1． 引言

　　早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(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息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感器控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。到了20世紀(jì)90年代后期，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感控制器構(gòu)成局域網(wǎng)，這就是第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)在，傳感器網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志，它正處于研究和發(fā)展的階段，我們稱(chēng)之為第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用在軍事：環(huán)保，醫(yī)療以及空間探索等許多領(lǐng)域，可以說(shuō)它具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　2． 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型　　　　　　　

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成多跳級(jí)中繼的分級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這不同于基于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng),通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)節(jié)點(diǎn)）,由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò),按照一定原則進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域物理信息。我們所說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)的自組織特性是指當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建,個(gè)別節(jié)點(diǎn)即使出現(xiàn)問(wèn)題也不會(huì)影響全局，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的路由功能。

　　2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

　　典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電源，數(shù)據(jù)獲取單元dau，數(shù)據(jù)處理單元dpu，數(shù)據(jù)發(fā)送和接受單元drsu組成。數(shù)據(jù)獲取單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)對(duì)象的信息采集; 數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)等功能; 數(shù)據(jù)發(fā)送和接受單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)間通信; 電源單元選取小型化、高容量的電池,以確保節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)壽命和微型化。具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如下圖所示

　　2.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元

　　數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的str系列微功率無(wú)線射頻通信模,其主要特點(diǎn)是: (1)最大發(fā)射功率10mw。(2)高抗干擾能力和低誤碼率。(3)傳輸距離遠(yuǎn)。在視距情況下，天線高度>2米,可靠傳輸距離可達(dá)300-400m(ber=1200bps)。(4)雙串口，3種接口方式。str系列提供2個(gè)串口3種接口方式，com1為ttl電平uart接口。com2由用戶(hù)自定義為標(biāo)準(zhǔn)的rs-232/rs-485口。

　　2.2.2 數(shù)據(jù)處理單元

　　數(shù)據(jù)處理單元采用集成度高、功能豐富、超低功耗的8位單片機(jī)－at89s系列單片機(jī)。豐富的片內(nèi)外設(shè)、節(jié)能、多種工作模式和對(duì)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的支持,使得atmel89s系列單片機(jī)非常適合于應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。atmel89s系列單片內(nèi)部集成看門(mén)狗、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)串行通信接口，32條輸入輸出線，帶有4kb flash和128b內(nèi)存。其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理，包括以下功能：

　　（1） 控制無(wú)線傳輸模塊，為其提供兩條單向傳輸線（串行口）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

　�。�2） 實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集，把傳感器傳入的數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行處理后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)；

　�。�3） 對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的處理，如檢錯(cuò)校驗(yàn)，使得傳輸?shù)男屎涂煽啃源蟠筇岣撸?/p>

　�。�4） 與上位機(jī)進(jìn)行通信，執(zhí)行相應(yīng)的命令并且具有對(duì)數(shù)據(jù)和命令轉(zhuǎn)發(fā)的功能；

　�。�5） 自動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能，在沒(méi)有相應(yīng)命令執(zhí)行期間，能自動(dòng)執(zhí)行監(jiān)測(cè)并向上位機(jī)發(fā)送信號(hào)，告知上位機(jī)檢測(cè)區(qū)域的狀況。

　　2.2.3 數(shù)據(jù)獲取單元

　　數(shù)據(jù)獲取單元采用國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的mq系列的co濃度傳感器－采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度的增加而增大，高溫清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。此傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。它不但對(duì)一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，而且具有使用壽命長(zhǎng)和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

　　2.2.4 電源

　　電源部分我們采用5v供電，控制器部分我們集成電壓轉(zhuǎn)換電路，直接可以接入220v居民用電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，這樣增強(qiáng)了此網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)的便捷性。

　　2.3 數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)

　　我們所設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)要想把內(nèi)部信息與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換,必須通過(guò)數(shù)據(jù)匯集點(diǎn),它接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性,再增加特定的數(shù)據(jù)幀,以使外部網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別我們所傳送的數(shù)據(jù),然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給我們要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)它也接收可識(shí)別的外部網(wǎng)絡(luò)所傳入的信息,并對(duì)信息進(jìn)行解析,把它變成本網(wǎng)絡(luò)可識(shí)別的命令和數(shù)據(jù)。我們所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)可由上位pc機(jī)與無(wú)線通信適配單元組成,也可以單獨(dú)增加匯集點(diǎn),在網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜的情況下我們選擇前者。

　　3．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)　　　　　　

　　1． 引言

　　早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(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息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感器控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。到了20世紀(jì)90年代后期，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感控制器構(gòu)成局域網(wǎng)，這就是第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在，傳感器網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志，它正處于研究和發(fā)展的階段，我們稱(chēng)之為第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用在軍事：環(huán)保，醫(yī)療以及空間探索等許多領(lǐng)域，可以說(shuō)它具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　2． 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型　　　　　　　

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成多跳級(jí)中繼的分級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這不同于基于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng),通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)節(jié)點(diǎn)）,由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò),按照一定原則進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域物理信息。我們所說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)的自組織特性是指當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建,個(gè)別節(jié)點(diǎn)即使出現(xiàn)問(wèn)題也不會(huì)影響全局，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的路由功能。

　　2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

　　典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電源，數(shù)據(jù)獲取單元dau，數(shù)據(jù)處理單元dpu，數(shù)據(jù)發(fā)送和接受單元drsu組成。數(shù)據(jù)獲取單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)對(duì)象的信息采集; 數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)等功能; 數(shù)據(jù)發(fā)送和接受單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)間通信; 電源單元選取小型化、高容量的電池,以確保節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)壽命和微型化。具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如下圖所示

　　2.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元

　　數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的str系列微功率無(wú)線射頻通信模,其主要特點(diǎn)是: (1)最大發(fā)射功率10mw。(2)高抗干擾能力和低誤碼率。(3)傳輸距離遠(yuǎn)。在視距情況下，天線高度>2米,可靠傳輸距離可達(dá)300-400m(ber=1200bps)。(4)雙串口，3種接口方式。str系列提供2個(gè)串口3種接口方式，com1為ttl電平uart接口。com2由用戶(hù)自定義為標(biāo)準(zhǔn)的rs-232/rs-485口。

　　2.2.2 數(shù)據(jù)處理單元

　　數(shù)據(jù)處理單元采用集成度高、功能豐富、超低功耗的8位單片機(jī)－at89s系列單片機(jī)。豐富的片內(nèi)外設(shè)、節(jié)能、多種工作模式和對(duì)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的支持,使得atmel89s系列單片機(jī)非常適合于應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。atmel89s系列單片內(nèi)部集成看門(mén)狗、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)串行通信接口，32條輸入輸出線，帶有4kb flash和128b內(nèi)存。其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理，包括以下功能：

　　（1） 控制無(wú)線傳輸模塊，為其提供兩條單向傳輸線（串行口）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

　�。�2） 實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集，把傳感器傳入的數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行處理后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)；

　�。�3） 對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的處理，如檢錯(cuò)校驗(yàn)，使得傳輸?shù)男屎涂煽啃源蟠筇岣撸?/p>

　�。�4） 與上位機(jī)進(jìn)行通信，執(zhí)行相應(yīng)的命令并且具有對(duì)數(shù)據(jù)和命令轉(zhuǎn)發(fā)的功能；

　　（5） 自動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能，在沒(méi)有相應(yīng)命令執(zhí)行期間，能自動(dòng)執(zhí)行監(jiān)測(cè)并向上位機(jī)發(fā)送信號(hào)，告知上位機(jī)檢測(cè)區(qū)域的狀況。

　　2.2.3 數(shù)據(jù)獲取單元

　　數(shù)據(jù)獲取單元采用國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的mq系列的co濃度傳感器－采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度的增加而增大，高溫清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。此傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。它不但對(duì)一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，而且具有使用壽命長(zhǎng)和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

　　2.2.4 電源

　　電源部分我們采用5v供電，控制器部分我們集成電壓轉(zhuǎn)換電路，直接可以接入220v居民用電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，這樣增強(qiáng)了此網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)的便捷性。

　　2.3 數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)

　　我們所設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)要想把內(nèi)部信息與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換,必須通過(guò)數(shù)據(jù)匯集點(diǎn),它接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性,再增加特定的數(shù)據(jù)幀,以使外部網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別我們所傳送的數(shù)據(jù),然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給我們要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)它也接收可識(shí)別的外部網(wǎng)絡(luò)所傳入的信息,并對(duì)信息進(jìn)行解析,把它變成本網(wǎng)絡(luò)可識(shí)別的命令和數(shù)據(jù)。我們所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)可由上位pc機(jī)與無(wú)線通信適配單元組成,也可以單獨(dú)增加匯集點(diǎn),在網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜的情況下我們選擇前者。

　　3．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)