基于无线传感网络的空气质量监测系统设计

摘要 空气品质对人的影响至关重要，利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法，本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用及监控系统的网络设计。本系统采用无线传感器网络来实现数据的采集与发送。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。本设计系统采用CC2430无线通信模块、温湿度传感器DHT90、空气质量传感器QS-01、电源模块构建无线传感器网络，通过RS232串口和监控中心通信，使用软件开发平台IAR Embedded Workbench开发ZigBee协议栈，基于ZigBee的无线网络技术以低功耗、低成本、低复杂度等特点受到越来越多企业和个人的青睐。空气质量监测系统特别适合于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电的场合。预计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用,利用ZigBee技术完成传感器节点和汇聚节点的应用程序，最终能够实现空气质量的监测。关键字：无线传感器；cc2430；DTH90；zigbee技术；空气质量检测ABSTRACTAir quality impact on people is very important, using sensors to detect air quality is now a popular method, this paper introduces the sensor in air quality testing principle, analyzes the advantages and disadvantages of gas sensor, and gas sensor development trend and prospects. The system uses wireless sensor networks to achieve datas collection and transmission. Wireless sensor networks are composed of a large number of low-cost micro-sensor nodes which are deployed in the monitoring region, uses wireless communication means to form a multi-hops self-organizing network, with the aim of perception, collection and processing of perceived target information in the network coverage region, and send them to observers.This system uses CC2430 wireless communication module ,temperature and humidity sensor DHT90, air quality sensor QS-01,power module to build wireless sensor networks, and uses RS232 serial port to communicate with monitoring center .Use the software development platform IAR Embedded Workbench to develop ZigBee protocol stack. Based on the ZigBee wireless networking by low characteristics and so on power loss, low cost, low complexity receives more and more many enterprises and individual favor.The ZigBee technology suits specially in the data volume of goods handled small, the network construction invests few, the network security request is high, inconvenient replaces the battery or the charge situation frequently.The estimate in the expense class electronic installation, the family intellectualization, the labor will control, medical domains and so on device control, agricultural automation obtains the widespread application These can definitively achieve the purpose of air quality monitoring.Keywords:wireless sensor;CC2430;DTH90;ZigBee technology;air quality testing 目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 课题背景和研究意义11.3 无线传感器网络的研究进展21.4 论文的研究内容与组织结构42 无线传感器网络概述62.1 无线传感器网络简介62.2 无线传感器网络体系结构概述62.3 无线传感器网络特点72.4 无线传感器网络应用102.5无线传感器网络关键技术102.6 无线传感器网络拓扑结构123 空气质量监测系统硬件设计163.1 ZigBee技术163.2 系统总体结构设计173.3 传感器节点的硬件设计193.3.1 节点硬件总体结构193.3.2 处理器和无线通信模块HFZCC2430EM22203.3.2 传感器模块223.4 汇聚节点的硬件设计273.4.1 电源模块273.4.2 RS232串口模块284空气质量监测系统软件设计294.1 ZigBee协议294.2 IAR开发环境介绍304.3 传感器节点应用程序设计314.4 汇聚节点应用程序设计335 系统测试与结果分析355.1 测试方案355.1.1 硬件测试355.1.2 温度采集及串口显示测试355.1.3 数据通信测试35参考文献36附录C 部分程序384.2.1原语概念444.2.2建立新网络444.2.3ZigBee设备加入网络过程451 绪论1.1 引言由于环境问题的严重性使得全社会环保意识的提高,对于环境信息的需求也越来越大。与传统的空气质量监测系统相比，使用传感器网络进行环境监测具有如下优点：传感器网络对被监测环境影响小；传感器网络采集数据量大、精度高；传感器节点还具有无线通信能力，可以使得节点协同监控。无线传感器网络常适用于无人监守的远程监测，该文采用无线传感器网络来监测空气质量,在城市内选择一些监测点,放置传感器节点，并通过ZigBee无线技术传输数据,终端工作人员可以通过监控中心对监测系统进行管理和配置、发布监测任务或是收集回传数据。1.2 课题背景和研究意义课题背景：当今,人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后,又出现了“室内空气污染”为主的第三次环境污染1。大量触目惊心的事实证实,室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注的问题。据统计,全球近一半的人处于室内空气污染中,室内环境问题对我们来讲，就显得尤为重要。然而对于室内环境问题，我们又往往忽视其重要性。但如今，各种疾病给我们敲响了警钟，再一次提醒我们，改善室内环境，杜绝和防止室内污染，不仅是为了提高我们的生活质量，而且，它也关系到身体健康和生命安全。自然环境有包括空气环境、声音环境、温湿环境和光环境2。人工环境又分为绿化环境、装饰环境、改造后的自然环境等。我们通常所提到的环境污染只是提到空气环境污染，因为它对人的危害最大、最直接，从而忽视了其他环境的利用和改造。其实，其他的室内环境污染一样对我们的生活、学习、工作、娱乐等等方面产生了各种危害和影响。美国专家研究表明，室内空气的污染程度要比室外空气严重二至五倍，在特殊情况下可达100倍。室内空气中可检测出500多种挥发性有机物，某些有害气体浓度可高出户外十倍乃至几十倍，其中20多种是致癌物。所以美国已将室内空气污染归为危害公共健康的5大环境因素之一。加拿大的一个卫生组织的调查也显示，当前人们68的疾病都与室内空气污染有关室内环境污染已经引起35.7%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎和肺癌，所以检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段3。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要工具，并且在空气质量检测方面发挥重要作用。研究意义：人类生存离不开空气，而人的一生约80%的时间是在室内度过的，特别是老、弱、病、残、幼、孕等体弱者在室内活动时间更长，室内环境质量的好坏对他们的身心健康更加重要。因此加强室内环境的监测与治理，对保证人民的健康，提高国民的整体素质十分重要。尤其像我国这样人口众多，而医疗保健水平又跟不上的国家，加强室内环境监测，维持一个绿色的居住、办公场所，让广大人民都拥有一个健康的体魄，显得尤为重要。国外大量研究结果也表明，室内空气污染会引起“致病建筑综合症”（BBS），症状包括头痛、眼、鼻和喉部不适，干咳，皮肤干燥发痒，头晕恶心注意力难于集中和对气味敏感等4。建筑关联病（BRI），症状有咳嗽，胸部发紧，发烧寒颤和肌肉疼痛等，所以任何一个场所包括室内、室外都有必要进行空气检测，给家人朋友一个舒适健康的生活环境。环境保护，监测先行，自动化、信息化是做好环境监测的前提和保障，多年来在地方经济迅速发展的同时，各地区不断出现不同程度的水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了人们的生活质量，阻碍了当地经济的持续发展5。随着国家制定的各种环境保护政策及法规的颁布实施，各级地方政府在对辖区内的环境治理日益重视的同时，加大了对环境监测及应急监测的投资力度，各地区陆续规划安装了空气质量监测站。1.3 无线传感器网络的研究进展在西方和一些发达国家如加拿大、英国、德国、意大利和日本等国家的研究机构也加入了无线传感器网络的研究。欧盟的Philips、France Telecom、Siemens、Ericsson等公司，日本的NEC、欧姆龙、OKI、Sky2等开展了无线传感器网络的研究美国科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，研究领域涉及能感知有毒化学物、生物攻击等的传感器节点、分布环境下传感器网络的特性等问题6。美国著名院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。在我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，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。国内的一些科研单位和著名大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年，将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也部署了无线传感器网络相关的课题，国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展，开始推出针对无线传感器网络及ZigBee的解决方案，而无线网络应用在生活中的研究也是刚刚起步7。目前ZigBee网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用ZigBee技术。例如，在工业领域，ZigBee技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过ZigBee网络，工程师只需坐在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前的一个热点应用。再如，ZigBee技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通过ZigBee网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。在加油站，一些客户不希望布线，他们正在考虑采用ZigBee无线技术来传输相关数据。在消费类电子方面，ZigBee技术可以替现在的红外遥控，于红外遥控相比，ZigBee的优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉他们是否实现了相关操作。现今我们也可以看到ZigBee用于家庭保安，消费者在家中的门和窗上都安装了ZigBee网络，当有人闯入时，ZigBee可以控制开启室内摄像装置，这些数据再通过Internet或WLAN网络反馈给主人，从而实现报警8。当在家电产品如空调，热水器等安装ZigBee模块后，用户可以通过ZigBee无线网络来控制这些产品的开启。在建筑智能化领域，各种灯光的控制，气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警都可以应用ZigBee技术。ZigBee在未来的几年里将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后ZigBee芯片的主要应用领域。在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集，分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。在精确农业领域，传统农业主要使用孤立的，没有通信能力的机械设备，主要是依靠人力监测作物的生产状况，采用了传感器和ZigBee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化，网络化，职能化和远程控制的设备来耕种。在家庭和楼宇自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展，易于进入，简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术的主要动因8。在医学领域，将借助于各种传感器和ZigBee网络准确而且实时地监测病人的血压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生的查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。在消费和家用自动化市场，可以联网的家用设备有电视，录像机，无线耳机，PC外设，运动与休闲器械，儿童玩具，游戏机，窗户和窗帘，照明设备，空调系统和其它家用电器。1.4 论文的研究内容与组织结构研究内容：本论文研究了如何利用传感器检测空气质量及介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用,分析了当前气体传感器的特点,以及气体传感器的发展趋势和前景本包括系统的软硬、件设计及其具体实现，主要研究内容如下。一是，目前我国采用的空气质量监测方法的研究，基于无线传感器网络的空气质量监测系统的研究意义和无线传感器网络的概述，概述包括基本概念、结构、体系结构、特点、应用、关键技术和网络拓扑结构。二是，该系统的硬件设计。该系统采用符合IEEE802.15.4标准的ZigBee无线技术来实现网络中节点间的无线通信。温湿度传感器节点由西安华凡科技有限公司的HFZCC2430EM22模块，温湿度传感器DHT90和两节五号电池组成。气体传感器节点由西安华凡科技有限公司的HFZCC2430EM22模块，空气质量传感器QS-01和5V锂电池组成。研究了HFZCC2430EM22模块的结构、特性和CC2430芯片的内部结构、外在电路；研究了DHT90的工作原理并实现了传感器通信，最终焊接制作出温湿度传感器节点。汇聚节点由西安华凡科技有限公司的HFZCC2430EM22模块和SmartRF07DB母板组成。主要应用母版的串口电路和电源模块，因为汇聚节点一直处于工作状态因此选择持续的USB供电方式，通过串口连接汇聚节点和PC机并显示测试数据，而串口电平与TTL电平幅值不同无法直接相连，因此需要串口电路转换电平。三是，该系统的软件设计。论文研究了德州仪器开发的ZigBee协议栈ZStack的软件构架，并在IAR集成开发环境中开发该协议栈，根据传感器节点和汇聚节点的应用流程添加自己的温湿度采集应用程序和修改主文件中的任务处理函数，最终实现功能。论文结构：共分为5章，结构安排如下：第1章：绪论。介绍了目前的空气质量监测方法，课题的研究背景及研究意义，无线传感器网络的研究进展和论文的主要研究内容和组织框架。第2章：无线传感器网络概述。介绍了无线传感器网络的基本构架、体系结构、特点、应用和关键技术。第3章：空气质量监测系统硬件设计。介绍了ZigBee技术，系统的总体结构设计，传感器节点和汇聚节点的硬件设计。第4章：空气质量监测系统软件设计。介绍了ZigBee协议栈，IAR集成开发环境，传感器节点和汇聚节点的应用程序设计。第5章：总结与展望。总结本论文所做的工作，提出现有方案的不足之处，并对下一步工作进行了展望。2 无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络简介无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知，采集，处理和网络传输覆盖地理区域感知对象的检测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其他网络发送给了用户9。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集，处理和传输的三种功能，而这对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术，计算机技术和通信技术。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展。波士顿大学，还于最近创办了传感器网络协会，期望能促进传感器联网技术开发。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也被列入其中10。可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。2.2 无线传感器网络体系结构概述近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（MEMS）等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络（以下简称传感器网络）就是由许多这些传感器节点协同组织起来的。传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响11。2003年2月份的美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。传感器网络最初来源于美国先进国防研究项目局(DARPA-Defense Advanced Research Projects Agency)的一个研究项目，当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器，使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动。但是由于当时技术条件的限制，使得传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推广和发展。近年来随着无线通信、微处理器、微电机系统等技术的发展，使得传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广，国外各个研究机构对它的研究也正方兴未艾。在传感器网络中，每个节点的功能都是相同的，大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或有线网络连接的方式传送给最终用户。2.3 无线传感器网络特点传感器网络是由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理的传感器节点（sensor node）组成的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成（如图2-1所示）。除此之外根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等12。其中电源单元是最重要的模块之一，有的系统可能采用太阳能电池等方式来补充能量，但是大多数情况下传感器节点的电池是不可补充的。定位系统对传感器网络的路由是很重要的，有些传感器节点采用全球定位系统（GPS）进行定位，但是GPS模块价格昂贵且体积难以减少，所以不可能全部节点都使用GPS来进行定位。此外，GPS定位还受到其他限制，如部分应用于建筑物内部等。通常情况下是在整个网络中会有某些传感器节点配有GPS系统，其他节点通过局部定位算法得到它们与配有GPS的节点之间的相对位置，这样所有节点都能知道各自的具体位置了。除借助GPS的定位方式外，还有离散梯度法等间接定位方式。图2-1 传感器网络节点的组成模块Fig 2-1 node module of Sensor network传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战13。传感器网络的主要特点有：1) 传感器网络的节点数量大、密度高由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。传感器网络的节点数量和密度都要比一般网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度, 甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。2) 传感器网络的节点有一定的故障率由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。3) 传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制由于传感器节点的微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法14。4) 传感器网络的拓扑结构变化很快由于传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。5) 以数据为中心在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少”，而不会关心“节点N所探测到的温度值是多少”。这就是传感器网络的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户15。现在已经有一些致力于传感器网络的公司，如美国的Crossbow公司和Dust公司等，其中Crossbow公司已经推出了Mica系列传感器网络产品，到现在已经有了Mica，Mica2，Mica2Dot三种产品。他们还为Mica开发了一套微型的操作系统TinyOS。Mica2Dot的大小和一枚硬币差不多，每个Mica2可以分为两个模块，一个是基本的射频和处理模块MPR（Mote Processor Radio Board），另一个是可选的传感模块MDA（Mote Data Acquisition Board）。Mica2工作在915MHz的ISM频段上，有两个可调的工作频率：914.007MHz和915.998MHz16。以AA电池或钮扣电池作为能源，Atmel Atmega 微控制器的工作频率为4MHz，无线通信的最大速率为40Kbps，单个节点之间最大的通信距离为200英尺（约60米）。现在关于传感器网络的大多数科研和演示系统都是以Mica为平台的。由于传感器网络需要大规模铺设，要求每个传感器节点的成本很低，要达到实用化要求每个节点的价格控制在1美元以下，现在每个传感器节点的造价大约在80美元左右，但是相信随着集成技术的进一步提高和大规模生产带来的经济效益，传感器节点的成本将会很快下降。另一方面由于节点的微型化要求每个节点的体积越来越小，Dust公司已经开始设计最终能够悬浮于空气中的“灵巧微尘”（smart dust）传感器，现已设计出的最小全功能“灵巧微尘”的直径只有5mm左右，他们计划将在1年之内最终设计出体积不大于1mm3的产品。2.4 无线传感器网络应用传感器网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地17。这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。现代战争越来越表现出信息战的特点，战争中信息的及时获取和反应对整个战局的影响至关重要，利用传感器网络的特点可以给指挥部门提供及时准确的信息，这对增强国家的国防军事力量是非常重要的。虽然传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的发展，传感器节点的成本越来越低，而功能却日益强大，使得以前造价昂贵的传感器网络现在已经能够进入民用领域。现在传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，越来越多的可能的应用领域也不断展现在人们的面前，毫无疑问在传感器网络中隐藏着巨大的商机。传感器网络在民用方面的应用主要有：生态环境监测；基础设施安全；先进制造；物流管理；医疗健康；工业传感；智能交通控制；智能能源等。传感器网络还有很多其他方面的应用，前景无限，这里就不一一列举了18。可以肯定的是，随着技术的进步和经济的发展，传感器网络必将会越来越多的应用到社会生活的各个方面。2.5 无线传感器网络关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要的性能指标，所以WSN的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。下面介绍网络拓扑控制、数据融合等部分关键技术。1) 网络拓扑控制对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一19。WSN拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；目前已经提出了以邻居节点度为参考依据的算法，以及利用邻近图思想生成拓扑结构的DRNG和DLSS算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。2) 数据融合在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。但是在数据的采集和传输过程中，总要对采集的数据进行处理，因此存在如何对采集的数据进行处理、融合的问题。如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗；如果传输原始采集的数据，可以降低节点处理器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。因此，如何对采集的数据进行处理与融合对降低节点能耗起到相当大的作用。通常网络中的传感器数量很多，传感器采集的数据具有一定的冗余度，因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传输量，有效降低系统功耗，问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。3) 定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。现有的WSN定位算法根据定位机制的不同，可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。基于测距的定位机制利用到达时间延迟、信号到达时差和接收信号强度来估计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。距离无关的定位机制的定位性受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的需求，是目前大家重点关注的定位机制20。4) 无线通信技术传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，因此很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN的数据传输开辟了一种崭新的方案。5) 时间同步传感器网络中由于节能策略,节点在大部分时间是休眠的,所以要求解决通信同步问题,即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。另外,传感器网络是一个分布式网络,所有节点在通信上地位对等,没有优先级可言。所以要让整个网络能够工作在有效状态,往往需要做到全网或者一定范围内所有节点的同步,而不是通信双方的简单同步。2.6 无线传感器网络拓扑结构从无线传感器组网形态和方法来看，有集中式、分布式和混合式。集中式类似于移动通信的蜂窝结构，可以集中管理；分布式结构类似于Ad-hoc网络结构，可自组织网络接入连接，可以分步管理；混合式结构是集中式和分布式结构的组合。其中无线传感器按节点功能及结构层次来看，有可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及Mesh网络结构21。1) 平面网络：结构如下图2-2所示，是无线传感器网络中最简单的拓扑结构，每个节点都为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是每个节点包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。但是由于采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂：图2-2 无线传感器网络平面网络结构Fig 2-2 level network structure of Wireless sensor network2) 分级网络结构（层次网络结构）：如下图2-3所示，分级网络分为上层和下层两个部分上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。骨干节点之间或者一般传感器节点间采用的是平面网络结构，然而骨干节点和一般节点之间采用的是分级网络结构。一般传感器节点没有路由、管理及汇聚处理等功能。图2-3 无线传感器网络分级网络结构Fig 2-3 hierarchical network structure of wireless sensor network3) 混合网络结构：如下图2-4所示，混合网络结构时无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构。这种结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据，但是对所需硬件成本更高22。图2-4无线传感器网络的混合网络结构Fig 2-4 hybrid network structure of Wireless sensor network4) Mesh网络结构：如下图2-5所示，这是新型的网络拓扑结构，这是种规则分步的网络，不同于完全连接的网络结构。通常只允许和节点最近的邻居通信。网络内部的节点一般也是相同的，因此Mesh网络也称为对等网。由于通常Mesh网络结构节点之间存在多条路由路径，网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力。其中优点就是尽管所有节点都是对等的地位23，且具有相同的计算和通信传输功能，某个节点可被指定为簇首节点，而且可执行额外的功能，一旦簇首节点失效，另外一个节点可以立刻补充并接管原簇首那些额外执行的功能。图2-5无线传感器网络的Mesh网络结构Fig 2-5 Mesh network structure of Wireless sensor network从技术上看，基于Mesh网络结构的无线传感器具有以下特点：a.由无线节点构成网络：这种类型的网络节点是由一个传感器或执行器构成且连接到一个双向无线收发器。b.节点按照Mesh拓扑结构部署：网内每个节点至少可以和一个其他节点通信，这种方式可以实现比传统的集线式或星型拓扑更好地网络连接性。具有自我形成、自愈功能，以确保存在一条更加可靠的通信路径。c.支持多跳路由：来自一个节点的数据在其到达一个主机网关或控制器前，可以通过多个其余节点转发。通过Mesh方式的网络连接，只需短距离的通信链路，经受较少的干扰，因而可以为网络提供较高的吞吐率及较高的频谱复用效率。d.功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点：通常基站或汇聚节点移动性较低，感应节点可移动性较高。基站不受电源限制，而感应节点通常由电池供电。e.存在多种网络接入方式：可以通过新型、Mesh等节点方式和其他网络集成。无线传感器节点结构：如下图2-6所示，无线传感器由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。其中，传感器模块（传感器和模数转换器）负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块（CPU、存储器、嵌入式操作系统等）负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据；无线通信模块（网络、MAC、收发器）负责与其他传感器节点进行无线通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。图2-6无线传感器节点结构Fig 2-6 Wireless sensor node structure除了这四个模块外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于传感器节点采用电池供电，因此尽量采用低功耗器件，以获得更高的电源效率。3 空气质量监测系统硬件设计3.1 ZigBee技术ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。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，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个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作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。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。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：1) 低功耗：由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。2) 成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。3) 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。4) 网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。5) 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。6) 安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布24。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。3.2 系统总体结构设计EEE802.15.4和ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构:星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和星-网结构 (ClusterTrec)，如图3-1所示。在星型网络结构中，ZigBee协调器负责整个网络的控制，无其它路由节点，ZigBee终端设备直接与zigBee。协调器通信，终端设备间的通信则需通过协调器转发。这是最简单的拓扑结构，网络通信范围十分有限，单独使用这种拓扑结构的情况很少。图3-1 Zigbee的三种网络拓扑结构Fig 3-1 Three kinds network topology structure of ZigBee在网状网络和簇树型网络中，ZigBee协调器负责网络的建立和初始参数设定，网络都可以通过ZigBee路由器进行扩展。但是，在簇树型网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息，并且通常是基于信标(Beacon)的通信模式。而在网状网中则是完全对等的点对点通信，路由器不会定期发送信标，仅在网内设备要求时对其单播信标。对于簇树型网络，其通信路由相对单一，骨干网络中一旦有路由节点瘫痪，则相应区域就进入通信瘫痪状态，要等待该部分网络重组后，才能恢复通信。但是，簇树型网定期发送信标，使网内节点能做到很好的同步，便于节点定期进入休眠状态，降低功耗，延长网络寿命。在网状网中情况则恰好相反，完全的点对点通信使路由有多种选择，提高了网络的容错性，但是不定期发送信标使网络中节点很难达到同步，必须采取别的手段来实现，如广播。因此，网状结构与簇树结构的层次融合，必定是ZigBee网络拓扑结构的一个发展方向。网状网的优点是容错能力和可靠性高，缺点是不易维护和管理、费用高、安装复杂和不经济。基于以上分析，故设计选择星状网络拓扑结构。总体设计图如图3-2：图3-2 总体设计图Fig 3-2 Overall design3.3 传感器节点的硬件设计无线传感器网络节点的设计主要考虑以下几点原则：1) 成本低：为了满足工业控制上的某些需要，无线传感器网络一般大量分布在被监测区域，因此无线传感器节点设计应尽量简单，降低成本。2) 功耗低：无线传感器网络一般应用人工方式现场采集困难的高危环境下，工作人员往往无法接近的场所，终端节点一般要求不能经常更换供电设备，要求功耗尽可能较低。并要求节点通常在仅以小型电池供电的情况下，工作数月或更长。所以在无线传感器节点的设计中，节能是至关重要的。3) 尺寸小：无线传感器节点尺寸应尽量小，保证对目标系统本身不会造成影响。并能被放置在任何物理环境下，能适应不同的环境要求。4) 扩展性灵活性：无线传感器节点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件时，可以在现有的节点上直接添加，不需要开发新的节点。同时，节点可以按照功能拆分成多个组件，组件之间通过标准接口自由组合，维护方便。在不同的应用环境下，选择不同组件自由配置系统，这样就不必为每个应用都开发一个全新的硬件系统25。3.3.1 节点硬件总体结构如图3-3所示，无线传感器网络节点，一般由数据采集单元(各种传感器)、数据处理单元(微控制器等)、数据收发单元(射频收发器、天线等)、电池供电单元组成。可以根据具体要求在数据采集单元模块上进行相应的传感器的扩充以完成特定数据采集。图3-3传感器节点的硬件设计框图Fig 3-3 Hardware block diagram of sensor node3.3.2 处理器和无线通信模块HFZCC2430EM22CC2430单片机是TI公司（德州仪器）生产的一款专用于IEEE 802.15.4和ZigBee协议通信的片上系统解决方案。其RF内核是基于工业领先的射频通信芯片CC2420。在单个芯片上集成了CPU、存储器、常用片内外设和RF射频单元。它具有1个8 位CPU（8051），主频达32MHZ，具有最大128 KB可编程FLASH和8KB的SRAM，片内外设非常丰富，主要包括1个5通道8位至14位可编程ADC转换器、4个定时器（其中包括一个MAC定时器）、2个USART，1个DMA控制器、1个AES128 协同处理器、1个看门狗定时器、1个内部稳压器、21个可编程I/O 引脚，可配置为通用I/O，也可配置为外设专用引脚。CC2430 芯片采用0.18m CMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA和25mA。具有3种休眠模式,从休眠模式转换到正常模式仅需54us，特别适合要求电池长期供电的应用场合26。其主要特点如下：(1) 高性能和低功耗的8051微控制器核。(2) 集成符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机。(3) 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。(4) 32,64,128KB在线系统可编程flash。(5) 多通道DMA控制器。(6) 非常少的外部组件。(7) 低电流功耗（运行在32MHZ时，RX：27mA，TX：25mA）。(8) 在休眠模式时仅0.9 A的电流功耗，外部的中断或RTC能唤醒系统。(9) 在待机模式时少于0.6A的流耗，外部的中断能唤醒系统。(10) 低功耗到正常工作模式需要的时间极少。硬件支持CSMA/CA功能。(11) 较宽的电压范围（2.03.6 V）。(12) 支持数字RSSI/LQI指示。(13) 具有电池监测和温度传感器。(14) 8通道814 位模数转换的ADC。(15) 集成 AES 安全协处理器。(16) 带有 2 个强大的支持多组串行协议的USART。(17) 1个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC定时器，1个16 位定时器和2个8 位定时器。(18) 21个通用I/O引脚，其中有2个具有20mA灌电流和拉电流能力。(19) 灵活功能强大的的开发环境。图3-4 CC2430内部结构示意图Fig 3-4 The CC2430 internal structure diagramCC2430芯片内部集成了大量必要电路，因此只需很少的外围电路就可以正常运行并实现无线收发功能。图3-5是CC2430外围电路设计图27。图3-5 CC2430外围电路设计Fig 3-5 CC2430 peripheral circuit design在图3-5中电容C8到C6通过除去杂波干扰稳定电压，还可以用来滤波，其电容值分别是220nF，220nF，100nF。0.1uF的电容C5可以防止单片机错误复位，部分去除杂波干扰。C14,C13，C12，C11，C10是对电源进行滤波以提高工作稳定性的去耦电容。一个PCB微波传输线和电感值分别为8.2nH，22nH，1.8nH的电感L1，L2，L3