【正文】 環(huán)境變化后更改和重用的難度較大，無人和惡劣環(huán)境下對監(jiān)測的不可實(shí)現(xiàn)性。具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、具有較好的兼容性及安全性。 開發(fā)工具的選擇本系統(tǒng)的開發(fā)主要用到Keil uVision4 調(diào)試編譯軟件和STCISP燒錄軟件把編譯好的軟件燒寫進(jìn)開發(fā)板內(nèi)。同時(shí)還提供了KEIL C51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器，為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。一般使用缺省設(shè)置即可，無須設(shè)置。下載時(shí)注意看提示，主要看是否要給單片機(jī)上電或復(fù)位，下載速度比一般通用編程器快。2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測具有區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量多、監(jiān)測時(shí)間長、監(jiān)測情況復(fù)雜等特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域需要監(jiān)測的各種信息，并對這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式傳送，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給監(jiān)控終端。這里設(shè)計(jì)一套簡單基于zigbee無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測某特定環(huán)境中的溫度和濕度，為環(huán)境控制和管理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。可以將這些傳感器節(jié)點(diǎn)分布于室內(nèi)或室外環(huán)境中的各個(gè)角落。根據(jù)系統(tǒng)的需要，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備以下功能：(1)傳感器信號(hào)的采集和處理。(3)友好的人機(jī)交互界面。 設(shè)計(jì)原則(1)盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法?？煽啃院涂垢蓴_設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它包括芯片和器件的選擇、去耦電容、濾波電容、電路板的布線等。硬件器件越多，器件之間相互干擾越強(qiáng)，功耗也會(huì)越大，就會(huì)可避免的降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串行擴(kuò)展具有方便、靈活、電路簡單、占用I/O資源少等特點(diǎn)。 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的組成可將系統(tǒng)化為四大模塊：信息采集模塊、信息傳輸模塊、信息處理及顯示終端、信息預(yù)警系統(tǒng)。微處理器和無線通信模塊采用支持ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)級(jí)芯片CC2530，大大簡化了射頻電路的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖微處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理等，最主要的是需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全可靠的通信協(xié)議。數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集并將各種傳感器(如溫度、濕度）采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并傳送給微處理器模塊。電源模塊管理單元節(jié)點(diǎn)類型不同有不同的供電方式，在終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)上，電源USB供電，協(xié)調(diào)器的電源是用USB供電或者交流電供電。因?yàn)榇髿猸h(huán)境監(jiān)測的地理形狀可能比較復(fù)雜，而且有時(shí)候可能根據(jù)需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置不固定，要求系統(tǒng)能根據(jù)具體的地理位置調(diào)整監(jiān)測的范圍和傳輸路徑，要求系統(tǒng)有很大的靈活性和自組織性，因此選擇具有自組織式的和自恢復(fù)式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它采集并處理傳感器數(shù)據(jù)，與無線模塊通訊并判斷何時(shí)發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)，控制人機(jī)操作界面以及通過串口與上位機(jī)通訊。它是節(jié)點(diǎn)的中央處理單元(CPU)。本設(shè)計(jì)中微處理器采用TI公司的CC2530芯片和AT89C52單片機(jī)芯片共同組成。結(jié)合了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU、最大128KB的可編程閃存和8KB的RAM。由于CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。CC2530配合很少的外圍元件就可以組成無線通信模塊。在該電路中采用了12MHz的晶振作為AT89C52的時(shí)鐘源；這里采用的是內(nèi)部振蕩方式，在引腳XTAL1和XTAL2外接晶振，通過內(nèi)部振蕩得到的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，在電路中使用較多。本設(shè)計(jì)中用的是30pF的電容。復(fù)位操作一般有兩種基本形式：上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。復(fù)位電路應(yīng)該保證單片機(jī)在上電的瞬間進(jìn)行一次有效的復(fù)位，在單片機(jī)正常工作時(shí)將RST引腳置低。上電后，由于電容充電，是RST持續(xù)一段高電平時(shí)間。通常我們選擇的復(fù)位電容為10～50181。在本設(shè)計(jì)中復(fù)位電容選的是47181。 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)主要包括傳感器的選擇以及與微處理器的連接電路。在傳感器的選擇中，需要考慮量程，精度需求，供電電壓以及功耗。(1)溫濕度傳感器DHT11介紹DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。 DHT11溫濕度傳感器特性參數(shù)參數(shù)條件MinTypMax單位濕度分辨率111%RH16Bit重復(fù)性177。4%RH0－50℃177。1%RH長期穩(wěn)定性典型值177。1℃精度177。2℃量程范圍050℃響應(yīng)時(shí)間1/e(63%)630SDHT11的接口在功耗以及信號(hào)讀取方面做了優(yōu)化，通過類似于IIC的兩線制串口接口與處理器直接連接。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以不存在最小的SCK頻率。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平。 DHT11引腳說明pin名稱注釋1VDD3—2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負(fù)極 （2）溫濕度傳感器DHT11數(shù)據(jù)傳輸方式 DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,:一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),。DHT11接收到主機(jī)的開始信號(hào)后,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束,延時(shí)等待2040us后, 讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào),主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 總線由上拉電阻拉高。如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平，則DHT11沒有響應(yīng)，請檢查線路是否連接正常。 串口通信模塊串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，因此，特別適合于遠(yuǎn)距離傳輸。所以串行接口是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的接口。在單片機(jī)系統(tǒng)中，串口是一個(gè)非常重要的組成部分。RS232串行接口總線具有成本低、簡單可靠、容易使用等特點(diǎn)，加上其歷史悠久，所以目前應(yīng)用仍然非常廣泛；特別對于數(shù)據(jù)量不是很大的場合，串口通信仍然是很好的選擇，有著廣闊的使用前景。通信接口的選擇：為了便于QT2440開發(fā)板和各種外圍設(shè)備的串行通信連接，更廣義地來講是為了各種數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的連接，制定了若干種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。串行通信接口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來分包括RS23RS42RS48USB等。USB是近幾年發(fā)展起來的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。微控制器通過RS232與上位機(jī)通信。發(fā)光二極管TXLED，RXLED用來觀察MAX232工作是否正常，是否有數(shù)據(jù)通過該模塊。對于中心節(jié)點(diǎn)，微控制器將無線模塊接收到的數(shù)據(jù)通過232傳到上位機(jī)軟件顯示。 電源電路圖由于仿真器可以提供穩(wěn)定的電壓，也可以選擇匹配電源。這樣即可以簡化電源電路的設(shè)計(jì)，又可以保證調(diào)試的正常進(jìn)行。3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則（1）明確任務(wù)，弄清軟件所承擔(dān)的任務(wù)細(xì)節(jié)。模塊化程序設(shè)計(jì)，是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的程序設(shè)計(jì)技術(shù)。 而面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)抽象可以在保持外部接口不變的情況下改變內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，從而減少甚至避免對外界的干擾；通過繼承大幅減少冗余的代碼，并可以方便地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有代碼，提高編碼效率，也減低了出錯(cuò)概率，降低軟件維護(hù)的難度；結(jié)合面向?qū)ο蠓治?、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，允許將問題域中的對象直接映射到程序中，減少軟件開發(fā)過程中中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)系統(tǒng)功能和操作過程，列出程序的功能流程圖。 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)、zigbee無線通信模塊軟件設(shè)計(jì)、串口通信模塊軟件設(shè)計(jì)。它提供了一個(gè)顯示數(shù)據(jù)和控制節(jié)點(diǎn)工作的界面。上位機(jī)監(jiān)控界面也可以對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，按下“打開串口”和“關(guān)閉串口”按鈕可以控制節(jié)點(diǎn)是否采集數(shù)掘，這些命令通過串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后通過協(xié)調(diào)器再將其轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)收到命令之后，會(huì)按照相應(yīng)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作。 具體設(shè)計(jì)主要分兩部分，一是溫濕度傳感器的驅(qū)動(dòng)和測溫程序，另一個(gè)是利用單片機(jī)串口編寫的無線傳輸程序。溫濕度傳感器接口軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)從DHT11完成溫濕度數(shù)據(jù)讀取要經(jīng)過以下步驟：單片機(jī)發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集，DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)的流程圖主要源碼如下void COM(void){ U8 i。i8。 while((!P2_0)amp。U8FLAG++)。 Delay_10us()。 U8temp=0。 U8FLAG=2。amp。 if(U8FLAG==1)break。 U8data|=U8temp。 Delay(180)。 //總線由上拉電阻拉高 主機(jī)延時(shí)20us Delay_10us()。 Delay_10us()。 //主機(jī)設(shè)為輸入 判斷從機(jī)響應(yīng)信號(hào) P2_0=1。 //判斷從機(jī)是否發(fā)出 80us 的低電平響應(yīng)信號(hào)是否結(jié)束 while((!P2_0)amp。U8FLAG++)。 //判斷從機(jī)是否發(fā)出 80us 的高電平，如發(fā)出則進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài) while((P2_0)amp。U8FLAG++)。 U8RH_data_H_temp=U8data。 U8RH_data_L_temp=U8data。 U8T_data_H_temp=U8data。 U8T_data_L_temp=U8data。 U8checkdata_temp=U8data。 //數(shù)據(jù)校驗(yàn) U8temp=(U8T_data_H_temp+U8T_data_L_temp+U8RH_data_H_temp+U8RH_data_L_temp)。 U8RH_data_L=U8RH_data_L_temp。 U8T_data_L=U8T_data_L_temp。 } }} 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程與開發(fā)平臺(tái)在對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)過程中，需要經(jīng)歷軟件平臺(tái)安裝、編程、生成可執(zhí)行文件、寫入可執(zhí)行文件和軟件調(diào)試等幾個(gè)步驟。由于C語言具有簡單易懂、采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)、編寫效率高等特點(diǎn)，因此開發(fā)周期短、可讀性高也便于修改。 協(xié)調(diào)器工作流程圖協(xié)調(diào)器上電后，初始化板上硬件、軟件，建立網(wǎng)絡(luò)：協(xié)調(diào)器通過掃描空信道嘗試建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。如果有另一個(gè)協(xié)調(diào)器處于同一信道，它將響應(yīng)BEACON_REQ，而原來的協(xié)調(diào)器將認(rèn)為此信道已被占用。一旦找到某個(gè)信道為空，它會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Personal Area Network，PAN）ID并開始偵聽該信道。從現(xiàn)在開始，如果另一個(gè)協(xié)調(diào)器廣播BEACON_REQ 幀，我們原來的協(xié)調(diào)器將響應(yīng)并聲明其存在。當(dāng)一個(gè)新的終端設(shè)備希望加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它首先會(huì)發(fā)出BEACON_REQ以檢測是否存在協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)OSAL(操作系統(tǒng)抽象層)操作系統(tǒng)上。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件,每個(gè)事件都對應(yīng)一個(gè)事件號(hào)。OSAL中的任務(wù)可以通過任務(wù)API將其添加到系統(tǒng)中,這樣就可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在本設(shè)計(jì)中主要用來接收所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，顯示在自己的LCD上，并將接收到的數(shù)據(jù)全部上傳至監(jiān)控主機(jī)以便于數(shù)據(jù)的分析和保存。若有多個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)同時(shí)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來不及響應(yīng)處理會(huì)丟掉一些請求,發(fā)現(xiàn)自己的請求未得到響應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)過幾秒鐘再次發(fā)出請求,直到得到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)為止。當(dāng)協(xié)調(diào)器將網(wǎng)絡(luò)建立好之后，協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中的作用與路由器相同。由于在設(shè)計(jì)中所有數(shù)據(jù)都發(fā)往協(xié)調(diào)器，如果協(xié)調(diào)器失效，會(huì)導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)不斷重發(fā)，影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。在這里我們使用Qt提供的API通信函數(shù)實(shí)現(xiàn)步驟是,它是先打開串口，在得到串口句柄后，再進(jìn)行串口參數(shù)的配置。 //創(chuàng)建串口對象,指定串口名和查詢方式 myComopen(QIODevice::ReadWrite)。 //設(shè)置波特率 myComsetDataBits(DATA_8)。 //設(shè)置奇偶校驗(yàn),無校驗(yàn) myComsetStopBits(STOP_1)。 //設(shè)置數(shù)據(jù)流控制，無數(shù)流控制 myComsetTimeout(500)。 QObject::connect(myCom,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(readCom()))。具體操作步驟如下：（1） 啟動(dòng)程序燒錄軟件。（3）在界面中點(diǎn)擊選擇程序文件項(xiàng)，選擇需要燒錄的程序，保證單片機(jī)型號(hào)設(shè)置成AT89C52，選擇好要燒錄程序文件后，點(diǎn)擊download，即可進(jìn)行程序到單片機(jī)處理器的下載。 軟件測試（1）傳感器采樣程序測試[26]：以1 s或2s間隔頻率采集各個(gè)傳感器，連續(xù)采集24小時(shí)以上，觀察數(shù)據(jù)顯示是否有異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)。（2）單片機(jī)與無線模塊通訊測試：單片機(jī)每采樣到一次傳感器信號(hào)，處理后及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線模塊，通過觀察電路板上的通訊指示燈觀察無線模塊是否接收到數(shù)據(jù)。（3）顯示終端監(jiān)控界面程序測試：多次重復(fù)操作按鍵菜單，設(shè)置各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，查看程序是否跑死，分析是否有bug。（4）預(yù)警模塊