基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的空氣質(zhì)量監測站的設計

空氣質(zhì)量監測是壞境監測的一個(gè)重要組成部分，已由傳統的手工采樣--實(shí)驗室分析發(fā)展到自動(dòng)監測階段。監測的項目由原來(lái)的SO2、NOx、TSP逐漸增加了新的項目，如CO、O3以及空氣中有毒有害的有機物。由于人們生活水平的提高，全社會(huì )環(huán)保意識的提高，對環(huán)境信息提供的要求越來(lái)越高。但是，空氣質(zhì)量監測站的設計應考慮到設計成本、易于維護、數據的實(shí)時(shí)性以及監測范圍的擴大等。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)成本低、功耗小，適用于多個(gè)區域的多點(diǎn)檢測，但是無(wú)線(xiàn)傳輸距離短，而監測點(diǎn)一般遠離監控中心，現有的GPRS(通用分組無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù))網(wǎng)路覆蓋面很廣，遠距離的數據傳輸是很容易的。

本文利用現在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和GPRS網(wǎng)路來(lái)設計空氣質(zhì)量監測站，介紹了監測站的基本結構、傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的硬件設計及基本工作流程。

1 監測站的基本結構

監測站主要由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路和GPRS網(wǎng)絡(luò )構成，如圖1所示。

空氣質(zhì)量監測站由無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)、空氣質(zhì)量傳感器(檢測SO2，NOx等)以及A/D轉換、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)、GPRS模塊、微處理器等組成[1]。監測區域所部署的傳感器節點(diǎn)監測每點(diǎn)的數據，然后數據沿著(zhù)其他傳感器節點(diǎn)逐級進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監測的數據可能被多個(gè)節點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后匯集到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將數據傳輸到控制中心。

2 傳感器節點(diǎn)的設計

如圖2所示，傳感器節點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊4部分組成[1]。傳感器模塊負責監測區內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個(gè)傳感器節點(diǎn)的操作，仔儲和處理本身采集的數據以及其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據；無(wú)線(xiàn)通信模塊負責與其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源模塊為傳感器，處理器，無(wú)線(xiàn)模塊提供運行所需的能量，并對能量進(jìn)行管理，以達到最大的使用效率。

2.1 傳感器節點(diǎn)硬件電路的設計

從傳感器節點(diǎn)的系統造價(jià)、開(kāi)發(fā)程度、資源處理能力、基本通信協(xié)議能力、二次開(kāi)發(fā)能力及其通信可靠性方面考慮進(jìn)行硬件電路設計。

a)微處理模塊：采用ATEML公司的ATMEGA1288位AVR微處理器，其128 kB的系統內可編程Flash存儲器，4 kB的EEPROM、4 kB的SRAM基本滿(mǎn)足了系統對存儲空間的要求[2]，不需要擴展存儲空間，減少了系統的能耗；8通道10位A/D轉換器基本滿(mǎn)足了傳感器數據轉換和精度的要求；6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式，可以為系統節省大部分電源；先進(jìn)的指令集以及單周期指令執行時(shí)問(wèn)，ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗與處理速度之間的矛盾。

b)無(wú)線(xiàn)模塊：采用由(Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無(wú)線(xiàn)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。數據傳輸支持數據傳輸率高達250 kbit/s，可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長(cháng)期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點(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)節點(diǎn)可以連接不同的傳感器，以適用各監測點(diǎn)的要求。溫度濕度傳感器是為了校正空氣質(zhì)量傳感器的數據。

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

2.2 CC2420與ATMEGA128的數據傳輸

CC2420與ATMEGA128的連接非常簡(jiǎn)單，如圖3所示。使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數據狀態(tài)[1,3]；處理器通過(guò)S P I接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數據，發(fā)送命令。這時(shí)CC2420是受控的，處理器工作在主機模式，它是數據傳輸的控制方，CC2420設為從機方式。

在SPI設為主機方式通信時(shí)，應在SPI初始化時(shí)由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當數據寫(xiě)入主機的SPI數據寄存器后，主機將啟動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過(guò)MOSI將數據移出，同時(shí)從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時(shí)，兩個(gè)寄存器就實(shí)現了一次數據交換。

圖4表示了ATMEGA128與CC2420之間的數據傳輸方式。

2.3 傳感器節點(diǎn)的基本工作流程

圖5所示為節點(diǎn)的基本工作流程，主要包括系統上電自檢、數據采集模塊、數據接收與發(fā)送、電源管理等模塊。系統上電后啟動(dòng)程序，對各端口進(jìn)行配置，利用中斷的方式執行相應的模塊。

3 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的設計

網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的主要作用是：接收來(lái)自其他節點(diǎn)的數據，并對數據進(jìn)行校正、融合等處理，然后發(fā)給監測中心；對于監控中心所發(fā)的指令進(jìn)行相應處理。接收數據部分，還是用CC2420無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，可以統一傳輸協(xié)議，保證傳輸的可靠性；由于還要進(jìn)行數據處理，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)就不附加傳感器，以提高處理器對數據的處理能力，同樣采用ATMEGA128芯片；監控中心一般遠離監測點(diǎn)，如果采用專(zhuān)線(xiàn)方式在實(shí)際應用中成本較高，采用現有的GPRS網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現數據遠程傳輸，由于其按流量計費運行成本比較低。采用西門(mén)子公司的MC55 GPRS模塊來(lái)實(shí)現數據的遠程傳輸。MC55GPRS模塊內嵌的TCP/IP協(xié)議，大大降低了設計的難度，同時(shí)也提高了微處理器處理其他數據的能力。MC55與單片機的連接非常簡(jiǎn)單，標準的串口可直接與單片機的串口連接，如果不連接到PC機還不需要擴展接口；MC55支持標準的AT命令，其通信可以調用相應的AT命令實(shí)現。

網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的主要作用是：接收各傳感器節點(diǎn)的數據，并對數據進(jìn)行相應處理后發(fā)送到監控中心；接收監控中心指令，確定節點(diǎn)的工作狀態(tài)。其基本工作流程如圖6所示。

4 節點(diǎn)的協(xié)議

為了網(wǎng)絡(luò )的組建以實(shí)現數據的有效傳輸，并保證節點(diǎn)電能的最大效率，傳感器節點(diǎn)采用Zigbee協(xié)議。IEEE 802.15.4規范是一種經(jīng)濟、高效、低數據速率[4]、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)，是Zigbee應用層和網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的基礎。基于這個(gè)標準，在許多微小傳感器節點(diǎn)之間相互協(xié)調實(shí)現通信，這些傳感器節點(diǎn)只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器節點(diǎn)傳到另一個(gè)節點(diǎn)，而達到較高的通信效率。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)一部分與傳感器節點(diǎn)通信則采用相同協(xié)議，而另一部分要與監測中心通信，采用TCP/IP協(xié)議，與監測中心通信利用現有的GPRS網(wǎng)絡(luò )，不需要單獨組網(wǎng)，能夠很容易地連接到Intemet，而MC55模塊內嵌TCP/IP協(xié)議，降低了設計的難度。

5 結束語(yǔ)

本系統采用CC2420無(wú)線(xiàn)模塊、ATMEGA128微處理器、空氣質(zhì)量傳感器、MC55GPRS模塊建構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現空氣質(zhì)量的監測，監測范圍廣，數據的傳輸和管理方便，開(kāi)發(fā)成本和運行成本低，特別適合于工廠(chǎng)、小城鎮、小區的空氣質(zhì)量監測，移植與功能擴展方便，更換與增加不同的傳感器可以構建其他監測網(wǎng)絡(luò )。