【正文】 護(hù)、運(yùn)營(yíng)成本高等缺陷，很難在全國(guó)大范圍內(nèi)普及。特別是對(duì)目前頻發(fā)的有毒有害氣體泄漏等突發(fā)的環(huán)境污染事件的監(jiān)測(cè),自動(dòng)化空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站更是顯得力不從心,面對(duì)這樣的突發(fā)化工區(qū)環(huán)境污染事件,環(huán)境監(jiān)測(cè)人員就不得不采取在突發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工采樣實(shí)驗(yàn)室分析的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè),這樣不但危害環(huán)境監(jiān)測(cè)人員的健康和安全,而且監(jiān)測(cè)結(jié)果具有嚴(yán)重的滯后性,難以滿足突發(fā)大氣環(huán)境污染事件應(yīng)急的需要。針對(duì)化工區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在隱患與弊端。基于無線傳感器網(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)中起著越來越重要作用。本系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是：巧合地利用了無線數(shù)據(jù)傳播技術(shù)，解決了化工區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的布線難問題；利用太陽能電源裝置給接點(diǎn)充電電池充電,并用電池電壓測(cè)量單元對(duì)充電電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)閾值時(shí),控制太陽能電池板給充電電池充電,直到電壓高于某值時(shí),切斷太陽能電池板對(duì)充電電池的充電，解決了監(jiān)測(cè)接點(diǎn)的電源供應(yīng)問題。同時(shí)，針對(duì)目前我國(guó)在化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的現(xiàn)狀引入了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并做了簡(jiǎn)要介紹。第二章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架本系統(tǒng)采用PC機(jī)作為基站監(jiān)控中心上位機(jī)，基于AVR系列ATmega128處理器的開發(fā)平臺(tái)作為下位機(jī)，由傳感器節(jié)點(diǎn)采集化工區(qū)環(huán)境信息，經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，將所采集的信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳送到基站的上位機(jī)中，經(jīng)過上位機(jī)軟件的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工區(qū)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視。 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)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分。同時(shí)，此節(jié)點(diǎn)也接收基站監(jiān)控中心經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令，使相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的信息經(jīng)原路傳送到監(jiān)控中心。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)與基站監(jiān)控中心的信息連接。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作模式，處理器進(jìn)行快速處理，將該數(shù)據(jù)傳送給基站監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，此節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入休眠模式。 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)控制來實(shí)現(xiàn)的。在對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行分析比較時(shí)，可以將數(shù)據(jù)庫中信息讀出，并顯示在歷史記錄查詢界面或歷史日志查詢界面。 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖、 本章小結(jié) 本章首先對(duì)化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，然后圍繞總體框架結(jié)構(gòu)，對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)控制中心進(jìn)行了總體描述和簡(jiǎn)要說明。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路連接圖見附錄2。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。數(shù)據(jù)處理單元：主要功能是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，并將此數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元。處理器采用的是AT公司的AVR系列ATmega128型芯片。四盞指示燈的顏色分別為：藍(lán)、綠、黃、紅四種，順次表示其所對(duì)應(yīng)二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氫四種有害氣體。數(shù)據(jù)傳輸單元：主要功能是傳輸數(shù)據(jù)或接收命令。數(shù)據(jù)傳輸單元接收到數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)字信息后，會(huì)立即將此數(shù)字信息經(jīng)zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。電源模塊，主要功能是給以上三個(gè)功能單元提供電能。一般四節(jié)5號(hào)干電池就可以使用一到兩年之久。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)。4種氣體傳感器的具體型號(hào)參數(shù)如下表： 傳感器的具體型號(hào)參數(shù) 二氧化氮傳感器（7NO220） 二氧化硫傳感器（SO2/SF2000S） 硫化氫傳感器（4H2S1000傳感器） 二氧化碳傳感器（BMGCO2NDIR型）濕度和溫度傳感器如下：? HIH4000系列測(cè)濕傳感器： HIH4000系列測(cè)濕傳感器作為一個(gè)低成本、可軟焊的單個(gè)直插式組件(SIP)能提供儀表測(cè)量質(zhì)量的相對(duì)濕度(RH)傳感性能。傳感器的多層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)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(xué)品具有最佳的抗力，因此可認(rèn)定它能適用礦下環(huán)境。%RHDS18B20數(shù)字溫度傳感器特點(diǎn)：采用傳感器導(dǎo)線功耗低（采用鍍鋅導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積大（），導(dǎo)電率高），組網(wǎng)傳感器較多時(shí)，此性能尤為突出。溫度精度 177?！?85176。那么傳感器就需要定期更換。這不僅浪費(fèi)了資源還增加了使用成本。在電路圖設(shè)計(jì)過程中，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)。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)搜集、處理、轉(zhuǎn)換傳輸以及接收從上位機(jī)傳輸過來的命令，都需要數(shù)據(jù)處理模塊的處理和執(zhí)行。（1）處理器的選擇 處理器的選型要求和指標(biāo)是功耗低，保證長(zhǎng)時(shí)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(diǎn)是需要大量安置的，所以價(jià)格也要相對(duì)便宜。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個(gè)定時(shí)器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節(jié)能模式，方便低功耗設(shè)計(jì)。 ATmega128通過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)。這四盞指示燈通過繼電器與 ATmega128芯片連接。 zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì) 本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是基于Zigbee無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。（1）無線收發(fā)芯片的選型CC2420是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器， GHz頻段。數(shù)據(jù)傳輸單元模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 Kb／s，即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長(zhǎng)期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn) 設(shè)置芯片的工作模式, 并實(shí)現(xiàn)讀/ 寫緩存數(shù)據(jù),讀/ 寫狀態(tài)寄存器等。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。CC2420的主要性能參數(shù)如下：●工作頻帶范圍：～；●；●數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps碼片速率達(dá)2MChip/s；●采用ＯQPSK調(diào)制方式；●超低電流消耗（RX:,TX:）高接收靈敏度（99dBm）；●抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB)；●內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(～)；●輸出功率編程可控；● ＭＡＣ層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bit CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR,CBC－MAC,CCM)；●與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)；●開發(fā)工具齊全，提供所有開發(fā)套件和演示套件；●采用QLP48封裝，外形尺寸只有７７ｍｍ（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊的協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸模塊采用的通信協(xié)議為Zigbee協(xié)議。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它有自己的協(xié)議標(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。CC2420為IEEE 。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。主要功能是啟動(dòng)和關(guān)閉無線收發(fā)器、能量監(jiān)測(cè)、鏈路質(zhì)量監(jiān)測(cè)、信道選擇、清除信道評(píng)估以及通過物理介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。此外，MAC層還為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供了一些方法。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。 由于Zigbee技術(shù)已經(jīng)定義了物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此這三層的實(shí)現(xiàn)通常是類似的。Zigbee協(xié)議技術(shù)的特點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有 20～250 kbit/ s,專注于低傳輸速率的應(yīng)用。 功耗低 :由于 Zigbee的傳輸速率低，且采用了休眠式，因此大大降低了功耗。 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。 網(wǎng)絡(luò)容量大：Zigbee可采用星狀、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用 IEEE標(biāo)準(zhǔn)的 642bit編址和 16 bit短編址。 可靠性高：采用了 CSMA 2CA技術(shù)來避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。 低成本：由于 Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低 ,協(xié)議簡(jiǎn)單 ,因此大大降低了成本。（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 。ATmega128的SPI接口工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?；CC2420設(shè)為從機(jī)工作方式。因此，在SH通信時(shí)，應(yīng)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(dāng)把數(shù)據(jù)寫入主機(jī)的SPI數(shù)據(jù)寄存器后，主機(jī)接口將自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數(shù)據(jù)移出ATmega128，并同時(shí)從CC2420由MISO移人數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)全部移出時(shí)，兩個(gè)寄存器就實(shí)現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)交換。當(dāng)其要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ,先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入容量為 128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。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。 CC2420外圍天線連接電路圖天線對(duì)于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，是十分重要的。本節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)方案。 電源模塊設(shè)計(jì)從成本和性能兩方面考慮，根據(jù)前面三大主要單元的性能和指標(biāo)，采用電池盒供電方式，來為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)模塊供電。電池盒采用密封設(shè)計(jì)，置于傳感器節(jié)點(diǎn)模塊底部。此外我們還充分考慮到電池用久了電壓會(huì)不穩(wěn)定，所以我在電路板上集成了一塊穩(wěn)壓芯片，來滿足核心芯片、發(fā)射模塊及傳感器的需要。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠性，CC2420模塊設(shè)計(jì)同第四章的CC2420模塊的性能參數(shù)一致，負(fù)責(zé)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線通信；處理器模塊是由ATmega128型單片機(jī)、內(nèi)存和應(yīng)用程序組成，此模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，即實(shí)現(xiàn)了CC2420芯片數(shù)據(jù)和GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸；GPRS模塊由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議單元、MAC接入單元和射頻模塊三個(gè)子單元組成，負(fù)責(zé)向基站監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收基站發(fā)出的命令。 、： CC2420模塊設(shè)計(jì)指標(biāo) GPRS模塊設(shè)計(jì)指標(biāo) CC2420模塊設(shè)計(jì) 此節(jié)點(diǎn)的CC2420模塊仍然采用TI公司的CC2420芯片。 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)。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)有：永遠(yuǎn)在線、高速傳輸、覆蓋范圍內(nèi)不受限制(傳輸距離、地形、天氣等)、數(shù)據(jù)傳輸可靠等。 它經(jīng)常被描述成“”，也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。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)用戶來說是比較合理的計(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。（2） GPRS模塊選型GPRS單元采用MC35i模塊。此模塊功能強(qiáng)大，利用此無線模塊的通訊產(chǎn)品便能夠很好地在客戶端進(jìn)行系統(tǒng)整合的規(guī)劃?！?V，可以工作在900 MHz和1800 MHz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2W(900 M)和1W(1800 M)。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、。通過獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)、及控制信號(hào)的雙向傳輸。： 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。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR 和EFR語音信道編碼。TTE 認(rèn)證、GCF認(rèn)證；SMS:MT/MO/CB/PDU模式。17g；環(huán)境溫度: –20176。C （GSM ）；數(shù)據(jù)特征: CSD kbps、 USSD、 不透明模式；譯碼方式?！?MC35I GPRS模塊接口40 腳連接；– 電源接口；– SIM 3 V接口； – 標(biāo)準(zhǔn)RS232 雙向接口；50 歐姆天線連接器。MC35i共有40個(gè)引腳（），通過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。模塊上電10 ms后(電池電壓須大于3 V)，為使之正常工作，必須在15腳(/IGT)加時(shí)長(zhǎng)至少為100ms的低電平信號(hào)，且該信號(hào)下降沿時(shí)間小于1 ms。為啟動(dòng)電路產(chǎn)生的信號(hào)，從中可以看出10 ms的延時(shí)和100 ms的低電平。電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，此時(shí)電阻R1的電壓上正下負(fù)(當(dāng)UR1≥ V時(shí))使Q1的發(fā)射結(jié)正偏，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，IGT腳處于低電平。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。根據(jù)引腳要求IGT腳電平在處于下降沿并保持低電平100 ms≤t≤1s后跳到高電平。為了方便說明，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，