|
空氣質量監測是壞境監測的一個重要組成部分，已由傳統的手工采樣--實驗室分析發展到自動監測階段。監測的項目由原來的SO2、NOx、TSP逐漸增加了新的項目，如CO、O3以及空氣中有毒有害的有機物。由于人們生活水平的提高，全社會環保意識的提高，對環境信息提供的要求越來越高。但是，空氣質量監測站的設計應考慮到設計成本、易于維護、數據的實時性以及監測范圍的擴大等。無線傳感器節點成本低、功耗小，適用于多個區域的多點檢測，但是無線傳輸距離短，而監測點一般遠離監控中心，現有的GPRS(通用分組無線電業務)網路覆蓋面很廣，遠距離的數據傳輸是很容易的。 本文利用現在無線傳感器網絡和GPRS網路來設計空氣質量監測站，介紹了監測站的基本結構、傳感器節點和網關節點的硬件設計及基本工作流程。 1 監測站的基本結構 監測站主要由無線傳感器網路和GPRS網絡構成，如圖1所示。 空氣質量監測站由無線傳感器節點、空氣質量傳感器(檢測SO2，NOx等)以及A/D轉換、網關節點、GPRS模塊、微處理器等組成[1]。監測區域所部署的傳感器節點監測每點的數據，然后數據沿著其他傳感器節點逐級進行傳輸，在傳輸過程中監測的數據可能被多個節點處理，經過多跳后匯集到網關節點，再由網關節點將數據傳輸到控制中心。 2 傳感器節點的設計 如圖2所示，傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4部分組成。傳感器模塊負責監測區內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，仔儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；電源模塊為傳感器，處理器，無線模塊提供運行所需的能量，并對能量進行管理，以達到最大的使用效率。 2.1 傳感器節點硬件電路的設計 從傳感器節點的系統造價、開發程度、資源處理能力、基本通信協議能力、二次開發能力及其通信可靠性方面考慮進行硬件電路設計。 a)微處理模塊：采用ATEML公司的ATmega1288位AVR微處理器，其128 kB的系統內可編程Flash存儲器，4 kB的EEPROM、4 kB的SRAM基本滿足了系統對存儲空間的要求，不需要擴展存儲空間，減少了系統的能耗；8通道10位A/D轉換器基本滿足了傳感器數據轉換和精度的要求；6種可以通過軟件選擇的省電模式，可以為系統節省大部分電源；先進的指令集以及單周期指令執行時問，ATMEGA128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗與處理速度之間的矛盾。 b)無線模塊：采用由(Chipcon公司生產的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420。CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器件，其MAC層和PHY層協議符合802.1 5.4規范，工作于2.4 GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸支持數據傳輸率高達250 kbit/s，可以實現多點對多點的快速組網，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。 c)傳感器模塊：采用低功耗的傳感器可以是溫度傳感器，濕度傳感器，以及各種空氣質量傳感器(如TGS2602)。每一個節點可以連接不同的傳感器，以適用各監測點的要求。溫度濕度傳感器是為了校正空氣質量傳感器的數據。 d)電源模塊：主要為傳感器、微處理器、無線收發器提供能源，并對電源進行管理，以提高能量的利用率，一般采用干電池供電(2節1.5 V)。 2.2 CC2420與ATMEGA128的數據傳輸 CC2420與ATMEGA128的連接非常簡單，如圖3所示。使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳表示收發數據狀態；處理器通過S P I接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數據，發送命令。這時CC2420是受控的，處理器工作在主機模式，它是數據傳輸的控制方，CC2420設為從機方式。 在SPI設為主機方式通信時，應在SPI初始化時由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當數據寫入主機的SPI數據寄存器后，主機將啟動時鐘發生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數據移出，同時從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。 圖4表示了ATMEGA128與CC2420之間的數據傳輸方式。 2.3 傳感器節點的基本工作流程 圖5所示為節點的基本工作流程，主要包括系統上電自檢、數據采集模塊、數據接收與發送、電源管理等模塊。系統上電后啟動程序，對各端口進行配置，利用中斷的方式執行相應的模塊。 3 網關節點的設計 網關節點的主要作用是：接收來自其他節點的數據，并對數據進行校正、融合等處理，然后發給監測中心；對于監控中心所發的指令進行相應處理。接收數據部分，還是用CC2420無線收發芯片，可以統一傳輸協議，保證傳輸的可靠性；由于還要進行數據處理，網關節點就不附加傳感器，以提高處理器對數據的處理能力，同樣采用ATMEGA128芯片；監控中心一般遠離監測點，如果采用專線方式在實際應用中成本較高，采用現有的GPRS網絡可以實現數據遠程傳輸，由于其按流量計費運行成本比較低。采用西門子公司的MC55 GPRS模塊來實現數據的遠程傳輸。MC55GPRS模塊內嵌的TCP/IP協議，大大降低了設計的難度，同時也提高了微處理器處理其他數據的能力。MC55與單片機的連接非常簡單，標準的串口可直接與單片機的串口連接，如果不連接到PC機還不需要擴展接口；MC55支持標準的AT命令，其通信可以調用相應的AT命令實現。 網關節點的主要作用是：接收各傳感器節點的數據，并對數據進行相應處理后發送到監控中心；接收監控中心指令，確定節點的工作狀態。其基本工作流程如圖6所示。 4 節點的協議 為了網絡的組建以實現數據的有效傳輸，并保證節點電能的最大效率，傳感器節點采用Zigbee協議。IEEE 802.15.4規范是一種經濟、高效、低數據速率、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的短距離無線技術，是Zigbee應用層和網絡層協議的基礎。基于這個標準，在許多微小傳感器節點之間相互協調實現通信，這些傳感器節點只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器節點傳到另一個節點，而達到較高的通信效率。網關節點一部分與傳感器節點通信則采用相同協議，而另一部分要與監測中心通信，采用TCP/IP協議，與監測中心通信利用現有的GPRS網絡，不需要單獨組網，能夠很容易地連接到Intemet，而MC55模塊內嵌TCP/IP協議，降低了設計的難度。 5 結束語 本系統采用CC2420無線模塊、ATMEGA128微處理器、空氣質量傳感器、MC55GPRS模塊建構無線傳感網絡，實現空氣質量的監測，監測范圍廣，數據的傳輸和管理方便，開發成本和運行成本低，特別適合于工廠、小城鎮、小區的空氣質量監測，移植與功能擴展方便，更換與增加不同的傳感器可以構建其他監測網絡。 |
