一、項(xiàng)目概述

　　1.1 引言

　　早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了用單片機(jī)控制的將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，連接控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信號(hào)的綜合能力，并通過(guò)與傳感控制器的連接，組成了有信息綜合處理能力的傳感網(wǎng)絡(luò)；從上世紀(jì)末開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用于無(wú)線技術(shù)連接，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，因?yàn)闊o(wú)線技術(shù)低能，低耗的特點(diǎn)，并得到迅速發(fā)展。

　　現(xiàn)今基于單片機(jī)技術(shù)的傳感器的設(shè)計(jì)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。美國(guó)的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)，探索其在應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用性尤其重要。

　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)園區(qū)的發(fā)展日成規(guī)模，帶動(dòng)了我國(guó)GDP的大幅增加。但是日益加劇的環(huán)境污染與破壞也成了我們目前面臨的首要問(wèn)題，無(wú)論是煤化工業(yè)園區(qū)、鋼鐵工業(yè)園區(qū)、蔬菜工業(yè)園區(qū)、還是一些核工業(yè)園區(qū)，一些環(huán)境因素諸如二氧化硫濃度，一氧化碳濃度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等對(duì)產(chǎn)品以及人們的生活和工作環(huán)境都有著至關(guān)重要的影響。因此做好這些環(huán)境因素的檢測(cè)工作是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和員工身體健康的重要保證。

　　眾所周知，環(huán)境變量的精確監(jiān)測(cè)與管理對(duì)于提高環(huán)境控制精度、節(jié)約能源及促進(jìn)生產(chǎn)等有著重要的作用。目前我國(guó)工業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏，即便是有，往往采用一些生物檢測(cè)法，布線檢測(cè)法等，嚴(yán)重浪費(fèi)能源。在應(yīng)用方面，缺乏有效的監(jiān)測(cè)管理機(jī)制，還未將檢測(cè)、報(bào)警、預(yù)處理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)；工業(yè)園區(qū)不同位置的各項(xiàng)參數(shù)值往往是不均勻的，所以需要采集多個(gè)不同點(diǎn)的溫度值進(jìn)行綜合評(píng)判，而目前大多數(shù)工業(yè)園區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能有效地覆蓋整個(gè)工業(yè)園區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的統(tǒng)一性。同時(shí)，多數(shù)工業(yè)園區(qū)的數(shù)據(jù)采集采用人工和有線布網(wǎng)方式，前者消耗大量人力，且采集的信息缺乏一定的實(shí)時(shí)性；后者雖然比較成熟，但線路布置易受環(huán)境影響，安裝程序復(fù)雜，維修、更新的費(fèi)用和難度都較大，這給廣大工廠帶來(lái)一定的不便。

　　基于以上需求，我們將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，通過(guò)探索搭建一個(gè)穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)一種體積小、覆蓋面廣、功能多樣化、便捷穩(wěn)定的工業(yè)園區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。尤其對(duì)于一些危險(xiǎn)的生產(chǎn)車(chē)間我們可以采用無(wú)人操作模式，只要把傳感器平臺(tái)置于生產(chǎn)車(chē)間，采用無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)模式就可以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，使它易于操作，便于管理，可直接監(jiān)測(cè)工業(yè)園區(qū)中各項(xiàng)環(huán)境因素的指標(biāo)，進(jìn)而解決環(huán)境監(jiān)測(cè)成本高、監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題。

　　本項(xiàng)目是將Atmel AVR單片機(jī)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)投入具體領(lǐng)域的實(shí)用性研究。近年來(lái)興起的ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)具有低能耗、較遠(yuǎn)傳輸距離、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛地推廣和應(yīng)用。其與Atmel AVR單片機(jī)的結(jié)合，必將增加該領(lǐng)域的又一解決方案，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)也激勵(lì)我們進(jìn)一步探索基于ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，爭(zhēng)做21世紀(jì)有用的創(chuàng)新人才。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　本系統(tǒng)在大范圍環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為研究平臺(tái)，主要進(jìn)行工業(yè)園區(qū)或生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)的有效采集和傳輸。各采集節(jié)點(diǎn)分布于所需檢測(cè)的環(huán)境中，采用Atmel AVR單片機(jī)控制各個(gè)傳感器，節(jié)點(diǎn)之間由ZigBee協(xié)議搭建無(wú)線局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的無(wú)線實(shí)時(shí)檢測(cè)。下面為系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖：

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.2 性能要求

　　本系統(tǒng)分為兩部分，由上層控制中心和下層傳感節(jié)點(diǎn)組成。生產(chǎn)管理人員可以通過(guò)監(jiān)控中心的上位機(jī)讀取當(dāng)前的環(huán)境參量，對(duì)當(dāng)前的車(chē)間環(huán)境進(jìn)行管理；同時(shí)還可以使用自定義的中斷查詢機(jī)制，通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送讀取請(qǐng)求，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)中斷，上傳當(dāng)前檢測(cè)值。當(dāng)然，根據(jù)需要，節(jié)點(diǎn)本身也可以采用LCD即時(shí)顯示采集結(jié)果。眾多傳感節(jié)點(diǎn)共同組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性，可以隨意地增減節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式無(wú)太大影響，因而可以根據(jù)實(shí)際需要增加或減少監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，以達(dá)到最優(yōu)化監(jiān)測(cè)。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

　　下面為該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件功能結(jié)構(gòu)框圖：

　　圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

　　在整個(gè)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，節(jié)能是一個(gè)重要因素，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能耗。同時(shí)為控制子節(jié)點(diǎn)選擇合適的地點(diǎn)，提供較充足的能源，以便延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命，提高監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的有效性。

　　3.2.1節(jié)點(diǎn)組成

　　節(jié)點(diǎn)主要由四部分組成：包括數(shù)采控制單元、微處理單元、無(wú)線通信單元、供電單元，見(jiàn)下圖：

　　圖3 節(jié)點(diǎn)組成圖示

　　1 、數(shù)采控制單元

　　數(shù)采控制單元主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集，本系統(tǒng)采用的多數(shù)傳感器集成了單片機(jī)和ADＣ模塊，可以直接輸出數(shù)字量。

　?。?）數(shù)字溫濕度傳感器

　　數(shù)字式溫濕度傳感器是把溫度和濕度，通過(guò)溫、濕度敏感元件和相應(yīng)電子電路轉(zhuǎn)換成易于采集和讀取的數(shù)字信號(hào)的傳感器。本項(xiàng)目擬采用SHT10傳感器來(lái)完成溫、濕度的采集。SHT10是Sensirion公司推出的新型集成數(shù)字式溫、濕度傳感器。該傳感器采用CMOSens專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)，具有超小體積（表面貼裝）、響應(yīng)速度快、接口簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等特點(diǎn)，且其相對(duì)濕度和溫度的測(cè)量兼有露點(diǎn)輸出；功耗低，能自動(dòng)休眠；長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常出色。適合本項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。其功能引腳圖如下（圖4）

　　圖4 SHT10引腳圖

　　引腳說(shuō)明及接口電路：

　?、匐娫匆_（VDD、GND）

　　SHT10的供電電壓為2.4V～5.5V。傳感器上電后，它從“休眠”狀態(tài)恢復(fù)過(guò)來(lái)。在此期

　　間不發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD和GND）之間可增加1個(gè)100nF的電容器，用于去耦濾波。

　?、诖薪涌?/span>

　　SHT10的兩線串行接口（bidirectional 2-wire）在傳感器信號(hào)讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類(lèi)似I2C總線但并不兼容I2C總線。（圖4中為2、3接口）

　?。?）二氧化碳濃度傳感器

　?、貱DM4161簡(jiǎn)介

　　CDM4161是費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的一種CO2氣體濃度測(cè)試模塊， 其在空氣中對(duì)CO2有很高的選擇性，CO2濃度的測(cè)量范圍為400～4000 ppm，對(duì)一氧化碳和甲烷等氣體不敏感，CDM4161內(nèi)部集成的單片機(jī)可對(duì)傳感器采集到的信號(hào)處理和自動(dòng)校準(zhǔn)，以使其輸出的電平值與CO2氣體的濃度保持良好的線性關(guān)系.有別于固態(tài)或者液態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器，CDM4161是利用半導(dǎo)體材料的各種化學(xué)特性將空氣中含有的特定氣體(即待測(cè)氣體)以適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)檢測(cè)和定量的器件。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、壽命長(zhǎng)、便于集成化、智能化，同時(shí)能使檢測(cè)轉(zhuǎn)換一體化.因此，項(xiàng)目選用CDM4161來(lái)完成對(duì)二氧化碳濃度的實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)換一體化。

　　圖5

　　②CDM4161的工作原理

　　CDM4161對(duì)外提供5個(gè)引腳（圖5），其引腳的功能描述如表一所示

　　表一 CDM4161引腳功能表

　　工作時(shí)CDM4161引腳l接+5 V電源，引腳2輸出電壓范圍0.4～4 V，相當(dāng)于CO2氣體濃度范圍為400～4 000 ppm。隨監(jiān)測(cè)到CO2濃度的高低變化，引腳3相應(yīng)輸出高、低電平可以控制外部通風(fēng)設(shè)備。引腳4在傳感器故障時(shí)輸出低電位，可通過(guò)該引腳連接蜂鳴器．以及時(shí)監(jiān)測(cè)CDM4161工作狀態(tài)。

　?。?）二氧化硫濃度傳感器

　　二氧化硫濃度傳感器采用2SH12二氧化硫半導(dǎo)體傳感器， 2SH12二氧化硫傳感器是高性能的氣體檢測(cè)傳感器，可用于對(duì)工業(yè)中SO2氣體的檢測(cè)。其對(duì)二氧化硫氣體有有很好的選擇性，

　　靈敏度很高，同時(shí)具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性及抗干擾，適合本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求。

　　特性參數(shù)

　　回路電壓：（Vc）5-24V

　　取樣電阻：（RL）0.5-20KΩ

　　加熱電壓：（VH）5±0.1V

　　加熱功率：（P）約750mW

　　靈敏度：R0（air）／RS（100ppmC2H5OH）＞5

　　響應(yīng)時(shí)間：Tres＜10秒

　　恢復(fù)時(shí)間：Trec＜30秒

　　工作環(huán)境：溫度-10-＋50℃、相對(duì)濕度0-90％RH.

　?。?）一氧化碳濃度傳感器

　　一氧化碳濃度傳感器擬采用CO/CF-1000，其濕度精度最高可達(dá)到±1.8%RH，外殼耐堿耐腐蝕，可用于工業(yè)園區(qū)的一氧化碳濃度檢測(cè)。

　　CO/CF-1000技術(shù)規(guī)格：

　　測(cè)量范圍   ：0-1000 ppm（可選200ppm，300 ppm；500 ppm；2000 ppm；4000 ppm）

　　最大負(fù)荷  ：20000 ppm

　　內(nèi)置過(guò)濾器：過(guò)濾酸性氣體(可選帶氫氣補(bǔ)償〈2%，過(guò)濾SO2和H2S）

　　工作壽命  ：空氣中3年

　　輸  出  ：100±20nA/ppm   4-20mA(一氧化碳檢測(cè)模塊）

　　分辨率  ：0.5 ppm

　　溫度范圍  ：20℃ to 45℃

　　壓力范圍  ：大氣壓±10%

　　響應(yīng)時(shí)間 (T90)：< 40 seconds

　　濕度范圍  ：15-90 %RH（非凝結(jié)）

　　零點(diǎn)輸出 (純凈空體，20℃)：-1 to +3 ppm

　　最大零點(diǎn)漂移(20℃－40℃) ：10 ppm

　　長(zhǎng)期漂移   ：<2% /每月

　　推薦負(fù)載值 ：10&Omega;

　　偏置電壓  ：無(wú)需              

　　線性度輸出：線性

　　重復(fù)性 ： <2%

　　存儲(chǔ)溫度  ：5℃ to 20℃

　　存儲(chǔ)壽命  ：6個(gè)月（容器內(nèi)）

　　重　　量：約13克（5.4克，32克可選）

　　2 微處理單元   

　　微處理器作為整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制核心，要對(duì)來(lái)自各個(gè)方面的信息作最終的判斷和控制。我們擬采用AVR32 AT32UC3A（圖６），其低功耗的特性和豐富強(qiáng)大的處理能力十分適合本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

　　　     圖6　　AVR32 AT32UC3A

　　該AT32UC3A集成了可安全和快速訪問(wèn)的片上閃存和SRAM存儲(chǔ)器。

　　外設(shè)直接內(nèi)存訪問(wèn)控制器（PDCA循環(huán)），無(wú)需處理器參與外設(shè)和存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳輸。PDCA大幅降低了處理連續(xù)的大數(shù)據(jù)的開(kāi)銷(xiāo)和在模塊在微控制器間流都動(dòng)的時(shí)間。

　　PowerManager提高了設(shè)計(jì)的靈活性和安全性：芯片上的欠壓檢測(cè)器監(jiān)視電源，CPU使用片內(nèi)RC振蕩器或外部振蕩器中之一運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和與之相關(guān)的計(jì)時(shí)器會(huì)跟蹤記錄相關(guān)的時(shí)間。

　　定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：包括三個(gè)相同的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器通道。每個(gè)通道都可以獨(dú)立編程進(jìn)行頻率測(cè)量，事件計(jì)數(shù)，間隔測(cè)量，脈沖生成，延遲時(shí)間和脈沖寬度調(diào)制。該AT32UC3A還具有多種通信密集型應(yīng)用通訊接口。除了標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，如UART，SPI或TWI接口外還有靈活的同步串行控制器接口、USB和以太網(wǎng)MAC接口等可供使用。 同步串行控制器可輕松實(shí)現(xiàn)串行通信協(xié)議和像I2S這樣的音頻標(biāo)準(zhǔn)。得益于以豐富的端點(diǎn)？？配置，它的全速USB 2.0接口支持多種USB類(lèi)，OTG接口允許設(shè)備像USB閃存盤(pán)或一個(gè)USB打印機(jī)設(shè)備直接連接到處理器。

　　AT32UC3A主要特性：

　　A、高性能，低功耗的AVR ？ 32 UC的32位微控制器

　　B、緊湊型單周期RISC指令集，包括DSP指令集

　　C、15個(gè)外設(shè)DMA通道加快了與外設(shè)通信的速度

　　D、內(nèi)部高速閃存 512K字節(jié)，256K字節(jié)，版本128K字節(jié)

　　E、單周期存取高達(dá)33兆赫

　　F、 Prefetch Buffer Optimizing Instruction Execution at Maximum Speed - 優(yōu)化預(yù)取緩沖器在最大速度指令執(zhí)行

　　G、4ms的頁(yè)編程時(shí)間和8ms的全芯片擦除時(shí)間

　　H、64K字節(jié)（512KB的閃存和256KB），32K字節(jié)（128KB閃存）

　　I、SDRAM / SRAM Compatible Memory Bus (16-bit Data and 24-bit Address Buses) - 的SDRAM / SRAM的兼容內(nèi)存總線（16位數(shù)據(jù)和24位地址總線）

　　J、低延遲中斷服務(wù)，可編程優(yōu)先級(jí)

　　K、電源和時(shí)鐘管理包括內(nèi)部RC時(shí)鐘和一個(gè)32kHz振蕩器

　　L、看門(mén)狗定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)器

　　M、Flexible End-Point Configuration and Management with Dedicated DMA Channels - 靈活的端點(diǎn)配置和管理的專(zhuān)用DMA通道

　　N、三個(gè)外部時(shí)鐘輸入，脈寬調(diào)制，捕獲和各種計(jì)數(shù)功能

　　O、One Master/Slave Two-Wire Interface (TWI)， 400kbit/s I2C-compatible一個(gè)主/從雙線接口（TWI），400kbit / s的I2C兼容

　　3 無(wú)線通信單元

　　傳統(tǒng)的射頻前端接收部分包括帶通濾波器、低噪聲放大器、本振、檢波整形、放大器等，發(fā)射部分包括調(diào)制器、功率放大器、帶通濾波器等。而單片數(shù)字信號(hào)射頻收發(fā)芯片集成了無(wú)線通訊系統(tǒng)的大部分功能，外加少量外圍器件即可構(gòu)成專(zhuān)用或通用無(wú)線通信模塊，簡(jiǎn)化了射頻前端的設(shè)計(jì)。

　　本設(shè)計(jì)擬采用ATMEL公司的ATmega128RFA1芯片，該片上系統(tǒng)提供了低功耗ZigBee解決方案，可以實(shí)現(xiàn)和完成ZigBee協(xié)議中FFD與 RFD設(shè)備的功能。

　　通用的2.4GHz ISM頻帶收發(fā)器與微控制器

　　RF4CE的，SP100，的WirelessHART，ISM應(yīng)用和IPv6/6LoWPAN的無(wú)線電收發(fā)器提供了從250 kb / s的高達(dá)2兆字節(jié)/秒，架高的數(shù)據(jù)傳輸速率處理，優(yōu)秀的接收靈敏度和高傳輸輸出功率，能夠?qū)崿F(xiàn)非常強(qiáng)大的無(wú)線通訊。其特性如下：

　　A、高性能低功耗，

　　B、擁有8位微控制器

　　C、先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)

　　D、135條指令 -大多數(shù)為單時(shí)鐘周期執(zhí)行

　　E、32x8通用工作寄存器

　　F、全靜態(tài)工作

　　G、高達(dá)16 MIPS的吞吐量，在16兆赫和1.8V

　　H、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

　　I、系統(tǒng)內(nèi)128K字節(jié)可編程閃存

　　J、2000寫(xiě)/擦除周期

　　K、4K字節(jié)的EEPROM

　　L、 內(nèi)部16K字節(jié)的SRAM

　　圖7　ATmega128RFA1管腳圖    

　　圖8　ATmega128RFA1內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　4 .供電單元

　　本系統(tǒng)由于采用低功耗集成化器件，大大降低了功耗。預(yù)計(jì)對(duì)普通節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)五號(hào)電池進(jìn)行供電，而對(duì)于根節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器，考慮到長(zhǎng)期工作和其對(duì)網(wǎng)絡(luò)組建的重要性，安排單獨(dú)蓄電池為其供電。當(dāng)然，在光線充足的戶外環(huán)境，太陽(yáng)能電池亦為節(jié)能環(huán)保的首選。

　　3.2.2串行通信接口

　　本系統(tǒng)擬采用異步串行通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，在異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)接口就是RS232C。RS232C是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA公布的通信協(xié)議，適合于較短距離的通信場(chǎng)合（一般小于13米）。AVR32 AT32UC3A有兩個(gè)全雙工的串行通信模塊：USART0和USART1。通過(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器的設(shè)置可使這兩個(gè)模塊工作于異步串行通信UART模式。本系統(tǒng)將USART1模塊設(shè)置為異步串行通信模式，而個(gè)人PC機(jī)上RS232C接口已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置，所以連接起來(lái)比較方便，只需要完成電平轉(zhuǎn)換，就可連接通信。  

　　3.2.3 擬采用的其他模塊

　　鍵盤(pán)操作模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成人機(jī)接口。人機(jī)接口使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面。LCD顯示模塊可以直觀顯示當(dāng)前各個(gè)傳感器模塊的數(shù)據(jù)，液晶擬采用LCM2401281，通單片機(jī)進(jìn)行控制，方便功能擴(kuò)展。 鍵盤(pán)輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)微處理器的直接操作 ；存儲(chǔ)器模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)生問(wèn)題時(shí)對(duì)信號(hào)依然進(jìn)行正常的記錄，提高了整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性；報(bào)警器模塊通過(guò)發(fā)出聲音報(bào)警起到提示作用，當(dāng)無(wú)線傳輸終端發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)不影響對(duì)實(shí)際情況的判斷與及時(shí)措施的采取。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　3.3.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

　?。?）中斷程序

　　網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)以一定的周期自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，也支持響應(yīng)由上位機(jī)發(fā)送的中斷請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)被動(dòng)上傳，其中節(jié)點(diǎn)MCU控制端的中斷相應(yīng)控制程序分別如圖9、10。

　　圖9主程序圖            

     圖10中斷流程

　?。?）節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　A、單節(jié)點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)

　　當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)，它向周?chē)l(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，周?chē)?jié)點(diǎn)接收到此信號(hào)后等待其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)（其中包括自身節(jié)點(diǎn)等級(jí)和本級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)是否已滿），并依據(jù)RSSI強(qiáng)弱排序，建立本節(jié)點(diǎn)周?chē)?jié)點(diǎn)狀況的聯(lián)絡(luò)列表設(shè)置，而最終選擇這其中最高級(jí)可入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（假定為入網(wǎng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)），向目標(biāo)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求并等待，當(dāng)接收到入網(wǎng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的同意命令并被分編號(hào)后，節(jié)點(diǎn)就成功加入了網(wǎng)絡(luò)。之后目標(biāo)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)會(huì)將節(jié)點(diǎn)加入信息在下一次采集數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)逐次將節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信息上傳，通知主控制臺(tái)。

　　當(dāng)某節(jié)點(diǎn)因電池電壓過(guò)低，或臨時(shí)要退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)發(fā)送退出請(qǐng)求，當(dāng)接收到上一級(jí)節(jié)點(diǎn)的同意應(yīng)答后，將自動(dòng)休眠或關(guān)機(jī)，退出網(wǎng)絡(luò)。而其上一級(jí)節(jié)點(diǎn)也將同時(shí)刪除其相應(yīng)信息。

　　數(shù)據(jù)采集端程序

　　B、節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

　　當(dāng)前本系統(tǒng)擬采用簡(jiǎn)單的時(shí)分復(fù)用解決碰撞問(wèn)題，在后期研究過(guò)程中將考慮利用更有效的其他方式。這樣不同節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)段進(jìn)行工作，當(dāng)進(jìn)入工作周期后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作模式根據(jù)定時(shí)器和MCU的調(diào)節(jié)工作，當(dāng)采樣時(shí)間到后，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送并等待應(yīng)答，若接收到上級(jí)節(jié)點(diǎn)的正確應(yīng)答，就說(shuō)明數(shù)據(jù)發(fā)送成功，然后進(jìn)入休眠；否則繼續(xù)發(fā)送，直到成功（但設(shè)定最高次數(shù)，超過(guò)最高次數(shù)就認(rèn)為出現(xiàn)故障，進(jìn)行報(bào)警），如圖１1：

　　若在節(jié)點(diǎn)休眠期間接收到喚醒信號(hào)，則響應(yīng)中斷，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)并等待應(yīng)答，若接收到上級(jí)節(jié)點(diǎn)的正確應(yīng)答，就說(shuō)明數(shù)據(jù)發(fā)送成功，然后進(jìn)入休眠；否則繼續(xù)發(fā)送，直到

　　成功（但設(shè)定最高次數(shù)，最高次數(shù)就認(rèn)為出現(xiàn)故障進(jìn)行，報(bào)警）如圖１２：

　　圖11

                        圖12

　　較高級(jí)節(jié)點(diǎn)接收程序設(shè)計(jì)

　　進(jìn)入接收模式的高級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，若正確則發(fā)送應(yīng)答包，回復(fù)節(jié)點(diǎn)，否則，要求節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送。如圖13：

　　圖13

　?。?）單片機(jī)與PC機(jī)串行通信軟件接口設(shè)計(jì)：

　　軟件系統(tǒng)主要包括PC 機(jī)端(即上位機(jī)) 和單片機(jī)(即下位機(jī)) 的通信程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)采用VC開(kāi)發(fā)軟件提供的MSComm控件來(lái)完成串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。通過(guò)此控件， PC機(jī)可以利用串行口與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)輕松連接，簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信?？梢酝ㄟ^(guò)串口與上位機(jī)（微機(jī)）的通信，擬選用接口芯片MAX232。MSComm 控件的事件響應(yīng)有兩種處理方式：

　　事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢方式。事件驅(qū)動(dòng)方式由MSComm 控件的On2Comm 事件捕獲并處理通訊錯(cuò)誤及事件；查詢方式通過(guò)檢查CommEvent 屬性的值來(lái)判斷事件和錯(cuò)誤。

　　3.3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　PC機(jī)通過(guò)接口電路和接口程序從下位機(jī)采集到的信息包括：傳感節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，傳感節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，傳感節(jié)點(diǎn)采集時(shí)的環(huán)境變量，所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶既可以實(shí)時(shí)觀測(cè)，又可主動(dòng)查詢。我們打算使用MFC可視化編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　?。?）用戶查詢程序?qū)崿F(xiàn)和操作界面設(shè)計(jì)：

　　1）監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示界面（以溫度為例）

　　圖14實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示例

　　2）歷史數(shù)據(jù)回查界面示例

　　圖15歷史數(shù)據(jù)回查示例

　　3）異常數(shù)據(jù)短信報(bào)警示例

　　系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與預(yù)置的上下門(mén)限值進(jìn)行比較，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警（預(yù)計(jì)對(duì)3次以上的異常數(shù)據(jù)報(bào)警）

　　圖16飛信報(bào)警示例圖

　　3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　?。?）給出在工業(yè)園區(qū)這種復(fù)雜環(huán)境下的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案；

　?。?）成功搭建基于ZigBee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，并將傳感模塊加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)園區(qū)環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)定量監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的工作效果；

　?。?）開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析軟件，使工業(yè)園區(qū)環(huán)境管理形象化，數(shù)字化，以便有利于生產(chǎn)管理和經(jīng)驗(yàn)的積累；

　?。?）以此為基礎(chǔ)，擴(kuò)展應(yīng)用范圍，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)通用性的改造，增強(qiáng)其可擴(kuò)展性，使之利用通用接口可以支持更多傳感器的使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他量的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的有線或無(wú)線通信。