據(jù)進行初步判斷后，將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元，如果此數(shù)據(jù)超標即出現(xiàn)環(huán)境污染事故，報警指示燈會作出反應，相應的指示燈變亮。此單元由處理器、內(nèi)存、應用程序及報警指示燈構成。考慮到傳感器采集到的信息為模擬量，因此需要在傳感器接口與處理器之間增加一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，將傳感器接收到的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再傳送到數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)采集單元：主要功能是采集空氣污染物濃度信息，其中包括采集氮氧化合物（NO2）、二氧化硫（SO2）、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)等幾種有害氣體污染物。第三章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計 傳感器節(jié)點設計 傳感器節(jié)點的系統(tǒng)構架 傳感器節(jié)點設計框圖傳感器節(jié)點共有四大部分組成，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。主界面的傳感器節(jié)點終端列表定時更新傳感器節(jié)點終端的具體信息。傳感器節(jié)點通過網(wǎng)關節(jié)點按照一定的工作模式向上位機傳送采集的數(shù)據(jù)，上位機對數(shù)據(jù)進行處理后，一方面在主界面顯示傳感器節(jié)點終端的環(huán)境信息，另一方面將此信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中進行存儲。當網(wǎng)關節(jié)點收到基站控制中心發(fā)來的命令時，網(wǎng)關節(jié)點進入工作模式，經(jīng)處理器處理后，將命令發(fā)送給相應的傳感器節(jié)點，等待接收傳感器節(jié)點的信息數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給基站監(jiān)測中心，一定時間后進入休眠模式。網(wǎng)關節(jié)點中設有與傳感器節(jié)點中匹配的CC2420模塊，進行無線短距離通信，同時也有與基站監(jiān)控中心進行遠程無線通信的GPRS模塊。當采集數(shù)據(jù)比數(shù)據(jù)設定值高時，即數(shù)據(jù)超標出現(xiàn)污染事故時，不論此節(jié)點處于何種工作模式下，此節(jié)點會立即進入工作模式，向上級發(fā)送超標數(shù)據(jù)，以便基站監(jiān)控中心采取有效措施進行處理，同時此節(jié)點也有相應的報警指示電路，提示有污染事件發(fā)生，提醒工作人員給予及時的處理。傳感器節(jié)點主要功能是定時采集化工區(qū)環(huán)境中排放有害氣體的濃度、濕度、溫度等信息，并把該信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，最終將此數(shù)據(jù)傳送到基站監(jiān)控中心以便上位機的實時監(jiān)控和進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成：無線網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點、無線傳輸?shù)木W(wǎng)關節(jié)點和進行實時監(jiān)測的基站監(jiān)控中心。最后，介紹了本系統(tǒng)的功能及特點。 本章小結本章通過對國內(nèi)化工區(qū)環(huán)境污染事故造成的嚴重危害，展開了關于化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測的論述，闡述了此項目的研發(fā)背景和研究意義。 無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)的功能及特點基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有信息感知系統(tǒng)，通過在化工區(qū)安裝多種傳感器能夠檢測出污染氣體的種類、污染氣體的含量和溫度再把收集到的信息通過無線傳輸發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡傳到基站，最后由基站進行數(shù)據(jù)分析、處理、總結，接著把總結出來的信息發(fā)布到網(wǎng)上。現(xiàn)代化、安全可靠、高效的、價格低廉空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研制勢在必行。 目前環(huán)境在線監(jiān)測儀目前化工區(qū)在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)見附錄1。同時其工作環(huán)境苛刻,一旦建站地點確定后就很難再次移動,這就限制了工廠的擴建、改建等發(fā)展的要求，對化工區(qū)環(huán)境進行監(jiān)測具有不靈活性。 人工取樣便攜式氣體分析儀另一種是采用國外進口的自動化大氣環(huán)境監(jiān)測進行在線監(jiān)測的方法。 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展前景環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護的基礎,其目的是為環(huán)境保護提供科學決策的依據(jù),目前我國對化工區(qū)環(huán)境的監(jiān)測主要采用兩種方法:一種是傳統(tǒng)人工取樣實驗室分析的方法。本項目采用無線傳感器網(wǎng)絡技術，它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術和分布式信息處理技術等，能夠使這些先進技術協(xié)同地實時監(jiān)測和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境監(jiān)測對象的信息，并進行處理，處理后的信息通過無線傳輸方式發(fā)送給終端設備。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，同時能得到準確及時數(shù)據(jù)等的系統(tǒng)顯得尤為的迫切而必要。針對我國化工區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀，我們必須得到全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時準確的監(jiān)測出空氣污染物含量的含量，采取有效地處理措施，在可持續(xù)發(fā)展生產(chǎn)中具有重要的研究意義。目前我國11個最大城市中，空氣中的煙塵和細顆粒物每年使5萬人夭折，40萬人感染上慢性支氣管炎。由此可知，化工區(qū)發(fā)生事故造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡是比較嚴重的。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。2006年1月6日，浙江省紹興市上虞市長征化工有限公司六氯車間一反應釜發(fā)生爆炸事故，造成2人死亡。2005年11月13日，中石油吉林石化分公司雙苯廠苯胺二車間操作人員違反操作規(guī)程，發(fā)生爆炸事故，造成8人死亡。在我國，安全生產(chǎn)，突發(fā)事件，環(huán)境處理等問題形式日益嚴峻。隨著我國經(jīng)濟的快速增長，化學工業(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重的經(jīng)濟損失，甚至造成不良的政治影響。此系統(tǒng)的設計成功，不但有效地克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低可靠性問題, 而且增加了新的監(jiān)測功能，很好地解決了化工區(qū)環(huán)境實時監(jiān)測的問題，在條件惡劣和無人堅守的環(huán)境監(jiān)測和事件跟蹤中顯示了很大的應用價值。 傳感器節(jié)點的系統(tǒng)設計技術是組建無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術之一，本文首先研究了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方法，分別闡述了傳感器板和基站節(jié)點板的硬件設計，并詳細討論了基于ATmega128和CC2420芯片數(shù)據(jù)采集電路、通信電路設計和監(jiān)控軟件結構等構成，最后給出了I/O擴展接口的設計；基站與上位機的通信采用GPRS無線收發(fā)模塊，有效地解決了數(shù)據(jù)傳輸距離的限制；設計了一種太陽能自供電的ZigBee無線傳感器監(jiān)測節(jié)點, 可以為系統(tǒng)無限制的提供能量；, 有效的提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性及可靠性。本項目對系統(tǒng)的傳感器節(jié)點設計、網(wǎng)關節(jié)點設計、節(jié)點監(jiān)測軟件、上位機監(jiān)控軟件等方面進行了詳細的設計?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究報告 摘 要基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究報告摘 要本文針對當前環(huán)境監(jiān)測中面臨的監(jiān)測點分散、布線困難和實時性差等特點，研制了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks ,WSN）的化工區(qū)空氣環(huán)境遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是：分布在化工廠區(qū)域的傳感器節(jié)點采集空氣環(huán)境參數(shù)，通過基站傳輸數(shù)據(jù)到中央控制室的數(shù)據(jù)中心進行實時處理與分析，遠程終端用戶可以通過Internet 實現(xiàn)對空氣質(zhì)量全天候的實時監(jiān)測，并對污染等突發(fā)事件和環(huán)境急劇變化所影響的區(qū)域的空氣環(huán)境狀況實時報警，為空氣環(huán)境污染的防治提供決策支持。在系統(tǒng)結構上采用傳感器節(jié)點、基站節(jié)點、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控中心的三層結構。上位機采用工業(yè)組態(tài)軟件KINGVIEW對化工區(qū)現(xiàn)場的環(huán)境信息進行顯示和管理，不僅降低了系統(tǒng)設計的復雜性，提高了系統(tǒng)工作的實時性和可靠性，又實現(xiàn)了界面的友好。關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡 低功耗 GPRS 組態(tài)軟件不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 69 第五章 工作總結目錄摘 要 I第一章 緒 論 5 項目研發(fā)及背景意義 5 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展前景 6 無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)的功能及特點 7 本章小結 8第二章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 9 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構架 9 傳感器節(jié)點 10 網(wǎng)關節(jié)點 10 上位機監(jiān)控中心 11 本章小結 12第三章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計 13 傳感器節(jié)點設計 13 傳感器節(jié)點的系統(tǒng)構架 13 數(shù)據(jù)采集模塊設計 15 數(shù)據(jù)處理模塊設計 19 zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計 22 電源模塊設計 26 網(wǎng)關節(jié)點設計 27 網(wǎng)關節(jié)點的系統(tǒng)構架 27 CC2420模塊設計 28 微處理器模塊的設計 28 GPRS模塊設計 28 電源模塊設計 35 本章小結 38第四章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計 39 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的軟件設計 39 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 39 軟件設計功能分析 39 網(wǎng)關的軟件設計 39 終端設備節(jié)點的軟件設計 42 路由器節(jié)點的軟件設計 43 終端節(jié)點低功耗軟件設計 44 上位機監(jiān)控軟件設計 45 監(jiān)控軟件開發(fā)環(huán)境介紹 45 45 上位機監(jiān)控軟件設計 47 本章小結 52第五章 工作總結 53參考文獻 54致 謝 55附錄1 目前化工區(qū)在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 56附錄2 傳感器節(jié)點總體硬件設計圖 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 項目研發(fā)及背景意義化工生產(chǎn)的出現(xiàn)是社會發(fā)展、科技進步、人類文明提高到一定程度的標志，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要領域，也是當今工業(yè)發(fā)達的重要體現(xiàn)?；ぎa(chǎn)業(yè)一方面給我們的社會經(jīng)濟和人民生活水平起到了巨大的提高和促進作用，另一方面也給人民群眾的生命財產(chǎn)安全構成了極大的威脅。我國是一個化工業(yè)發(fā)展大國，由于工作設備相對落后，管理水平水平欠缺，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)未完善等原因，引起的化工事故頻繁發(fā)生，造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，環(huán)境問題也日益惡化。大量苯、硝基苯等物料流入松花江，造成松花江水體嚴重污染。2008年8月26日，廣西宜州一家化工廠發(fā)生爆炸，據(jù)稱爆炸車間儲存著甲醇等化工原料。2009年4月24日，沈陽化工集團一化工廠一車間在對設備檢修時，一蒸汽水罐的蓋子突然爆炸，造成4人死亡,所幸的是未造成火災或者有毒、有害氣體泄漏，未對環(huán)境造成嚴重污染或威脅，倘若有氣體泄漏，造成的危害會更加嚴重。據(jù)預測，到2020年全世界死于空氣污染的人數(shù)將達到800萬?？上攵?，空氣污染已經(jīng)成為人類身體健康的無形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經(jīng)成為當今刻不容緩的難題。保護人們的身體健康，實現(xiàn)化工區(qū)發(fā)生事故前的科學預防，事故后科學處理，最大限度地減少人員傷亡和經(jīng)濟財產(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?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用多項創(chuàng)新設計，通過在化工區(qū)形成了一個立體的監(jiān)測網(wǎng)，為環(huán)保部門工作的展開提供依據(jù)，這對環(huán)境的保護將起到很大作用。傳感器能保證數(shù)據(jù)的精確采集，無線通信技術能保證數(shù)據(jù)的可靠、及時的傳送等，這種技術能夠很好地解決目前化工區(qū)的環(huán)境監(jiān)測問題。 但是它只能得到監(jiān)測現(xiàn)場某段時間內(nèi)被監(jiān)測氣體的平均濃度,不能夠提供實時值,且監(jiān)測結果受人為的影響很大,對有害氣體濃度很高的現(xiàn)場進行監(jiān)測時,現(xiàn)場擺放氣體吸收液會嚴重損害環(huán)境監(jiān)測人員的健康。但也存在所用設備結構復雜、價格昂貴、國產(chǎn)化率低、難以維