(完整版)基于無線傳感網絡的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)設計論文

1、摘要空氣品質對人的影響至關重要，利用傳感器檢測空氣質量是當今流行的一種方法，本文介紹了傳感器在空氣質量檢測方面的原理應用及監(jiān)控系統(tǒng)的網絡設計。本系統(tǒng)采用無線傳感器網絡來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。本設計系統(tǒng)采用CC2430無線通信模塊、溫濕度傳感器DHT90、空氣質量傳感器QS01.電源模塊構建無線傳感器網絡，通過RS-232串口和監(jiān)控中心通信，使用軟件開發(fā)平臺IAREmbeddedWorkbench開發(fā)ZigBe

2、e協(xié)議棧，基于ZigBee的無線網絡技術以低功耗、低成本、低復雜度等特點受到越來越多企業(yè)和個人的青睞?？諝赓|量監(jiān)測系統(tǒng)特別適合于數(shù)據(jù)吞吐量小、網絡建設投資少、網絡安全要求較高、不便頻繁更換電池或充電的場合。預計將在消費類電子設備、家庭智能化、工控、醫(yī)用設備控制、農業(yè)自動化等領域獲得廣泛應用，利用ZigBee技術完成傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的應用程序，最終能夠實現(xiàn)空氣質量的監(jiān)測。關鍵字：無線傳感器；cc2430；DTH90；zigbee技術；空氣質量檢測ABSTRACTAirqualityimpactonpeopleisveryimportant,usingsensorstodetectairqua

3、lityisnowapopularmethod,thispaperintroducesthesensorinairqualitytestingprinciple,analyzestheadvantagesanddisadvantagesofgassensor,andgassensordevelopmenttrendandprospects.Thesystemuseswirelesssensornetworkstoachievedatascollectionandtransmission*Wirelesssensornetworksarecomposedofalargenumberoflow-c

4、ostmicro-sensornodeswhicharedeployedinthemonitoringregion,useswirelesscommunicationmeanstoformamulti-,collectionandprocessingofperceivedtargetinformationinthenetworkcoverageregion,andsendthemtoobserversThissystemusesCC2430wirelesscommunicationmoduletemperatureandtheZigBeewirelessnetworkingbylowchara

5、cteristicsandsoonpowerloss,lowcost,lowcomplexityreceivesmoreandmoremanyenterprisesandindividualfavor.TheZigBeetechnologysuitsspeciallyinthedatavolumeofgoodsinvestsfew,thenetworksecurityrequestisfrequently.Theestimateintheexpenseclasselectronicinstallationthefamilyintellectualization,thelaborwillcont

6、rol,medicaldomainsandsoondevicecontrol,agriculturalautomationobtainsthewidespreadapplicationThesecandefinitivelyachievethepurposeofairqualitymonitoring.Keywords:wirelesssensor;CC2430;DTH90;ZigBeetechnology；airqualitytesting目錄ABSTRACT1緒論11引言12課題背景和研究意義13無線傳感器網絡的研究進展14論文的研究內容與組織結構2無線傳感器網絡概述21無線傳感器網絡簡介

7、22無線傳感器網絡體系結構概述亙送線傳感器網絡特點24無線傳感器網絡應用25無線傳感器網絡關鍵技術26無線傳感器網絡拓撲結構3空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計31ZigBee技術32系統(tǒng)總體結構設計33傳感器節(jié)點的硬件設計331節(jié)點硬件總體結構332處理器和無線通信模塊HFZ-CC2430EM-22332傳力i器模塊34匯聚節(jié)點的硬件設計341電源模塊342RS-232串口模塊4空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計41ZigBee協(xié)議42IAR開發(fā)環(huán)境介哲43傳感器節(jié)點應用程序設計44匯聚節(jié)點應用程序設計5系統(tǒng)測試與結果分析51測試方案5.1.1硬件測試512溫度采集及串口顯ZK測試5.1.3數(shù)據(jù)通信測試參考文獻

8、附錄c部分程序4.2.1原語概念4.2.2建立新網絡4.2.31緒論1.1引言由于環(huán)境問題的嚴重性使得全社會環(huán)保意識的提高,對于環(huán)境信息的需求也越來越大。與傳統(tǒng)的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)相比，使用傳感器網絡進行環(huán)境監(jiān)測具有如下優(yōu)點：傳感器網絡對被監(jiān)測環(huán)境影響??；傳感器網絡采集數(shù)據(jù)量大、精度高；傳感器節(jié)點還具有無線通信能力，可以使得節(jié)點協(xié)同監(jiān)控。無線傳感器網絡常適用于無人監(jiān)守的遠程監(jiān)測，該文采用無線傳感器網絡來監(jiān)測空氣質量，在城市內選擇一些監(jiān)測點，放置傳感器節(jié)點，并通過ZigBee無線技術傳輸數(shù)據(jù)，終端工作人員可以通過監(jiān)控中心對監(jiān)測系統(tǒng)進行管理和配置、發(fā)布監(jiān)測任務或是收集回傳數(shù)據(jù)。1.2課題背景和研究意

9、義課題背景：當今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學煙霧污染”之后,又出現(xiàn)了“室內空氣污染”為主的第三次環(huán)境污染。大量觸目驚心的事實證實，室內空氣污染已成為危害人類健康的“隱形殺手”,也成為全世界各國共同關注的問題。據(jù)統(tǒng)計，全球近一半的人處于室內空氣污染中，室內環(huán)境問題對我們來講，就顯得尤為重要。然而對于室內環(huán)境問題，我們又往往忽視其重要性。但如今，各種疾病給我們敲響了警鐘，再一次提醒我們，改善室內環(huán)境，杜絕和防止室內污染，不僅是為了提高我們的生活質量，而且，它也關系到身體健康和生命安全。自然環(huán)境有包括空氣環(huán)境、聲音環(huán)境、溫濕環(huán)境和光環(huán)境。人工環(huán)境又分為綠化環(huán)境、裝飾環(huán)境、改造后的自然環(huán)境等。我

10、們通常所提到的環(huán)境污染只是提到空氣環(huán)境污染，因為它對人的危害最大、最直接，從而忽視了其他環(huán)境的利用和改造。其實，其他的室內環(huán)境污染一樣對我們的生活.學習、工作、娛樂等等方面產生了各種危害和影響。美國專家研究表明，室內空氣的污染程度要比室外空氣嚴重二至五倍，在特殊情況下可達100倍。室內空氣中可檢測出500多種揮發(fā)性有機物，某些有害氣體濃度可高出戶外十倍乃至幾十倍，其中20多種是致癌物。所以美國已將室內空氣污染歸為危害公共健康的5大環(huán)境因素之一。加拿大的一個衛(wèi)生組織的調査也顯示，當前人們68%的疾病都與室內空氣污染有關室內環(huán)境污染已經引起35.7%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的氣管炎、

11、支氣管炎和肺癌，所以檢測技術是人們認識和改造世界的一種必不可少的重要技術手段。而傳感器是科學實驗和工業(yè)生產等活動中對信息資源的開發(fā)獲取、傳輸與處理的一種重要工具，并且在空氣質量檢測方面發(fā)揮重要作用。研究意義：人類生存離不開空氣，而人的一生約80%的時間是在室內度過的，特別是老、弱、病、殘、幼、孕等體弱者在室內活動時間更長，室內環(huán)境質量的好壞對他們的身心健康更加重要。因此加強室內環(huán)境的監(jiān)測與治理，對保證人民的健康，提高國民的整體素質十分重要。尤其像我國這樣人口眾多，而醫(yī)療保健水平又跟不上的國家，加強室內環(huán)境監(jiān)測，維持一個綠色的居住、辦公場所，讓廣大人民都擁有一個健康的體魄，顯得尤為重要。國外大量

12、研究結果也表明，室內空氣污染會引起“致病建筑綜合癥”(BBS),癥狀包括頭痛、眼、鼻和喉部不適,干咳，皮膚干燥發(fā)癢，頭暈惡心注意力難于集中和對氣味敏感等。建筑關聯(lián)病(BRI),癥狀有咳嗽，胸部發(fā)緊，發(fā)燒寒顫和肌肉疼痛等，所以任何一個場所包括室內、室外都有必要進行空氣檢測，給家人朋友一個舒適健康的生活環(huán)境。環(huán)境保護，監(jiān)測先行，自動化、信息化是做好環(huán)境監(jiān)測的前提和保障,多年來在地方經濟迅速發(fā)展的同時，各地區(qū)不斷出現(xiàn)不同程度的水、氣、噪聲等環(huán)境污染事件，嚴重影響了人們的生活質量，阻礙了當?shù)亟洕某掷m(xù)發(fā)展。隨著國家制定的各種環(huán)境保護政策及法規(guī)的頒布實施，各級地方政府在對轄區(qū)內的環(huán)境治理日益重視的同時，

13、加大了對環(huán)境監(jiān)測及應急監(jiān)測的投資力度，各地區(qū)陸續(xù)規(guī)劃安裝了空氣質量監(jiān)測站。13無線傳感器網絡的研究進展在西方和一些發(fā)達國家如加拿大、英國、德國、意大利和日本等國家的研究機構也加入了無線傳感器網絡的研究。歐盟的Philips.FranceTelecom、SiemensEricsson等公司，日本的NEC、歐姆龍、OKI、Sky2等開展了無線傳感器網絡的研究美國科學基金委員會2003年制定了無線傳感器網絡研究計劃，研究領域涉及能感知有毒化學物、生物攻擊等的傳感器節(jié)點、分布環(huán)境下傳感器網絡的特性等問題。美國著名院校幾乎都有研究小組在從事無線傳感器網絡相關技術的研究。在我國無線傳感器網絡及其應用研究幾

14、乎與發(fā)達國家同步啟動，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學院知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究的“信息與自動化領域研究報告”中。國內的一些科研單位和著名大學，如中國科學院自動化所、軟件所及清華大學、哈爾濱工業(yè)大學從2002年開始在時間同步與定位、傳感器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)方面開展了研究工作。2005年，將無線傳感器網絡基礎理論和關鍵技術列入計劃；2006年，將水下移動傳感器網絡的關鍵技術列為重點研究項目。國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(CNGI)示范工程中，也部署了無線傳感器網絡相關的課題，國內也有越來越多的企業(yè)開始關注無線傳感器網絡技術的發(fā)展，開始推出針對無線傳感器網絡及ZigBee的解決方案，而無線網絡應用在生活中

15、的研究也是剛剛起步。目前ZigBee網絡的應用范圍非常廣泛，很多我們想象不到的地方也在使用ZigBee技術。例如，在工業(yè)領域，ZigBee技術不僅用來控制照明燈的開關，它還有一個用途是檢查高速路上照明燈的工作情況。以前工程師要開車到高速路上檢查哪些照片燈已經壞掉了，需要維修，但因為車速較快，不能記下所有要檢修燈的編號，但通過ZigBee網絡，工程師只需坐在計算機，就可以很清楚地監(jiān)測到整個高速路上照明燈的工作情況，這是目前的一個熱點應用。再如，ZigBee技術用于進出的控制，可以記錄汽車的進出，也可以在人員進出時用于傳輸相關指紋來識別數(shù)據(jù),進行身份認證。此外，通過ZigBee網絡的路由器功能，它

16、還可以用來實時監(jiān)控煤礦內各點的安全狀況，防止事故的發(fā)生。在加油站，一些客戶不希望布線，他們正在考慮采用ZigBee無線技術來傳輸相關數(shù)據(jù)。在消費類電子方面，ZigBee技術可以替現(xiàn)在的紅外遙控，于紅外遙控相比，ZigBee的優(yōu)勢在于每一個操作都會有反饋信息，告訴他們是否實現(xiàn)了相關操作?，F(xiàn)今我們也可以看到ZigBee用于家庭保安，消費者在家中的門和窗上都安裝了ZigBee網絡，當有人闖入時，ZigBee可以控制開啟室內攝像裝置，這些數(shù)據(jù)再通過Internet或WLAN網絡反饋給主人，從而實現(xiàn)報警。當在家電產品如空調，熱水器等安裝ZigBee模塊后，用戶可以ZigBee無線網絡來控制這些產品的開啟

17、。在建筑智能化領域，各種燈光的控制，氣體的感應與監(jiān)測，如煤氣泄漏的感應和報警都可以應用ZigBee技術。ZigBee在未來的幾年里將在工業(yè)控制，工業(yè)無線定位,家庭網絡，汽車自動化，樓宇自動化，消費電子，醫(yī)用設備控制等多個領域具有廣泛的應用前景，特別是家庭自動化和工業(yè)控制，將成為今后ZigBee芯片的主要應用領域。在工業(yè)領域，利用傳感器和ZigBee網絡,使得數(shù)據(jù)的自動采集，分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。在汽車領域，主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內置在飛轉的車輪或者發(fā)動機中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這就要求內置無線通信設備使用的電池有較長的壽命，同時應

18、該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結構對電磁波的屏蔽效應。在精確農業(yè)領域，傳統(tǒng)農業(yè)主要使用孤立的，沒有通信能力的機械設備，主要是依靠人力監(jiān)測作物的生產狀況，采用了傳感器和ZigBet網絡后，農業(yè)將可以逐漸地轉向以信息和軟件為中心的生產模式，使用更多的自動化，網絡化，職能化和遠程控制的設備來耕種。在家庭和樓宇自動化領域，家庭自動化系統(tǒng)作為電子技術的集成得以迅速擴展，易于進入，簡單明了和廉價的安裝成本等成了驅動自動化居家，建筑開發(fā)和應用無線技術的主要動因。在醫(yī)學領域，將借助于各種傳感器和ZigBee網絡準確而且實時地監(jiān)測病人的血壓，體溫和心跳速度等信息，從而減輕醫(yī)生的査房的工作負擔，有助于醫(yī)生做出快速的反應，

19、特別是對重病和病?；颊叩谋O(jiān)護和治療。在消費和家用自動化市場，可以聯(lián)網的家用設備有電視，錄像機，無線耳機，PC外設，運動與休閑器械，兒童玩具，游戲機，窗戶和窗簾，照明設備，空調系統(tǒng)和其它家用電器。1.4論文的研究內容與組織結構研究內容：本論文研究了如何利用傳感器檢測空氣質量及介紹了傳感器在空氣質量檢測方面的原理應用，分析了當前氣體傳感器的特點，以及氣體傳感器的發(fā)展趨勢和前景本包括系統(tǒng)的軟硬、件設計及其具體實現(xiàn)，主要研究內容如下。一是，目前我國采用的空氣質量監(jiān)測方法的研究，基于無線傳感器網絡的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的研究意義和無線傳感器網絡的概述，概述包括基本概念、結構、體系結構、特點、應用、關鍵技術和

20、網絡拓撲結構。二是，該系統(tǒng)的硬件設計。該系統(tǒng)采用符合IEEE802.15.4標準的ZigBee無線技術來實現(xiàn)網絡中節(jié)點間的無線通信。溫濕度傳感器節(jié)點由西安華凡科技有限公司的HFZ-CC2430EM-22模塊，溫濕度傳感器DHT90和兩節(jié)五號電池組成。氣體傳感器節(jié)點由西安華凡科技有限公司的HFZ-CC2430EM-22模塊，空氣質量傳感器QS-01和5V鋰電池組成。研究了HFZ-CC2430EM-22模塊的結構、特性和CC2430芯片的內部結構、外在電路；研究了DHT90的工作原理并實現(xiàn)了傳感器通信,最終焊接制作出溫濕度傳感器節(jié)點。匯聚節(jié)點由西安華凡科技有限公司的HFZ-CC2430EM22模塊

21、和SmartRF07DB母板組成。主要應用母版的串口電路和電源模塊，因為匯聚節(jié)點一直處于工作狀態(tài)因此選擇持續(xù)的USB供電方式，通過串口連接匯聚節(jié)點和PC機并顯示測試數(shù)據(jù),而串口電平與TTL電平幅值不同無法直接相連，因此需要串口電路轉換電平。三是，該系統(tǒng)的軟件設計。論文研究了德州儀器開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack的軟件構架，并在IAR集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)該協(xié)議棧，根據(jù)傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的應用流程添加自己的溫濕度釆集應用程序和修=1III改主文件中的任務處理函數(shù)，最終實現(xiàn)功能。論文結構：共分為5章，結構安排如下：第1章：緒論。介紹了目前的空氣質量監(jiān)測方法，課題的研究背景及研究意義，無線傳感

22、器網絡的研究進展和論文的主要研究內容和組織框架。第2章：無線傳感器網絡概述。介紹了無線傳感器網絡的基本構架、體系結構、特點、應用和關鍵技術。第3章：空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計。介紹了ZigBee技術，系統(tǒng)的總體結構設計，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的硬件設計。第4章：空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計。介紹了ZigBee協(xié)議棧，IAR集成開發(fā)環(huán)境，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的應用程序設計。第5章：總結與展望?？偨Y本論文所做的工作，提出現(xiàn)有方案的不足之處，并對下一步工作進行了展望。2無線傳感器網絡概述2.1無線傳感器網絡簡介無線傳感器網絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，其目的是協(xié)作地感知，采

23、集，處理和網絡傳輸覆蓋地理區(qū)域感知對象的檢測信息，并報告給用戶。它的英文是WirelessSensorNetwork簡稱WSN。大量的傳感器節(jié)點將探測數(shù)據(jù)，通過匯聚節(jié)點經其他網絡發(fā)送給了用戶在這個定義中，傳感器網絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，處理和傳輸?shù)娜N功能,而這對應著現(xiàn)代信息技術的三大基礎技術，即傳感器技術，計算機技術和通信技術。無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。發(fā)達國家如美國，非常重視無線傳感器網絡的發(fā)展，IEEE正在努力推進無線傳感器網絡的應用和發(fā)展。波士頓大學，還于最近創(chuàng)辦了傳感器網絡協(xié)會，期望能促進傳感器聯(lián)

24、網技術開發(fā)。美國的技術評論雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網絡列為第一項未來新興技術，商業(yè)周刊預測的未來四大新技術中，無線傳感器網絡也被列入其中I?？梢灶A計，無線傳感器網絡的廣泛應用是一種必然趨勢,它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。2.2無線傳感器網絡體系結構概述近年來隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統(tǒng)（MEMS）等技術的飛速發(fā)展，使得低成本、低功耗、多功能的微型無線傳感器的大量生產成為可能，這些微型無線傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)釆集和處理、協(xié)同合作等功能，無線傳感器網絡（以下簡稱傳感器網絡）就是由許多這些傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的。傳感器網絡的節(jié)點可以隨機或者特定地布

25、置在目標環(huán)境中，它們之間通過特定的協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務。傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一，它將會對人類未來的生活方式產生深遠影響】。2003年2月份的美國技術評論雜志評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，傳感器網絡被列為第一。傳感器網絡最初來源于美國先進國防研究項目局（DARPA-DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）的一個研究項目，當時處于冷戰(zhàn)時期，為了監(jiān)測敵方潛艇的活動情況，需要在海洋中布置大量的傳感器，使用這些傳感器所監(jiān)測的信息來實時監(jiān)測海水中潛艇的行動。但是由于當時技術條件的限制，使得

26、傳感器網絡的應用只能局限于軍方的一些項目中，難以得到推廣和發(fā)展。近年來隨著無線通信、微處理器、微電機系統(tǒng)等技術的發(fā)展，使得傳感器網絡的理想藍圖能夠得以實現(xiàn)，其應用前景越來越廣，國外各個研究機構對它的研究也正方興未艾。在傳感器網絡中，每個節(jié)點的功能都是相同的，大量傳感器節(jié)點被布置在整個被觀測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點將自己所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點的接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過基站以衛(wèi)星信道或有線網絡連接的方式傳送給最終用戶o2.3無線傳感器網絡特點傳感器網絡是由大量體積小、成本低.具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理的傳感器節(jié)點（se

27、nsornode）組成的，傳感器節(jié)點一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成（如圖21所示）。除此之外根據(jù)具體應用的需要，可能還會有定位系統(tǒng)、電源再生單元和移動單元等。其中電源單元是最重要的模塊之一，有的系統(tǒng)可能釆用太陽能電池等方式來補充能量，但是大多數(shù)情況下傳感器節(jié)點的電池是不可補充的。定位系統(tǒng)對傳感器網絡的路由是很重要的，有些傳感器節(jié)點采用全球定位系統(tǒng)（GPS）進行定位，但是GPS模塊價格昂貴且體積難以減少，所以不可能全部節(jié)點都使用GPS來進行定位。此外，GPS定位還受到其他限制，如部分應用于建筑物內部等。通常情況下是在整個網絡中會有某些傳感器節(jié)點配有GPS系統(tǒng)，其他節(jié)點

28、通過局部定位算法得到它們與配有GPS的節(jié)點之間的相對位置，這樣所有節(jié)點都能知道各自的具體位置了。除借助GPS的定位方式外，還有離散梯度法等間接定位方式。圖21傳感器網絡節(jié)點的組成模塊Fig2-1nodemoduleofSensornetwork傳感器網絡與傳統(tǒng)網絡相比有一些獨有的特點，正是由于這些特點使得傳感器網絡存在很多新問題，提出了很多新的挑戰(zhàn)“叭傳感器網絡的主要特點有:1）傳感器網絡的節(jié)點數(shù)量大、密度高由于傳感器網絡節(jié)點的微型化，每個節(jié)點的通信和傳感半徑很有限,一般為十幾米范圍之內，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過鋪設大量的傳感器節(jié)點來保證網絡的質量。傳感器網

29、絡的節(jié)點數(shù)量和密度都要比一般網絡高幾個數(shù)量級，可能達到每平方米上百個節(jié)點的密度，甚至多到無法為單個節(jié)點分配統(tǒng)一的物理地址。這會帶來一系列問題，如信號沖突、信息的有效傳送路徑的選擇、大量節(jié)點之間如何協(xié)同工作等。2）傳感器網絡的節(jié)點有一定的故障率由于傳感器網絡可能工作在惡劣的外界環(huán)境之中，網絡中的節(jié)點可能會由于各種不可預料的原因而失效，為了保證網絡的正常工作，要求傳感器網絡必須設計成具有一定的容錯能力，允許傳感器節(jié)點具有一定的故障率。3）傳感器網絡節(jié)點在電池能量、計算能力和存儲容量等方面有限制由于傳感器節(jié)點的微型化，節(jié)點的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點更換電池，所以傳感器節(jié)點的電池能量限

30、制是整個傳感器網絡設計最關鍵的約束之一，它直接決定了網絡的工作壽命。另一方面,傳感器節(jié)點的計算和存儲能力有限，使得其不能進行復雜的計算，傳統(tǒng)Internet網絡上成熟的協(xié)議和算法對傳感器網絡而言開銷太大，難以使用，必須重新設計簡單有效的協(xié)議及算法W4）傳感器網絡的拓撲結構變化很快由于傳感器網絡自身的特點，傳感器節(jié)點在工作和睡眠狀態(tài)之間切換以及傳感器節(jié)點隨時可能由于各種原因發(fā)生故障而失效，或者有新的傳感器節(jié)點補充進來以提高網絡的質量，這些特點都使得傳感器網絡的拓撲結構變化很快，這對網絡各種算法（如路由算法和鏈路質量控制協(xié)議等）的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外，如果節(jié)點具備移動能力，也有可能帶來網絡的拓撲

31、變化。5）以數(shù)據(jù)為中心在傳感器網絡中人們只關心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，比如說人們可能希望知道“檢測區(qū)域的東北角上的溫度是多少”，而不會關心“節(jié)點N所探測到的溫度值是多少”。這就是傳感器網絡的以數(shù)據(jù)為中心的特點。而傳統(tǒng)網絡傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網絡能夠脫離傳統(tǒng)網絡的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶I?，F(xiàn)在已經有一些致力于傳感器網絡的公司，如美國的Crossbow公司和Dust公司等，其中Crossbow公司已經推出了Mica系列傳感器網絡產品，到現(xiàn)在已經有了Mica,M

32、ica2,Mica2Dot三種產品。他們還為Mica開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)TinyOSoMica2Dot的大小和一枚硬幣差不多，每個Mica2可以分為兩個模塊，一個是基本的射頻和處理模塊MPR(MoteProcessorRadioBoard),另一個是可選的傳感模塊MDA(MoteDataAcquisitionBoard）oMica2工作在915MHz的ISM頻段上，有兩個可調的工作頻率：914.007MHz和915.998MH06】。以AA電池或鈕扣電池作為能源，AtmelAtmega微控制器的工作頻率為4MHz,無線通信的最大速率為40Kbps,單個節(jié)點之間最大的通信距離為200英尺（約

33、60米）。現(xiàn)在關于傳感器網絡的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以Mica為平臺的。由于傳感器網絡需要大規(guī)模鋪設，要求每個傳感器節(jié)點的成本很低，要達到實用化要求每個節(jié)點的價格控制在1美元以下，現(xiàn)在每個傳感器節(jié)I三1=1點的造價大約在80美元左右，但是相信隨著集成技術的進一步提高和大規(guī)模生產帶來的經濟效益，傳感器節(jié)點的成本將會很快下降。另一方面由于節(jié)點的微型化要求每個節(jié)點的體積越來越小，Dust公司已經開始設計最終能夠懸浮于空氣中的“靈巧微塵”(smartdust)傳感器，現(xiàn)已設計出的最小全功能“靈巧微塵”的直徑只有5mm左右，他們計劃將在1年之內最終設計出體積不大于lmn?的產品。2.4無線傳感器網絡應

34、用傳感器網絡在軍事領域的應用十分重要，軍方可以通過飛機空投等方式在預定區(qū)域散布大量微型廉價的傳感器節(jié)點，通過這些傳感器節(jié)點實時監(jiān)測周圍環(huán)境的變化，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星信道等方式發(fā)送回基地J這樣就可以方便地監(jiān)控我軍布防的陣地是否有敵軍入侵，也可以將網絡布置在敵方陣地上，以隱密的方式監(jiān)控敵方陣地和敵軍活動情況?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越表現(xiàn)出信息戰(zhàn)的特點，戰(zhàn)爭中信息的及時獲取和反應對整個戰(zhàn)局的影響至關重要，利用傳感器網絡的特點可以給指揮部門提供及時準確的信息，這對增強國家的國防軍事力量是非常重要的。雖然傳感器網絡最初主要應用于軍事領域，但是隨著技術的發(fā)展，傳感器節(jié)點的成本越來越低，而功能卻日益強大，使得以

35、前造價昂貴的傳感器網絡現(xiàn)在已經能夠進入民用領域?，F(xiàn)在傳感器網絡已經在民用領域中得到了很多應用，越來越多的可能的應用領域也不斷展現(xiàn)在人們的面前，毫無疑問在傳感器網絡中隱藏著巨大的商機。傳感器網絡在民用方面的應用主要有：生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；基礎設施安全；先進制造；物流管理;醫(yī)療健康；工業(yè)傳感；智能交通控制；智能能源等。傳感器網絡還有很多其他方面的應用，前景無限，這里就不一一列舉了口叭可以肯定的是,隨著技術的進步和經濟的發(fā)展，傳感器網絡必將會越來越多的應用到社會生活的各個方面。25無線傳感器網絡關鍵技術無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點，有非常多的關鍵技術有待發(fā)現(xiàn)和研究。而功耗和安全問題對于無線傳

36、感器網絡來說，是兩個最重要的性能指標，所以WSN的關鍵技術必然以降低網絡功耗和確保網絡安全為主線。下面介紹網絡拓撲控制、數(shù)據(jù)融合等部分關鍵技術。1）網絡拓撲控制對于自組織的傳感器網絡而言，網絡拓撲控制具有特別重要的意義。通過拓撲控制自動生成的良好的網絡拓撲結構，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、目標定位等很多方面奠定基礎，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網絡的生存期。所以，拓撲控制是WSN研究的核心技術之一I。WSN拓撲控制目前主要研究的問題是在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉發(fā)的網絡拓撲結構。拓撲控

37、制分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構控制兩個方面。功率控制機制調節(jié)網絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網絡連通度的前提下，減少節(jié)點的發(fā)送功率，均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數(shù)目；目前已經提出了以鄰居節(jié)點度為參考依據(jù)的算法，以及利用鄰近圖思想生成拓撲結構的DRNG和DLSS算法。層次型的拓撲控制利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭，由簇頭形成一個處理并轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網，其他非骨干網節(jié)點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。2）數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網絡中，節(jié)點傳感器采集數(shù)據(jù)并將它發(fā)送到網絡終端。但是在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中，總要對采集的數(shù)據(jù)進行處理，因此存在如何對采集的數(shù)據(jù)進行處理、融合的問題。如果完全在本

38、地節(jié)點上處理采集的數(shù)據(jù)而只發(fā)送處理后的結果，可以降低傳輸數(shù)據(jù)的功耗，但增加了本地節(jié)點處理器的功耗；如果傳輸原始采集的數(shù)據(jù)，可以降低節(jié)點處理器的功耗但增加了節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的功耗。因此，如何對采集的數(shù)據(jù)進行處理與融合對降低節(jié)點能耗起到相當大的作用。通常網絡中的傳感器數(shù)量很多，傳感器釆集的數(shù)據(jù)具有一定的冗余度，因此將多個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)相互結合起來進行處理可以降低整個網絡數(shù)據(jù)的傳輸量，有效降低系統(tǒng)功耗，問題是如何尋找本地節(jié)點處理與節(jié)點聯(lián)合處理的平衡點O3）定位技術位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。為了提供有效位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確

39、定自身位置。由于傳感器節(jié)點存在資源有限、隨機部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性.健壯性.能量高效、分布式計算等要求?，F(xiàn)有的WSN定位算法根據(jù)定位機制的不同，可以分為基于測距的方法與不基于測距的方法兩類。基于測距的定位機制利用到達時間延遲、信號到達時差和接收信號強度來估計距離或來波方向，然后使用三邊測量法或最大似然估計等計算未知節(jié)點的位置。而不基于測距的定位機制無需距離或角度信息，或者不用直接測量這些信息，僅根據(jù)網絡的連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點的定位。距離無關的定位機制的定位性受環(huán)境因素的影響小，雖然定位誤差相應有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網絡應用的需求，是目

40、前大家重點關注的定位機制a、4）無線通信技術傳感器網絡需要低功耗短距離的無線通信技術oIEEE802.15.4標準是針對低速無線個人域網絡的無線通信標準，把低功耗、低成本作為設計的主要目標。由于IEEE802.15.4標準的網絡特征與無線傳感器網絡存在很多相似之處，因此很多研究機構把它作為無線傳感器網絡的無線通信平臺。另外，超寬帶無線通信以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優(yōu)勢，已成為室內短距離無線網絡的首選方案，這為WSN的數(shù)據(jù)傳輸開辟了一種嶄新的方案。5）時間同步傳感器網絡中由于節(jié)能策略，節(jié)點在大部分時間是休眠的，所以要求解決通信同步問題,即通信節(jié)點雙方需要在通信時同時喚醒。另外,傳感

41、器網絡是一個分布式網絡,所有節(jié)點在通信上地位對等，沒有優(yōu)先級可言。所以要讓整個網絡能夠工作在有效狀態(tài),往往需要做到全網或者一定范圍內所有節(jié)點的同步，而不是通信雙方的簡單同步。2.6無線傳感器網絡拓撲結構從無線傳感器組網形態(tài)和方法來看，有集中式、分布式和混合式。集中式類似于移動通信的蜂窩結構，可以集中管理;分布式結構類似于Ad-）的通信模式。而在網狀網中則是完全對等的點對點通信，路由器不會定期發(fā)送信標，僅在網內設備要求時對其單播信標。對于簇樹型網絡，其通信路由相對單一，骨干網絡中一旦有路由節(jié)點癱瘓，則相應區(qū)域就進入通信癱瘓狀態(tài)，要等待該部分網絡重組后，才能恢復通信。但是，簇樹型網定期發(fā)送信標，使

42、網內節(jié)點能做到很好的同步，便于節(jié)點定期進入休眠狀態(tài)，降低功耗，延長網絡壽命。在網狀網中情況則恰好相反，完全的點對點通信使路由有多種選擇,提高了網絡的容錯性，但是不定期發(fā)送信標使網絡中節(jié)點很難達到同步,必須釆取別的手段來實現(xiàn)，如廣播。因此，網狀結構與簇樹結構的層次融合，必定是ZigBee網絡拓撲結構的一個發(fā)展方向。網狀網的優(yōu)點是容錯能力和可靠性高，缺點是不易維護和管理、費用高、安裝復雜和不經濟?；谝陨戏治?，故設計選擇星狀網絡拓撲結構?？傮w設計圖如圖32：、空氣質量傳感器節(jié)點ZigBee無線通信溫濕度感器節(jié)彭；空氣質量專感器節(jié)點PC機1f監(jiān)測區(qū)域、溫濕度k傳感器節(jié)點溫濕度左感器節(jié)點空氣質量專感器

43、節(jié)點圖3-2總體設計圖Fig3-2Overalldesign3.3傳感器節(jié)點的硬件設計無線傳感器網絡節(jié)點的設計主要考慮以下幾點原則:1）成本低：為了滿足工業(yè)控制上的某些需要，無線傳感器網絡一般大量分布在被監(jiān)測區(qū)域，因此無線傳感器節(jié)點設計應盡量簡單，降低成本。2）功耗低:無線傳感器網絡一般應用人工方式現(xiàn)場采集困難的高危環(huán)境下，工作人員往往無法接近的場所，終端節(jié)點一般要求不能經常更換供電設備，要求功耗盡可能較低。并要求節(jié)點通常在僅以小型電池供電的情況下，工作數(shù)月或更長。所以在無線傳感器節(jié)點的設計中，節(jié)能是至關重要的。3）尺寸?。簾o線傳感器節(jié)點尺寸應盡量小，保證對目標系統(tǒng)本身不會造成影響。并能被放置

44、在任何物理環(huán)境下，能適應不同的環(huán)境要求。4）擴展性靈活性：無線傳感器節(jié)點需要定義統(tǒng)一、完整的外部接口,在需要添加新的硬件部件時，可以在現(xiàn)有的節(jié)點上直接添加，不需要開發(fā)新的節(jié)點。同時，節(jié)點可以按照功能拆分成多個組件，組件之間通過標準接口自由組合，維護方便。在不同的應用環(huán)境下，選擇不同組件自由配置系統(tǒng)，這樣就不必為每個應用都開發(fā)一個全新的硬件系統(tǒng)12嘰3.3.1節(jié)點硬件總體結構如圖3-3所示，無線傳感器網絡節(jié)點，一般由數(shù)據(jù)采集單元（各種傳感器）、數(shù)據(jù)處理單元（微控制器等）、數(shù)據(jù)收發(fā)單元（射頻收發(fā)器、天線等）、電池供電單元組成?？梢愿鶕?jù)具體要求在數(shù)據(jù)采集單元模塊上進行相應的傳感器的擴充以完成特定數(shù)據(jù)

45、采集。電源模塊處理器模塊無線通信模塊I/O端口HFZ-CC2430EM-22溫濕度/空氣質量傳感器模塊3-3傳感器節(jié)點的硬件設計框圖Fig3-3Hardwareblockdiagramofsensornode3.3.2處理器和無線通信模塊HFZ-CC2430EM-22CC2430單片機是TI公司(德州儀器)生產的一款專用于IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。其RF內核是基于工業(yè)領先的射頻通信芯片CC2420。在單個芯片上集成了CPU、存儲器.常用片內外設和RF射頻單元。它具有1個8位CPU(8051),主頻達32MHZ,具有最大128KB可編程FLASH和8KB的

46、SRAM,片內外設非常豐富，主要包括1個5通道8位至14位可編程ADC轉換器、4個定時器(其中包括一個MAC定時器).2個USART,1個DMA控制器、1個AES128協(xié)同處理器、1個看門狗定時器、1個內部穩(wěn)壓器、21個可編程IO引腳，可配置為通用IO,也可配置為外設專用引腳。CC2430芯片采用O.lSfimCMOS工藝生產，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA。具有3種休眠模式，從休眠模式轉換到正常模式僅需54us,特別適合要求電池長期供電的應用場合12叭其主要特點如下:(1)高性能和低功耗的8051微控制器核。集成符合IEEE802.15.4標準的24GHz的RF無線電

47、收發(fā)機。(3)優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。多通道DMA控制器。(6) 非常少的外部組件。(7) 低電流功耗(運行在32MHZ時，RX：27mA,TX：25mA)。在休眠模式時僅0.9耳的電流功耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)。(9)在待機模式時少于06pA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。(10)低功耗到正常工作模式需要的時間極少。硬件支持CSMACA功能。(11)較寬的電壓范圍(203.6V)。(12)支持數(shù)字RSSILQI指示。(13)具有電池監(jiān)測和溫度傳感器。1111(14)8通道814位模數(shù)轉換的ADC。(15)集成AES安全協(xié)處理器。(16)帶有2個強大的支持多組串行協(xié)議的US

48、ARTO(17)1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC定時器，1個16位定時器和2個8位定時器。(18)21個通用IO引腳，其中有2個具有20mA灌電流和拉電流能力。(19)靈活功能強大的的開發(fā)環(huán)境。RFSET.NXOSC_QXO牝_Q1dDCES片上電源管理掉電復位VDD(2.03.6V)DCOUPLP2.P2P2P2P243210)(SD(I2KHZRCZ振蕩器丿時鐘管理)(睡眠模式管理器)2.768旦/調試接口I睡H艮計II寸器P1P1P1P1P1P1P1P132107P0_6P0_5P04P0P0_3P0_2P0_lP00直接存儲骼8051微控制器內存管理128KB、可編程閃存I

49、/O接口8輸入814位ADCAES-128安全協(xié)處理器中斷請求控制串行通信接口1串行通信接口2(IEEE802.15.4MAC定時器(C無線寄存器J(CSM3CA濾波處理一)c無線數(shù)據(jù)分界而無線寄存器RFNRFP)(16位)定時器1)(8位)定時器3)(8位)定時器4SKBRAM寫閃存圖3-4CC2430內部結構示意圖Fig3-4TheCC2430internalstructurediagramCC2430芯片內部集成了大量必要電路，因此只需很少的外圍電路就可以正常運行并實現(xiàn)無線收發(fā)功能。圖35是CC2430外圍電路設計圖旳。R33.3VC23.3VSMA1Cl22pF-|xi22pF1213

50、2MHZ19422E22R143KC1422OnFR211R256Kis161718TT13105.8KC5|Q.luF9865d3XCSCQ1XCSCQ2DVDDDCOUPLAVDDSOCRBIAS2DVDDRBIAS1POAVDDRREGP0AVDDDREG叩P0P0RFNP0TXRXSWITCHP1RFPP1P23/XOSCQIP02/RDP24/XOSCQ2P03/TDRREGOUTRESETNAVDDIF1P?2/DCAVDDCHIPP21/DDVCOGUARDAVDDVCOPl0AVDDPREPl1AVDDRF1Pl2AVDDSWPl3AVDDRF2Pl4AVDDIF2Pl5AVD

51、DADCDVDDADCP20AVDDDGUARD-CC24307204723413433324425293035S9-CSlOOnFC722OnFANTC95.6pFC8220nRL31.8nHL1X2祜32.768KHZCllrC12-jC13jC3jC4ICOnFlOnF220nF15pF15pF圖3-5CC2430外圍電路設計Fig3-5CC2430peripheralcircuitdesign在圖3-5中電容C8到C6通過除去雜波干擾穩(wěn)定電壓，還可以用來濾波，其電容值分別是220nF,220nF,100nFoO.luF的電容C5可以防止單片機錯誤復位，部分去除雜波干擾。C14,C13,

52、C12,Cll,CIO是對電源進行濾波以提高工作穩(wěn)定性的去耦電容。一個PCB微波傳輸線和電感值分別為&2nH,22nH,l8nH的電感LI,L2,L3電感以及5.6pF的電容C9組成非平衡變壓器，滿足RF輸出輸入對匹配電阻(50Q)的要求。偏置電阻R2的阻值為56kft,32MHZ晶體振蕩器的精密偏置電流由阻R1值為43kQ的偏置電阻設置。用于正常工作的32MHZ晶振電路由電容值為22pF的電容C2,C1連接起來。用于休眠工作的32.768KHZ晶振電路由電容值為15pF的電容C4,C3連接起來，從而減少能量消耗。選用外置天線，選用兩節(jié)干電池為低功耗的CC2430芯片供電閱。3.3.2傳感器模

53、塊1溫濕度傳感器DHT90DHT909195系列插針型溫濕度傳感器采用原裝進口數(shù)字溫濕度傳感器芯片，引腳插針為標準254插針。該傳感器品質卓越、響應超快.抗干擾能力強、性價比極高。他適用代工生產用戶，免焊接、免水合處理,縮短開發(fā)時間，提高開發(fā)效率；精確測量相對濕度、溫度、露點；全標定輸出，使用時無需重新校準；卓越的長期穩(wěn)定性；高精度兩線制數(shù)字接口，直接與單片機相連；請求式測量，超低能耗；無需其他外部元件;自動休眠。實物如36所示，由圖可知提供4針單排引腳封裝，從下至上為一到四號引腳。一號引腳SCK（時間線），二號引腳VDD（電源線），三號引腳GND（接地線），四號引腳DATA（數(shù)據(jù)線）。DHT

54、90的工作電壓范為24一5.5V,最佳工作電壓為3.3V,般在二號引腳（VDD）和三號引腳（GND）之間加一個去耦電容，穩(wěn)定電壓。一號引腳（SCK）用于微處理器和DHT90的通信同步，不存在最小SCK頻率，因為有一個完全靜態(tài)邏輯的接口。四號引腳（DATA）是讀取數(shù)據(jù)的三態(tài)門引腳。數(shù)據(jù)線在時鐘線上升沿有效，在時鐘線下降沿之后改變狀態(tài)。當傳輸數(shù)據(jù)時，時鐘線處于高電平時數(shù)據(jù)線需要堅持穩(wěn)定，微處理器使數(shù)據(jù)線處于低電平來解決信號的沖突問題，因而需要上拉一個電阻拉高電平。DHT90是數(shù)字溫濕度傳感器系列中插針型的傳感器。實物如圖36,傳感器輸出全標定的數(shù)字信號，并把信號處理和傳感元件連在一起。為確保產品的

55、穩(wěn)定性與可靠性采用采用專利的CMOSens技術。傳感器主要由一個14位的AD轉換器，串行接口電路，一個由能隙材料制作的測試L度的元件和一個敏感的電容性聚合體測試濕度元件組成。默認14位分辨率輸出溫度值，12位分辨率輸出濕度值，通過狀態(tài)寄存器將為12位和8位【29】。圖3-6DHT90實物Fig3-6DHT90因此，DHT90具有體積小，全標定，數(shù)字輸出，低功耗，卓越的長期穩(wěn)定性，4針單排引腳封裝易于安裝，超快響應，可靠的CRC校驗功能，抗干擾能力強和性價比高等優(yōu)點。DHT90的測濕范圍為0100%RH,測溫范圍為一40120-C,溫度響應時間小于30s,濕度響應時間為8s,溫度測量精度為059,濕度測量精度為45%RH,安裝2.54mm插針。傳感器DHT90的通信實現(xiàn)主要由以下幾步組成。首先是啟動傳感器，根據(jù)DHT90的供電電壓范圍選擇適當?shù)碾妷合騻鞲衅魍?，上電后傳感器進入休眠狀態(tài)，在此狀態(tài)的11ms內不可以向傳感器發(fā)送任何命令。傳感器啟動后，開始發(fā)送命令，先由微處理器向傳感器發(fā)送一個“啟動傳輸”的時序，完成傳輸采集數(shù)據(jù)的初始化工作?！皢觽鬏敗睍r序如圖37所示，SCK高電平時DATA是低電平，隨后SCK翻轉為低電平,之后SCK翻轉為高電平時DATA也變?yōu)楦唠娖絘】。DATASCK圖3-7“啟動傳輸”時序F