畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）：智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第=1\*ROMANI頁(yè)共=2\*ROMANII頁(yè)目錄1引言 11.1課題研究背景及意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展現(xiàn)狀 11.3課題研究的主要內(nèi)容 42智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案 42.1節(jié)點(diǎn)功能分析 42.2節(jié)點(diǎn)硬件組成 52.3節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程 62.4小結(jié) 63智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 63.1溫度采集模塊電路設(shè)計(jì) 63.1.1實(shí)現(xiàn)功能 63.1.2器件特性 73.1.3工作原理 73.1.4電路設(shè)計(jì) 73.2濕度采集模塊電路設(shè)計(jì) 83.2.1實(shí)現(xiàn)功能 83.2.2器件特性 83.2.3工作原理 93.2.4電路設(shè)計(jì) 93.3紅外人體采集模塊電路設(shè)計(jì) 103.3.1實(shí)現(xiàn)功能 103.3.2器件特性 113.3.3工作原理 113.3.4電路設(shè)計(jì) 123.4火源傳感器模塊電路設(shè)計(jì) 123.4.1實(shí)現(xiàn)功能 123.4.2器件特性 123.4.3工作原理 123.4.4電路設(shè)計(jì) 133.5信息處理電路設(shè)計(jì) 133.6電源模塊電路設(shè)計(jì) 133.7串口通信模塊電路設(shè)計(jì) 143.8節(jié)點(diǎn)總體模塊電路設(shè)計(jì) 143.9小結(jié) 164智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 164.1溫度采集模塊節(jié)點(diǎn)程序功能 164.1.1流程圖 164.1.2代碼設(shè)計(jì) 174.2濕度采集節(jié)點(diǎn)程序功能 204.2.1流程圖 204.2.2代碼設(shè)計(jì) 204.3紅外人體感知節(jié)點(diǎn)程序功能 224.3.1流程圖 224.3.2代碼設(shè)計(jì) 224.4火源傳感器節(jié)點(diǎn)程序功能 234.4.1流程圖 234.4.2代碼設(shè)計(jì) 244.5小結(jié) 255智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)性能測(cè)試 255.1節(jié)點(diǎn)實(shí)物照片 255.2節(jié)點(diǎn)測(cè)試 255.2.1測(cè)試目標(biāo) 255.2.2測(cè)試過(guò)程 265.2.3測(cè)試結(jié)果 285.3小結(jié) 29結(jié)論 30致謝 31參考文獻(xiàn) 32畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第33頁(yè)共33頁(yè)1引言1.1課題研究背景及意義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的由多學(xué)科交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)小型或微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]。環(huán)境監(jiān)測(cè)是一類典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系的Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為“in-situ”的利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)海島生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目[3]，并在大鴨島開(kāi)展了對(duì)海燕棲息地生態(tài)環(huán)境的研究。實(shí)際上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是在特定應(yīng)用背景下，以一定的網(wǎng)絡(luò)模型規(guī)劃的一組傳感器節(jié)點(diǎn)的集合。因此傳感器節(jié)點(diǎn)不僅是網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的主體，而且也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)最主要和最核心的部分。本課題主要是對(duì)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件平臺(tái)和嵌入式程序。主要工作是設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊電路，研究編寫(xiě)傳感器節(jié)點(diǎn)處理程序，測(cè)試實(shí)物電路板的性能指標(biāo)，并對(duì)不良之處做進(jìn)一步改進(jìn)。該傳感器節(jié)點(diǎn)可將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方便、傳輸距離遠(yuǎn)、使用成本低等特點(diǎn)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，可以用于工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。本文設(shè)計(jì)的傳感器硬件節(jié)點(diǎn)包括溫度傳感器、濕度傳感器、紅外人體傳感器和火源傳感器。在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，由于野外環(huán)境比較惡劣或者由于人工控制不準(zhǔn)確，環(huán)境信息不能很好的掌握，比如森林監(jiān)測(cè)、火源監(jiān)測(cè)、油庫(kù)監(jiān)測(cè)、大棚監(jiān)測(cè)、車(chē)間監(jiān)測(cè)等，不適合搭建有線網(wǎng)絡(luò)。智能環(huán)境監(jiān)測(cè)能夠發(fā)揮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)，更方便的監(jiān)測(cè)其環(huán)境的溫度、濕度、人員接近以及是否有火源危險(xiǎn)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)。一旦出現(xiàn)溫濕度偏高、偏低、外來(lái)人員或火源危險(xiǎn)的信息，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息。因此，對(duì)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究在環(huán)境監(jiān)測(cè)中有一定的應(yīng)用前景和意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展現(xiàn)狀目前，由傳感器、微處理器和無(wú)線通信接口組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了空前的發(fā)展。由大量的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自組織組成的無(wú)線傳感網(wǎng)能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療健康、空間探索、智能家居、軍事、交通、采礦和災(zāi)難拯救等各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)線傳感網(wǎng)已成為下一代“計(jì)算無(wú)處不在”的關(guān)鍵技術(shù)[6]。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期，已經(jīng)引起了世界許多國(guó)家的軍事部門(mén)、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃[7]；美國(guó)很多大學(xué)都已開(kāi)展傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，其中最具代表性的是加州大學(xué)伯克利分校和Intel公司聯(lián)合成立的“智能塵埃”實(shí)驗(yàn)室[7]。日本、德國(guó)、英國(guó)、意大利等科技發(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出極大的興趣，紛紛展開(kāi)了該領(lǐng)域的研究工作。2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過(guò)該中心在無(wú)線傳感網(wǎng)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所、中科大等十余個(gè)校所，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺(tái)，在無(wú)線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點(diǎn)、簇點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進(jìn)展。2004年9月相關(guān)成果在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場(chǎng)演示[7]，部分成果已在實(shí)際工程系統(tǒng)中使用。國(guó)內(nèi)的許多高校也掀起了無(wú)線傳感網(wǎng)的研究熱潮。清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、沈陽(yáng)理工大學(xué)和上海交通大學(xué)等單位紛紛開(kāi)展了有關(guān)無(wú)線傳感網(wǎng)方面的基礎(chǔ)研究工作。一些企業(yè)如中興通訊公司等單位也加入無(wú)線傳感網(wǎng)研究的行列[7]。傳感網(wǎng)在民用方面，涉及城市公共安全、公共衛(wèi)生、安全生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)從事傳感網(wǎng)應(yīng)用的大企業(yè)目前為數(shù)不多，小企業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。北京鼎天軟件有限公司，主要從事城市公共安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)建設(shè)，已經(jīng)承擔(dān)揚(yáng)州電子政務(wù)和揚(yáng)州應(yīng)急指揮系統(tǒng)。上海電器科學(xué)研究院主要從事智能交通方面的工程，已經(jīng)承擔(dān)上海市內(nèi)、外環(huán)智能交通工程。嘉興中科無(wú)線傳感網(wǎng)科技有限公司在數(shù)字航道、城市應(yīng)急系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)監(jiān)控等方面有較好的技術(shù)背景，相關(guān)項(xiàng)目工程正在進(jìn)行中。沈陽(yáng)東軟、北大青鳥(niǎo)、億陽(yáng)信通等企業(yè)也傳感網(wǎng)應(yīng)用方面有所涉足，目前主要在電子政務(wù)方面，正在向公共安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)進(jìn)發(fā)[7]。在研究環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，一些研究通過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)時(shí)很困難，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)其研究則提供了方便。應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡(jiǎn)單、便宜、長(zhǎng)期不需要更換電池、無(wú)需派人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素。WSN非常適合于自然環(huán)境中的災(zāi)害預(yù)警、生態(tài)監(jiān)測(cè)及特定對(duì)象的數(shù)量監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。這類應(yīng)用一般需要大地理范圍的網(wǎng)絡(luò)部署，很多項(xiàng)目都需要較長(zhǎng)周期的數(shù)據(jù)獲取[8]。環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用的典型案例有：夏威夷大學(xué)在夏威夷火山國(guó)家公園部署了WSN進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，用來(lái)監(jiān)測(cè)那些瀕臨滅種的植物所在地的微小氣候變化，以揭示為何特定物種只能生存在某些特定環(huán)境中[9]。韓國(guó)研究人員將WSN部署到山地旅游區(qū)，來(lái)監(jiān)測(cè)旅游者的數(shù)目[10]和周?chē)h(huán)境，以便保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)海燕生存環(huán)境及其在氣候變化時(shí)行為的GDI項(xiàng)目[11]。該系統(tǒng)將傳感器獲取的溫度、濕度和氣壓等環(huán)境信息以多跳路由的方式發(fā)送到監(jiān)測(cè)管理中心，管理中心使用這些信息可以在不干擾野生動(dòng)植物正常生活的情況下監(jiān)視其活動(dòng)和生存環(huán)境。美國(guó)學(xué)者將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)放置在葡萄園中[12]。通過(guò)對(duì)葡萄園環(huán)境的監(jiān)測(cè)來(lái)提高作物的品質(zhì)。研究者通過(guò)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專家合作，分析了濕度、溫度和病蟲(chóng)害對(duì)葡萄成熟度和品質(zhì)的影響。澳洲的科學(xué)家利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)探測(cè)北澳大利亞蟾蜍的分布情況[13]。由于蟾蜍的叫聲響亮而獨(dú)特，因此利用聲音作為檢測(cè)特征非常有效?？蒲腥藛T將采集到的信號(hào)在結(jié)點(diǎn)上就地處理，然后將處理后的少量結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)揮控制中心。通過(guò)處理，就可以大致了解蟾蜍的分布、棲息情況。美國(guó)研究者在華盛頓東部的農(nóng)場(chǎng)部署了環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[14]。該系統(tǒng)除了自身的監(jiān)測(cè)功能外還與相應(yīng)的控制系統(tǒng)相結(jié)合，當(dāng)測(cè)得的環(huán)境溫度低于某個(gè)預(yù)先設(shè)定的臨界值時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)啟動(dòng)溫控設(shè)備，防止出現(xiàn)凍害。國(guó)內(nèi)學(xué)者王曉東、趙曉光、梁子澤、譚敏研制了用于煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[15]。該系統(tǒng)基于加州大學(xué)伯克利分校的TMoteSKY節(jié)點(diǎn)和TinyOS操作系統(tǒng)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)煤礦內(nèi)部的環(huán)境變化，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)礦工的定位。重慶大學(xué)的研究者將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到了西雙版納的自然保護(hù)區(qū)內(nèi)[16]。該系統(tǒng)結(jié)合了GPRS、GIS、紅外夜視和GPS等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)、動(dòng)物活動(dòng)路線規(guī)律的跟蹤、新動(dòng)物的發(fā)現(xiàn)、火災(zāi)等自然災(zāi)害的預(yù)警、以及巡護(hù)管理等功能。上海交通大學(xué)自動(dòng)化系[17]基于氣體污染源濃度衰減模型，開(kāi)展了氣體源預(yù)估定位系統(tǒng)。電子科技大學(xué)、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心以及北京航天指揮控制中心的研究人員，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大型風(fēng)洞測(cè)控環(huán)境的監(jiān)測(cè)，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，氣源系統(tǒng)、風(fēng)洞運(yùn)行系統(tǒng)，以及其他沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施而有線傳感器系統(tǒng)安裝又不方便或不安全的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行全方位檢測(cè)[17]。武漢理工大學(xué)開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火車(chē)車(chē)廂環(huán)境中的測(cè)控應(yīng)用，對(duì)車(chē)廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等等進(jìn)行全程檢測(cè)[17]。北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”[17]正式把農(nóng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室蔬菜生產(chǎn)中。最終使溫室中傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。近幾年隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，以及軟硬件設(shè)備的逐漸成熟。世界范圍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，新技術(shù)和新想法不斷涌現(xiàn)，相信在環(huán)境和農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。1.3課題研究的主要內(nèi)容本課題圍繞智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。在確定無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)的總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出該節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件，并進(jìn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。歸納起來(lái)，主要的研究工作如下：節(jié)點(diǎn)總體方案設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，包括各個(gè)傳感器設(shè)計(jì)、信息處理模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)測(cè)試模塊設(shè)計(jì)。采用ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)協(xié)議，應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。編寫(xiě)了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的嵌入式程序和串口測(cè)試數(shù)據(jù)程序。傳感器節(jié)點(diǎn)的調(diào)試與實(shí)驗(yàn)。2智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案2.1節(jié)點(diǎn)功能分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用于智能環(huán)境監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)的傳遞環(huán)境數(shù)據(jù)信息，支持無(wú)線通信，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。節(jié)點(diǎn)可通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立連接，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，使用串口顯示傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，查看其數(shù)據(jù)是否有異常情況。這些功能可概括如下：（1）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集：通過(guò)紅外人體傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器和火源傳感器來(lái)實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)。（2）節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議：采用無(wú)線通信ZigBee中SPP（簡(jiǎn)單包協(xié)議）協(xié)議完成端到端的數(shù)據(jù)傳輸。（3）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析：檢查所測(cè)環(huán)境的溫濕度，查看是否超出正常范圍；檢查是否有人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域；檢查是否有火源出現(xiàn)，及時(shí)報(bào)警。信息采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)信息采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收處理模塊串口顯示數(shù)據(jù)SPP協(xié)議圖2-1節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)圖2.2節(jié)點(diǎn)硬件組成節(jié)點(diǎn)硬件由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、處理器模塊、無(wú)線射頻模塊和電源模塊組成。其中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊采用溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊、紅外人體傳感器模塊和火源傳感器模塊組成。處理器模塊和無(wú)線射頻模塊采用CC2430芯片。電源模塊采用外接直流電源。由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過(guò)處理器和無(wú)線射頻模塊的處理，將信息發(fā)送至串口，以獲得相關(guān)的實(shí)時(shí)信息，了解研究環(huán)境數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)處理。如圖2-2所示。無(wú)線傳感器模塊無(wú)線傳感器模塊溫度采集模塊人體感知模塊濕度采集模塊火源采集模塊處理器模塊無(wú)線射頻模塊（CC2430）串口顯示電源模塊圖2-2節(jié)點(diǎn)組成2.3節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程在通信過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收四部分組成。數(shù)據(jù)處理部分，將信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，各傳感器與CC2430芯片的可編程IO口相連，利用C51RF-3-PK仿真器下載嵌入式程序，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。數(shù)據(jù)處理和傳輸部分采用CC2430芯片，完成無(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議處理，利用ZigBee中數(shù)據(jù)鏈路層的SPP協(xié)議完成端到端的傳輸處理。數(shù)據(jù)接收部分，在接收節(jié)點(diǎn)中下載嵌入式通信程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和串口的數(shù)據(jù)顯示功能，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，了解環(huán)境信息，以便做出及時(shí)處理。如圖2-3所示。數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)處理與傳輸CC2430芯片處理串口通信數(shù)據(jù)采集傳感器采集節(jié)點(diǎn)溫度濕度人體火源接收節(jié)點(diǎn)C51RF-3-PK仿真器圖2-3傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程2.4小結(jié)本章對(duì)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了概要分析，給出了的硬件組成，并且介紹了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程。在本章中同時(shí)也給出了節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)圖、節(jié)點(diǎn)組成圖和傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程圖，詳細(xì)說(shuō)明了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的總體方案。3智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)3.1溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)3.1.1實(shí)現(xiàn)功能利用傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度信息，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以電信號(hào)的形式通過(guò)導(dǎo)線傳送給CC2430芯片。主要功能要有：可完成多路溫度采集；能實(shí)時(shí)顯示各路溫度信號(hào)值；可以自行設(shè)定溫度上下限。該模塊簡(jiǎn)單，體積小，測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)。3.1.2器件特性（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；（2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；（3）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫；（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；（5）溫度范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃；（6）可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫；（7）在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；（8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力；（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。3.1.3工作原理傳感器測(cè)量的溫度值位數(shù)因分辨率不同而異，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)延時(shí)為750ms。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度[18]。3.1.4電路設(shè)計(jì)引腳說(shuō)明：1GND：接地。2DA：數(shù)據(jù)輸出口。單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，漏極開(kāi)路，常態(tài)下高電平。使用單線把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入CC2430中的P1.4口。3VCC：可選電源腳。電源電壓范圍為3~5.5V。工作于寄生電源時(shí)，此引腳應(yīng)接地。本設(shè)計(jì)中采用5V直流電壓。圖3-1溫度采集模塊（DS18B20）電路原理圖DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。溫度采集模塊利用靈敏傳感器DS18B20精確采集溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以電信號(hào)的形式通過(guò)導(dǎo)線傳送給CC2430芯片。如圖3-1所示。3.2濕度采集模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1實(shí)現(xiàn)功能濕度采集模塊利用濕敏傳感器感知環(huán)境濕度的變化，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。經(jīng)濕敏傳感器與CC2430芯片的可編程IO口相連，通過(guò)嵌入式程序下載可實(shí)現(xiàn)測(cè)試出周?chē)h(huán)境的濕度變化。3.2.2器件特性濕度傳感器其特點(diǎn)[19]如下：（1）全互換性在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正；（2）長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕；（3）可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸；（4）高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性；（5）專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)；（6）可用于線性電壓或頻率輸出回爐；（7）快速反應(yīng)時(shí)間；（Ta=25℃，除非特別標(biāo)定）。特征參數(shù)表，如表3-1。表3-1HS1101特征參數(shù)表參數(shù)符號(hào)參數(shù)值單位工作溫度Ta-40~100℃儲(chǔ)存溫度Tstg-40~125℃供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0~100%RH焊接時(shí)間@T=260℃t10S(Ta=25℃，@10KHz,除非特別標(biāo)定)所得標(biāo)定數(shù)據(jù)是通過(guò)CETIAT實(shí)驗(yàn)室的NIST標(biāo)準(zhǔn)而來(lái)工作頻率10KHz，Ta=25℃。多項(xiàng)式的反應(yīng)方程式：（3-1）此電容測(cè)量都是在10KHz條件下測(cè)的，但是傳感器并沒(méi)有限制必須工作在5K~100KHz。可以用以下的公式做校正：（3-2）（3-3）典型溫度影響：+0.1%RH/℃（10~60℃）電壓輸出典型參數(shù)（@VCC=5V，25℃），如表3-2。表3-2電壓輸出典型參數(shù)表RH0102030405060708090100Vout-1.411.651.892.122.362.602.833.073.313.553.2.3工作原理HS1101是一種基于電容原理的濕度傳感器，相對(duì)濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。在測(cè)試時(shí)，電容值隨著空氣濕度的變化而變化，才能進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集。用555結(jié)成電路組成振蕩電路，HS1101濕度傳感器充當(dāng)振蕩電容，從而完成從濕度到頻率的轉(zhuǎn)換。當(dāng)相對(duì)濕度從0%變化到100%時(shí)，電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應(yīng)時(shí)間為5s。3.2.4電路設(shè)計(jì)HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。在電路設(shè)計(jì)中，要將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)镃PU易于接受的信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，采用將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比得到的電壓頻率信號(hào)，可直接被CPU所采集。頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路如圖3-2所示。集成定時(shí)器555芯片外接電阻R23、R21與濕敏電容C1101，構(gòu)成了對(duì)C1101的充電回路。7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C1101的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R22是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R24用于平衡溫度系數(shù)。圖3-2濕度采集模塊（HS1101）電路原理圖該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源Vcc通過(guò)R21、R23向C1101充電，經(jīng)t充電時(shí)間后，HS1101的電壓（Uc）達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vcc，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R23放電，經(jīng)過(guò)t放電時(shí)間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vcc，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平升為高電平。如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為：（3-4）（3-5）因而，輸出的方波頻率為（3-6）可見(jiàn)，空氣濕度通過(guò)555測(cè)量振蕩電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)。表3-3給出了其中的一組典型測(cè)試值。表3-3頻率輸出典型參數(shù)表RH（%RH）0102030405060708090100Fr(HZ)735172247100697668536728660064686330618660333.3紅外人體采集模塊電路設(shè)計(jì)3.3.1實(shí)現(xiàn)功能在智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，需要了解有沒(méi)有人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。這里的人體感知傳感器，通過(guò)感知人體輻射出的紅外線進(jìn)行對(duì)人的判斷，并根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境情況作出判別，判斷是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，并相應(yīng)的作出反應(yīng)或示警。3.3.2器件特性熱釋電紅外傳感器RE200B采用TO-5封裝形式，正常工作直流電壓3-10V；信號(hào)輸出電壓最小值2.5V，典型值4V；噪聲輸出電壓最大250mV，典型值90mV，頻率響應(yīng)0.3Hz-3Hz，增益±10dB。該傳感器探測(cè)范圍平視角138度，仰視角125度。在傳感器前安裝菲涅爾透鏡可以增大探測(cè)范圍，增強(qiáng)傳感器工作的穩(wěn)定性。此傳感器工作在7-14um的紅外光譜之間。正常工作周?chē)h(huán)境溫度范圍-30~70℃，儲(chǔ)存溫度-40~80℃。3.3.3工作原理熱釋電人體紅外傳感器由敏感單元、濾光窗和菲涅爾透鏡等三大部分組成[20]。（1）敏感單元從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線，熱釋電紅外傳感器敏感單元對(duì)紅外線的感受表現(xiàn)在敏感單元的溫度變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號(hào)的變化。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了不向外輸出信號(hào)；而傳感器的低頻響應(yīng)（0.1~10Hz）和特定紅外波長(zhǎng)（一般為5~15μm）響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外輻射而引起本身的溫度變化敏感，或者說(shuō)只對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)敏感。因此，傳感器可以抗可見(jiàn)光及其中極大部分紅外線的干擾。（2）濾光窗濾光窗是由一塊薄玻璃堵上多層濾光層薄膜而形成的，能有效地濾除7.0~14μm波長(zhǎng)以外的紅外線。人體的正常體溫為36~37.5℃，即309~310.5K，所輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為λ=9.67~9.64μm，中心波長(zhǎng)為9.65μm。人體輻射最強(qiáng)的紅外線波長(zhǎng)正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)（7~14μm）的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過(guò)，而最大限度地阻止陽(yáng)光、燈光等可見(jiàn)光中的紅外線，以避免引起干擾。（3）菲涅爾透鏡傳感器只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。不加菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑不足2m，配上透鏡時(shí)至少可達(dá)10m。菲涅爾透鏡不僅可以形成可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，焦距一般為5cm左右。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方1~5cm的地方。3.3.4電路設(shè)計(jì)在RE200B的電路設(shè)計(jì)中主要芯片采用了BISS0001，該芯片是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成熱釋電紅外人體傳感器模塊。在人體傳感器的正前方固定一個(gè)菲涅爾透鏡，人體一旦在透鏡前運(yùn)動(dòng)，人體輻射的紅外線通過(guò)透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的“盲區(qū)”和“可見(jiàn)區(qū)”，使傳感器敏感單元的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號(hào)。圖3-3紅外人體感知模塊（RE200B）電路原理圖紅外人體感知模塊利用紅外熱釋電傳感器RE200B，感知人體輻射出的紅外線進(jìn)行對(duì)人的判斷，并根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境情況產(chǎn)生中斷，判斷是否進(jìn)入監(jiān)測(cè)范圍，并相應(yīng)的作出反應(yīng)或示警。如圖3-3所示。3.4火源傳感器模塊電路設(shè)計(jì)3.4.1實(shí)現(xiàn)功能火源傳感器利用紅外線對(duì)對(duì)火源非常敏感[21]的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接受管來(lái)檢測(cè)火源，然后把火源的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)，輸入到CPU中，中央處理器根據(jù)信號(hào)的變化做出相應(yīng)的程序處理。3.4.2器件特性遠(yuǎn)紅外火源傳感器可以用來(lái)探測(cè)火源或其它一些波長(zhǎng)在700納米～1000納米范圍內(nèi)的熱源。在檢測(cè)火源的過(guò)程中，遠(yuǎn)紅外火源探頭起著非常重要的作用，可以用它來(lái)尋找火源。模擬量輸出，標(biāo)準(zhǔn)3線接口，工作電壓+5V。3.4.3工作原理遠(yuǎn)紅外火源傳感器能夠探測(cè)到波長(zhǎng)在700納米～1000納米范圍內(nèi)的紅外光，探測(cè)角度為60，其中紅外光波長(zhǎng)在880納米附近時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大。遠(yuǎn)紅外火源探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器反映為0～255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越??；紅外光越弱，數(shù)值越大。3.4.4電路設(shè)計(jì)紅外火源傳感器通過(guò)紅外接收管來(lái)檢測(cè)是否有火源信息出現(xiàn)，將紅外光變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，在電阻上產(chǎn)生電壓，可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為0-1023范圍內(nèi)的數(shù)值。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越小。圖3-4火源傳感器模塊電路原理圖紅外火源探測(cè)模塊利用紅外熱釋電溫度傳感器感知監(jiān)控區(qū)域內(nèi)紅外變化，通過(guò)傳感器的溫度變化量判斷環(huán)境中是否存在危險(xiǎn)火源。如圖3-4所示為火源傳感器電路原理圖。3.5信息處理電路設(shè)計(jì)信息處理部分：主要采用CC2430模塊，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與接收。CC2430模塊將接收到的信息通過(guò)串口傳輸給MCU處理單元。原理圖如圖3-5所示，其中包含芯片復(fù)位電路，JTAG口程序下載電路。圖3-5信息處理部分原理圖3.6電源模塊電路設(shè)計(jì)電源模塊：主要采用LM2576和AMS1117進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，如圖3-6所示。AMS1117[22]是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)使用的AMS1117-3.3輸出電壓為+3.3V。AMS1117是一個(gè)低漏失電壓調(diào)整器，它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個(gè)PNP驅(qū)動(dòng)NPN管組成的，漏失電壓定義為：VDROP=VBE+VSAT。片內(nèi)過(guò)熱切斷電路提供了過(guò)載和過(guò)熱保護(hù)，以防環(huán)境溫度造成過(guò)高的結(jié)溫。LM2576[23]芯片是單片集成電路，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，具有熱關(guān)斷及電流限制保護(hù)的特點(diǎn)。LM2576的電壓調(diào)節(jié)滿足Vout=VREF*(1+R52/R51)，VREF=1.23V，其中R51在1.0kΩ到5.0kΩ之間。設(shè)計(jì)使LM2576輸出+5.0V的穩(wěn)定電壓，R52/R51=3.0。為滿足電路的需求，可將+5.0V電壓進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。圖3-6電源穩(wěn)壓模塊3.7串口通信模塊電路設(shè)計(jì)串口通信模塊通過(guò)DB9連接串口終端，顯示通過(guò)串口0采集到的數(shù)據(jù)，便于實(shí)時(shí)了解程序傳遞的數(shù)據(jù)。串口通信模塊電路如圖3-7所示。圖3-7串口通信模塊電路3.8節(jié)點(diǎn)總體模塊電路設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到CC2430芯片，芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并采用ZigBee協(xié)議發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成信息采集節(jié)點(diǎn)的信息收發(fā)過(guò)程。如圖3-8示為節(jié)點(diǎn)總體電路設(shè)計(jì)圖，圖3-9所示為節(jié)點(diǎn)的硬件PCB設(shè)計(jì)圖。圖3-8節(jié)點(diǎn)總體電路設(shè)計(jì)圖圖3-9節(jié)點(diǎn)的硬件PCB設(shè)計(jì)圖3.9小結(jié)本節(jié)詳細(xì)介紹了智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)，首先從整體出發(fā)，介紹了整個(gè)節(jié)點(diǎn)電路的功能需求及組成，再分別從溫度傳感器模塊電路、濕度傳感器模塊電路、紅外人體傳感器模塊電路、火源傳感器模塊電路及電源電路設(shè)計(jì)等方面分層解析整個(gè)節(jié)點(diǎn)電路的原理。其中重點(diǎn)描述了各個(gè)傳感器模塊的設(shè)計(jì)，提供了PCB設(shè)計(jì)方案，并且給出了實(shí)物圖。另外著重解析了電源電路的設(shè)計(jì)，分別在對(duì)應(yīng)模塊中先介紹了傳感器工作的原理及引腳功能，再在單獨(dú)小節(jié)中對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行描述說(shuō)明。4智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)4.1溫度采集模塊節(jié)點(diǎn)程序功能4.1.1流程圖溫度采集模塊的流程圖如圖4-1所示。讀取環(huán)境溫度信息讀取環(huán)境溫度信息開(kāi)始結(jié)束產(chǎn)生延時(shí)復(fù)位初始化DS18B20圖4-1溫度采集模塊流程圖溫度傳感器DS18B20采用1-Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。該協(xié)議規(guī)定了信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，需要啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的讀時(shí)序分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要60us才能完成。DS18B20的寫(xiě)時(shí)序分為寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DS18B20寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫(xiě)0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采用IO總線上的“0”電平，當(dāng)要寫(xiě)1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。4.1.2代碼設(shè)計(jì)（1）讀數(shù)據(jù)函數(shù)unsignedcharread_1820()//讀18B20{unsignedchartemp,k,n;temp=0;for(n=0;n<8;n++){CL_DQ;//清信號(hào)位SET_DQ;//重置信號(hào)位SET_IN;//初始化讀數(shù)據(jù)位k=IN_DQ;//讀數(shù)據(jù)從低位開(kāi)始if(k)temp|=(1<<n);elsetemp&=~(1<<n);Delay_nus(70);//60~120usSET_OUT;}return(temp);}（2）寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)voidwrite_1820(unsignedcharx){unsignedcharm;SET_OUT;for(m=0;m<8;m++){CL_DQ;Delay_nus(1);//延時(shí)3個(gè)指令周期if(x&(1<<m))//寫(xiě)數(shù)據(jù)，從低位開(kāi)始SET_DQ;elseCL_DQ;Delay_nus(70);//60~120usSET_DQ;}SET_DQ;}（3）讀取溫度函數(shù)voidread_data(){unsignedintj;unsignedchartemh,teml;unsignedchara,b,c;if(init_1820())return;//如果沒(méi)有初始化，返回write_1820(0xcc);//跳過(guò)write_1820(0x44);//啟動(dòng)for(j=20;j>1;j--)Delay_nus(50000);if(init_1820())return;//如果沒(méi)有初始化，返回write_1820(0xcc);//跳過(guò)write_1820(0xbe);//開(kāi)始讀teml=read_1820();//讀數(shù)據(jù)低位temh=read_1820();//讀數(shù)據(jù)高位if(temh&0x80)//判斷正負(fù){flag=1;c=0;c=c|temh;c=c&0x00ff;c=c<<8;a=c;a=c|teml;a=(a^0xffff);//異或a=a+1;//取反加1teml=a&0x0f;temh=a>>4;}else{flag=0;//為正a=temh<<4;a+=(teml&0xf0)>>4;//得到高位的值b=teml&0x0f;temh=a;teml=b&0x00ff;}sensor_data_value[0]=teml;sensor_data_value[1]=temh;}（4）處理溫度數(shù)據(jù)unsignedchar*GETtempData(){unsignedchartemh,teml;unsignedintnum;unsignedchar*pch=ch;read_data();//讀數(shù)據(jù)teml=sensor_data_value[0];temh=sensor_data_value[1];num=teml*625;//小數(shù)部分的取值每位代表0.625（精度）if(flag==1)*pch++='-';//判斷正負(fù)溫度if(temh/100==0)//百位*pch++='';else*pch++=temh/100+0x30;//+0x30變?yōu)?~9ASCII碼if((temh/10%10==0)&&(temh/100==0))*pch++='';//十位else*pch++=temh/10%10+0x30;*pch++=temh%10+0x30;//個(gè)位*pch++='.';*pch++=num/1000+0x30;//小數(shù)點(diǎn)后1位的數(shù)pch="℃";*pch+=2;*pch++='\0';returnch;}4.2濕度采集節(jié)點(diǎn)程序功能4.2.1流程圖濕度傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)流程圖如圖4-2所示。1秒1秒定時(shí)器初始化IO初始化開(kāi)始T1時(shí)鐘初始化讀取濕度值結(jié)束圖4-2濕度傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)流程圖HS1101主要完成在單位時(shí)間內(nèi)的頻率測(cè)量。程序設(shè)計(jì)采用端口掃描方式，間隔8S開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為1S。統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，輸出頻率與相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)照，確定濕度值的范圍，并將濕度值通過(guò)串口顯示。為確保測(cè)量精度，可以取3次以上測(cè)量數(shù)據(jù)，求平均值后，作為最終送顯示數(shù)據(jù)。程序代碼采用嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)IAR編譯環(huán)境中進(jìn)行編譯后，下載至CC2430處理器內(nèi)執(zhí)行。4.2.2代碼設(shè)計(jì)（1）函數(shù)功能：初始化IO口voidInitIO(void){P1DIR|=0X03;P1_1=1;P1_0=1;P1INP&=~0X40;//有上拉、下拉P1IEN|=0X40;//P16開(kāi)中斷PICTL&=~0X02;//下降沿EA=1;IEN2|=0X10;//P1IE=1;P1IFG&=~0x40;//P15中斷標(biāo)志清0}（2）函數(shù)功能：T1中斷函數(shù) #pragmavector=T1_VECTOR__interruptvoidT1_ISR(void){IRCON&=~0x02;//清中斷標(biāo)志counter++;if(counter==250){counter=0;//timetemp=1;//一秒到led1=~led1;//調(diào)試指示用///調(diào)用脈沖中斷有多少次HF=number;number=0;//次數(shù)清零}}（3）函數(shù)功能：P16外部中斷函數(shù) #pragmavector=P1INT_VECTOR__interruptvoidP1_ISR(void){P1IF&=~0x40;//清中斷標(biāo)志number++;}（4）函數(shù)功能：定時(shí)器初始化函數(shù) voidInitClock(void){CLKCON=0X38;//TICKSPD=111定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘源while(!(SLEEP&0X40));//等晶振穩(wěn)定}（5）函數(shù)功能：T1初始化函數(shù) voidInitT1(void){T1CCTL0=0X44;T1CC0H=0x03;T1CC0L=0xe8;T1CTL|=0X02;IEN1|=0X02;IEN0|=0X80;}（6）主函數(shù)voidhum_main(void){InitClock();InitT1();InitIO();do{////把頻率轉(zhuǎn)換成濕度HUM=556-HF/13.3;}while(1);//end}//endhum_main()4.3紅外人體感知節(jié)點(diǎn)程序功能4.3.1流程圖溫度采集模塊的流程圖如圖4-1所示。初始化初始化開(kāi)始結(jié)束延時(shí)是否產(chǎn)生中斷是否處理中斷圖4-3紅外人體傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)流程圖紅外人體傳感器模塊在有人進(jìn)入（即產(chǎn)生中斷）感應(yīng)范圍時(shí)通過(guò)不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間段一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖?。有人進(jìn)入則產(chǎn)生中斷，并處理中斷；否則，清中斷，繼續(xù)檢測(cè)區(qū)域范圍人員進(jìn)入情況。4.3.2代碼設(shè)計(jì)（1）初始化函數(shù)//32M晶振初始化voidXtalInit(void){SLEEP&=~0x04;//OSC_PD位設(shè)為0:32M的晶體振蕩器和16M的RC振蕩器都上電while(!(SLEEP&0x40));//晶體振蕩器開(kāi)啟且穩(wěn)定CLKCON&=~0x47; //選擇32MHz晶體振蕩器SLEEP|=0x04;//CLKCON.OSC指定的一個(gè)上電，也就是說(shuō)選擇32M的晶體振蕩器工作；關(guān)閉不用的RC振蕩器}//UART0通信初始化voidUart0Init(){P0SEL|=0x0C;//初始化UART0端口PERCFG&=~0x01;//選擇UART0為可選位置1U0CSR=0xC0;//設(shè)置為UART模式，而且使能接受器U0GCR=BAUD_E_115200;U0BAUD=BAUD_M_115200;//設(shè)置UART0波特率}（2）處理中斷#pragmavector=0x6B__interruptvoidP0ExtSub(){nCount++;//檢測(cè)到人加1P1IFG&=~(1<<5);//中斷標(biāo)志清0P1IF=0;//清中斷（3）主函數(shù)voidmain(){xtalInit();//系統(tǒng)時(shí)鐘初始化Uart0Init();//串口初始化//IO端口初始化，設(shè)置為輸入P1SEL&=~(1<<5);//選擇為GPIO方式P1DIR&=~(1<<5);//設(shè)置為輸入P1INP|=(1<<5);//三態(tài)方式//中斷控制初始化EA=1;//允許全局中斷IEN2|=(1<<4);//允許P1中斷PICTL&=~(1<<1);//上升沿產(chǎn)生中斷P1IEN|=(1<<5);//中斷使能P1IFG&=~(1<<5);//清除中斷標(biāo)志nCount=0;while(1){//經(jīng)過(guò)一定時(shí)間把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)Uart0SendString("Peopleduringthetimeis:");Uart0Send(nCount/10+'0');Uart0Send(nCount%10+'0');Delay();}}4.4火源傳感器節(jié)點(diǎn)程序功能4.4.1流程圖溫度采集模塊的流程圖如圖4-1所示。檢測(cè)火源環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)火源環(huán)境數(shù)據(jù)開(kāi)始是否高于設(shè)定值值結(jié)束延時(shí)檢測(cè)否發(fā)送報(bào)警信息是4-4火源傳感器模塊流程圖通過(guò)火源傳感器檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，查看是否高于設(shè)定值，如果高，則發(fā)生報(bào)警信息，處理報(bào)警，延時(shí)檢測(cè)；否則繼續(xù)檢測(cè)環(huán)境信息。根據(jù)函數(shù)返回值的變化能判斷紅外線的強(qiáng)弱，從而辨別出火源的出現(xiàn)。4.4.2代碼設(shè)計(jì)（1）延時(shí)函數(shù)voiddelay()//延時(shí)程序{ucharm,n,s;for(m=20;m>0;m--)for(n=20;n>0;n--)for(s=248;s>0;s--);}（2）主函數(shù)voidmain(){ while(1)//無(wú)限循環(huán) { LED=1; //熄滅P1.0口燈 if(DOUT==0)//當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行條件函數(shù) { delay();//延時(shí)抗干擾 if(DOUT==0)//確定高于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行條件函數(shù) {LED=0;} //點(diǎn)亮LED燈 } }} 4.5小結(jié)本節(jié)詳細(xì)介紹了智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式程序設(shè)計(jì)，首先從整體出發(fā)，介紹了整個(gè)節(jié)點(diǎn)程序的功能需求及組成，再分別從溫度傳感器、濕度傳感器、紅外人體傳感器和火源傳感器四個(gè)分層解析整個(gè)節(jié)點(diǎn)程序的過(guò)程流程并提供了程序設(shè)計(jì)流程圖。詳細(xì)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)模式下的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述說(shuō)明。5智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)性能測(cè)試5.1節(jié)點(diǎn)實(shí)物照片節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)部分包括溫度傳感器、濕度傳感器、紅外人體傳感器、火源傳感器、信息處理模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)測(cè)試模塊。信息處理模塊采用CC2430芯片，通過(guò)JTAG接口下載嵌入式程序。電源模塊分為電源轉(zhuǎn)換模塊和電源供電模塊。數(shù)據(jù)測(cè)試模塊主要使用串口顯示數(shù)據(jù)。照片如圖5-1所示。圖5-1節(jié)點(diǎn)硬件照片圖5.2節(jié)點(diǎn)測(cè)試5.2.1測(cè)試目標(biāo)各個(gè)傳感器模塊能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的采集到環(huán)境數(shù)據(jù)，希望觀察到的實(shí)物現(xiàn)象是：傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的紅、黃指示燈輪流閃爍，表示能成功發(fā)送數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)上ZigBee模塊的紅、黃指示燈輪流閃爍，表示能成功接收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；通過(guò)串口顯示傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。5.2.2測(cè)試過(guò)程傳感器節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試，主要是對(duì)傳感器參數(shù)傳遞進(jìn)行測(cè)試，用IAR軟件實(shí)現(xiàn)。下載傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入式程序界面如圖5-2所示。下載點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議程序界面如圖5-3所示。圖5-2傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入式程序下載圖5-3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議下載節(jié)點(diǎn)具體測(cè)試步驟如下：（1）在軟件編譯沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下，連接上C51RF-3型仿真器后再把模塊接到仿真器。下載程序成功，可以觀察到節(jié)點(diǎn)硬件上CC2430芯片的綠燈和紅燈不停交替閃爍，如圖5-4所示。圖5-4傳感器節(jié)點(diǎn)與下載器相連（2）將傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集程序下載至芯片CC2430，然后中斷，單步運(yùn)行，在菜單View下選擇Watch選項(xiàng)，彈出Watch窗口，在窗口中輸入各參數(shù)的名稱，運(yùn)行程序，觀察得到參數(shù)的值能否正確獲取。如圖5-5所示。圖5-5單步運(yùn)行程序圖（3）步驟（2）成功后，可以直接在節(jié)點(diǎn)硬件上先測(cè)試采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，如圖5-6所示。圖5-6數(shù)據(jù)測(cè)試圖（4）在實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信的情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)分別下載數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序，上電后看到的現(xiàn)象是節(jié)點(diǎn)硬件模塊上的兩個(gè)LED輪流閃爍，表示程序下載成功，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠正常采集環(huán)境信息；并且在接收節(jié)點(diǎn)上下載接收程序和串口顯示程序，觀察到的現(xiàn)象是兩個(gè)LED也輪流閃爍，表示依次接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，成功實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，如圖5-7所示。圖5-7節(jié)點(diǎn)通信傳輸數(shù)據(jù)信息5.2.3測(cè)試結(jié)果該硬件節(jié)點(diǎn)采用單獨(dú)測(cè)試，傳感器節(jié)點(diǎn)模塊采集數(shù)據(jù)的具體數(shù)值可以通過(guò)串口觀察。在調(diào)試程序時(shí)，溫度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)定波特率分別為57600。測(cè)試時(shí)在室溫下進(jìn)行測(cè)試，室溫下為28.0，把手放在溫度傳感器上，溫度會(huì)隨之上升，溫度傳感器的采集數(shù)據(jù)顯示信息如圖5-6所示。圖5-6溫度傳感器采集數(shù)據(jù)信息紅外人體傳感器設(shè)定其波特率為115200。本傳感器用于測(cè)試移動(dòng)的人體，所輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為λ=9.67~9.64μm，紅外人體傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)顯示的信息如圖5-7所示。圖5-7紅外人體傳感器采集數(shù)據(jù)信息5.3小結(jié)本章描述了智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)整個(gè)性能測(cè)試的過(guò)程，包括節(jié)點(diǎn)的功能測(cè)試、節(jié)點(diǎn)的性能測(cè)試。在確?；竟δ苣軌?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行性能測(cè)試。性能測(cè)試包括溫濕度、紅外人體和火源檢測(cè)的參數(shù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，基本功能全部實(shí)現(xiàn)，性能基本達(dá)到要求。結(jié)論本論文介紹了智能環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，分別從總體設(shè)計(jì)方案、節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的性能測(cè)試四個(gè)方面做了具體分析。完成了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集功能，通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以了解在環(huán)境中是否有危險(xiǎn)元素出現(xiàn)。從分析節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則入手，設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的各個(gè)功能模塊，測(cè)試了系統(tǒng)的傳輸性能。測(cè)試了節(jié)點(diǎn)對(duì)溫度、濕度、人體和火源信息的準(zhǔn)確性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速部署、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的特征。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段不足上具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨著系統(tǒng)的不斷完善，將會(huì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用前景。本論文主要圍繞節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件方面做了工作，根據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際測(cè)試表明，硬件節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的采集功能，能夠較穩(wěn)定地工作。但由于個(gè)人能力有限和時(shí)間等其它方面的限制，也存在著一些不完善的地方：（1）完成了傳感器節(jié)點(diǎn)的理論設(shè)計(jì)，但是硬件系統(tǒng)的焊接不夠完善。開(kāi)始電路設(shè)計(jì)圖沒(méi)有考慮周全和仔細(xì)檢查，導(dǎo)致我的電路沒(méi)有通過(guò)移動(dòng)的電池供電，而是通過(guò)直流電源插座供電，這樣使用起來(lái)不是很方便。而且有些電路設(shè)計(jì)存在著錯(cuò)誤，后來(lái)通過(guò)切線來(lái)完成的，導(dǎo)致我的電路焊接不美觀。（2）節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)及軟件編程都存在著不完善。單個(gè)測(cè)試傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)候能夠通過(guò)串口顯示出數(shù)據(jù)，但是四個(gè)傳感器同時(shí)下載程序時(shí)，沒(méi)有設(shè)計(jì)好延時(shí)，不能很好的把握好測(cè)量環(huán)境的時(shí)間。（3）沒(méi)有充分利用好協(xié)議。ZigBee協(xié)議棧運(yùn)用不熟悉，從物理層到應(yīng)用層都有一系列的協(xié)議。這些協(xié)議針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境各有特點(diǎn)。在以后的工作中，可以考慮通信更加靈活地路由策略讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸，平衡節(jié)點(diǎn)的能量。通過(guò)改進(jìn)路由協(xié)議，減少數(shù)據(jù)碰撞和跳數(shù)，確保傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性。另外，在應(yīng)用中還必須考慮設(shè)計(jì)具有安全機(jī)制的路由協(xié)議。致謝大學(xué)時(shí)光已接近尾聲，首先我要感謝我的母校，學(xué)校濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境將令我終生難忘。感謝對(duì)我傾囊相受，鞭策鼓勵(lì)的諸位恩師，你們的諄諄教導(dǎo)，我將銘記于心。其次，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師，胡老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我感受良多、受益匪淺。胡老師對(duì)我的關(guān)心和教導(dǎo)尤為重要，如果沒(méi)有胡老師給予的精心指導(dǎo)，尚不知以何等糟糕的面目出現(xiàn)。我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改，后期論文的反復(fù)檢查等等每個(gè)環(huán)節(jié)都凝結(jié)著老師付出的辛勞和汗水。我很自豪有這樣一位老師，我對(duì)他懷著無(wú)限感激和尊敬之情。感謝通信班的季從順、馮準(zhǔn)和章建軍同學(xué)。由于他們?cè)跓o(wú)線傳感器方面和專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)硬，每當(dāng)我在硬件電路設(shè)計(jì)和軟件部分編寫(xiě)協(xié)議格式轉(zhuǎn)換程序時(shí)遇到了問(wèn)題，向他們求教時(shí)，他們總能熱心地指導(dǎo)我，給我講述具體的操作方法，幫我走出困惑。讓我不僅對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，而且掌握了編寫(xiě)一些簡(jiǎn)單協(xié)議的方法。四年大學(xué)生活即將結(jié)束，回顧美好的校園生活，無(wú)比留戀。感謝和我共度四年美好大學(xué)生活的通信工程的所有同學(xué)。感謝所有的授課老師傳與我知識(shí)和做人的道理，是我終身受益。感謝所有關(guān)心、鼓勵(lì)、支持我的家人、親戚和朋友們。祝愿我的母校