1、摘要空氣品質(zhì)對人的影響至關(guān)重要，利用傳感器檢測空氣質(zhì)量是當(dāng)今流行的一種方法，本文介紹了傳感器在空氣質(zhì)量檢測方面的原理應(yīng)用及監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。本設(shè)計系統(tǒng)采用CC2430無線通信模塊、溫濕度傳感器DHT90、空氣質(zhì)量傳感器QS01.電源模塊構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)技術(shù)以低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特點(diǎn)受到越來越多企業(yè)和個人的青睞。空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)特別適合于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資少、網(wǎng)絡(luò)安全要求較高、不便頻繁更換電池或充電的場合。預(yù)計將在消費(fèi)類電子設(shè)備、家庭智能化、工控、醫(yī)用設(shè)備控制、農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，利用ZigBee技術(shù)完成傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序，最終能夠?qū)崿F(xiàn)空氣質(zhì)量的監(jiān)測。關(guān)鍵字：無線傳感器；cc2430；DTH90；zigbee技術(shù)；空氣質(zhì)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(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展14論文的研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述21無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

7、22無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述亙送線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)24無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用25無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)26無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計31ZigBee技術(shù)32系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計33傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計331節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu)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(diǎn)的硬件設(shè)計341電源模塊342RS-232串口模塊4空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計41ZigBee協(xié)議42IAR開發(fā)環(huán)境介哲43傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計44匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計5系統(tǒng)測試與結(jié)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(xiàn)

8、附錄c部分程序4.2.1原語概念4.2.2建立新網(wǎng)絡(luò)4.2.31緒論1.1引言由于環(huán)境問題的嚴(yán)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)相比，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測具有如下優(yōu)點(diǎn)：傳感器網(wǎng)絡(luò)對被監(jiān)測環(huán)境影響??；傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)量大、精度高；傳感器節(jié)點(diǎn)還具有無線通信能力，可以使得節(jié)點(diǎn)協(xié)同監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常適用于無人監(jiān)守的遠(yuǎn)程監(jiān)測，該文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測空氣質(zhì)量，在城市內(nèi)選擇一些監(jiān)測點(diǎn)，放置傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過ZigBee無線技術(shù)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(jìn)行管理和配置、發(fā)布監(jiān)測任務(wù)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(dāng)今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學(xué)煙霧污染”之后,又出現(xiàn)了“室內(nèi)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(nèi)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(guān)注的問題。據(jù)統(tǒng)計，全球近一半的人處于室內(nèi)空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境問題對我們來講，就顯得尤為重要。然而對于室內(nèi)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(nèi)環(huán)境，杜絕和防止室內(nèi)污染，不僅是為了提高我們的生活質(zhì)量，而且，它也關(guān)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(nèi)環(huán)境污染一樣對我們的生活.學(xué)習(xí)、工作、娛樂等等方面產(chǎn)生了各種危害和影響。美國專家研究表明，室內(nèi)空氣的污染程度要比室外空氣嚴(yán)重二至五倍，在特殊情況下可達(dá)100倍。室內(nèi)空氣中可檢測出500多種揮發(fā)性有機(jī)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(nèi)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(diào)査也顯示，當(dāng)前人們68%的疾病都與室內(nèi)空氣污染有關(guān)室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)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(shù)是人們認(rèn)識和改造世界的一種必不可少的重要技術(shù)手段。而傳感器是科學(xué)實驗和工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)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(nèi)度過的，特別是老、弱、病、殘、幼、孕等體弱者在室內(nèi)活動時間更長，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的好壞對他們的身心健康更加重要。因此加強(qiáng)室內(nèi)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(zhì)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(qiáng)室內(nèi)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(jié)果也表明，室內(nèi)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(guān)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(nèi)、室外都有必要進(jìn)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(hù)，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(jīng)濟(jì)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(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量，阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。隨著國家制定的各種環(huán)境保護(hù)政策及法規(guī)的頒布實施，各級地方政府在對轄區(qū)內(nèi)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(yīng)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(zhì)量監(jiān)測站。13無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展在西方和一些發(fā)達(dá)國家如加拿大、英國、德國、意大利和日本等國家的研究機(jī)構(gòu)也加入了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的研究美國科學(xué)基金委員會2003年制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，研究領(lǐng)域涉及能感知有毒化學(xué)物、生物攻擊等的傳感器節(jié)點(diǎn)、分布環(huán)境下傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究。在我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾

14、乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中。國內(nèi)的一些科研單位和著名大學(xué)，如中國科學(xué)院自動化所、軟件所及清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計劃；2006年，將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點(diǎn)研究項目。國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGI)示范工程中，也部署了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題，國內(nèi)也有越來越多的企業(yè)開始關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，開始推出針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee的解決方案，而無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在生活中

15、的研究也是剛剛起步。目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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(shù)。例如，在工業(yè)領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)不僅用來控制照明燈的開關(guān)，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(jīng)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(wǎng)絡(luò)，工程師只需坐在計算機(jī)，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(diǎn)應(yīng)用。再如，ZigBee技術(shù)用于進(jìn)出的控制，可以記錄汽車的進(jìn)出，也可以在人員進(jìn)出時用于傳輸相關(guān)指紋來識別數(shù)據(jù),進(jìn)行身份認(rèn)證。此外，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，它

16、還可以用來實時監(jiān)控煤礦內(nèi)各點(diǎn)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(shù)來傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。在消費(fèi)類電子方面，ZigBee技術(shù)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(guān)操作。現(xiàn)今我們也可以看到ZigBee用于家庭保安，消費(fèi)者在家中的門和窗上都安裝了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有人闖入時，ZigBee可以控制開啟室內(nèi)攝像裝置，這些數(shù)據(jù)再通過Internet或WLAN網(wǎng)絡(luò)反饋給主人，從而實現(xiàn)報警。當(dāng)在家電產(chǎn)品如空調(diào)，熱水器等安裝ZigBee模塊后，用戶可以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)來控制這些產(chǎn)品的開啟

17、。在建筑智能化領(lǐng)域，各種燈光的控制，氣體的感應(yīng)與監(jiān)測，如煤氣泄漏的感應(yīng)和報警都可以應(yīng)用ZigBee技術(shù)。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(wǎng)絡(luò)，汽車自動化，樓宇自動化，消費(fèi)電子，醫(yī)用設(shè)備控制等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò),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(lǐng)域，主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內(nèi)置在飛轉(zhuǎn)的車輪或者發(fā)動機(jī)中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這就要求內(nèi)置無線通信設(shè)備使用的電池有較長的壽命，同時應(yīng)

18、該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的屏蔽效應(yīng)。在精確農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的，沒有通信能力的機(jī)械設(shè)備，主要是依靠人力監(jiān)測作物的生產(chǎn)狀況，采用了傳感器和ZigBet網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動化，網(wǎng)絡(luò)化，職能化和遠(yuǎn)程控制的設(shè)備來耕種。在家庭和樓宇自動化領(lǐng)域，家庭自動化系統(tǒng)作為電子技術(shù)的集成得以迅速擴(kuò)展，易于進(jìn)入，簡單明了和廉價的安裝成本等成了驅(qū)動自動化居家，建筑開發(fā)和應(yīng)用無線技術(shù)的主要動因。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)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(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生做出快速的反應(yīng)，

19、特別是對重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)和治療。在消費(fèi)和家用自動化市場，可以聯(lián)網(wǎng)的家用設(shè)備有電視，錄像機(jī)，無線耳機(jī)，PC外設(shè)，運(yùn)動與休閑器械，兒童玩具，游戲機(jī)，窗戶和窗簾，照明設(shè)備，空調(diào)系統(tǒng)和其它家用電器。1.4論文的研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容：本論文研究了如何利用傳感器檢測空氣質(zhì)量及介紹了傳感器在空氣質(zhì)量檢測方面的原理應(yīng)用，分析了當(dāng)前氣體傳感器的特點(diǎn)，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(shè)計及其具體實現(xiàn)，主要研究內(nèi)容如下。一是，目前我國采用的空氣質(zhì)量監(jiān)測方法的研究，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究意義和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述，概述包括基本概念、結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用、關(guān)鍵技術(shù)和

20、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二是，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計。該系統(tǒng)采用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線技術(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的無線通信。溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)由西安華凡科技有限公司的HFZ-CC2430EM-22模塊，空氣質(zhì)量傳感器QS-01和5V鋰電池組成。研究了HFZ-CC2430EM-22模塊的結(jié)構(gòu)、特性和CC2430芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、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(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)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(yīng)用母版的串口電路和電源模塊，因為匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和PC機(jī)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(zhuǎn)換電平。三是，該系統(tǒng)的軟件設(shè)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(gòu)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(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用流程添加自己的溫濕度釆集應(yīng)用程序和修=1III改主文件中的任務(wù)處理函數(shù)，最終實現(xiàn)功能。論文結(jié)構(gòu)：共分為5章，結(jié)構(gòu)安排如下：第1章：緒論。介紹了目前的空氣質(zhì)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(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展和論文的主要研究內(nèi)容和組織框架。第2章：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述。介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架、體系結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)。第3章：空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計。介紹了ZigBee技術(shù)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計。第4章：空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計。介紹了ZigBee協(xié)議棧，IAR集成開發(fā)環(huán)境，傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序設(shè)計。第5章：總結(jié)與展望。總結(jié)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(jìn)行了展望。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知，采

23、集，處理和網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)將探測數(shù)據(jù)，通過匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給了用戶在這個定義中，傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，處理和傳輸?shù)娜N功能,而這對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。發(fā)達(dá)國家如美國，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展。波士頓大學(xué)，還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)

24、網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。美國的技術(shù)評論雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，商業(yè)周刊預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被列入其中I?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)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(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述近年來隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等技術(shù)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)（以下簡稱傳感器網(wǎng)絡(luò)）就是由許多這些傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同組織起來的。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)或者特定地布

25、置在目標(biāo)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(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，它將會對人類未來的生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響】。2003年2月份的美國技術(shù)評論雜志評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。傳感器網(wǎng)絡(luò)最初來源于美國先進(jìn)國防研究項目局（DARPA-DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）的一個研究項目，當(dāng)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(dāng)時技術(shù)條件的限制，使得

26、傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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(jī)系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想藍(lán)圖能夠得以實現(xiàn)，其應(yīng)用前景越來越廣，國外各個研究機(jī)構(gòu)對它的研究也正方興未艾。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點(diǎn)的功能都是相同的，大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個被觀測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶o2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)（se

27、nsornode）組成的，傳感器節(jié)點(diǎn)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(yīng)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(bǔ)充能量，但是大多數(shù)情況下傳感器節(jié)點(diǎn)的電池是不可補(bǔ)充的。定位系統(tǒng)對傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由是很重要的，有些傳感器節(jié)點(diǎn)采用全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)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(diǎn)都使用GPS來進(jìn)行定位。此外，GPS定位還受到其他限制，如部分應(yīng)用于建筑物內(nèi)部等。通常情況下是在整個網(wǎng)絡(luò)中會有某些傳感器節(jié)點(diǎn)配有GPS系統(tǒng)，其他節(jié)點(diǎn)

28、通過局部定位算法得到它們與配有GPS的節(jié)點(diǎn)之間的相對位置，這樣所有節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成模塊Fig2-1nodemoduleofSensornetwork傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比有一些獨(dú)有的特點(diǎn)，正是由于這些特點(diǎn)使得傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多新問題，提出了很多新的挑戰(zhàn)“叭傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有:1）傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微型化，每個節(jié)點(diǎn)的通信和傳感半徑很有限,一般為十幾米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過鋪設(shè)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來保證網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。傳感器網(wǎng)

29、絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和密度都要比一般網(wǎng)絡(luò)高幾個數(shù)量級，可能達(dá)到每平方米上百個節(jié)點(diǎn)的密度，甚至多到無法為單個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間如何協(xié)同工作等。2）傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)有一定的故障率由于傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在惡劣的外界環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能會由于各種不可預(yù)料的原因而失效，為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計成具有一定的容錯能力，允許傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的故障率。3）傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的微型化，節(jié)點(diǎn)的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點(diǎn)更換電池，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量限

30、制是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最關(guān)鍵的約束之一，它直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。另一方面,傳感器節(jié)點(diǎn)的計算和存儲能力有限，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計算，傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)上成熟的協(xié)議和算法對傳感器網(wǎng)絡(luò)而言開銷太大，難以使用，必須重新設(shè)計簡單有效的協(xié)議及算法W4）傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快由于傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在工作和睡眠狀態(tài)之間切換以及傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)補(bǔ)充進(jìn)來以提高網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，這些特點(diǎn)都使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，這對網(wǎng)絡(luò)各種算法（如路由算法和鏈路質(zhì)量控制協(xié)議等）的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外，如果節(jié)點(diǎn)具備移動能力，也有可能帶來網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?/p>

31、變化。5）以數(shù)據(jù)為中心在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點(diǎn)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(guān)心“節(jié)點(diǎn)N所探測到的溫度值是多少”。這就是傳感器網(wǎng)絡(luò)的以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點(diǎn)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(jīng)有一些致力于傳感器網(wǎng)絡(luò)的公司，如美國的Crossbow公司和Dust公司等，其中Crossbow公司已經(jīng)推出了Mica系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，到現(xiàn)在已經(jīng)有了Mica,M

32、ica2,Mica2Dot三種產(chǎn)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(diào)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(diǎn)之間最大的通信距離為200英尺（約

33、60米）?，F(xiàn)在關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)需要大規(guī)模鋪設(shè)，要求每個傳感器節(jié)點(diǎn)的成本很低，要達(dá)到實用化要求每個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的造價大約在80美元左右，但是相信隨著集成技術(shù)的進(jìn)一步提高和大規(guī)模生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，傳感器節(jié)點(diǎn)的成本將會很快下降。另一方面由于節(jié)點(diǎn)的微型化要求每個節(jié)點(diǎn)的體積越來越小，Dust公司已經(jīng)開始設(shè)計最終能夠懸浮于空氣中的“靈巧微塵”(smartdust)傳感器，現(xiàn)已設(shè)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(nèi)最終設(shè)計出體積不大于lmn?的產(chǎn)品。2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)

34、用傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用十分重要，軍方可以通過飛機(jī)空投等方式在預(yù)定區(qū)域散布大量微型廉價的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過這些傳感器節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)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。現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越表現(xiàn)出信息戰(zhàn)的特點(diǎn)，戰(zhàn)爭中信息的及時獲取和反應(yīng)對整個戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)可以給指揮部門提供及時準(zhǔn)確的信息，這對增強(qiáng)國家的國防軍事力量是非常重要的。雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)最初主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)的成本越來越低，而功能卻日益強(qiáng)大，使得以

35、前造價昂貴的傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)能夠進(jìn)入民用領(lǐng)域。現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在民用領(lǐng)域中得到了很多應(yīng)用，越來越多的可能的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷展現(xiàn)在人們的面前，毫無疑問在傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱藏著巨大的商機(jī)。傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用方面的應(yīng)用主要有：生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；基礎(chǔ)設(shè)施安全；先進(jìn)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(wǎng)絡(luò)還有很多其他方面的應(yīng)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(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)必將會越來越多的應(yīng)用到社會生活的各個方面。25無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)絡(luò)來說，是兩個最重要的性能指標(biāo)，所以WSN的關(guān)鍵技術(shù)必然以降低網(wǎng)絡(luò)功耗和確保網(wǎng)絡(luò)安全為主線。下面介紹網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、?shù)據(jù)融合等部分關(guān)鍵技術(shù)。1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖τ谧越M織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。通過拓?fù)淇刂谱詣由傻牧己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。所以，拓?fù)淇刂剖荳SN研究的核心技術(shù)之一I。WSN拓?fù)淇刂颇壳爸饕芯康膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇?/p>

37、制分為節(jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制兩個方面。功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，減少節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目；目前已經(jīng)提出了以鄰居節(jié)點(diǎn)度為參考依據(jù)的算法，以及利用鄰近圖思想生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DRNG和DLSS算法。層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭，由簇頭形成一個處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以暫時關(guān)閉通信模塊，進(jìn)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(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)傳感器采集數(shù)據(jù)并將它發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行處理，因此存在如何對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合的問題。如果完全在本

38、地節(jié)點(diǎn)上處理采集的數(shù)據(jù)而只發(fā)送處理后的結(jié)果，可以降低傳輸數(shù)據(jù)的功耗，但增加了本地節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處理器的功耗但增加了節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的功耗。因此，如何對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與融合對降低節(jié)點(diǎn)能耗起到相當(dāng)大的作用。通常網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)采集的數(shù)據(jù)相互結(jié)合起來進(jìn)行處理可以降低整個網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)處理與節(jié)點(diǎn)聯(lián)合處理的平衡點(diǎn)O3）定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確

39、定自身位置。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點(diǎn)失效等特點(diǎn)，定位機(jī)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(jī)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?；跍y距的定位機(jī)制利用到達(dá)時間延遲、信號到達(dá)時差和接收信號強(qiáng)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(diǎn)的位置。而不基于測距的定位機(jī)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(wǎng)絡(luò)的連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位。距離無關(guān)的定位機(jī)制的定位性受環(huán)境因素的影響小，雖然定位誤差相應(yīng)有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，是目

40、前大家重點(diǎn)關(guān)注的定位機(jī)制a、4）無線通信技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)oIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標(biāo)。由于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，因此很多研究機(jī)構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(nèi)短距離無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)能策略，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)雙方需要在通信時同時喚醒。另外,傳感

41、器網(wǎng)絡(luò)是一個分布式網(wǎng)絡(luò),所有節(jié)點(diǎn)在通信上地位對等，沒有優(yōu)先級可言。所以要讓整個網(wǎng)絡(luò)能夠工作在有效狀態(tài),往往需要做到全網(wǎng)或者一定范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的同步，而不是通信雙方的簡單同步。2.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從無線傳感器組網(wǎng)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(jié)構(gòu)，可以集中管理;分布式結(jié)構(gòu)類似于Ad-）的通信模式。而在網(wǎng)狀網(wǎng)中則是完全對等的點(diǎn)對點(diǎn)通信，路由器不會定期發(fā)送信標(biāo)，僅在網(wǎng)內(nèi)設(shè)備要求時對其單播信標(biāo)。對于簇樹型網(wǎng)絡(luò)，其通信路由相對單一，骨干網(wǎng)絡(luò)中一旦有路由節(jié)點(diǎn)癱瘓，則相應(yīng)區(qū)域就進(jìn)入通信癱瘓狀態(tài)，要等待該部分網(wǎng)絡(luò)重組后，才能恢復(fù)通信。但是，簇樹型網(wǎng)定期發(fā)送信標(biāo)，使

42、網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能做到很好的同步，便于節(jié)點(diǎn)定期進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。在網(wǎng)狀網(wǎng)中情況則恰好相反，完全的點(diǎn)對點(diǎn)通信使路由有多種選擇,提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯性，但是不定期發(fā)送信標(biāo)使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)很難達(dá)到同步,必須釆取別的手段來實現(xiàn)，如廣播。因此，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與簇樹結(jié)構(gòu)的層次融合，必定是ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個發(fā)展方向。網(wǎng)狀網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是容錯能力和可靠性高，缺點(diǎn)是不易維護(hù)和管理、費(fèi)用高、安裝復(fù)雜和不經(jīng)濟(jì)?；谝陨戏治觯试O(shè)計選擇星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。總體設(shè)計圖如圖32：、空氣質(zhì)量傳感器節(jié)點(diǎn)ZigBee無線通信溫濕度感器節(jié)彭；空氣質(zhì)量專感器節(jié)點(diǎn)PC機(jī)1f監(jiān)測區(qū)域、溫濕度k傳感器節(jié)點(diǎn)溫濕度左感器節(jié)點(diǎn)空氣質(zhì)量專感器

43、節(jié)點(diǎn)圖3-2總體設(shè)計圖Fig3-2Overalldesign3.3傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計主要考慮以下幾點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)一般大量分布在被監(jiān)測區(qū)域，因此無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計應(yīng)盡量簡單，降低成本。2）功耗低:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)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(diǎn)一般要求不能經(jīng)常更換供電設(shè)備，要求功耗盡可能較低。并要求節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的設(shè)計中，節(jié)能是至關(guān)重要的。3）尺寸?。簾o線傳感器節(jié)點(diǎn)尺寸應(yīng)盡量小，保證對目標(biāo)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(yīng)不同的環(huán)境要求。4）擴(kuò)展性靈活性：無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上直接添加，不需要開發(fā)新的節(jié)點(diǎn)。同時，節(jié)點(diǎn)可以按照功能拆分成多個組件，組件之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合，維護(hù)方便。在不同的應(yīng)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(yīng)用都開發(fā)一個全新的硬件系統(tǒng)12嘰3.3.1節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，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。可以根據(jù)具體要求在數(shù)據(jù)采集單元模塊上進(jìn)行相應(yīng)的傳感器的擴(kuò)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(zhì)量傳感器模塊3-3傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計框圖Fig3-3Hardwareblockdiagramofsensornode3.3.2處理器和無線通信模塊HFZ-CC2430EM-22CC2430單片機(jī)是TI公司(德州儀器)生產(chǎn)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(nèi)核是基于工業(yè)領(lǐng)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(nèi)外設(shè)和RF射頻單元。它具有1個8位CPU(8051),主頻達(dá)32MHZ,具有最大128KB可編程FLASH和8KB的

46、SRAM,片內(nèi)外設(shè)非常豐富，主要包括1個5通道8位至14位可編程ADC轉(zhuǎn)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(nèi)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(shè)專用引腳。CC2430芯片采用O.lSfimCMOS工藝生產(chǎn)，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(zhuǎn)換到正常模式僅需54us,特別適合要求電池長期供電的應(yīng)用場合12叭其主要特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的24GHz的RF無線電

47、收發(fā)機(jī)。(3)優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)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(yùn)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(jī)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?jǐn)?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(zhuǎn)換的ADC。(15)集成AES安全協(xié)處理器。(16)帶有2個強(qiáng)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(qiáng)大的的開發(fā)環(huán)境。RFSET.NXOSC_QXO牝_Q1dDCES片上電源管理掉電復(fù)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(diào)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(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig3-4TheCC2430internalstructurediagramCC2430芯片內(nèi)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(yùn)行并實現(xiàn)無線收發(fā)功能。圖35是CC2430外圍電路設(shè)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(shè)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(jī)錯誤復(fù)位，部分去除雜波干擾。C14,C13,

52、C12,Cll,CIO是對電源進(jìn)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(shè)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(jìn)口數(shù)字溫濕度傳感器芯片，引腳插針為標(biāo)準(zhǔn)254插針。該傳感器品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快.抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高。他適用代工生產(chǎn)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(diǎn)；全標(biāo)定輸出，使用時無需重新校準(zhǔn)；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(jī)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(dāng)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(biāo)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(chǎn)品的

55、穩(wěn)定性與可靠性采用采用專利的CMOSens技術(shù)。傳感器主要由一個14位的AD轉(zhuǎn)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(rèn)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(biāo)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(yīng)，可靠的CRC校驗功能，抗干擾能力強(qiáng)和性價比高等優(yōu)點(diǎn)。DHT90的測濕范圍為0100%RH,測溫范圍為一40120-C,溫度響應(yīng)時間小于30s,濕度響應(yīng)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(dāng)?shù)碾妷合騻鞲衅魍?，上電后傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài)，在此狀態(tài)的11ms內(nèi)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(zhuǎn)為低電平,之后SCK翻轉(zhuǎn)為高電平時DATA也變?yōu)楦唠娖絘】。DATASCK圖3-7“啟動傳輸”時序F