图1 系统架构

本系统分为两部分，由上层控制中心和下层传感节点组成。生产管理人员可以通过监控中心的上位机读取当前的环境参量，对当前的车间环境进行管理；同时还可以使用自定义的中断查询机制，通过向网络发送读取请求，使网络中的节点响应中断，上传当前检测值。当然，根据需要，节点本身也可以采用LCD即时显示采集结果。众多传感节点共同组成无线传感网络，该网络具有很好的扩展性，可以随意地增减节点，对网络的拓扑结构和组网模式无太大影响，因而可以根据实际需要增加或减少监控节点的数量，以达到最优化监测。

下面为该系统实现的硬件功能结构框图：

图2 系统硬件结构框图

在整个硬件平台的设计中，节能是一个重要因素，它决定着传感器网络的寿命。当节点目前没有传感任务并且不需要为其他节点转发数据时，调节节点的无线通信模块、数据采集模块进入休眠状态以节省能耗。同时为控制子节点选择合适的地点，提供较充足的能源，以便延长节点使用寿命，提高监测预警系统的有效性。

3.2.1节点组成

节点主要由四部分组成：包括数采控制单元、微处理单元、无线通信单元、供电单元，见下图：

图3 节点组成图示

1 、数采控制单元

数采控制单元主要负责实现数据信息的采集，本系统采用的多数传感器集成了单片机和ADＣ模块，可以直接输出数字量。

（1）数字温湿度传感器

数字式温湿度传感器是把温度和湿度，通过温、湿度敏感元件和相应电子电路转换成易于采集和读取的数字信号的传感器。本项目拟采用SHT10传感器来完成温、湿度的采集。SHT10是Sensirion公司推出的新型集成数字式温、湿度传感器。该传感器采用CMOSens专利技术生产，具有超小体积（表面贴装）、响应速度快、接口简单、性价比高等特点，且其相对湿度和温度的测量兼有露点输出；功耗低，能自动休眠；长期稳定性非常出色。适合本项目的开发。其功能引脚图如下（图4）

图4 SHT10引脚图

引脚说明及接口电路：

①电源引脚（VDD、GND）

SHT10的供电电压为2.4V～5.5V。传感器上电后，它从“休眠”状态恢复过来。在此期

间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。

②串行接口

SHT10的两线串行接口（bidirectional 2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。（图4中为2、3接口）

（2）二氧化碳浓度传感器

①CDM4161简介

    图5

②CDM4161的工作原理

CDM4161对外提供5个引脚（图5），其引脚的功能描述如表一所示

    表一 CDM4161引脚功能表

工作时CDM4161引脚l接+5 V电源，引脚2输出电压范围0.4～4 V，相当于CO2气体浓度范围为400～4 000 ppm。随监测到CO2浓度的高低变化，引脚3相应输出高、低电平可以控制外部通风设备。引脚4在传感器故障时输出低电位，可通过该引脚连接蜂鸣器．以及时监测CDM4161工作状态。

（3）二氧化硫浓度传感器

二氧化硫浓度传感器采用2SH12二氧化硫半导体传感器， 2SH12二氧化硫传感器是高性能的气体检测传感器，可用于对工业中SO2气体的检测。其对二氧化硫气体有有很好的选择性，

灵敏度很高，同时具有良好的重复性和长期的稳定性及抗干扰，适合本系统的开发需求。

特性参数

　　回路电压：（Vc）5-24V

　　取样电阻：（RL）0.5-20KΩ

　　加热电压：（VH）5±0.1V

　　加热功率：（P）约750mW

　　灵敏度：R0（air）／RS（100ppmC2H5OH）＞5

　  响应时间：Tres＜10秒

　　恢复时间：Trec＜30秒

工作环境：温度-10-＋50℃、相对湿度0-90％RH.

（4）一氧化碳浓度传感器

2 微处理单元   

微处理器作为整个节点的控制核心，要对来自各个方面的信息作最终的判断和控制。我们拟采用AVR32 AT32UC3A（图６），其低功耗的特性和丰富强大的处理能力十分适合本系统的开发。

该AT32UC3A集成了可安全和快速访问的片上闪存和SRAM存储器。

外设直接内存访问控制器（PDCA循环），无需处理器参与外设和存储器间的数据传输。PDCA大幅降低了处理连续的大数据的开销和在模块在微控制器间流都动的时间。

PowerManager提高了设计的灵活性和安全性：芯片上的欠压检测器监视电源，CPU使用片内RC振荡器或外部振荡器中之一运行时，实时时钟和与之相关的计时器会跟踪记录相关的时间。

定时器/计数器：包括三个相同的16位定时器/计数器通道。每个通道都可以独立编程进行频率测量，事件计数，间隔测量，脉冲生成，延迟时间和脉冲宽度调制。该AT32UC3A还具有多种通信密集型应用通讯接口。除了标准的串行接口，如UART，SPI或TWI接口外还有灵活的同步串行控制器接口、USB和以太网MAC接口等可供使用。 同步串行控制器可轻松实现串行通信协议和像I2S这样的音频标准。得益于以丰富的端点​​配置，它的全速USB 2.0接口支持多种USB类，OTG接口允许设备像USB闪存盘或一个USB打印机设备直接连接到处理器。

AT32UC3A主要特性:

A、高性能，低功耗的AVR ® 32 UC的32位微控制器

B、紧凑型单周期RISC指令集，包括DSP指令集

C、15个外设DMA通道加快了与外设通信的速度

D、内部高速闪存 512K字节，256K字节，版本128K字节

E、单周期存取高达33兆赫

F、 Prefetch Buffer Optimizing Instruction Execution at Maximum Speed - 优化预取缓冲器在最大速度指令执行

G、4ms的页编程时间和8ms的全芯片擦除时间

H、64K字节（512KB的闪存和256KB），32K字节（128KB闪存）

I、SDRAM / SRAM Compatible Memory Bus (16-bit Data and 24-bit Address Buses) - 的SDRAM / SRAM的兼容内存总线（16位数据和24位地址总线）

J、低延迟中断服务，可编程优先级

K、电源和时钟管理包括内部RC时钟和一个32kHz振荡器

L、看门狗定时器，实时时钟定时器

M、Flexible End-Point Configuration and Management with Dedicated DMA Channels - 灵活的端点配置和管理的专用DMA通道

N、三个外部时钟输入，脉宽调制，捕获和各种计数功能

O、One Master/Slave Two-Wire Interface (TWI), 400kbit/s I2C-compatible一个主/从双线接口（TWI），400kbit / s的I2C兼容

传统的射频前端接收部分包括带通滤波器、低噪声放大器、本振、检波整形、放大器等，发射部分包括调制器、功率放大器、带通滤波器等。而单片数字信号射频收发芯片集成了无线通讯系统的大部分功能，外加少量外围器件即可构成专用或通用无线通信模块，简化了射频前端的设计。

本设计拟采用ATMEL公司的ATmega128RFA1芯片，该片上系统提供了低功耗ZigBee解决方案，可以实现和完成ZigBee协议中FFD与 RFD设备的功能。

•通用的2.4GHz ISM频带收发器与微控制器

•RF4CE的，SP100，的WirelessHART，ISM应用和IPv6/6LoWPAN的无线电收发器提供了从250 kb / s的高达2兆字节/秒，架高的数据传输速率处理，优秀的接收灵敏度和高传输输出功率，能够实现非常强大的无线通讯。其特性如下：

A、高性能低功耗，

B、拥有8位微控制器

C、先进的RISC结构

D、135条指令 -大多数为单时钟周期执行

E、32x8通用工作寄存器

F、全静态工作

G、高达16 MIPS的吞吐量，在16兆赫和1.8V

H、非易失性程序和数据存储器

I、系统内128K字节可编程闪存

J、2000写/擦除周期

K、4K字节的EEPROM

L、 内部16K字节的SRAM

                    图　７　ATmega128RFA1管脚图     

4 .供电单元

本系统拟采用异步串行通信实现单片机与PC机之间的数据传输，在异步串行通信中应用最广泛的标准接口就是RS232C。RS232C是由美国电子工业协会EIA公布的通信协议，适合于较短距离的通信场合（一般小于13米）。AVR32 AT32UC3A有两个全双工的串行通信模块：USART0和USART1。通过对相应寄存器的设置可使这两个模块工作于异步串行通信UART模式。本系统将USART1模块设置为异步串行通信模式，而个人PC机上RS232C接口已经成为一种标准配置，所以连接起来比较方便，只需要完成电平转换，就可连接通信。   

3.2.3 拟采用的其他模块

键盘操作模块和液晶显示模块构成人机接口。人机接口使系统具有良好的人机交互界面。LCD显示模块可以直观显示当前各个传感器模块的数据，液晶拟采用LCM2401281，通单片机进行控制，方便功能扩展。 键盘输入模块实现对微处理器的直接操作 ；存储器模块实现各个模块采集数据的存储，实现了当无线传输网络发生问题时对信号依然进行正常的记录，提高了整套系统的稳定性；报警器模块通过发出声音报警起到提示作用，当无线传输终端发生错误时不影响对实际情况的判断与及时措施的采取。

3.3.1无线网络软件设计

（1）中断程序

网络允许节点以一定的周期自动上传数据，也支持响应由上位机发送的中断请求进行数据被动上传，其中节点MCU控制端的中断相应控制程序分别如图9、１0.

         图9主程序图                                      图１0中断流程

（2）节点软件设计

A、单节点加入和退出网络

当某个节点要加入网络，它向周围发送入网请求，周围节点接收到此信号后等待其他节点发送响应（其中包括自身节点等级和本级节点数是否已满），并依据RSSI强弱排序，建立本节点周围节点状况的联络列表设置，而最终选择这其中最高级可入网节点（假定为入网目标节点），向目标入网节点发送入网请求并等待，当接收到入网目标节点的同意命令并被分编号后，节点就成功加入了网络。之后目标入网节点会将节点加入信息在下一次采集数据时同时逐次将节点入网信息上传，通知主控制台。

当某节点因电池电压过低，或临时要退出网络时会发送退出请求，当接收到上一级节点的同意应答后，将自动休眠或关机，退出网络。而其上一级节点也将同时删除其相应信息。

数据采集端程序

B、节点发送数据设计

终端节点程序设计

当前本系统拟采用简单的时分复用解决碰撞问题，在后期研究过程中将考虑利用更有效的其他方式。这样不同节点在固定时段进行工作，当进入工作周期后，节点进入工作模式根据定时器和MCU的调节工作，当采样时间到后，节点启动，采集数据，发送并等待应答，若接收到上级节点的正确应答，就说明数据发送成功，然后进入休眠；否则继续发送，直到成功（但设定最高次数，超过最高次数就认为出现故障，进行报警），如图１1：

若在节点休眠期间接收到唤醒信号，则响应中断，保护现场，发送当前数据并等待应答，若接收到上级节点的正确应答，就说明数据发送成功，然后进入休眠；否则继续发送，直到

图１3

（3）单片机与PC机串行通信软件接口设计：

3.3.2上位机软件设计

PC机通过接口电路和接口程序从下位机采集到的信息包括：传感节点的编号，传感节点的工作状态，传感节点采集时的环境变量，所有数据存储在数据库中。用户既可以实时观测，又可主动查询。我们打算使用MFC可视化编程设计实现。

图１４实时监测示例

图１５历史数据回查示例

图１６  飞信报警示例图