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1、江苏大学本科毕业设计无线传感器网络一氧化碳气体监测节点设计 专业班级：通信工程（1）班 学生姓名： 指导教师： 职称：教授摘要 为了随时了解煤矿的空气质量状况，设计了一种基于无线传感器网络一氧化碳监测系统。由无线传感器网络及GPRS网络组成的CO质量监测系统可以实现远程实时数据采集。大量的传感器节点部署在监测区域，负责采集CO信息，再经GPRS网络传送到与Intemet网络相连的远端监控中心；工作人员通过对接收的数据进行分析，及时发布相应信息，为煤矿安全提供依据。ZigBee技术是近几年兴起的一种短距离无线通信标准，在无线传感器网络有自身独特的优势，因此基于ZigBee的气体浓度监测系统应运而
2、生。以煤田火区一氧化碳气体检测为背景，设计实现基于ZigBee气体浓度监测系统，主要工作有以下方面:(l)研究了ZigBee协议标准，以及协议框架。(2)根据具体环境，给出气体浓度监测系统总体结构设计和网络拓扑结构。(3)选择主要器件和开发平台，完成终端节点的硬件设计，实现了数据采集模块、无线发送模块、电源供电模块。(4)研究了ZigBee精简协议栈，完成终端节点及协调器应用程序。(5)在IRM环境下，完成基于节点软件设计，实现了相应等功能。(6)对气体浓度监测系统进行实验性的测试，给出测试结果。通过对气体浓度监测系统的设计实现与运行测试，基本达到了设计要求，充分体现了ZigBee技术在监控领
3、域的优势。此外，论文还设计了传感器网络节点的硬件电路：包括无线收发模块和扩展模块。论文对所设计的层次型无线传感器网络进行了实验，对实验结果进行了分析。实验结果表明：网络能够成功实现拓扑结构的建立，并且使数据按照所设计的机制进行传输，到达了预期的设计目标。关键词：无线传感器网络；GPRS；一氧化碳；检测系统；ZigBee；Design of Carbon Monoxide monitoring node based on WSNAbstract In order to enable us to keep abreast of coal mine quality,co monitoring sys
4、tems based on the wireless sensor networks is designed. From wireless sensor networks and GPRS network of carbon monoxide monitoring system can bring about long-distance real-time data collection from a large number of sensor nodes deployed in the region to monitor for the acquisition of carbon mono
5、- xide information,via GPRS networks to deliver the information tothe far-monitoring centre which conn-ected the Internet the staff through the analysis of the data which were received and published timely it information, provide the basis for urban planning. Passed the test of the system, the syste
6、m is work- ing well. The main contents and conclusions are as follows.ZigBee is a kind of standard that emerges in recent years as short distance wireless communieation technical,and hasits own unique superiority when it is applied In the wireless sensor network.Therefore the Gas Density Monitoring
7、system based onZigBee emerged as the times require. The paper designed and implemented the system based on ZigBee against a backdrop of sme- elter.The main work is as follows:1.studied the zigBee protocol standards and framework2.designed of the over all structure of the Gas Density Monitoring syste
8、m and network topology depe- nd on specific environmental of smelter.3.Chose the main chiP and development Platform,comPleted the hard ware design of the terminal n- ode, realized the AD converter module,a wireless sendingModule,power supply module.4.Stodied the reduced ZigBee stack,complete the des
9、ign of software of the terminal nodes and coor- dinator.5.Completed the software of PC一monitoring,which had some functions such as serial port settings, threshold value settings,data base proeessing,dynamic chart s and so on,based on MFC in VC6.0 d- evelopment environment.6.Tested the concentration
10、of gas monitoring system and gave the results.The system had met the basic design goal and reflected ZigBee technology own Unique superiority when it was applied in monitoring area through the design and test of the concentration gas of monitoring system base ZigBee. In addition to this，the circuit
11、for the node was designed:including wireless module and expanding module.The experiment was carded out and the experimental results were also analysed.The results show that the designing has reached the expected target.The network could form the topology configuration successfully and the data Can b
12、e transmitted in the light of the routing mechanism designed.Key words： wireless sensor networks；GPRS；carbon monoxide；monitoring system； ZigBee； 江苏大学本科毕业设计目录第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的与意义21.3 研究内容21.3.1论文介绍21.3.2 论文组织2第二章 气体检测总体方案32.1 气体检测原理32.1.1 一氧化碳传感器工作原理32.1.2 ZigBee技术32.1.3 无线传感器网络的相关技术72.2 系统整体结
13、构设计82.2.1 相关要求82.2.2 系统总体设计8第三章 气体检测节点的硬件设计103.1 节点组成103.2 节点的硬件设计103.2.1 传感器节点硬件设计103.2.2 汇聚节点硬件设计15第四章 气体检测节点软件设计174.1 软件结构图174.2 模块的软件设计174.2.1 数据采集模块174.2.2 数据发送到汇聚节点194.2.3 汇聚节点对数据的接收204.2.4 传感器节点的软件设计214.2.5 汇聚节点软件设计22第五章 结论与展望255.1 总结255.2 展望25参考文献：26致 谢27第一章 绪论1.1 研究背景国内无线传感器网络的研究历程及发展趋势我国现代
14、意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现于1999 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。山东省科学院于2004 年10 月启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；煤炭科学研究总院重庆研究院研发的GTH500(B)型一氧化碳传感器。该检测仪主要用于监测煤矿井下环境气体中一氧化碳的浓度，能在具有瓦斯或煤尘爆炸等危险恶劣的环境中对煤的自燃等各种内、外因造成的火灾实现就地监测和遥测。它采用高性能进口电化学原理的气体传感器7E/F(英国CITY)，在整个硬件软件设计中，采取多种抗干扰措施，满足国家相关标准的电磁兼容要求，具有
15、性能稳定、测量精度高、响应速度快、故障自检、结构坚固、易使用易维护等特点。北京市朝阳区一氧化碳预警系统是国内气体传感器检测气体的一个物联网的特例。该系统通过在房屋内安装监控探测器和无线传输模块3万只，对空气中的一氧化碳浓度进行24小时实时监控。2010年春节期间，各监控中心共收到一氧化碳浓度超标报警信息194例，所有报警全部按照既定流程进行了及时处置，通过防手段减少人防工作量，提高对一氧化碳中毒事件的防控水平，有效确保了百生安居乐业、社会安全稳定。煤炭科学研究总院重庆研究院研发的GTH500(B)型一氧化碳传感器。该检测仪主要用于监测煤矿井下环境气体中一氧化碳的浓度，能在具有瓦斯或煤尘爆炸等危
16、险恶劣的环境中对煤的自燃等各种内、外因造成的火灾实现就地监测和遥测。它采用高性能进口电化学原理的气体传感器7E/F(英国CITY)，在整个硬件软件设计中，采取多种抗干扰措施，满足国家相关标准的电磁兼容要求，具有性能稳定、测量精度高、响应速度快、故障自检、结构坚固、易使用易维护等特点。国外在气体检测仪的研究主要集中在气体传感器的气敏材料的创新以及复合气体采集的实现上。气体检测仪做成便携式的和固定式的两种。现在的气体检测仪多集中于气体传感器阵列电子鼻系统，可检测多种气体。日本费加罗公司发明的TGS系列半导体式气体传感器优良的长期稳定性和可靠性以在全世界获得广泛确认。美国英思科公司是全球知名的设计制
17、造和销售工业级便携式和固定式有毒有害气体检测仪的专业公司。Industrial Scientific已成为全球坚固可靠的气体监测仪器(系统)的代名词。M40M 煤矿专用4气体检测仪：首家获得煤安MA认证 ，锂电池可连续工作18小时，超大LCD显示，75小时数据记录，50英尺远程采样，可检测氧气（O2）、甲烷气体（CH4）、一氧化碳 (CO)、硫化氢（H2S）。 T40 单气体检测仪，使用普通5号电池，容易更换，翻盖标定罩，美国专利，标定简便，重量轻、体积小，获得中国煤安MA认证，超大LCD液晶显示屏能清晰的读出气体浓度、种类、峰值和高、低浓度报警水平，可检测HS或CO。1.2 研究目的与意义煤
18、田火区治理是一个世界性难题，在全球范围内除了南极洲以外，其他几大洲都存在地下煤火现象。我国煤田火区主要分布在新疆、宁夏和内蒙古。这三个自治区的煤炭储量约占全国储量的80以上，可是这些地区又是全国煤田火灾最为严重的省区。据有关部门估算，这3个自治区潜在燃烧面积多达720平方公里，燃烧的煤火每年破坏煤炭资源多达2亿吨，燃烧时排放出大量的有毒有害气体严重地污染了大气环境，在对流层会形成大范围的酸雨，并可能破坏臭氧层，给当地的自然环境和人民生活带来很大的威胁。往往煤田有多处自燃着火区，不可能同时去灭火，因此可根据着火点空气污染的严重程度来决定优先灭火。本课题研究重点目的放在煤田着火区域密集布设无线传感
19、器网络气体监测节点可以实时地远程监测的有害气体排放的情况，这充分体现了无线传感器网络的特点。监测人员不用到现场也可监测气体排放情况，保护了监测人员的安全，为进一步治理当地的空气污染提供依据，最终达到保护空气环境、节能减排的目的。节能减排指的是减少能源浪费和降低废气排放。我国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20左右、主要污染物排放总量减少10。节能减排是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。节能减排意义深远，这应该是一项全社会、全球
20、性的自发行为。我们要保护我们的生存环境，为我们的后代着想，而绝对不能为了眼前的利益以破坏环境为代价。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。1.3 研究内容1.3.1论文介绍整篇论文是以研究无线传感器网络CO检测系统为出发点来进行设计的。研究内容主要分为以下五个方面：1.有害气体监测系统设计总体方案；2无线气体传感器网络组网；3.节点软硬件设计；4.监测控制中心管理系统设计。1.3.2 论文组织第一章 绪论，首先介绍了该课题的研究背景，详细说明研究的目的以及具有的意义，简了论文的主要内容与组织结构。第二章 主要介绍了在本设计当中用到的相关知识的理论，技术分析，然后对系统
21、进行了总体方案的设计。第三章 主要对系统的硬件进行设计，包括无线传感器网络的节点的硬件设计，各个模块的设计，监控系统的硬件设计。第四章 主要对系统的软件进行设计，包括软件的结构图，核心模块的流程图以及相应的代码。第五章 是结论与展望，对本次设计进行了总结，突出了该设计的独特之处，积极对未来工作的展望。第二章 气体检测总体方案2.1 气体检测原理2.1.1 一氧化碳传感器工作原理当一氧化碳气体通过传感器外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：CO+H2O-CO2+2H+2e-。在工作电极上发生氧化反应产生的离子和电子，
22、通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：O2+4H+4e-2H2O。因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为：2CO+2O2 2CO2。这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。 但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。 为了维持极间电位的恒定，我们加入了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化,由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定（即
23、恒电位），此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。这样，在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。 2.1.2 ZigBee技术ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高，这些数据可以进入计算机用于分析
24、或是被另外一种无线技术收集1。1）ZigBee网络配置在ZigBee的网络中，从设备功能上分为两种类型：全功能节点FFD（Full Function Device）和半功能节点RFD（Reduced Function Device）。FFD节点：全功能设备，支持标准定义的所有功能和特性，具有路由与中继功能，可以与RFD节点通信，也可以与别的FFD节点通信。RFD节点：精简功能设备，功能简洁,存储器容量要求较少。作为网络的终端节点，只能和FFD节点通信，RFD节点之间不能相互通信，软硬件实现相对比较简单。ZigBee网络含三种类型的节点，主节点、路由节点以及终端节点，即协调器、路由器和终端设备。
25、其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设(RFD)。主节点就是协调器，无论ZigBee网络采用何种网络拓扑结构，都需要有由一个FFD节点构成的主节点。它是网络的核心，负责建立一个网络，将其它节点加入网络并分配地址，提供信息路由安全管理和其他服务。路由节点也是一个FFD节点，负责转发信息和维护网内路径，允许子节点通过它加入网络，通常路由节点不能够休眠。终端节点可以是一个FFD节点或RFD节点，其主要任务就是发送信息，通常终端点可以休眠以节省电能，但它不能够转发信息，也不能让其它节点加入网络。2）ZigBee寻址方式ZigBee网络的每一个节点都有两个地址：16位网络地
26、址和64位的MAC地址。16位网络地址称为短地址，用来在网络中标识该设备和发送数据。64位MAC地址通常称为长地址，它是由IEEE来分配和维护，并且通常是由制造商设置或者安装时被设置，设备将在其生命周期中一直拥有该地址。使用ZigBee协议通信的设备都有一个全球唯一的64位MAC地址，64位MAC地址在配置文件中定义。当节点设备成功加入ZigBee网络后，网络协调器则为设备分配一个16位短地址，其在同一个PAN网络内部唯一。寻址方式分为单播和广播两种类型。单播：当单播一个消息时，数据包的MAC报头中应含有目的节点的地址，只有知道了接收设备的地址，消息方才可以单播方式进行发送。广播：如果通过广播
27、来发送消息，应将信息包MAC报头中的目的地址域置为0XFF。此时，所有射频收发使能的终端皆可接收到该信息。3）ZigBee的网络拓扑1,2ZigBee的网络拓扑结构可分为三种：星型网络、树型网络、网型网络。（1) 星型网络星型网络是由一个协调器和若干个终端组成的，其结构如图2-1所示。协调器负责网络的建立和维护，它必须是FFD节点，终端设备可以是FFD节点也可以是RFD节点，终端设备间的通信都需通过协调器的转发。图2-1 星型网络拓扑结构星型网络拓扑的优点是结构简单，具有较低的设备本、较少的上层路由信息并且管理简便。但是它也存在很多不足，网络中的所有终端节点只能和协调器通信，两个终端节点间必须
28、经过协调器才能进行通信，中心节点肩负着所有数据接收和转发的任务，数据路由只有唯一路径，中心节点可能成为整个网络的瓶颈。（2）树型网络树型网络包括一个协调器和一系列的路由器及终端节点，其网络拓扑结构如图2-2所示。设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通信外，其它只能通过树状路由完成消息传输。图2-2 树型网络拓扑结构树型拓扑是利用路由器对网络进行扩充，适合分布范围相对较大的应用场合，网络有一定的稳定性和扩展性，可以很好地用在一些简单的低数据量的大规模集合的应用之中。但是过多的扩充节点会增加其间消息传递的延迟时间和通信的开销。（3）网型网络图2-3 网型网络拓扑结构网型网络也包括一个协调
29、器和一系列的路由器及终端节点，其网络拓扑结构如图2-3所示，网状网络是在树型网络基础上实现的，从拓扑图中可看出，全功能节点的路由器可直接连，由路由器中的路由表配合实现消息的网状路由。因此网型网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通信。使得信息的通信变得更有效率，如果通信过程中一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其它的路由路径进行传输。但是网型拓扑比星型、树型网络结构更复杂，需要更多的存储空间和开销。无论是星型、树型、还是网格型拓扑结构，每个独立的PAN都有一个唯一的网络标识符(PAN ID)，每一种拓扑结构中的所有设备都有唯一的64位的长地址，利用该长
30、地址设备可以在个人区域网中直接进行通信。如果设备成功加入了网络，则协调器会将该设各的64位长地址转换成16位的短地址分配给该设备，只要不脱离网络，以后设备就可以利用PAN标识符，采用16位短地址进行通信。（4）ZigBee协议体系结构与IEEE802.15.4ZigBee协议由物理层(PHY)、介质接入控制子层(MAC)、网络层(NWK)、应用层(APL)构成，其协议构架如图所示。其物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)采用IEEE802.15.4标准，ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。图2-4 ZigBee协议体系结构 物理层(P
31、HY)由射频收发器以及底层的控制模块构成。物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。数据链路层分成LLC(Logica1 Link Control，逻辑链路控制)和MAC(Media Access Con- trol，媒介接入控制)两个子层。LLC子层在IEEE802.2标准中定义；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。 MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发， 而后者从事MAC层的管理
32、活动，并维护一个信息数据库。网络层主要任务是为确保ZigBee的MAC层正常工作提供一些必要的函数，并且为应用层提供合适的服务接口。网络层提供了两个必须的功能服务实体：数据服务实体和管理服务实体作为其向应用层提供的接口。APL层主要由3个部分组成：与网络层连接的APS(Appcation Suppon)ZDO(ZigBeeDevice Object)、以及装置应用Profile。ZigBee的应用层架构，最重要的是已涵盖了服务(Service)的概念。所谓的服务，简单来说就是功能。对于ZigBee装置而言，当加入到一个WPAN后，应用层的ZD0会发动一系列初始化的动作：先通过APS做装置搜寻(
33、Device Discovery)以及服务搜寻(ServiceDiscovery)，然后根据事先定义好的描述信息(Description)将与自己相关的装置或是服务记录在APS里的绑定表(Binding 1曲le)中之后所有服务的设备采用应用对象进行建模。这些应用对象通过交换类对象和它们的属性实现与其他设备的通信。IEEE802.15.4定义了物理层(PHY)和MAC层的功能。IEEE802.15.4提供两个物理层：2.4GHz和868/915MHz物理层。两者均采用直扩序列调制(DSSS)方式，868915MHz物理层采用简单的DSSS方法，2.4GHz物理层采用基于DSSS方法的十六进制准
34、正交调制技术。它们共享同一个基本包帧结构，具有较小的执行周期和功率消耗。两个物理层共有3个频带，被分为27个频率信道。868/915MHz物理层在868.0-868.6MHz之间，支持一个信道，称为0号信道；在902.0-928.0MHz之间，则支持10个信道，称为1-11信道。2.4GHz物理层在2.4-2.483GHz之间支持16个信道，为12-27号信道，每个信道的频带带宽达5MHz,易于满足发射和接收滤波器的设计要求。两个物理层的传输速率不同。2.4GHz物理层提供的传输速率是250kb/s，而868/9l5MHz物理层对其两段频带分别提供20kb/s和40kb/s的传输速率。两个物理
35、层均提供两种类型服务：即通过物理层管理实体接口(PLME)对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元(PPDU)来实现。PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择，清闲信道评估(CCA)，并通过物理媒体对数据包进行发送和接收渊。表格2-5 不同通信方式的比较通信方式性能蓝牙Wi-FiUWBIrDAHomeRFZigBee系统开销较大大小大较大小电池寿命较短短短长较长长网络节点数7301002127255/65535有效物理范围10m100m10m定向1m50m1-150m数据传输率1Mbps11Mbps500M
36、bps16Mbps1/2Mbps20/250kbps传输介质2.4GHz2.4GHZ高于2.5GHZ980nm红外2.4GHZ2.4GHZ2.1.3 无线传感器网络的相关技术1）网络通信协议由于传感器节点能源能量的限制，其计算、存储和通信能力十分有限，每个节点只能获取到局部网络的信息。因而节点上运行的网络协议不能太复杂；同时，无线传感器网络的拓扑结构和外界环境的不断变化，也对网络通信协议的设计提出了更高要求。传感器网络的通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层4个层次。它们相互配合运行，使得若干个独立的传感器节点能够形成一个多跳的动态的数据收集网络。2）核心支撑技术无线传感器网络里的核心
37、支撑技术使用网络通信协议提供的服务，并通过服务接口来屏蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便的对无线传感器网络进行操作。无线传感器网络依靠这些丰富的核心支撑技术构成了一个具体的面向应用的网络系统。无线传感器网络的核心支撑技术包括拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理和网络安全等。3）自组织管理多变的网络状况及环境要求无线传感器网络具有自组织的能力，能够自动组网运行，自行配置维护，适时转发检测数据。自组织网络技术使用网络通信协议提够的服务，通过网络管理接口来屏蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便的管理配置无线传感器网络。无线传感器网络的自组织管理技术包括节点管理、资源与任务管理、数据管理、初始
38、化与系统维护管理等。4）开发与应用作为一种服务于实际应用的网络技术，无线传感器网络还有有一套现实可行的软硬件设计原则、高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例。2.2 系统整体结构设计2.2.1 相关要求考虑到实际情况无线传感器网络CO气体监测系统的设计需求如下：1）组网、无线远距离传输：无线传感器网络环境监测系统的传感器节点和汇聚节点均采用Zigbee技术，支持节点间的自组网，节点间传输距离可达200m以上。2）能耗问题：无线传感器网络系统支持休眠模式，实现了低功耗。无线传感器网络系统的汇聚节点、传感器节点都由电池提供能源保障，要充分考虑网络节点能够保障系统持续的能源供应。2.2.2 系统
39、总体设计 图2-6 系统总体设计用于煤田火区空气环境监测系统的网络拓扑结构如图所示。这是一个层次型网络拓结构，最左边为部署在实际监测环境中的传感器节点组成的网络，往右依次为移动网络、网关，最终连接到Internet网。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度往往很大，并且可能部署在若干个不相邻的监控区域内，从而形成多个传感器网络；传感器节点完成数据采集和发送的任务，部分传感器节点还具备消息转发的中继功能，成为路由节点，汇聚节点是一个数据处理能力和存储能力都较强的ZigBee节点，充当网络协调器的角色。它除了负责发起和管理整个网络外，还接收网络内所有传感器节点的数据，并将这些数据进行融合处理后通过
40、网络上传至计算机。计算机负责数据的当地显示和本地数据库存储，可以将数据通过移动网络传至远程计算机。若干个传感器节点和一个汇聚节点通过自组织形式构成ZigBee网状网络。更形象的话可以分为两个部分，即信息采集系统主要由无线传感器网络组成，信息监测管理系统主要包括检测控制中心。两个系统的连接通过无线传感器网络接入到因特网或者GPRS 等其他长距离传输网络而实现。第三章 气体检测节点的硬件设计硬件平台的设计是整个环境监测网络的基础，好的硬件平台可以平衡网络性能和成本之间的关系，本章在硬件方案设计的基础上，详细描述了气体检测节点硬件的总体结构和每个模块的设计思想和实现过程。3.1 节点组成节点由汇聚节
41、点、传感器节点组成5。汇聚节点分布式处理中心，即协调器节点。多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点把数据传给汇聚节点，在汇聚节点完成数据融合，然后汇聚节点把数据通过网络传给检测系统做进一步处理并显示给用户。汇聚节点可以与多个传感器节点通信，当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。3.2 节点的硬件设计3.2.1 传感器节点硬件设计无线传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，构成无线传感器网络的基础支持平台。不同功能的节点需要不同的硬件基础。在系统的硬件设计上，最重要的就是低功耗的设计，这是由无线传感器网络的特性决定的。低功耗的设计可以分硬件和软件两方面，在硬件方面体现在芯
42、片的选择上。总的来说，传感器节点主要由传感器模块，处理器模块，无线通信模块，能量供应模块及扩展接口组成。其系统结构图如图所示。 图3-1 传感器节点硬件结构图1）处理器模块与无线通信模块ZigBee无线单片机CC2430，它以8051微处理器为内核，其自身携带的射频收发器可用来实现无线传感器网络节点的通信。集成了处理器模块和无线通信模块的功能，有利于实现煤田无线传感器节点的设计的小型化，同时省去了连接处理器和无线通信模块的麻烦，并且对于组建整个无线监控网络而言，节约的成本也相当可观。传感器将相应的环境参数变成电压、电流、电阻等电量送给信号调理电路，经过进行相关调理后送到CC2430的ADC接口
43、进行采集后存储。无线收发模块上留有双排20脚的外扩I/O插针，通过该插针可以实现无线收发模块的功能扩展以及和扩展模块相连。处理单元由处理器和存储器组成，存储和处理传感器采集的数据。处理器模块先把采集的数据信号进行模数转换，然后进行处理，处理后的数据由无线通信模块发出。图3-2 无线传输模块原理图无线传输模块电路包括 CC2430 芯片及其外围电路，由于 CC2430 将 8051 内核与无线收发模块集成到一个芯片当中因而简化了电路的设计过程，省去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了开发周期，该电路设计的原理图如图所示。其主要包括接口电路、3.3V 和 1.8V 电源滤波路、芯片晶
44、振电路、天线电路、入网指示电路等。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器6,7。它使用1个8位MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。（1）CC2430接口及复位电路CC2430 模块预留个20个引脚，所以在设计电路时需一个20个引脚的双排插座，如图所示，JP1为20脚双排插座，是CC2430模块与其它电路的接口，通过此接口可连接传感器
45、、开关、电源及各连接口。引脚 1 接电源VCC，引脚19接地，引脚4和引脚16分别接传感器 DB171的时钟线和数据线。引脚19接复位电路，其作用是将单片机复位，S1为复位开关。其剩余的 I/O 口，留做扩展口使用，预留出特定的传感器的接口，以满足其他监测的要求。图3-3 CC2430接口及复位电路CC2430 是无线 SOC 设计，其内部已集成了大量必要的电路，因此采用较少的外围电路即可实现信号的收发功能。如图为 CC2430 应用电路， C341 和电感 L341、L321、L331 以及一个 PCB 微波传输线组成了电路中的非平衡变压器，整个结构满足RF 输入和输出匹配电阻的要求；其中
46、C191、C211 连接 32MHz 晶振电路；为了提高芯片工作的稳定性，采用 C241、C421 为去耦电容，用来电源滤波；电阻 R221 主要用来为 32MHz 的晶振提供合适的电流；XTAL1 为 32MHz 晶振，XTAL2 为 32.768 kHz 晶振，分别和相应的电容构成两个晶振电路。（2）CC2430外围电路：图3-4 CC2430外围电路2）传感器模块COM2442是一款费加罗公司设计的基于半导体传感器TGS2442的模块，用于检测气体CO。TGS2442对湿度的依赖性低，工作于极短的脉冲加热方式（在1s周期内，仅14ms加热），对一氧化碳显示高选择性，所以非常适合CO检测。
47、在CO存在下，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的脉冲电压电路，以1秒的循环驱动。该模块集成了气体信号值的采集和调理（放大）电路，输出模拟量，表征CO的浓度值。特点是低功耗、对CO的灵敏度高、长寿命、低成本。该模块的组成结构见右图。 图3-5 COM2442实物图图3-6 COM2442内部结构图 内嵌的TGS2442气体传感器用日本figaro公司的子采用积层结构。在氧化钌（RuO2)加热器和氧化铝基板之间有耐热玻璃层，加热器的两电极在隔热体上形成。二氧化锡(SnO2)敏感材层在覆盖了加热器的绝缘体上形成，输出传感器电阻值的两电极在绝缘体上形成。为了降低干扰气体的影响，帽的内侧与外侧之间充填了活性炭。图3-7 气体传感器模块图3）能量供应模块由于无线传感器网络的节点可能布置在人不易到达的地区，一般无法通过市电供电，所以节点大多只能采用电池供电，且一般不可能更换电池。节点能耗是无线传感器网络研究中最关心的问题之一。系统MCU需要的电源电压范围为：1.83.6V（单片机典型工作电压为3.3V ），又因为节点工作于无线方式，以安装方便灵活为其最大特点之一，所以不宜采用变压器供电，适宜用电池。本系统采用两节电池串联，得到3V电压，然后通
