基于無線傳感器網絡的空氣質量監(jiān)測站的設計

空氣質量監(jiān)測是壞境監(jiān)測的一個重要組成部分，已由傳統的手工采樣--實驗室分析發(fā)展到自動監(jiān)測階段。監(jiān)測的項目由原來的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，全社會環(huán)保意識的提高，對環(huán)境信息提供的要求越來越高。但是，空氣質量監(jiān)測站的設計應考慮到設計成本、易于維護、數據的實時性以及監(jiān)測范圍的擴大等。無線傳感器節(jié)點成本低、功耗小，適用于多個區(qū)域的多點檢測，但是無線傳輸距離短，而監(jiān)測點一般遠離監(jiān)控中心，現有的GPRS(通用分組無線電業(yè)務)網路覆蓋面很廣，遠距離的數據傳輸是很容易的。

本文利用現在無線傳感器網絡和GPRS網路來設計空氣質量監(jiān)測站，介紹了監(jiān)測站的基本結構、傳感器節(jié)點和網關節(jié)點的硬件設計及基本工作流程。

1 監(jiān)測站的基本結構

監(jiān)測站主要由無線傳感器網路和GPRS網絡構成，如圖1所示。

空氣質量監(jiān)測站由無線傳感器節(jié)點、空氣質量傳感器(檢測SO2，NOx等)以及A/D轉換、網關節(jié)點、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)點監(jiān)測每點的數據，然后數據沿著其他傳感器節(jié)點逐級進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測的數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后匯集到網關節(jié)點，再由網關節(jié)點將數據傳輸到控制中心。

2 傳感器節(jié)點的設計

如圖2所示，傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4部分組成[1]。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，仔儲和處理本身采集的數據以及其他節(jié)點發(fā)來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，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，無線模塊提供運行所需的能量，并對能量進行管理，以達到最大的使用效率。

2.1 傳感器節(jié)點硬件電路的設計

從傳感器節(jié)點的系統造價、開發(fā)程度、資源處理能力、基本通信協議能力、二次開發(fā)能力及其通信可靠性方面考慮進行硬件電路設計。

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轉換器基本滿足了傳感器數據轉換和精度的要求；6種可以通過軟件選擇的省電模式，可以為系統節(jié)省大部分電源；先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時問，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)無線模塊：采用由(Chipcon公司生產的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420。CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協議符合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。數據傳輸支持數據傳輸率高達250 kbit/s，可以實現多點對多點的快速組網，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。

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，以及各種空氣質量傳感器(如TGS2602)。每一個節(jié)點可以連接不同的傳感器，以適用各監(jiān)測點的要求。溫度濕度傳感器是為了校正空氣質量傳感器的數據。

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的數據傳輸

CC2420與ATMEGA128的連接非常簡單，如圖3所示。使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數據狀態(tài)[1,3]；處理器通過S P I接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數據，發(fā)送命令。這時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，應在SPI初始化時由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當數據寫入主機的SPI數據寄存器后，主機將啟動時鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數據移出，同時從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。

圖4表示了ATMEGA128與CC2420之間的數據傳輸方式。

2.3 傳感器節(jié)點的基本工作流程

圖5所示為節(jié)點的基本工作流程，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。系統上電后啟動程序，對各端口進行配置，利用中斷的方式執(zhí)行相應的模塊。

3 網關節(jié)點的設計

網關節(jié)點的主要作用是：接收來自其他節(jié)點的數據，并對數據進行校正、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)的指令進行相應處理。接收數據部分，還是用CC2420無線收發(fā)芯片，可以統一傳輸協議，保證傳輸的可靠性；由于還要進行數據處理，網關節(jié)點就不附加傳感器，以提高處理器對數據的處理能力，同樣采用ATMEGA128芯片；監(jiān)控中心一般遠離監(jiān)測點，如果采用專線方式在實際應用中成本較高，采用現有的GPRS網絡可以實現數據遠程傳輸，由于其按流量計費運行成本比較低。采用西門子公司的MC55 GPRS模塊來實現數據的遠程傳輸。MC55GPRS模塊內嵌的TCP/IP協議，大大降低了設計的難度，同時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命令實現。

網關節(jié)點的主要作用是：接收各傳感器節(jié)點的數據，并對數據進行相應處理后發(fā)送到監(jiān)控中心；接收監(jiān)控中心指令，確定節(jié)點的工作狀態(tài)。其基本工作流程如圖6所示。

4 節(jié)點的協議

為了網絡的組建以實現數據的有效傳輸，并保證節(jié)點電能的最大效率，傳感器節(jié)點采用Zigbee協議。IEEE 802.15.4規(guī)范是一種經濟、高效、低數據速率[4]、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的短距離無線技術，是Zigbee應用層和網絡層協議的基礎。基于這個標準，在許多微小傳感器節(jié)點之間相互協調實現通信，這些傳感器節(jié)點只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器節(jié)點傳到另一個節(jié)點，而達到較高的通信效率。網關節(jié)點一部分與傳感器節(jié)點通信則采用相同協議，而另一部分要與監(jiān)測中心通信，采用TCP/IP協議，與監(jiān)測中心通信利用現有的GPRS網絡，不需要單獨組網，能夠很容易地連接到Intemet，而MC55模塊內嵌TCP/IP協議，降低了設計的難度。

5 結束語

本系統采用CC2420無線模塊、ATMEGA128微處理器、空氣質量傳感器、MC55GPRS模塊建構無線傳感網絡，實現空氣質量的監(jiān)測，監(jiān)測范圍廣，數據的傳輸和管理方便，開發(fā)成本和運行成本低，特別適合于工廠、小城鎮(zhèn)、小區(qū)的空氣質量監(jiān)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(jiān)測網絡。