基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測站的設(shè)計(jì)

　　0引言

　　空氣質(zhì)量監(jiān)測是壞境監(jiān)測的一個(gè)重要組成部分，已由傳統(tǒng)的手工采樣--實(shí)驗(yàn)室分析發(fā)展到自動(dòng)監(jiān)測階段。監(jiān)測的項(xiàng)目由原來的SO2、NOx、TSP逐漸增加了新的項(xiàng)目，如CO、O3以及空氣中有毒有害的有機(jī)物。由于人們生活水平的提高，全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)環(huán)境信息提供的要求越來越高。但是，空氣質(zhì)量監(jiān)測站的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到設(shè)計(jì)成本、易于維護(hù)、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性以及監(jiān)測范圍的擴(kuò)大等。無線傳感器節(jié)點(diǎn)成本低、功耗小，適用于多個(gè)區(qū)域的多點(diǎn)檢測，但是無線傳輸距離短，而監(jiān)測點(diǎn)一般遠(yuǎn)離監(jiān)控中心，現(xiàn)有的GPRS（通用分組無線電業(yè)務(wù)）網(wǎng)路覆蓋面很廣，遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸是很容易的。

　　本文利用現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)路來設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量監(jiān)測站，介紹了監(jiān)測站的基本結(jié)構(gòu)、傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)及基本工作流程。

　　1 監(jiān)測站的基本結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測站主要由無線傳感器網(wǎng)路和GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖1所示。

　　空氣質(zhì)量監(jiān)測站由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、空氣質(zhì)量傳感器（檢測SO2，NOx等）以及A/D轉(zhuǎn)換、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊、微處理器等組成［1］。監(jiān)測區(qū)域所部署的傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測每點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐級(jí)進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測的數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

　　2 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4部分組成［1］。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，仔儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器，處理器，無線模塊提供運(yùn)行所需的能量，并對(duì)能量進(jìn)行管理，以達(dá)到最大的使用效率。

　　2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)

　　從傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)造價(jià)、開發(fā)程度、資源處理能力、基本通信協(xié)議能力、二次開發(fā)能力及其通信可靠性方面考慮進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。

　　a）微處理模塊：采用ATEML公司的ATmega1288位AVR微處理器，其128 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲(chǔ)器，4 kB的EEPROM、4 kB的SRAM基本滿足了系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)空間的要求［2］，不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)空間，減少了系統(tǒng)的能耗；8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器基本滿足了傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和精度的要求；6種可以通過軟件選擇的省電模式，可以為系統(tǒng)節(jié)省大部分電源；先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)問，ATMEGA128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗與處理速度之間的矛盾。

　　b）無線模塊：采用由（Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420。CC2420是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.1 5.4規(guī)范，工作于2.4 GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit/s，可以實(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)。

　　c）傳感器模塊：采用低功耗的傳感器可以是溫度傳感器，濕度傳感器，以及各種空氣質(zhì)量傳感器（如TGS2602）。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連接不同的傳感器，以適用各監(jiān)測點(diǎn)的要求。溫度濕度傳感器是為了校正空氣質(zhì)量傳感器的數(shù)據(jù)。

　　d）電源模塊：主要為傳感器、微處理器、無線收發(fā)器提供能源，并對(duì)電源進(jìn)行管理，以提高能量的利用率，一般采用干電池供電（2節(jié)1.5 V）。

　　2.2 CC2420與ATMEGA128的數(shù)據(jù)傳輸

　　CC2420與ATMEGA128的連接非常簡單，如圖3所示。使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)［1，3］；處理器通過S P I接口（MISO、MOSI、SCK）與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令。這時(shí)CC2420是受控的，處理器工作在主機(jī)模式，它是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?，CC2420設(shè)為從機(jī)方式。

　　在SPI設(shè)為主機(jī)方式通信時(shí)，應(yīng)在SPI初始化時(shí)由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入主機(jī)的SPI數(shù)據(jù)寄存器后，主機(jī)將啟動(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，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。

　　圖4表示了ATMEGA128與CC2420之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。