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1、基于3G网络的无线环境监控系统摘 要“基于3G网络的无线环境监控系统”主要利用了3G技术、Zigbee技术、和新型传感技术，采用嵌入式系统设计以实现对机房内每个区域和角落的综合监控，如温度、视频、电气设备使用情况，本文将就温度检测为例说明此项监控系统。由于其具有良好的适应性以及相对低廉的价格，并且随着3G多功能智能手机的应用的普及，此类环境监控系统将有广阔的市场前景。 本文主要介绍了系统软硬件的设计以及通信技术，比如3G、Zigbee等。硬件设计主要分为两大部分：传感器部分以及ARM中央服务器部分。传感器部分采用CC2530作为微控制器，主要包括数据收集模块、存储模块以及通信模块。通信模块选用
2、了Zigbee无线通信技术。ARM中央服务器部分采用S3C2440作为芯片，主要包含了串口电路、网口电路、存储电路等。软件设计首先对整体温度监控系统的软件流程进行设计，然后分别从无线传感网络和ARM中央服务器两个方面，从数据接收和处理两个角度根据相应功能需求进行了系统的软件设计。整个系统实现了温度数据的采集、存储、简单处理以及转发。关键字：3G，环境监控，嵌入式系统，无线传感网络，ZigbeeWireless environment monitoring system based on 3G networkAbstractThe main use of Wireless environment
3、 monitoring system based on 3G network are the 3G technology, Zigbee technology, and new sensing technology. In order to realize the design of the comprehensive monitoring, such as temperature, video and the use of electrical equipment of each area and corner in computer room, the embedded system ca
4、n be used. The temperature will be taken as an example for monitoring system in this paper. As the widely applied of 3G multifunctional smart phones, such environment monitoring system will have a broad market prospect because of its good adaptability and relatively cheaper price.This paper mainly i
5、ntroduces the design of hardware and software and communication technologies, such as 3G, Zigbee etc. The hardware design mainly divides into two major parts: the sensor part and ARM part. The sensor using CC2530 as the microcontroller, including data collection module, storage module and communicat
6、ion module. Communication module adopts Zigbee wireless communication technology. ARM central server part adopts S3C2440 as the main chip, includes a serial circuit, interface circuit, storage circuit. Firstly, the overall temperature monitoring and control system software design. Then from two angl
7、es of data receiving and processing according to the functional requirements of the system software design. The whole system to achieve the following functions, including temperature data collection, storage, simple processing and forwarding.Keywords: 3G; environment monitoring; embedded system; wir
8、eless sensor network; Zigbee目 录第一章 绪 论11.1研究背景11.2现状及存在的问题11.3研究的意义及应用情况21.4本文的主要工作及章节安排3第二章 机房环境监控基本技术概述42.1 3G技术42.1.1 3G技术的概述42.1.2 WCDMA无线网络的设计及机制52.1.3 3G网络系统的主要特征52.2 嵌入式系统技术52.2.1 嵌入式系统技术概述52.2.2 嵌入式系统技术的主要特征62.3 Zigbee技术62.3.1 Zigbee技术基本概述62.3.2 Zigbee技术的特点72.3.3 Zigbee技术的发展前景8第三章 系统需求分析与硬件设
9、计93.1 系统方案与整体体系结构93.2 模块构成与功能描述103.3 部分硬件电路设计113.3.1 无线传感器网络113.3.2 ARM中央服务器153.3.3 电源及用户终端15第四章 系统整体软件架构224.1 无线传感器网络224.1.1 传感节点224.1.2 处理器模块234.2 ARM中央服务器24第五章 总结与展望26致 谢27参考文献28第一章 绪 论1.1研究背景在如今信息化高速发展的时代，原有的机房环境监控系统已不能满足计算机和信息设备的保障要求，正面临着新一轮的更新换代。机房的运行状况是信息化建设中信息交换管理的核心，若其中所有设备不能保证时时刻刻正常的运转，就会对
10、数据传输、存储及系统运行构成威胁，进而影响到全局系统的运行。若机房出现的状况不能被及时发现和处理，就会造成硬件设备的损坏，影响到业务系统的运转，产生的经济损失将不可估量。传统的人为定时巡视管理制度和现有的偏向于硬件与传感结合方式的环境监测的时效性较差，且会造成很多不必要的人力和物力损失。环境监控系统的内容包括配电系统、UPS电源、空调设备、机房温湿度、视频监控、漏水检测、烟雾报警、门禁监控等。环境监控系统经历了模拟时代、半数字时代、全数字时代到如今的无线时代的变革，有效利用3G网络是我们必须紧跟的发展趋势。随着3G网络在中国的发展和普及，以及3G终端设备的大众化的趋势，基于3G网络的行业应用产
11、品、系统和设备也大批量涌现。利用移动终端的普及和便利，使其作为接收和控制的工具，能更好的实现对机房环境监控系统的管理、提高机房安全性和减少损失。经过网络结构的优化，机房设备必将向智能化、模块化、综合化和高效化发展，无线3G网络以其高度的灵活性、移动性和便捷性等特性成为了最佳的网络解决方案。1.2现状及存在的问题目前机房环境监控系统对值班人员的依赖性比较强，若值班人员出现困倦、离岗等情况则很容易发生安全隐患。特别是针对大型机房的监控/监视功能、告警功能、配置管理和安全管理等，如今的环境监控设备和基础网络速度已远远不能够满足要求。如何改进传统的声光报警的方式，如何实现实时的视频监控，如何通过短信的
12、收发来实现移动终端对设备的及时控制都是需要解决的问题。随着自动摄像机、闭路电视的出现，模拟视频监控系统也随之出现。传统的有线视频监控模式安装麻烦、使用不方便，难以实现远程控制，而无线视频监控模式就能够解决这些问题成为如今监控领域的发展趋势。无线监控方案较以往的传统有线监控方案具有综合成本低、组网灵活、可扩展性好、维护费用低等优势。然而，无线视频监控具有时变、易错和带宽受限等缺点，如何提高传输的可靠性和无线信道的容量，尽量大的减少无线资源的浪费变成了如今环境监控领域亟待解决的问题。1.3研究的意义及应用情况在如今无线网络和智能手机终端广泛应用的大环境下，将无线监控技术应用到机房环境监控系统中已成
13、为必然的发展趋势。随着无线传输技术、多媒体通信和视频监控技术的不断发展，有线网络模式渐渐不能够满足机房设备的监控需求。特别是在网络化的现代，有线模拟监控系统的缺点越来越明显。有线网络监控模式在一些特别的设备机房（如远距离、设备分散、周围环境条件不允许等）有一定的局限性，建设和维护的成本高，对工作人员的依赖性强，不易于管理，常常会因为小的差错和失误造成大的损失，事故处理不能及时有效。这一系列的局限性和高成本，对企业的发展和工作人员的工作效率都是一种延误。无线网络具有良好的机动性、可扩展性、灵活性且综合成本低（只需一次性投入），弥补了使用有线网络的不足。经历了传统的模拟视频监控、基于计算机的数字网
14、络监控再到21世纪今天的嵌入式网络监控系统，机房环境监控系统在稳定性、可靠性、实时性和控制成本等方面一步步趋于完善。嵌入式系统是计算机技术、半导体技术及机械技术等和各个行业具体结合的产物，是一个以计算机技术为基础，以应用为中心，软件硬件可剪裁的技术密集、不断创新的高集成度的知识集成系统，它操作界面简单易用，应用十分广泛。嵌入式系统支持多种网络协议，可以通过浏览器远程访问，并可通过设置参数实现实时监控。目前此项技术水平最高的是美国，国内的监控水平则受IC集成电路设计制造能力的限制。如今电子计算机和各种移动终端，3G网络通信技术和图像压缩处理技术发展迅速，利用3G终端实现实时监控已成为必然的趋势。
15、随着wap及其他互联网技术的成熟，现在运营商和诸如一些系统方案提供商的界限越来越迷糊，3G智能手机的功能越来越多样化，应用也越来越普遍。基于3G网络的手机实现对突发状况的信息接收和实时控制，并通过手机观看机房的视频监控已应用于很多企事业单位。嵌入式系统软件的出现推动了3G网络的发展和应用，产生了很多可应用于各种行业的应用产品终端，有效地利用了3G资源优势，提高了各单位工作人员的业务办理效率。为节约大量的人力和维护的成本，改进无线环境监控系统成为了推动我国科技和经济快速发展的迫不及待的任务。1.4本文的主要工作及章节安排本论文对基于3G网络无线环境监控系统的主要技术和功能应用进行了较为全面的研究
16、，结合传感器实现对机房环境指标的监测和控制。本文首先对现有环境监控系统的限制性进行了分析，结合如今发展起来的3G网络技术、嵌入式系统技术、Zigbee技术等，并利用如今越来越普及的3G终端对原有机房环境监控系统加以改进。针对现有的环境监控系统的技术存在的问题，利用现有的技术提出解决方案，并设计实现。本文共分为六个章节，组织结构如下：第一章为绪论，主要介绍了环境监控系统的研究背景、现状及存在的问题、研究的意义及应用情况以及对本论文的工作介绍和章节安排。第二章为机房环境监控技术概述，主要对机房环境监控技术中用到的3G技术、嵌入式系统技术和Zigbee技术做了简单的概述及特征分析。第三章为系统需求分
17、析与硬件设计，主要对机房环境监控系统的功能需求和整体系统模块做了规划和设计，系统的硬件设计部分主要为系统的整体硬件架构设计和各模块设计及需求分析。第四章为系统整体软件架构，主要从系统对温度状况的数据采集和处理两个环节对系统进行软件的设计。第五章为总结与展望第六章为致谢第二章 机房环境监控基本技术概述机房环境监控技术是集3G网络技术、嵌入式系统技术、视频监控技术和智能控制等于一体的综合技术。本章主要介绍相关的关键技术。2.1 3G技术2.1.1 3G技术的概述通信行业正处在一个新的转折时期，在技术、网络、业务和运营模式方面都经历着前所未有的深刻变革，电路交换技术与分组交换技术趋于融合。目前3G网
18、络成为了世界上的流行趋势，建设正在如火如荼的展开。我国的3G网络主要分别为中国电信的cdma2000、中国联通的wcdma和中国移动的TD-SCDMA，其中TD-SCDMA为中国自主知识产权的3G技术。本文主要介绍和应用的是WCDMA技术的3G网络，wcdma是3G网络的主流，目前全球89%的用户使用的是此网络，技术也最成熟，无论从运营商数量还是网络数量上来看，都呈现出快速增长的趋势。WCDMA无线网络主要由基站（Node B）、基站控制器（RNC）和传输网络组成（如图1所示）。RNC负责控制Node B，承担无线资源的管理和调度工作，并通过Iu接口与核心网CN连接；而Node B提供无线资源
19、，通过空中接口Uu与终端UE连接，是终端接入网络的门户1。图1 WCDMA无线网络结构2.1.2 WCDMA无线网络的设计及机制移动通信系统多采用800MHz以上的电磁波做载波，频率较高，传播的方式主要是直射波、反射波以及它们的合成波。影响接收信号强度的主要因素有：空间效应、阴影衰减和瑞利衰落，对抗瑞利衰落是移动通信系统的主要课题。复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。终端UE有两种工作模式：空闲模式和连接模式。UE开机后，直接进入空闲模式；RRC连接一旦建立，UE就进入连接模式。当RRC连接释放或RRC连接失败时，UE离开连接模式，返回空闲模式。连接
20、模式有4种状态，分别是CELL-DCH，CELL-FACH和URA-PCH状态，状态之间可以互相转换。在空闲模式下UE经历3个过程：PLMN选择和重选、小区选择和重选以及位置登记。在小区选择的过程中，UE将搜索小区，实现与目标小区的同步，因此小区选择又可称为终端同步。呼叫流程需要经过建立RRC连接、建立信令连接和建立无线承载3个阶段。2.1.3 3G网络系统的主要特征1) 能实现全球漫游，用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务。2) 能提供多种业务，提供话音，可变速率的数据，视频会话等业务特别是多媒体业务。3) 足够的系统容量，强大的用户管理
21、能力，高保密性能和高质量的服务。2.2 嵌入式系统技术2.2.1 嵌入式系统技术概述嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机网络，它以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件皆可剪裁，能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统。目前，ARM嵌入式开发在国内非常火爆且应用领域广泛，不同的ARM芯片在不同的应用领域会产生不同的方法和视角。嵌入式系统包括最基本的三部分：CPU、RAM和逻辑结构单元（该单元类似于通用机的I/O系统），这三个部分构成了嵌入式系统所需的最小的硬件支持。操作系统由软件部分和硬件部分组成，软件部分由驱动层、操作系统层和应用层组成，硬件部分由嵌入式A
22、RM处理器、处理器核构成的芯片、片上系统SOC（System On Chip）、可编程片上系统SOPC（System On Programmable Chip）、I/O设备、存储器和人机接口构成2。从物理层面上来理解，嵌入式计算系统可以认为是一个专用的电子系统，这个专用的电子系统通常被包含在一个较复杂的非电子系统中，这就是“嵌入式”的直观意义。2.2.2 嵌入式系统技术的主要特征专用化是嵌入式系统区别于其他计算系统的重要特征。计算机体系结构可以根据现在各类计算机系统的应用特征分为如下类型：计算为主型、控制为主型、数据处理为主型、综合型，其中三种与嵌入式系统相关，核心是微处理器，并有如下共同特征
23、：专用性：不同于通用性处理器的大概率事件优先的设计准则，嵌入式微处理器设计的基本准则是应用优先，这一特征决定了嵌入式微处理器的设计特点软件硬件协调设计。非自主性：即本身不具备自主开发能力，终端用户编程受限。系统集成或应用开发者提供的大多数软件都驻留在ROM上，它对于终端用户是透明的，这也是现有嵌入式系统体系结构上的一大缺陷。异构性：嵌入式处理器本质上是异构的，如包含了多种信号的处理（如模拟与数字）。拓扑结构无规律，软件包含操作系统在内的多种模块，硬件包含处理器、专用逻辑在内的多种组件。除了上述的共同特征，控制型的体系结构还具有自身的特征：用于控制的具体算法以布尔运算和位处理为主，算法运算较少；
24、功能及时间上的约束强，而对于计算的要求相对较弱；CPU内部每一次状态的转换一般都有一些运算，但数据量相对较小。2.3 Zigbee技术2.3.1 Zigbee技术基本概述在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zig
25、bee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个Zigbee控制网络。不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币;每个Zigbee 网络节点不仅本身可以与监控对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资
26、料; 除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以可支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。Zigbee协议中定义了三种网络拓扑形式，分别为：星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑，分别如图2所示。图2 三种网络拓扑形式2.3.2 Zigbee技术的特点u 省电：两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间u 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据
27、时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。u 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。u 网络容量大：可支持达65000个节点。u 安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。u 高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。2.3.3 Zigbee技术的发展前景Zigbee技术和RFID 技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。关于这方面的报道，你只需在百度，或GOOGLE搜索栏中
28、键入“Zigbee”,你就会看到大量的有关报道。总之，今后若干年，都将是Zigbee技术飞速发展的时期。尽管，国内不少人已经开始关注Zigbee这门新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将Zigbee技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题之外，尚未见到其它报道。第三章
29、系统需求分析与硬件设计3.1 系统方案与整体体系结构如图3所示为基于3G网络、ARM嵌入式服务器和Zigbee的机房环境监控系统的整体架构，整个系统由四部分组成，分别为Zigbee无线传感网络（WSN）、中央ARM服务器、基于3G网络传输的数据收集转发服务器和用户终端。该系统可实现数据采集、综合状态监测、突发事件处理等应用场景。图3 系统总体结构图在以上系统的整体设计中，Zigbee无线传感网络通过传感节点完成数据的采集，并经过协调器将采集到的数据上传至Arm嵌入式中央服务器进行相应的处理，并将处理后的数据暂存。利用3G网络的传输速度快、效率高、传输准确等优势，处理后的数据通过3G网络传输到数
30、据收集转发服务器进而发送到用户终端，实现环境的实时监控和数据的准确传输显示。本论文主要研究的是数据的采集和处理部分，对于数据传输的部分将不做更为详细的讨论。相应的原型系统应用层需处理以下3种应用模式：1、周期性采样对于某个需要经常监测的状态或过程，传感器节点每隔一定周期便进行数据采样，并周期地将采样数据传输到协调器，采样周期主要根据状态或过程变化速度以及采集对象自身特点来决定。由于传感器节点的占空比与采样速率成正比，协议堆栈的应用层应该在满足测量条件的情况下尽量采用最小采样率。2、事件驱动许多情况下要求监测一个或多个变量，并在接近阈值时才进行传输。为了使事件驱动达到一定的功效和响应速度，必须使
31、没有触发事件的传感器节点进入低功耗模式，并在到达阈值时快速恢复工作。3、存储和转发协调器是重要的数据存储和处理节点，通过数据融合降低出口流量，有助于提高整个网络的性能、功耗和带宽效率。应用层协议提供恰当的编程接口，以便有效地集成数据聚集和数据处理方法。网络远程交互能力是原型系统提供的一个重要功能，传感器节点采集的原始数据经协调器处理后接入ARM服务器，从而使网络获取的数据到达远程用户。3.2 模块构成与功能描述该系统主要具有如下两种功能：1、感知、采集和存储数据传感器节点具有感知和采集多种信息类型的能力，采集到的数据可以存储并有效管理，以便及时传送给用户进行数据挖掘和分析。2、数据访问与控制系
32、统运行期间，本地（现场）或远程服务器通过协调器对传感器节点进行数据访问和控制，监测系统体现一定的网络交互能力。传感器节点和协调器由电池供电，各节点均参与组网、数据传送和相互通信。传感器节点执行目标感知和数据采样，通过转发其他节点的信息，构成单跳-多跳通信网络10。协调器负责协调和收集传感器节点的监测数据，并进行初步数据融合，将数据传送给ARM服务器，节点间通过单跳或多跳进行通信连接。为了实现长期有效的监测，传感器节点、协调器、ARM服务器、本地服务器和远程服务器等均需要对数据进行存储：传感器节点只是临时存储数据，周期性发给协调器后就不需要了，协调器将接收的数据进行存储、融合发给ARM服务器后也
33、不再需要，而ARM服务器是监测系统和外界联系的桥梁，需要暂存一定的数据，向本地服务器和远程服务器提供一个比较完善的数据服务。1、 远程用户可以对本地数据库进行复制和操作。2、 本地用户直接对网络进行操作，访问每个节点簇，得到传感器网络最新的监测数据。3、 用户可以通过用户界面输入指令调整采样频率、电源管理参数和某些传感器节点执行机构的动作参数来控制传感器网络。在原型系统中，传感器节点随机均匀部署在监测区域内，协调器放置于监测区域内。当没有突发事件出现时，传感器节点对相关信息进行周期性的采集，这时无线传感器网络用于状态监测，采集的信息通过本文设计的通信和路由方式传送到协调器。当突发事件出现时，传
34、感器节点执行中断处理程序，将突发事件及时上报给协调器，执行优先级最高的中断处理，将突发事件信息及时发给ARM服务器。节点时间同步采用Jeremy Elson提出的RBS（Reference Broadcasts Synchronization）策略5，其主要思想是：节点以自己的本地时钟记录事件，以广播方式发送一个参考帧给相邻协调器，随后其他协调器和其内传感器节点彼此交换收到的参考帧到达时间来计算彼此之间的时间偏移，以此来实现节点之间的同步。它消除了除各个传感器节点自身处理延时以外的各种源错误。3.3 部分硬件电路设计根据3.1.1和3.1.2的整体设计和功能需求的规划，基本初步实现了机房环境监
35、控系统对温度的监测，下面将具体阐述功能实现的硬件设计。3.3.1 无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）在系统中起着初始数据采集和对各种执行器的最终控制的作用，是机房环境监控系统中最基础的部分。无线传感器网络采用星型拓扑结构进行组建，为了降低功耗和成本，本设计的簇内节点都是采用精简功能设备组建的，因而簇内节点没有路由功能，只能与中央协调器（簇头）通信，结构图如图4所示。图4 无线传感器网络结构图下面将阐述从簇内节点和中央协调器的角度出发的详细硬件设计。3.3.1.1 传感节点低功耗设计无线通信模块是节点系统的重要组成部分，其设计目标是保证通信任务基础上，实现
36、低功耗。1、选择合适的RF芯片，设计内部损耗低的原理电路和PCB电路。2、充分考虑硬、软件的电磁兼容性，以提高通信模块的稳定性与可靠性。3、设计合理的无线通信机制，提高对无线收发系统能耗的利用与管理。节点能耗主要由计算能耗、无线通信能耗和传感能耗三部分组成，节点的大部分能量消耗在无线通信的收发状态上。微处理器模块分为采样调理、数据处理、通信接口和电源几部分，所有的控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议、数据整合和数据存储都在微控制器模块支持下完成。根据传感节点在网络中的任务与功能需求，设计如图5所示。电源模块 电池组 稳压模块微处理器 CC2530传感器与数据采集模块 传感器 传感器数据
37、存储器UT62256地址锁存器74HC373无线通信模块nRF905电平转换模块MAX3232RS-232图5 传感节点功能结构3.3.1.2 传感器模块设计传感器模块采用温湿度传感器进行设计，本设计采用SHT11传感器。SHTll是瑞士sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干扰能力强的数字温湿度传感器芯片。SHTl1通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。需要注意的地方是：DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHTll之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于45V时，SCK频率最高为10
38、MHz，而当工作电压低于45 V时，SCK最高频率则为1 MHz。内部框图如图6所示图6 传感器模块内部框图3.3.1.3 处理器模块处理器模块的主要工作为对采集的数据处理、存储以及控制无线通信模块，本设计的Sink节点具有Web服务器功能。Sink节点是无线传感网络中的特殊节点，具有大量内存、外存、高吞吐率和处理能力。Sink节点（协调器）负责基站与无线传感网络的通信及与以太网的互联，故需要一个串口通信模块和一个以太网通信模块。处理器模块的电路设计采用Tl公司的CC2530芯片进行设计，它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能和标准的增
39、强型8051 CPU，系统内可编程闪存，具有8KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530的不同的运行模式使得它尤其适应超低功耗要求的系统，进一步确保了低能源消耗，提供了一个强大和完整的ZigBee 和远程控制解决方案。微处理器模块主要组成：通信模块采用了两个晶振X1和X2。X1使用了一个外部32 MHz的振荡器和两个负载电容。X2是一个可选的32.768 KHz的晶振，也有两个负载电容用于该晶振，整个Zigbee模块采用3.3V低压供电。所有的控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议、数据整合和数据存储都在微处理器模块支持下完成，包括以下几部分：1、 模拟信号调理、滤波、放大、A/D
40、转换。2、 数字信号暂存于缓存中，并对传感器采集的数据进行软件预处理。3、 提供相应的接口与RF模块进行数据交换，负责链路管理与控制、执行基带通信协议和相关的处理过程，包括链接建立、频率选择、链路类型支持和媒体接入控制等。微处理器和SHT11的硬件连接图如图7所示：图7 微处理器和SHT11的硬件连接图3.3.2 ARM中央服务器ARM中央服务器在整个系统中起到测量数据的存储、内部传输和发送到服务器的通信的作用。本次设计的中央服务器采用韩国三星公司推出的一款ARM9芯片：S3C2440，它是一款16/32-bit RISC的微处理器。S3C2440是一款专用的以手持设备为主而设计的芯片,其特点
41、是具有低功耗和高速的处理计算能力。2440是基于ARM920T内核的0.13Um cmos 标准单元和存储单元复合体，它功耗极小，简单、稳定的设计非常适合对电源要求较高的产品。中央服务器与外围电路的原理图如图8所示：S3C2440NAND FLASHDM9000SD接口串口SDRAMLCD图8 中央服务器与外围电路的原理图3.3.2.1 串口电路设计串口电路的作用是实现内部数据的传输，主要是对内实现数据的传送功能。S3C2440通用异步接收器和发送器（UART）提供了三个独立的异步串行I/O（SIO）端口，每个端口都可以在中断模式或 DMA模式下操作。换言之，UART可以生成一个中断或DMA请
42、求用于CPU 和 UART之间的数据传输。本设计采用配备专有的低漏失电压发射器输出状态的MAX3232CSE作为串口芯片，它工作在3.0V至5.5V供压下，通过双电荷泵，表现出了真正的RS-232协议器件性能。如图9原理图所示，将COM0，COM1和COM2外接了出来：图9 串口电路原理图3.3.2.2 SD卡电路设计S3C2440芯片兼容SD存储卡规格（1.0 版本）或MMC 规格（2.11 版本），兼容SDIO 卡规格（1.0 版本）。SD卡的操作是通过串行时钟线同步在五根数据线上的信息移位和采样实现的，传输频率通过设定SDIPRE 寄存器的相应位的设定来控制，并可以修改频率来调节波特率数
43、据寄存器值。SD卡具有50M的访问数据和8位数据引脚，可以很方便的将外部存储设备连接至主机，并且极大地方便了内核的移植和应用程序的开发。Mini2440开发板的MMC/SD硬件接口电路原路图如下图10所示：图10 MMC/SD硬件接口电路原路图从电路原理图上可以看出，SD分别使用S3C2440的复用IO端口GPE7-10作为4根数据信号线、使用 GPE6作命令信号线、使用GPE5作时钟信号线，使用复用端口GPG8的外部中断功能来作SD卡的插拔检测，使用GPH8端口来判断SD卡是否写有保护。3.3.2.3 网口电路设计网口电路设计主要实现对外部连网和通信的功能，本论文采用DM9000进行设计，网
44、口电路原理图如图11所示。图11 网口电路原理图DM9000是一款有一个一般处理接口的单芯片快速以太网MAC控制器，它具有一个10/100M自适应PHY和4K DWORD值的SRAM，完全集成并符合成本效益。DM9000提供了介质无关的接口，以连接所有接口介质无关的网络设备或其他收发器，目的是在低功耗和高性能进程的3.3V与5V条件下支持宽容。为了支持不同的处理器，该DM9000支持8位、16位接口访问内部存储器。晶体通过PINS X1和X2管脚连接到芯片，这两个管脚的两端连接了两个15PF的电容，所以可用于生成25MHz的参考时钟。SD015为数据地址复用总线，由CMD引脚决定当前访问类型：
45、当引脚CMD为高电平时，为数据端口；当引脚CMD接低电平时，为地址端口。在访问任何寄存器前，地址端口输入的必须是数据端口的寄存器地址，而寄存器的地址必须保存在地址端口。TX-,TX+,RX-,RX+分别为物理发送端和接收端的接口，LED1，LED2分别为风速显示灯和连接/活动灯，IOR#和IOW#分别为处理器读和处理器写命令引脚。3.3.2.4 存储电路设计S3C2440的存储器控制器提供访问外部存储器所需的存储器控制信号，本论文中中央服务器采用了SDRAM和NAND FLASH两种存储器。SDRAM的作用是用来存储程序运行时所需要的数据存储和堆栈等，SDRAM越大，程序可使用的内存空间就越大
46、。在本项目中SDRAM选用了型号为K4X51163PE-L(F)E/GC6的芯片，该芯片的供电电压为1.8v，存储大小为128M。为了程序能够更好的运行，本系统采用了两块K4X51163PE-L(F)E/GC6，使得整个系统的内存达到了256M。SDRAM的电路原理图如图12所示。图12 SDRAM的电路原理图DQ015代表着十六根数据线，A012和BA01构成了十六根地址线。CK引脚可以用来控制存储器的时钟，可以分别配置为83MHz和166MHz。处理器可以通过LDQS和UDQS这两个引脚来控制数据的读取和写入。 Flash分为Nand Flash和Nor Flash两种，主要作用是存储操作
47、系统和应用程序等。因为Nand Flash具有容量大，成本低的特点，所以本系统采用了型号为K9F2G08U0A的Nand Flash芯片。如图13为K9F2G08U0A的电路原理图。图13 K9F2G08U0A的电路原理图K9F2G08U0A的输入电压为1.65v1.95v，存储空间为2G，满足嵌入式操作系统和相关应用程序的存储。CLE和ALE分别为命令锁存使能端和地址锁存使能端。I/O 07端口为复用端口，当作为写入端的时候，可以输入数据，地址和命令等；当作为输出端的时候，只能从芯片读取数据。3.3.3 电源及用户终端由于Sink节点（协调器）不同于传感节点和传感器节点，它通过网络接口使用CAT-5类线与以太网连接，因此基于节点能量供给可持续性和便捷性，Sink节点的供电模式可以采用以太网供电（Power over Ethernet,PoE）。IEEE 802.3af标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同
