基于无线传感器网络的空气质量监测站的设计

　　0引言

　　空气质量监测是坏境监测的一个重要组成部分，已由传统的手工采样--实验室分析发展到自动监测阶段。监测的项目由原来的SO2、NOx、TSP逐渐增加了新的项目，如CO、O3以及空气中有毒有害的有机物。由于人们生活水平的提高，全社会环保意识的提高，对环境信息提供的要求越来越高。但是，空气质量监测站的设计应考虑到设计成本、易于维护、数据的实时性以及监测范围的扩大等。无线传感器节点成本低、功耗小，适用于多个区域的多点检测，但是无线传输距离短，而监测点一般远离监控中心，现有的GPRS（通用分组无线电业务）网路覆盖面很广，远距离的数据传输是很容易的。

　　本文利用现在无线传感器网络和GPRS网路来设计空气质量监测站，介绍了监测站的基本结构、传感器节点和网关节点的硬件设计及基本工作流程。

　　1 监测站的基本结构

　　监测站主要由无线传感器网路和GPRS网络构成，如图1所示。

　　

　　空气质量监测站由无线传感器节点、空气质量传感器（检测SO2，NOx等）以及A/D转换、网关节点、GPRS模块、微处理器等组成［1］。监测区域所部署的传感器节点监测每点的数据，然后数据沿着其他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。

　　2 传感器节点的设计

　　如图2所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块4部分组成［1］。传感器模块负责监测区内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，仔储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源模块为传感器，处理器，无线模块提供运行所需的能量，并对能量进行管理，以达到最大的使用效率。

　　2.1 传感器节点硬件电路的设计

　　从传感器节点的系统造价、开发程度、资源处理能力、基本通信协议能力、二次开发能力及其通信可靠性方面考虑进行硬件电路设计。

　　a）微处理模块：采用ATEML公司的ATmega1288位AVR微处理器，其128 kB的系统内可编程Flash存储器，4 kB的EEPROM、4 kB的SRAM基本满足了系统对存储空间的要求［2］，不需要扩展存储空间，减少了系统的能耗；8通道10位A/D转换器基本满足了传感器数据转换和精度的要求；6种可以通过软件选择的省电模式，可以为系统节省大部分电源；先进的指令集以及单周期指令执行时问，ATMEGA128的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗与处理速度之间的矛盾。

　　b）无线模块：采用由（Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CC2420。CC2420是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件，其MAC层和PHY层协议符合802.1 5.4规范，工作于2.4 GHz频段。该芯片只需极少外部元器件，可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输支持数据传输率高达250 kbit/s，可以实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。

　　c）传感器模块：采用低功耗的传感器可以是温度传感器，湿度传感器，以及各种空气质量传感器（如TGS2602）。每一个节点可以连接不同的传感器，以适用各监测点的要求。温度湿度传感器是为了校正空气质量传感器的数据。

　　d）电源模块：主要为传感器、微处理器、无线收发器提供能源，并对电源进行管理，以提高能量的利用率，一般采用干电池供电（2节1.5 V）。

　　2.2 CC2420与ATMEGA128的数据传输

　　CC2420与ATMEGA128的连接非常简单，如图3所示。使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4个引脚表示收发数据状态［1，3］；处理器通过S P I接口（MISO、MOSI、SCK）与CC2420交换数据，发送命令。这时CC2420是受控的，处理器工作在主机模式，它是数据传输的控制方，CC2420设为从机方式。

　　

　　

　　在SPI设为主机方式通信时，应在SPI初始化时由程序控制SS，将其拉为低电平，此后，当数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机将启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过MOSI将数据移出，同时从CC2420由MISO移人数据，8位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。

　　图4表示了ATMEGA128与CC2420之间的数据传输方式。