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摘 要人类进入21世纪以来,微电子机械系统Micro-electro-mechanismsystem、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网络—无线传感器网络WirelessSensorNetworks无线传感器网络作为新兴的测控网络技术,是能够自主实现数据采集、融合和传输应用的智能网络应用系统无线传感器网络是逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合,从而真正实现“无处不在的计算”模式无线传感器网络技术是一项涉及多门前沿学科发展的综合性技术,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题无线传感器网络无论是在国防军事还是国民经济各个领域均有着广阔的应用前景,尤其在温室环境测量、精准农业、大田灌溉、畜牧养殖、林业等大农业中都有很大的应用前景和推广价值对该技术的深入研究与推广应用将推动我国农村信息化建设的进程,极大地带动相关产业和学科的发展,从而进一步提升我国的综合国力本文主要对无线传感器网络节点硬件平台进行了深入分析和研究在研究和分析目前相关的无线传输技术、存储技术、传感技术、嵌入式处理器等技术的基础上,设计了低功耗可扩展无线传感器网络节点论文详细介绍节点平台的软硬件设计,提出了实现星型网的通信协议AbstractSincecomingintothe21stcentury,MEMStechnology、computertechnology、communications、autocontroltheory、Elknowledgeandsoonalltheseknowledgesdevelopmenthasbringoutanewnetworksofmeasurementandcontrolling—WirelessSensorNetworks.WSNasthenewmeasurementandcontrollingtechnology,itisthesmartnetworksystemwhichcanimplementthedatacollection,dataconfusionandtransferapplication.WSNcombinesthelogicalinformationworldandtruephysicsworld.ItcanachievethePervasiveComputingorUbiquitousComputingmodeindeed.WSNisasynthesistechnologywhichrefersalotofknowledge,andbringsoutmanystudyquestionsofbasictheoryandengineeringtechnology.Wirelesssensornetworkshaswidelyapplicationforegroundeverinnationaldefenceorotherfields.Especiallyingreenhouse,precisionframing,irrigationinfarmland,pasturageandbreedaquaticagricultureapplicationhasgreatvalueofapplicationandextendtion.Thestudyofthistechnologywilldrivethetenorofourcountrysinformationconstructionandadvancesthedevelopmentoftherelateddomainandsubjects,andstepsourcountrysnationalpower.Nowthestudyofwirelesssensornetworkshardwareplatformisnotwidelybringout.Baseonthestudyofwirelesscommunicationtechnology、memorytechnology,sensortechnology,embeddedcomputertechnologies,Thispaperintroducedthehardwareofwirelesssensornetworksnode,alsobringouttheprotocolofstarnetwork.目 录TOC\o1-3\h\z\u摘 要1Abstract2引 言11绪论
21.1空气监控系统国内外研究现状
21.2本课题的目标及研究的内容22无线传感器网络
42.1无线传感器网络概述
42.
1.1无线传感器网络的特征
42.
1.2无线传感器网络的体系结构
52.
1.3无线传感器网络的协议栈结构
52.
1.4无线传感器网络的应用
62.2无线传感器网络系统的路由协议
72.
2.1IEEE
802.
15.4/ZigBee技术介绍
72.
2.2IEEE
802.
15.4协议架构及其技术特点
82.
2.3IEEE
802.
15.4/ZigBee技术的优势及应用
112.
2.4基于IEEE
802.
15.4无线传感器的实现与存在的问题
122.3网络拓扑结构
142.4监控系统设计涉及的相关工作
142.
4.1处理器模块
142.
4.2无线通信技术
152.
4.3传感器模块
152.
4.4外围模块163无线传感器网络节点硬件设计
173.1气体传感器的选择
173.2温湿度检测电路的实现
193.
2.1超低功耗单片机MSP430系列及外围电路
193.
2.2存储器
203.
2.3湿度测量电路原理及传感器的选择
223.
2.4无线通信电路
233.
2.5网关节点的设计234监控系统的软件实现27结 论29参考文献30附录A监控系统智能节点硬件图31致 谢32引 言环境监测是环境保护的基础,其目的是为环境保护提供科学决策的依据,目前所采用的主要方法有定点巡检和连续在线监测两种定点巡检方法存在耗费人力较大、无法对危险区域进行监测等缺点,已经不能满足越来越高的环境监测要求在线监测方法利用传感器对被监测参数进行测量,然后通过网络发送到控制中心来实现监测,其数据传输主要利用公共有线电话网PSTN或移动电话网GPRS进行PSTN由于布线困难、费用较高,因此应用范围有限,而利用移动电话网进行数据传输可以克服布线困难的缺点,但在大范围测量时,成本较高且数据采集精度较差另外,由于能耗较大,每隔较短时间便需要更换电池,这样在危险区域和大面积监测区域应用时非常不方便无线传感器网络由低功耗微小网络节点通过自组织方式构成无线通信网络,能够通过密集的节点布置,协作地实时感知、监测和采集网络分布区域内的各种微观环境信息,并对这些信息进行处理,从而获得详尽而准确的信息目前,无线传感器网络已成为国内外的研究热点,并取得了可喜的进展如Intel研究中心伯克利实验室的研究人员在Greatduckisland上使用无线传感器网络来研究岛上的鸟类活动,该系统将传感器获取的温度、湿度和气压等环境信息以多跳路由的方式发送到监测管理中心,管理中心使用这些信息可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视其活动和生存环境国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和应用的研究本文针对当前环境监测中面临的网络布线困难、成本高及实时性差等问题,提出了基于无线传感器网络的环境监测系统该系统主要由低功耗微小网络节点通过自组织方式构成,可利用网络节点功耗低、工作时间长、成本低的特点,实现危险区域的低成本无人连续在线监测同时,无线传感器网络节点布置密集,对每个监测点都有多个节点进行测量,可以通过数据融合提高数据精度,而单节点失效不影响测量效果,这种测量方式使得系统容错性强另外,无线传感器网络不仅可以进行监测,还可对指定区域进行查询,这些特点是传统在线监测系统所不具备的1绪论
1.1空气监控系统国内外研究现状美国科学家在80年代末的一项调查中发现,室内有害污染物浓度比室外高,有的高达100倍我国有关部门在1994年的一次调查中也发现,城市室内空气的污染程度比室外严重室内空气的污染直接危害着人们的健康,从我国“室内环境监测中心”对IAQ监测力度不断加强趋势也可以看出,此问题在我国越来越受到重视为了提高室内空气的质量,国内外许多学者和机构对室内空气品质(IAQ)进行了大量的研究,已基本形成了一套对IAQ进行监测和评价的理论,改变过去那种将IAQ的评价依据污染物的上限值,简单地判断是否合格,而是针对具体的对象,运用科学的评价方法,结合中医学、环境监测、建筑设备工程、居住心理学等多学科的综合研究模式,分析IAQ的主要影响因素,预测在一定时期内的变化趋势,确定可能造成的危害程度,并提出经济可行的控制治理措施;这些研究积累了大量的检测方法和结果但是目前对IAQ的研究还局限在三个层次;
(1)发现问题,但没有解决问题;
(2)提供了某一时刻的静态结果,但没有给出长期的发展趋势;
(3)提供定性的控制措施,但无法根据发展趋势提供量化的最佳控制办法只能对存在的问题进行定性分析,提供泛泛的控制措施,无法提供有针对性的控制措施,无法满足人们希望得到对污染根源及其对人体健康危害进行全面描述,并据此制定针对性的可操作的预防控制措施的要求因此,当前迫切需要对检测数据进行深层次分析,如一氧化碳,二氧化碳,二氧化硫如今已经具备了实现基于网络技术进行远程监测的硬件基础,同时软件方面实时监测、远程监测等单元技术也有了一定的成果和经验,发展基于网络技术的室内空气品质的远程监测与评价已成必然趋势它主要集中在监测、分析、评价3个方面本技术是通过将室内空气的各种监测参数数据通过无线传感器监控平台传到上位PC机上采用该系统后,将极大地提高室内环境监测单位对用户室内空气品质的监测与评价以及科学管理能力,为及时准确地监测用户室内的空气质量,并进行科学的评价提供有力的工具和保障
1.2本课题的目标及研究的内容传感器网络是一组由传感器以自组织多跳方式构成的无线自组网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者用于在传感器与观察者之间建立通信路径;协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点传感器网络中的部分或全部节点可以移动传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化节点间以自组织多跳方式进行通信,每个节点都可以充当路由器的角色,并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力本空气质量监控系统检测周围环境空气状况,而如何准确并可靠地检测环境空气质量指标是整个系统工作的关键在本系统实现如下功能1通过传感器对环境温度、湿度、一氧化碳含量、二氧化碳含量4个空气质量指标进行检测;2将这些传感器构成无线传感器网络;3将测试的4种空气质量数据通过传感器监控平台传给上位PC机2无线传感器网络
2.1无线传感器网络概述所谓无线传感器网络
[1]WirelessSensorNetwork,是大量的静止或移动传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象
2.
1.1无线传感器网络的特征无线传感器网络与无线自组网虽有相似之处,但存在很大的区别无线自组网是由几十到上百个移动节点组成的自组织的无线局域网络,所有节点都是完全动的,节点的频繁移动造成网络拓扑结构的频繁变化,节点能够连续获得补充的能量无线传感器网络是集成了监测/控制和无线通信的网络系统,传感器节点数目更为庞大,结点分布更为密集,节点更容易出现故障,环境干扰和节点故障造成网络拓扑结构的变化,通常情况下大多数传感器节点是固定不动的无线传感器网络有几个显著特征
(1)节能Energy-efficiency传感器节点是微型嵌入式设备,它的价格要求非常低廉,因而造成它的处理能力、存储能力、通信带宽和携带的能量都非常有限,特别是因为每个传感器节点供电的电源能量有限,通常不易或无需更换,节省能量成了无线传感器网络系统设计中的重要目标
(2)低成本low-cost传感器节点应该廉价因为一个大型的传感器网络往往由成百上千个传感器节点组成,所以每个节点应该低成本、低价格
(3)无线的Wireless传感器节点通过无线组织
(4)自组织Self-Organized无线传感器网络系统更适合于人不能或不宜到达的地域,节点的部署采用非人工、随机方式实施无线传感器网络系统可以通过一套合适的通信协议保证网络在无人干预的情况下自动组网,自动运行在节点失效等问题出现的情况下,系统能自动调整,实现无人值守
(5)以数据为中心Data-centric传统网络是以IP为中心的网络,每个节点拥有全网唯一的IP地址,数据转发以目的节点的IP为依赖在无线传感器网络中,节点没有IP地址,是以数据为中心的网络,它关心的是数据本身,如事件、时间和地点,而并不关注数据是由哪个节点采集
(6)与应用相关Application-Related无线传感器网络系统与应用密切相关,不同的应用背景,无线传感器网络的设计具有差别,甚至完全不同
2.
1.2无线传感器网络的体系结构本设计的监测区域由无线传感器节点、空气质量传感器以及A/D转换、网关节点、GPRS模块、微处理器等组成监测区域所部署的传感器节点监测每点的数据,然后数据沿着其它传感器节点逐级进行传输,在传输过程中监测的数据可能被多个节点处理,经过多跳后汇集到网关节点,再由网关节点将数据传输到控制中心图
2.1无线感器网络的体系结构
2.
1.3无线传感器网络的协议栈结构1)协议栈介绍网络软件是高度结构化的,为了减少协议设计的复杂性大多数网络都按层layer和级lever的方式来组织,每一层都建立在它的下层之上不同的网络,其层的数量、各层的名字、内容和功能都不尽相同但是在所有的网络中,每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务,而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽协议基本上是通信双方关于通信如何进行达成的一致某一系统所使用的协议列表,每层一个协议,被称为协议栈protocolstack每一对相邻层之间都有接口,接口定义下层向上层提供的原语操作和服务2无线传感器网络协议栈的一般结构随着传感器网络的深入研究,研究人员已经提出了多个传感器节点上的协议栈现在比较典型的协议栈主要有两个第一种架构是早期提出的五层架构,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,这几个与互联网协议栈的五层协议相对应另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台等内容;这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,实现数据的传输和中继等任务,并支持资源共享第二种架构如下图所示是建立在第一种架构体系下的,针对第一种架构进行了细化并且加以了改进图
2.2无线传感器网络协议栈结构
2.
1.4无线传感器网络的应用无线传感网络的运用前景十分诱人从原来的军事方面向日常生活的各个方面不断扩展,下面是一些具体的应用1环境检测传感器网络也广泛运用在环境检测,生态监控等环境如用传感器网络来检测大范围的空气污染监测、水污染检测等;也可以用来检测鸟类、动物还有昆虫的迁移;同时传感器网络可以用在农作物的种植,灌溉方面,通过测量各个不同地点的生物学家使用“微尘”来研究海燕的筑巢行为,每个“微尘”中都装有温度、气压和湿度传感器来记录环境的状况,用被动式的红外传感器探测鸟儿及鸟蛋的温度来获知其存在然而,这个装置的尺寸不能超过数厘米,这样才不会干扰到亲鸟和雏鸟显然,他们必须是无线的,因为在大片筑巢地上布网线和电线是不现实的因而,该装置要自带电源,电量足够在每季筑巢季节里供电同时,它还要在无人干扰的情况下持续运行,通过网络中的其它节点把记录的数据传送到数据采集中心2军事安全由于无线传感网络具有密集型、随机分布的特点,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资,判断生物化学攻击等多方面用途美国国防部对这类项目进行了广泛的支持俄亥俄州正在开发“沙地直线”ALineintheSand,就是一种无线传感网络系统这个系统能够散射电子绊网TripWires到任何地方,也就是到整个战场,以侦测运动的高金属含量目标这种能力意味着一个特殊的军事用途,例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆无线传感器网络技术,预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳,“能够在未来几十年内变革战场环境”3医疗卫生护理Intel开发了无线传感器网络的家庭护理技术该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目“CenterforAgingServicesTechnologiesCAST”的一个环节开发的该试制系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器,帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的数据从而方便接受护理而且还可以减轻护理人员的负担4其他用途无线传感网络还被应用于其他一些领域如矿井、核电厂等危险的工业环境,工作人员可以通过它来实施安全监测;也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具;此外还可以运用到工业自动化生产线等诸多领域,Intel正在对工厂中的一个无线网络进行测试,该网络由40台机器上的210个传感器组成,这个无线传感网络组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件它可以大幅降低检查设备的成本,同时由于可以提前发现问题,因此能够缩短停机时间,提高效率,并延长设备的使用时间无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段,但已经展示出了非凡的应用价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到更大的应用
2.2无线传感器网络系统的路由协议
2.
2.1IEEE
802.
15.4/ZigBee技术介绍近年来,随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用,人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合,提出了无线网络化传感器的概念2000年12月,IEEE成立了IEEE
802.
15.4工作组
[2],致力于定义一种从廉价的、固定、便携或移动设备使用的,极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继续延续是市场的驱动力一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用,传感器网络是标准IEEE
802.
15.4的主要市场对象将传感器与IEEE
802.
15.4设备组合,进行数据收集、处理和分析,即可决定是否需要或何时需要用户操作智能大厦(IntelligentBuilding)是随着高层建筑的大型化、多功能化而提出的高层建筑的大型化、多功能化就需要在建筑物内建立一个综合集成的计算机网络系统,实现网络集成是实现系统集成和功能集成的第一步无线网络技术的发展和应用为建设智能大厦计算机网络系统提供了一种高质量的解决方案目前,ZigBee联盟已将IEEE
802.
15.4应用方案实施到智能大厦中并取得良好的效果
2.
2.2IEEE
802.
15.4协议架构及其技术特点IEEE
802.
15.4满足国际标准组织开放式系统互连参考模式它定义了单一的介质访问层MAC和多样的物理层PHY如图
2.3所示,表
2.1中概括了IEEE
802.
15.4标准的主要技术特征Zigbee联盟制定了MAC层以上协议,其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成IEEE
802.
15.4的MAC层能支持多种LLC标准,通过SSCSService-SpecificConvergenceSublayer,业务相关的会聚子层协议承载IEEE
802.2类型的LLC标准,同时允许其他LLC标准直接使用IEEE
802.
15.4的MAC层服务表
2.2列出了IEEE
802.
15.4的LLC层和MAC层主要功能图
2.3单一的介质访问层和多样的物理层表
2.1IEEE
802.
15.4标准的主要技术特征复杂程度比现有标准低通信时耗≥15ms目的只支持数据通信功耗约45μA频段、数据率及信道数868MHZ20kb/s1925MHZ40kb/s
102.4GHZ250kb/s16MAC的控制方式星型网络对等网络每个网络支持节点数65536寻址方式64bitIEEE地址8bit网络地址连接层结构开放式温度-40℃~85℃传输范围室内100m速率250kb/s室外30m-70m速率40kb/s300m速率20kb/s应用传感器、玩具控制等领域IEEE
802.
15.4定义了两个物理层标准,分别是
2.4GHz物理层和868/915MHz物理层它们都基于DSSSDirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频,使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率
2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低
2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电表
2.2IEEE
802.
15.4的LLC层和MAC层主要功能LLC子层的主要功能传输可靠性保障和控制数据包的分段与重组IEEE
802.
15.4的MAC协议主要功能设备间无线链路的建立、维护和结束;确认模式的帧传递与接收;数据包的顺序传输;信道接入控制;帧校验;预留时限管理;广播信息管理868/915MHz物理层使用简单的DSSS方法,即二进制相移键控BPSK方式868MHz是欧洲的ISM频段,传输速率为20kb/s;915MHz是美国的ISM频段,传输速率为40kb/s这两个频段的引入避免了
2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰,且这两个频段上的无线信号传播损耗较小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域MAC层IEEE802系列标准把数据链路层分成LLCLogicalLinkControl,逻辑链路控制和MACMediaAccessControl,媒介接入控制两个子层LLC子层在IEEE
802.6标准中定义,为IEEE802标准系列共用;而MAC子层协议则依赖于各自的物理层IEEE
802.
15.4的MAC协议包括以下功能设备间无线链路的建立、维护和结束;确认模式的帧传递与接收;信道接入控制;帧校验;预留时隙管理;广播信息管理MAC子层提供两个服务与高层联系,即通过两个服务访问点SAP访问高层通过MAC通用部分子层SAP脚(CPS-SAP访问MAC数据服务,用MAC层管理实体SAPMLME-SAP访问MAC管理服务这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要,同时也保证了协议的简洁MAC帧的通用格式如图
2.4所示图
2.
4802.
15.4的帧结构
2.
2.3IEEE
802.
15.4/ZigBee技术的优势及应用IIEEE
802.
15.4/ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较IEEE
802.
15.4从一开始就被设计用来构建包括恒温装置,安全装置和煤气读数表等设备的无线网络这是由其主要技术优势决定的
(1)数据传输速率低只有10kb/s到250kb/s,专注于低传输应用
(2)功耗低在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦这也是IEEE
802.
15.4/ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势
(3)成本低IEEE
802.
15.4/ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本且免收专利费
(4)网络容量大每个IEEE
802.
15.4/ZigBee网络最多可支持255个设备
(5)时延短通常时延都在15ms至30ms之间
(6)安全IEEE
802.
15.4提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用AES-128加密算法
(7)有效范围小有效覆盖范围10-100m之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境
(8)工作频段灵活使用频段为
2.4GHz,868MHz欧洲及915MHz美国,均为免执照频段与之相反,蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品,经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的它可以在不充电的情况下工作几周,但无法工作几个月,更不用说几年了;它可以用来有效地处理8个设备一个主设备和7个从设备,如果更多的话,通讯速率则显著下降而IEEE
802.11a/g,也被称作Wi-Fi也有类似的问题虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案,但它的功耗却非常高由此可见,ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用,而不是技术本身相信在不远的将来,将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入日常生活,并将极大地改善人们的生活方式和体验
2.
2.4基于IEEE
802.
15.4无线传感器的实现与存在的问题
(1)IEEE
802.
15.4无线传感器的实现方案传感器的实现机理是以IEEE
802.
15.4传输模块代替传统的串行通信模块,将采集的数据以无线方式发送出去其主要包括IEEE
802.
15.4无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等IEEE
802.
15.4无线通信模块负责数据的无线收发,主要包括射频和基带两部分,前者提供数据通信的空中接口,后者主要提供链路的物理信道和数据分组微控制器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,包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法经过调理的传感器模拟信号经过A/D转换后暂存于缓存中,由IEEE
802.
15.4无线通信模块通过无线信道发送到主控节点,再进行特征提取、信息融合等高层决策处理整个节点可由外部直流电源供电或采用电池组,视具体情况而定若要增加通信距离,可添加功率放大器以提高天线发射功率如图
2.5所示图
2.5基于IEEE
802.
15.4标准传感器的现结构用IEEE
802.
15.4实现无线数据采集,主要还有以下两个问题1)模块的可靠性问题在特殊场合应用中,需要将大量的传感器放置在目标区域,对每个传感器都希望其在放置过程不会由于硬件和软件的原因导致节点的dead这就要求模块必须具有较高的可靠性,能适应复杂的环境要求;2)模块的通迅速率较低模块通讯速率受到接口通信速率的限制,加之受纠错码的编码效率影响,真正的数据发送量是很低的解决此问题可以通过如下的途径传感器节点采用嵌入式处理器,尽可能在传输的链路中将数据进行压缩处理,使得尽量减少原始数据的发送量,只发送有用信息例如,通过对某些数据进行压缩处理后,数据量是原来的87%,这样就大大减少了链路中数据的通信量基于IEEE
802.
15.4标准的无线传感器网络大大提高了数据传输的抗干扰性,同时又减少了现场布线带来的各种问题,对传感器节点的管理也比较方便可以应用在大型的机械设备监测场合国外已经开发出了可以投入使用的产品随着微电子技术、计算机技术的发展,微处理器芯片的网络功能会得到加强,智能传感器与无线通信网络的结合会更加容易应用高性能的嵌入式处理器之后,传感器网络的功能也会越来越强
2.3网络拓扑结构IEEE
802.
15.4协议的网络拓扑结构有三种类型星形结构、网格状结构和族状结构,如图
2.6所示其中网格状结构和族状结构属于点对点的结构在
802.
15.4网络中,根据设备所具有的通信能力可以分为全功能设备FFD和精简功能设备RFDFFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间可以直接通信RFD之间不能直接通信在IEEE
802.
15.4网络中,有一个称为PAN网络协调器的FFD设备,是传感器网络中的主控制器每个网络仅有一个主控制器网络协调器除了直接参与应用以外,还要完成成员的身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等功能图
2.6IEEE
802.
15.4的网络拓扑类型星形网络中所有节点都与中心协调器通信,节点间不能直接通信,中心节点的能量消耗大适合于网络节点较少、网络结构简单、小范围的网络应用而点对点网络中只要通信双方都在其辐射范围之内,任何两个设备之间都可以通信点对点网络中的协调器主要负责实现管理链路状态信息,认证设备身份等功能
2.4监控系统设计涉及的相关工作
2.
4.1处理器模块处理器模块是无线传感器节点的计算核心,所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据融合和数据存储程序都将在这个模块的支持下完成,所以处理器的选择在传感器设计中是至关重要的无线传感器网络节点适合的处理器需要外形尽量小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式、运行速度足够快、丰富的外部通用IO端口和通信接口、成本低、有安全性保证所以本系统采用MSP430F149单片机
2.
4.2无线通信技术无线传感器网络节点的通信介质可以是无线、红外或者光介质常用无线链路是ISM频带见表
2.3,在大部分国家是公用频带ISM频带通信有免费、全球通用、频带宽等优点,无线传感器网络利用ISM频带可以有更好的通用性,可以更自由地设计能量节省策略而不受特定通信平台的限制但无线射频通信需要调制、频带传输、滤波、解调和复杂的电路,这些又使传感器节点更复杂、价格更贵表
2.3ISM频段频段频率分配UHF902MHz928MHzS-波段
2.40GHz
2.483GHzC-波段
5.725GHz
5.857GHz红外通信也是无线传感器网络可能采用的一种通信方式,红外通信不受电子信号干扰、公用的特性很适合无线传感器网络,而基于红外通信的无线收发器具有廉价、易于制造的特点,但红外通信需要收发者之间没有其他介质,阻碍了在无线传感器的应用本系统采用nRF905无线通信模块
2.
4.3传感器模块传感器在现实中的应用非常广泛,渗透在工业、农业、医疗、军事和航天等各个领域,所以有些机构把传感器网络作为未来三大高科技产业之一无线传感器网络研究的近期意义不是创造出多少新的应用而是通过网络技术为现有的传感器应用提供新的解决方法网络化传感器可以减少单点测量可能造成的瞬态误差和单点环境激变可能造成的系统测量错误由于在一个区域内存在多个测量节点,对于单个节点的测量错误,可以通过另外一些节点的测量结果发现,通过投票机制摒除无效的数据获得该区域内相对精确的测量结果可以降低对传感器精度的片面要求,目前传感器变送系统非常昂贵,部分原因是过于依赖传感器精度,通过局部的精度了解系统的整体状况无线传感器系统单个节点精度不必太高,利用区域内多点的测量数据,通过统计学方法可以得到精度更高的数据网络化传感器使得数据的收集和统计容易自动完成,大大降低管理方面的开销技术人员可以把更多的时间和精力放在数据的分析上,提高整个系统的执行效率传感器种类繁多,用于测量各种物理量,使用何种传感器完全取决于应用系统在环境监测系统中,需要测量的环境信息有温度、湿度、气体浓度等
2.
4.4外围模块为了使无线传感器网络节点达到扩展性、灵活性、高效性等要求,需要一些外部支持系统,主要包括能源、外部存储器、模数转换、外部接口传感器网络一般都是布置在人烟稀少或危险的区域,所以其能源不可能来自于现在普遍使用的工业电能,而只能求助于自身的存储和自然界的给予一般来说,目前使用的大部分都是自身存储一定能量的化学电池在实际应用系统中,可以根据目标环境选择特殊的能源供给方式,例如在沙漠中可以采用太阳能,在地质活动频繁的地方可以通过地热资源或者震动资源来积蓄工作电能,在空旷多风的地方可以采用风力获取能量支持不过从体积和应用的简易性上来说,化学电池还是传感器网络中重点使用的能量载体为了实现传感器节点的硬件扩展性和灵活性,无线传感器节点会根据功能将自己划分成多个模块,模块之间通过标准的接口互联这样不同模块之间的升级和更换就变成了独立过程,方便无线传感器节点的配置3无线传感器网络节点硬件设计本设计硬件系统框图见图
3.1
[3]整体包括处理器模块16位单片机MSP
430、铁存储器及外围芯片、传感器模块(温湿度、气体传感器)、无线通信模块nRF
905、能量供应及管理模块电池、电源处理电路该节点能够对温度、湿度、对CO等浓度进行测量,适合在温室、智能大厦、人工气候室等领域中应用
[4]图
3.1无线传感器节点系统框图
3.1气体传感器的选择气体传感器种类繁多按所用气敏材料及其特性不同,可分为光学式,热学式,质量式,电化学式等其中电化学式气体传感器根据其原理可分为电位型,电导型,电流型电流型传感器以其既能满足一般检测所需要的灵敏度和准确性,又有体积小,操作简单,携带方便,可用于现场监测且价格低廉等优点,在目前己有的各类气体检测方法中占有重要的地位该类传感器可检测气体浓度范围之宽由ppb级直至百分浓度,应用范围之广是任何一种气体传感器所难以比拟的电流型气体传感器有许多种,用于检测不同气体,其主要应用领域有安全检测,环境监测,以及其它特殊用途本课题中,气体传感器用于室内空气中有毒有害气体CO
2、CO的检测气体传感器是将空气中一氧化碳气体、二氧化碳气体的浓度转化为相应电信号的元件传感器产生的电信号在传送、放大过程中常受各种恶劣环境和各种干扰的影响,特别是固定式仪器的传感器,长期连续运转,又有防爆和供电容量的限制,因此对气体传感器的要求非常严格一般考察传感器有以下几个项目
(1)检测范围和分辨率;
(2)检测精度和重复性;
(3)稳定性和零点漂移;
(4)反应速度;
(5)选择性和抗干扰能力;
(6)抗中毒能力和寿命;
(7)抗环境温湿度影响能力;
(8)安全性,防爆性能;
(9)互换性和检修方便;
(10)体积小,重量轻,电流小,节电性好本课题中选用红外吸收型气体传感器红外吸收型气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的
[5]不同气体分子化学结构不同,对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同,因此,不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时,某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱,产生红外吸收光谱,故当知道某种物质的红外吸收光谱时,便能从中获得该物质在红外区的吸收峰同一种物质不同浓度时,在同一吸收峰位置有不同的吸收强度,吸收强度与浓度成正比关系因此通过检测气体对光的波长和强度的影响,便可以确定气体的浓度根据比尔朗伯定律,输出光发光强度I、输入光发光强度I0和气体浓度c之间的关系为I=I0exp-αmLc
3.1式中αm为摩尔分子吸收系数;c为待测气体浓度;L为光和气体的作用长度传感长度对式
3.1进行变换,得c=1/αmLlnI0/I
3.2通过检测相关数据就可以得知气体的浓度c图
3.2气体传感器探头结构红外气体传感器探头结构如图所示是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成红外光源采用镍铬丝,其通电加热后可发出3~10μm的红外线,其中包含了4~26μm处CO
2、CO气体的强吸收峰在气室中,CO
2、CO吸收光源发出特定波长的光,经探测器检测则可显示出CO
2、CO对红外线的吸收情况干涉滤光镜是可调的,调节它可改变其通过的光波波段,从而改变探测器探测到信号的强弱红外探测器为薄膜电容,吸收了红外能量后,气体温度升高,导致室内压力增大,电容两极间的距离就要改变,电容值随之改变气体的浓度愈大,电容值改变也就愈大
3.2温湿度检测电路的实现
3.
2.1超低功耗单片机MSP430系列及外围电路1MSP430系列单片机TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,它根据不同的应用提供不同的具体型号单片机,以满足不同用户的需求该系列具有16位RISC结构,CPU中的16个寄存器和常数产生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率单片机通过采用不同的时钟源达到不同的速率要求,同时可以使器件功耗达到最小,满足一些采用电池供电的系统本设计采用MSP430F149具有丰富的外设,且功耗很低,有非常广阔的应用范围,具有以下特点1)低电压、超低功耗MSP430系列单片机
[6]在
1.8~
3.6V的电压、lMHz的时钟频率下运行,耗电电流在
0.1uA-400uA之间,这个和不同的工作模式有关;具有16个中断源,并且可以任意嵌套,使用灵活方便;用中断请求将CPU唤醒只要6us,可编制出实时性特别高的源代码;可将CPU置于省电模式,以用中断方式唤醒程序2)强大的处理能力16位RISC结构,具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算;还有高效的查表处理方法;有较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下,指令周期为125us这些特点保证了可编制出高效率的源程序3)系统工作稳定上电复位后,首先由DCOCLK启动CPU
[7],以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率如果晶振在用作CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统正常工作;如果程序跑飞,看门狗将其复位4)丰富的片上外围模块12位ADC和DAC;精密模拟比较器Comp_A;硬件乘法器MPY,2组频率可达8MHz的时钟模块,2个带有大量捕获/比较寄存器的16位定时器TimerA,TimerB,看门狗Watchdog,2个可实现异步、同步及多址访问的串口通信接口USART/SPI,数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口、直接数据存储DMA、温度传感器TempSensor,Brown-Out电路补偿能够在系统开关电源时提供可靠的复位电路等5)方便高效的开发环境利用单片机本身具有的JTAG接口或片内BOOTROM,可以在一台PC及一个结构小巧的JTAG控制器的帮助下实现程序的下载,完成程序仿真调试在成本和性能上综合考虑,采用MSP430F149单片机
3.
2.2存储器1铁存储器FM25L256主存储器采用最近几年在市场上应用推广比较成功的新一代存储器—铁存储器FRAMFRAM拥有与其它记忆体技术不同的特点传统的主流记忆体可分为两种—易失性记忆体和非易失性记忆体易失性记忆体包括SRAM静态随机存取记忆体和DRAM动态随机存取记忆体,它们在掉电后都不能保存数据,RAM类型的记忆体很容易使用且速度很快,但是掉电后数据也将随之丢失非易失性记忆体掉电后数据不丢失可是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术只读记忆体的数据是不可能修改的所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入,而且写入速度慢,它们包括EPROM现在基本已经淘汰,EEPROM和FlashROM,它们存在写入数据时需要的时间长,擦写次数低,写数据功耗大等缺点FRAM提供一种与RAM一致的性能,但又有与ROM一样的非易失性FRAM克服以上二种记忆体的缺陷并合并它们的优点,它是全新创造的产品,一个非易失性随机存取储存器FRAM产品既可以进行非易失性数据存储又可以像RAM一样操作铁电存储器可以应用于仪表电表、气表、水表、流量表、RF/ID、仪器,和汽车黑匣子、GPS定位系统、电力电网监控系统的数据采集与记录;打印机,工业控制,机顶盒Set-Top-Box,网络设备网络调制解调器和大型家用电器的参数设置与存储;工业系统、银行自动提款机ATM,税控机,商业结算系统POS,传真机,未来将应用于硬盘非易失性高速缓冲存储该系统采用铁存储器FM25L256,其是具有先进铁电技术制造的32KB的非易失性存储器可以像RAM一样快速读写,数据在掉电后可以保存10年,FRAM具有系统可靠性高,结构简单等诸多优点FM25L256以总线速度进行写操作,无须延时当数据写入芯片后,写操作仅需要几百个纳秒,下一个总线周期可以立刻开始而无须进行数据轮循另外FM25L256具有无限次的读写次数,而且操作功耗非常低工作电压在
2.7~
3.6V和低至5uA的静态电流采用高速SPIserialPeripheralInierafee接口,这种接口增强了铁电技术的高速写数据能力引脚定义说明见图
3.3和表
3.1图
3.3FM25L256引脚定义表
3.1引脚功能描述引脚名称引脚位类型描述1IN片选使能,当为高电平时,所有输出属于高组态,芯片保持在低功耗状态;当为低电平时,芯片根据SCK的信号而动作,在任何操作前,必须有个下降沿SO2OUT串口输出,它在读操作中有效,其它情况下保持高组态,包括为低电平时,数据在时钟下降沿移出到SO管脚上3IN写保护,这个管脚的作用是阻止向状态寄存器进行写操作VSS4IN电源地SI5IN串行输入,所有数据通过这个管脚输入芯片此管脚的信号在时钟的上升沿采样,在其它时间被忽略SCK6IN串行时钟,所有的输入输出都与时钟信号同步,时钟频率可以为0-25MHZ之间的任意值,并可以随时中止7IN保持,当主MCU因为另外一个任务而中止当前内存操作时,其被使用使引脚为低电平,则暂停当前的操作,其状态的改变必须发生在SCK为低电平的时候VDD8IN电源
3.
2.3湿度测量电路原理及传感器的选择系统选用Honeywell公司的相对湿度传感器HIH-3610,该湿度传感器采用电容式传感头,内部集成了信号处理电路传感器能够将相对湿度值变换成电容值,再将电容值转换成线性电压输出测量湿度的范围为0~100%RH,在25℃下,准确度为±2%RH,线性度为±015%RHHIH-3610输出电压是供电电压、湿度及环境温度的函数在实际应用中,先根据下述计算公式计算出25℃温度条件下相对湿度值,即为HIH-3610输出电压为:
3.3式
3.3中输出电压Vout为电压输出值,VDD为电源电压值,sensor%RH为25℃时的相对湿度值当电源电压已知时,Vout仅由相对湿度值sensor%RH决定由于湿度受到大气压强、温度等因素的影响,所以湿度测量比温度测量要复杂和困难得多考虑湿度传感器时漂和温漂的影响,一般进行湿度测量时都要进行温度补偿补偿公式为RH=sensor%RH/
1.0546-
0.0216T
3.4式
3.4中,T为环境摄氏温度值由于HIH-3610的输出电压较高且线性较好,不需要再进行信号放大及信号调整单片机的内部集成了12位A/D转换器,可满足系统对模拟信号转换的精度要求单片机与HIH-3610接口电路中,将HIH-3610的输出信号直接接到RA口,HIH-3610将相对湿度信号以直流电压信号的形式提供给MSP430F149的P
2.1脚,由单片机完成模拟量到数字量的转换温度测量采用Dallas公司的单总线数字温度传感器DS18B20,芯片内部集成了温度传感器和模数转换器其测温范围为-55~+125℃,测量的温度值可编程为
9、
10、11和12位数字表示,相应温度分辨力分别为015℃、0125℃、01125℃和010625℃用户可设定温度超标报警的上、下限值片机的接口如系统中采用了一片DSl8B20,接在MSP430F149的P
2.2端在放置含DSl8B20的探头时,让其紧靠湿度传感器测量温度时,采用多次测量取平均值来获得一次温度数据,并用该温度值对HIH-3610的湿度采集数据进行温度补偿
3.
2.4无线通信电路本系统采用的射频收发器为NordicVLSI公司的nRF905
[8],工作电压为
1.9~
3.6V,工作于433/868/915MHz三个ISM频段,频段之间的转换时间小于650usnRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器高抗扰GFSK调制,数据速率为50kbps,独特的载波监测输出,地址匹配输出,数据就绪输出ShockBurstTM工作模式,自动处理字头和CRC循环冗余码校验,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便此外,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,工作于接收模式时的电流为
12.5mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能
3.
2.5网关节点的设计本文设计的WSN网关采用嵌入式系统,由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、应用程序等组成网关的MCU主要用来进行信息融合并完成协议的转换,实现WSN与外部网络的通信MCU采用Atmel公司的AT91RM9200微处理器AT91RM9200是基于ARM920T指令集的ARM处理器,具有丰富的外设以及接口,这使得它在低成本、低功耗的条件下能完成一些功能丰富的应用集成了许多外设接口,包括USB
2.0接口和以太网接口该处理器提供多个符合工业标准的通信接口,包括音频、闪存卡、红外、智能卡接口等外围硬件设备主要有与WSN内部节点通信的RF接口电路,与Internet连接的无线GPRS通信接口电路,与WLAN通信接口电路,与以太网通信接口电路,本地监控串口电路以及其它通用外围电路等WSN网关总体体系结构如图
3.4所示图
3.4WSN网关总体体系结构
(1)与WSN节点接口设计CC1010是由Chipcon公司生产,基于SmartRF技术的一种理想的超高频单片收发通信芯片,内嵌8051,是射频技术与单片机技术的完美结合工作在315/433/868/915MHzISM频段在典型的应用中,仅需要少数几个外接元件灵敏度为-109dBm,可编程输出功率为-20dBm~10dBm,FSK调制,数据传输速率可达
76.8Kb/s,
2.7V~
3.6V低功耗工作目前基于CC1010芯片构成的WSN节点系统可以在多种环境中工作,按各种需要进行配置来完成系统功能,在成本、空间、功耗、灵活性等方面具有明显的优势网关与WSN节点接口单元RF工作频率设计为434MHz,本电路采用螺旋型天线,其长度由L=7125/f计算为
16.4cm元件L
1、C
1、C2构成LC滤波器,主要用来减少谐波干扰,在这里应用于终端阻抗为50欧姆的天线电感L2的精度要求比较高,它决定了发射和接收的频率,在电路中为了避免耦合感应,它应被紧靠着引脚放置CC1010芯片和大部分的外围元器件布置在顶层,少数外围元器件布置在底层,如压控振荡器的电感,从而减小L0泄露压控振荡器的电感应尽量靠近L1和L2引脚,并相对这两个引脚呈对称布置图
3.5网关基于CC1010-RF单元电路设计
(2)与Internet网连接接口设计WSN需要与外部网络连接TCP/IP作为大型网络事实上的应用标准应用广阔WSN网关设计的一个关键功能就是实现与Internet网的互联实现WSN通信协议与当前互联网协议TCP/IP协议的转换本网关设计采用目前市场上非常成熟、性价比高的SIMCOM公司生产的GPRS模块SIM100E
[9],该模块具有标准的AT命令接口,为GSM语音、短消息以及GPRS数据业务提供无线接口其集成了完整的射频电路和GSM地基带处理器标准RS232串行口,通过串行口使用AT命令完成对模块的操作,实现数据的无线拨号GPRS连接图
3.6网关基于SIM100E-GPRS单元电路设计4监控系统的软件实现
(1)传感器节点的基本工作流程如图
3.7所示主要包括系统上电自检、数据采集模块、数据接收与发送、电源管理等模块系统上电后启动程序,对各端口进行配置,利用中断的方式执行相应的模块图
3.7传感器节点基本流程图结 论随着新技术不断出现,特别是无线通信技术的发展,使得无线传感器网络系统在各个方面的应用都得到了很大的发展本文通过分析无线传感器网络系统的关键技术,设计和构建了面向智能大厦的无线传感器网络系统本文的主要研究内容和成果如下
(1)深入分析了无线传感器网络系统在特殊应用场景中可能问题和难点,提出了一套完整的系统解决方案,明确了系统设计的思路
(2)介绍了无线传感器网络节点平台的硬件设计,同时在无线传感器网络低功耗方面做了一些研究,应用了超低功耗的MSP430F149作微处理器一氧化碳、二氧化碳气体的测量选择了红外气体传感器温湿度的测量选用了测量精度较高的集成温湿度传感器DS18B
20、HIH-3610无线通信电路选用了射频接收模块nRF905,网关部分用CC1010作发射模块由此可以看出本文的无线传感器网络系统使用能量较低,能够在智能大厦中实时、有效地检测空气质量但是无线传感器网络系统是一个全新的研究领域,它与现有的各项技术的结合必定会产生出许多新的问题和研究方向如本文中在无线信道使用的是IEEE
802.
15.4协议,它本来是用于家庭中的电组网,其传输速率为250kb/s,不一定适用于一些需要高传输率的应用视频信号,同时现在还没有专门为无线传感器网络开发通讯协议在制作无线模块时,制作的无线模块体积还较大,希望在下一步工作中能对它进行小型化处理所有这些都是我们下一步工作和研究的方向参考文献
[1]A.Boukerche,S.Nikoletseas.Protocolsfordatapropagationinwirelesssensorsnetworks.[J]WirelesCommunicationsSystemsandNetworks,2004,12:23-
51.
[2]Smallat,WLHwang.Singularitydetectionandprocessionwithwavelets[J].IEEETrans.onInformationTheory,1992,382:617-
643.
[3]理春杰,刘瑞霞,王继志.基于无线传感器网络的监控平台设计[J].传感技术学报2006,11:13-
15.
[4]Cuili,JuHailing,MailYong,etal.OverviewofWirelessSensorNetworks[J]JournalofCoumputerResearchandDevelopment,2005,421:163-174ch.
[5]任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003,147:1282-
1291.
[6]张开生,郭国法.MCS-51单片机温度控制系统的设计[D].微计算机信息,2005,4
(27)56-
59.
[7]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,
2002.
[8]吴光斌,梁长根.无线传感器能量有效性研究[J].传感技术,2004,7
(45)47-
52.
[9]缪强.无线传感器网络研究与实现[D].杭州:浙江大学,
2004.1-
12.
[10]AkyildizIF,SuW,SankarasubramaniamY,etal.WirelessSensorNetworks:aSurvey[J].coumputerNetworks,2002,38,05:35-
43.
[11]EmegringTechnologiesthatWillChangetheWorld.[J]TechnologyReview,2003,1061:22-
49.[l2]于海斌,曾鹏等.智能无线传感器网络系统.[J]北京:科学出版社2006:304-320.
[13]任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003,147:1282-
1291.
[14]孙育才.MCS251系列单片微型机及其应用[M].南京:东南大学出版社,
1997.124-
139.
[15]郑增威,吴朝晖.若干无线传感器网络路由协议比较研究[J].计算机工程与设计,2003,2409:28-
31.附录A监控系统智能节点硬件图关键词无线传感器网络;节点;低功耗;环境测量KeyWords WirelessSensorNetworks;node;lowpowerconsumption;environmentmeasurement传感器节点网关节点GPRS网络控制中心监测区域时间同步定位应用层传输控制路由数据链路拓扑Qos能量/安全/移动物理网络管理ZigBeeProfiles数据链路层IEEE
802.
15.4LLC
802.2LLCIEEE
802.
15.4MAC网络应用层868/915PHY2400PHY校验负载MACSDUMACfoototerMACHeaderMAC协议数据单元MAX127BytesPHY业务数据单元物理层MAC帧同步信头MAC子层FramecontrolSequencenumberAddressinfo
802.
15.4收发模块RXAnalog/RFFrequencyGencratorTXAnalog/RF基带处理SPIControl基带处理高层协议
802.
15.4MAC传感器驱动接口传感器PowerManagement控制器模块星形结构网格状结构族状结构电源供应及管理NCP
1400、ISL43111MSP430F149红外气体传感器温湿度传感器无线模块nRF905RS232接口MAX3232探测器干涉滤光镜光源气室SCKSIVDDSOVSSARM9200MCUSIM100EGPRSUPITRTLS019ASUNITLOCALMONITORSERIALUNITCC1010-RFWIELESSUNITRAM-ROMUNITRESETCRYSTALUNITPOWERUNIT开始PC机初始化nRF905初始化系统自检数据采集与处理温湿度传感器进行测量气体传感器进行测量图5-5是DS2438外部温湿度超限?气体浓度超限?PC机显示nRF905报警报警YYNN。