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)

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。

2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的基本工作流程

圖5所示為節(jié)點(diǎn)的基本工作流程，主要包括系統(tǒng)上電自檢、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送、電源管理等模塊。系統(tǒng)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(zhí)行相應(yīng)的模塊。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要作用是：接收來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、融合等處理，然后發(fā)給監(jiān)測中心；對于監(jiān)控中心所發(fā)的指令進(jìn)行相應(yīng)處理。接收數(shù)據(jù)部分，還是用CC2420無線收發(fā)芯片，可以統(tǒng)一傳輸協(xié)議，保證傳輸?shù)目煽啃?；由于還要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)就不附加傳感器，以提高處理器對數(shù)據(jù)的處理能力，同樣采用ATMEGA128芯片；監(jiān)控中心一般遠(yuǎn)離監(jiān)測點(diǎn)，如果采用專線方式在實(shí)際應(yīng)用中成本較高，采用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，由于其按流量計(jì)費(fèi)運(yùn)行成本比較低。采用西門子公司的MC55 GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。MC55GPRS模塊內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議，大大降低了設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也提高了微處理器處理其他數(shù)據(jù)的能力。MC55與單片機(jī)的連接非常簡單，標(biāo)準(zhǔn)的串口可直接與單片機(jī)的串口連接，如果不連接到PC機(jī)還不需要擴(kuò)展接口；MC55支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，其通信可以調(diào)用相應(yīng)的AT命令實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要作用是：接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后發(fā)送到監(jiān)控中心；接收監(jiān)控中心指令，確定節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。其基本工作流程如圖6所示。

4 節(jié)點(diǎn)的協(xié)議

為了網(wǎng)絡(luò)的組建以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，并保證節(jié)點(diǎn)電能的最大效率，傳感器節(jié)點(diǎn)采用Zigbee協(xié)議。IEEE 802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率[4]、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的短距離無線技術(shù)，是Zigbee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。基于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在許多微小傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這些傳感器節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而達(dá)到較高的通信效率。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一部分與傳感器節(jié)點(diǎn)通信則采用相同協(xié)議，而另一部分要與監(jiān)測中心通信，采用TCP/IP協(xié)議，與監(jiān)測中心通信利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)，不需要單獨(dú)組網(wǎng)，能夠很容易地連接到Intemet，而MC55模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，降低了設(shè)計(jì)的難度。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用CC2420無線模塊、ATMEGA128微處理器、空氣質(zhì)量傳感器、MC55GPRS模塊建構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的監(jiān)測，監(jiān)測范圍廣，數(shù)據(jù)的傳輸和管理方便，開發(fā)成本和運(yùn)行成本低，特別適合于工廠、小城鎮(zhèn)、小區(qū)的空氣質(zhì)量監(jiān)測，移植與功能擴(kuò)展方便，更換與增加不同的傳感器可以構(gòu)建其他監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。