基于无线传感器网络的空气质量监测站的设计

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。

2.3 传感器节点的基本工作流程

图5所示为节点的基本工作流程，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。

3 网关节点的设计

网关节点的主要作用是：接收来自其他节点的数据，并对数据进行校正、融合等处理，然后发给监测中心；对于监控中心所发的指令进行相应处理。接收数据部分，还是用CC2420无线收发芯片，可以统一传输协议，保证传输的可靠性；由于还要进行数据处理，网关节点就不附加传感器，以提高处理器对数据的处理能力，同样采用ATMEGA128芯片；监控中心一般远离监测点，如果采用专线方式在实际应用中成本较高，采用现有的GPRS网络可以实现数据远程传输，由于其按流量计费运行成本比较低。采用西门子公司的MC55 GPRS模块来实现数据的远程传输。MC55GPRS模块内嵌的TCP/IP协议，大大降低了设计的难度，同时也提高了微处理器处理其他数据的能力。MC55与单片机的连接非常简单，标准的串口可直接与单片机的串口连接，如果不连接到PC机还不需要扩展接口；MC55支持标准的AT命令，其通信可以调用相应的AT命令实现。

网关节点的主要作用是：接收各传感器节点的数据，并对数据进行相应处理后发送到监控中心；接收监控中心指令，确定节点的工作状态。其基本工作流程如图6所示。

4 节点的协议

为了网络的组建以实现数据的有效传输，并保证节点电能的最大效率，传感器节点采用Zigbee协议。IEEE 802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率[4]、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的短距离无线技术，是Zigbee应用层和网络层协议的基础。基于这个标准，在许多微小传感器节点之间相互协调实现通信，这些传感器节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个节点，而达到较高的通信效率。网关节点一部分与传感器节点通信则采用相同协议，而另一部分要与监测中心通信，采用TCP/IP协议，与监测中心通信利用现有的GPRS网络，不需要单独组网，能够很容易地连接到Intemet，而MC55模块内嵌TCP/IP协议，降低了设计的难度。

5 结束语

本系统采用CC2420无线模块、ATMEGA128微处理器、空气质量传感器、MC55GPRS模块建构无线传感网络，实现空气质量的监测，监测范围广，数据的传输和管理方便，开发成本和运行成本低，特别适合于工厂、小城镇、小区的空气质量监测，移植与功能扩展方便，更换与增加不同的传感器可以构建其他监测网络。