基于Zigbee協(xié)議的工業(yè)環(huán)境檢測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)

515110001969

顧鑫森

主要內(nèi)容總體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試無(wú)線傳感網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-器件選擇主控模塊：低功耗8位MCU-Atmega16L無(wú)線通信模塊：?jiǎn)纹瑹o(wú)線收發(fā)器芯片nRF905傳感器：DS18b20數(shù)字溫度傳感 MQ-3氣體傳感器（酒精）

紅外測(cè)溫模塊

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-電源設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所需電壓為3.3V，采用LM1117-3.3供電系統(tǒng)。對(duì)于發(fā)送端，可采用5V電池供電。對(duì)于接收端，可采用5V開(kāi)關(guān)電源供電。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-溫度傳感器溫度傳感器選擇DS18b20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器可以提供9位二進(jìn)制溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。DS18b20通過(guò)單線與MCU通信，且不需要額外電源。每一個(gè)DS18b20在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào)，因此任意多個(gè)DS18b20可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感傳感器。DS18b20工作過(guò)程協(xié)議包括初始化，ROM操作命令，存儲(chǔ)器操作命令和處理數(shù)據(jù)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-酒精氣體傳感器酒精氣體傳感器選擇MQ-3氣體傳感器。該傳感器使用的氣敏材料是二氧化錫，當(dāng)環(huán)境中存在酒精蒸汽時(shí)，氣敏材料電導(dǎo)率隨酒精蒸汽濃度增大而增大。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-紅外傳感器熱釋電紅外探測(cè)器輸出的紅外輻射響應(yīng)信號(hào)是一種頻率較低的微弱動(dòng)態(tài)信號(hào)，為獲得與目標(biāo)表面溫度變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，必須對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)取－h(huán)境溫度補(bǔ)償直接采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-通信模塊Atmega16L與nRF905之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸采用SPI接口。微處理器的PB7-PB4連接nRF905的SPI接口，PB2-PB0、PD2-PD3連接nRF905的控制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)接口，用于nRF905的模式切換以及通信過(guò)程中必要的信號(hào)指示。nRF905四種模式：發(fā)送模式、接收模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。這幾種模式是由nRF905的TRX_CE、TX_EN和PWR_UP這幾個(gè)引腳決定。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)采用Atmega16L微處理器，通過(guò)自身四路AD口與傳感器通信，微處理器通過(guò)RF接口與nRF905通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。節(jié)點(diǎn)的nRF905通信模塊輪詢(xún)等待主機(jī)的start信號(hào)，當(dāng)收到主機(jī)起始信號(hào)后，微控制器打開(kāi)AD轉(zhuǎn)換，等待預(yù)定的時(shí)間后nRF905將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)回主機(jī)，然后節(jié)點(diǎn)再次輪詢(xún)，等待下個(gè)start信號(hào)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-節(jié)點(diǎn)軟件工作流程傳感節(jié)點(diǎn)程序主要完成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)、加入和維護(hù)、控制節(jié)點(diǎn)工作模式的切換，工作模式處理中還包括傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行協(xié)議棧初始化，開(kāi)啟全局中斷，然后進(jìn)行信道掃描尋找網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后申請(qǐng)加入。一旦成功加入網(wǎng)絡(luò)，立即上傳DS數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，進(jìn)行身份注冊(cè)完成智能化識(shí)別，為后續(xù)數(shù)據(jù)服務(wù)提供依據(jù)。節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器命令選擇工作模式，初始化時(shí)命令緩存列表有默認(rèn)模式，在接受新的命令后及時(shí)調(diào)整和更新，依據(jù)不同模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集收發(fā)、控制以及休眠。為保證節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)可靠性，節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢查，將狀態(tài)數(shù)據(jù)上報(bào)協(xié)調(diào)器，如果發(fā)現(xiàn)與上級(jí)設(shè)備連接丟失，節(jié)點(diǎn)將啟動(dòng)重入網(wǎng)機(jī)制，再次加入網(wǎng)絡(luò)，保證與協(xié)調(diào)器連接穩(wěn)定。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)-底層驅(qū)動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的設(shè)計(jì)-硬件設(shè)計(jì)主機(jī)包括兩個(gè)移位寄存器和一個(gè)主機(jī)時(shí)鐘發(fā)生器。通過(guò)將需要的從機(jī)的SS引腳拉低，主機(jī)啟動(dòng)一次通訊過(guò)程。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)寄存器。配置為SPI主機(jī)時(shí)，SPI接口不自動(dòng)控制SS引腳，須由用戶通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置。傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的設(shè)計(jì)-軟件設(shè)計(jì)主機(jī)SPI底層驅(qū)動(dòng)nRF905模塊驅(qū)動(dòng)四種工作模式用戶對(duì)SS引腳控制同步設(shè)置數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)測(cè)試主機(jī)通過(guò)RS232總線將讀取到的信息送到計(jì)算機(jī)顯示。在測(cè)試環(huán)境中，主機(jī)每10秒讀取一次各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后傳送給計(jì)算機(jī)。如果沒(méi)有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)則重復(fù)讀取該節(jié)點(diǎn)。若連續(xù)3次沒(méi)有讀取到數(shù)據(jù)則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)故障，并通過(guò)串口在計(jì)算機(jī)上顯示。計(jì)算機(jī)上顯示協(xié)調(diào)器組網(wǎng)過(guò)程以及讀取各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況。系統(tǒng)測(cè)試需要達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離：室內(nèi)有間隔通信距離大于40米功耗情況：采用3.3