基于无线传感网络的空气质量监测系统标准设计.doc

摘要 空气品质对人影响至关关键，利用传感器检测空气质量是当今流行一个方法，本文介绍了传感器在空气质量检测方面原理应用及监控系统网络设计。本系统采取无线传感器网络来实现数据采集和发送。无线传感器网络是由布署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，经过无线通信方法形成一个多跳自组织网络系统，其目标是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象信息，并发送给观察者。本设计系统采取CC2430无线通信模块、温湿度传感器DHT90、空气质量传感器QS-01、电源模块构建无线传感器网络，经过RS232串口和监控中心通信，使用软件开发平台IAR Embedded Workbench开发ZigBee协议栈，基于ZigBee无线网络技术以低功耗、低成本、低复杂度等特点受到越来越多企业和个人青睐。空气质量监测系统尤其适合于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电场所。估计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域取得广泛应用,利用ZigBee技术完成传感器节点和汇聚节点应用程序，最终能够实现空气质量监测。关键字：无线传感器；cc2430；DTH90；zigbee技术；空气质量检测ABSTRACTAir quality impact on people is very important, using sensors to detect air quality is now a popular method, this paper introduces the sensor in air quality testing principle, analyzes the advantages and disadvantages of gas sensor, and gas sensor development trend and prospects. The system uses wireless sensor networks to achieve datas collection and transmission. Wireless sensor networks are composed of a large number of low-cost micro-sensor nodes which are deployed in the monitoring region, uses wireless communication means to form a multi-hops self-organizing network, with the aim of perception, collection and processing of perceived target information in the network coverage region, and send them to observers.This system uses CC2430 wireless communication module ,temperature and humidity sensor DHT90, air quality sensor QS-01,power module to build wireless sensor networks, and uses RS232 serial port to communicate with monitoring center .Use the software development platform IAR Embedded Workbench to develop ZigBee protocol stack. Based on the ZigBee wireless networking by low characteristics and so on power loss, low cost, low complexity receives more and more many enterprises and individual favor.The ZigBee technology suits specially in the data volume of goods handled small, the network construction invests few, the network security request is high, inconvenient replaces the battery or the charge situation frequently.The estimate in the expense class electronic installation, the family intellectualization, the labor will control, medical domains and so on device control, agricultural automation obtains the widespread application These can definitively achieve the purpose of air quality monitoring.Keywords:wireless sensor;CC2430;DTH90;ZigBee technology;air quality testing 目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 课题背景和研究意义11.3 无线传感器网络研究进展21.4 论文研究内容和组织结构42 无线传感器网络概述62.1 无线传感器网络介绍62.2 无线传感器网络体系结构概述62.3 无线传感器网络特点72.4 无线传感器网络应用102.5无线传感器网络关键技术102.6 无线传感器网络拓扑结构123 空气质量监测系统硬件设计163.1 ZigBee技术163.2 系统总体结构设计173.3 传感器节点硬件设计193.3.1 节点硬件总体结构193.3.2 处理器和无线通信模块HFZCC2430EM22203.3.2 传感器模块223.4 汇聚节点硬件设计273.4.1 电源模块273.4.2 RS232串口模块284空气质量监测系统软件设计294.1 ZigBee协议294.2 IAR开发环境介绍304.3 传感器节点应用程序设计314.4 汇聚节点应用程序设计335 系统测试和结果分析355.1 测试方案355.1.1 硬件测试355.1.2 温度采集及串口显示测试355.1.3 数据通信测试35参考文件36附录C 部分程序384.2.1原语概念444.2.2建立新网络444.2.3ZigBee设备加入网络过程451 绪论1.1 引言因为环境问题严重性使得全社会环境保护意识提升,对于环境信息需求也越来越大。和传统空气质量监测系统相比，使用传感器网络进行环境监测含有以下优点：传感器网络对被监测环境影响小；传感器网络采集数据量大、精度高；传感器节点还含有没有线通信能力，能够使得节点协同监控。无线传感器网络常适适用于无人监守远程监测，该文采取无线传感器网络来监测空气质量,在城市内选择部分监测点,放置传感器节点，并经过ZigBee无线技术传输数据,终端工作人员能够经过监控中心对监测系统进行管理和配置、公布监测任务或是搜集回传数据。1.2 课题背景和研究意义课题背景：当今,人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”以后,又出现了“室内空气污染”为主第三次环境污染1。大量触目惊心事实证实,室内空气污染已成为危害人类健康“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注问题。据统计,全球近二分之一人处于室内空气污染中,室内环境问题对我们来讲，就显得尤为关键。然而对于室内环境问题，我们又往往忽略其关键性。但现在，多种疾病给我们敲响了警钟，再一次提醒我们，改善室内环境，杜绝和预防室内污染，不仅是为了提升我们生活质量，而且，它也关系到身体健康和生命安全。自然环境有包含空气环境、声音环境、温湿环境和光环境2。人工环境又分为绿化环境、装饰环境、改造后自然环境等。我们通常所提到环境污染只是提到空气环境污染，因为它对人危害最大、最直接，从而忽略了其它环境利用和改造。其实，其它室内环境污染一样对我们生活、学习、工作、娱乐等等方面产生了多种危害和影响。美国教授研究表明，室内空气污染程度要比室外空气严重二至五倍，在特殊情况下可达100倍。室内空气中可检测出500多个挥发性有机物，一些有害气体浓度可高出户外十倍乃至几十倍，其中20多个是致癌物。所以美国已将室内空气污染归为危害公共健康5大环境原因之一。加拿大一个卫生组织调查也显示，目前大家68疾病全部和室内空气污染相关室内环境污染已经引发35.7%呼吸道疾病,22%慢性肺病和15%气管炎、支气管炎和肺癌，所以检测技术是大家认识和改造世界一个必不可少关键技术手段3。而传感器是科学试验和工业生产等活动中对信息资源开发获取、传输和处理一个关键工具，而且在空气质量检测方面发挥关键作用。研究意义：人类生存离不开空气，而人一生约80%时间是在室内度过，尤其是老、弱、病、残、幼、孕等体弱者在室内活动时间更长，室内环境质量好坏对她们身心健康愈加关键。所以加强室内环境监测和治理，对确保人民健康，提升国民整体素质十分关键。尤其像中国这么人口众多，而医疗保健水平又跟不上国家，加强室内环境监测，维持一个绿色居住、办公场所，让广大人民全部拥有一个健康体魄，显得尤为关键。国外大量研究结果也表明，室内空气污染会引发“致病建筑综合症”（BBS），症状包含头痛、眼、鼻和喉部不适，干咳，皮肤干燥发痒，头晕恶心注意力难于集中和对气味敏感等4。建筑关联病（BRI），症状有咳嗽，胸部发紧，发烧寒颤和肌肉疼痛等，所以任何一个场所包含室内、室外全部有必需进行空气检测，给家人好友一个舒适健康生活环境。环境保护，监测先行，自动化、信息化是做好环境监测前提和保障，多年来在地方经济快速发展同时，各地域不停出现不一样程度水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了大家生活质量，阻碍了当地经济连续发展5。伴随国家制订多种环境保护政策及法规颁布实施，各级地方政府在对辖区内环境治理日益重视同时，加大了对环境监测及应急监测投资力度，各地域陆续计划安装了空气质量监测站。1.3 无线传感器网络研究进展在西方和部分发达国家如加拿大、英国、德国、意大利和日本等国家研究机构也加入了无线传感器网络研究。欧盟Philips、France Telecom、Siemens、Ericsson等企业，日本NEC、欧姆龙、OKI、Sky2等开展了无线传感器网络研究美国科学基金委员会制订了无线传感器网络研究计划，研究领域包含能感知有毒化学物、生物攻击等传感器节点、分布环境下传感器网络特征等问题6。美国著名院校几乎全部有研究小组在从事无线传感器网络相关技术研究。在中国无线传感器网络及其应用研究几乎和发达国家同时开启，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究“信息和自动化领域研究汇报”中。中国部分科研单位和著名大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从开始在时间同时和定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；，将水下移动传感器网络关键技术列为关键研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也布署了无线传感器网络相关课题，中国也有越来越多企业开始关注无线传感器网络技术发展，开始推出针对无线传感器网络及ZigBee处理方案，而无线网络应用在生活中研究也是刚刚起步7。现在ZigBee网络应用范围很广泛，很多我们想象不到地方也在使用ZigBee技术。比如，在工业领域，ZigBee技术不仅用来控制照明灯开关，它还有一个用途是检验高速路上照明灯工作情况。以前工程师要开车到高速路上检验哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下全部要检修灯编号，但经过ZigBee网络，工程师只需坐在计算机，就能够很清楚地监测到整个高速路上照明灯工作情况，这是现在一个热点应用。再如，ZigBee技术用于进出控制，能够统计汽车进出，也能够在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。另外，经过ZigBee网络路由器功效，它还能够用来实时监控煤矿内各点安全情况，预防事故发生。在加油站，部分用户不期望布线，她们正在考虑采取ZigBee无线技术来传输相关数据。在消费类电子方面，ZigBee技术能够替现在红外遥控，于红外遥控相比，ZigBee优势在于每一个操作全部会有反馈信息，告诉她们是否实现了相关操作。现今我们也能够看到ZigBee用于家庭保安，消费者在家中门和窗上全部安装了ZigBee网络，当有些人闯进时，ZigBee能够控制开启室内摄像装置，这些数据再经过Internet或WLAN网络反馈给主人，从而实现报警8。当在家电产品如空调，热水器等安装ZigBee模块后，用户能够经过ZigBee无线网络来控制这些产品开启。在建筑智能化领域，多种灯光控制，气体感应和监测，如煤气泄漏感应和报警全部能够应用ZigBee技术。ZigBee在未来几年里将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域含有广泛应用前景，尤其是家庭自动化和工业控制，将成为以后ZigBee芯片关键应用领域。在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据自动采集，分析和处理变得愈加轻易，能够作为决议辅助系统关键组成部分。在汽车领域，关键是传输信息通用传感器。因为很多传感器只能内置在飞转车轮或发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置无线通信设备使用电池有较长寿命，同时应该克服嘈杂环境和金属结构对电磁波屏蔽效应。在正确农业领域，传统农业关键使用孤立，没有通信能力机械设备，关键是依靠人力监测作物生产情况，采取了传感器和ZigBee网络后，农业将能够逐步地转向以信息和软件为中心生产模式，使用更多自动化，网络化，职能化和远程控制设备来耕种。在家庭和楼宇自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术集成得以快速扩展，易于进入，简单明了和廉价安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术关键动因8。在医学领域，将借助于多种传感器和ZigBee网络正确而且实时地监测病人血压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生查房工作负担，有利于医生做出快速反应，尤其是对重病和病危患者监护和诊疗。在消费和家用自动化市场，能够联网家用设备有电视，录像机，无线耳机，PC外设，运动和休闲器械，儿童玩具，游戏机，窗户和窗帘，照明设备，空调系统和其它家用电器。1.4 论文研究内容和组织结构研究内容：本论文研究了怎样利用传感器检测空气质量及介绍了传感器在空气质量检测方面原理应用,分析了目前气体传感器特点,和气体传感器发展趋势和前景本包含系统软硬、件设计及其具体实现，关键研究内容以下。一是，现在中国采取空气质量监测方法研究，基于无线传感器网络空气质量监测系统研究意义和无线传感器网络概述，概述包含基础概念、结构、体系结构、特点、应用、关键技术和网络拓扑结构。二是，该系统硬件设计。该系统采取符合IEEE802.15.4标准ZigBee无线技术来实现网络中节点间无线通信。温湿度传感器节点由西安华凡科技HFZCC2430EM22模块，温湿度传感器DHT90和两节五号电池组成。气体传感器节点由西安华凡科技HFZCC2430EM22模块，空气质量传感器QS-01和5V锂电池组成。研究了HFZCC2430EM22模块结构、特征和CC2430芯片内部结构、外在电路；研究了DHT90工作原理并实现了传感器通信，最终焊接制作出温湿度传感器节点。汇聚节点由西安华凡科技HFZCC2430EM22模块和SmartRF07DB母板组成。关键应用母版串口电路和电源模块，因为汇聚节点一直处于工作状态所以选择连续USB供电方法，经过串口连接汇聚节点和PC机并显示测试数据，而串口电平和TTL电平幅值不一样无法直接相连，所以需要串口电路转换电平。三是，该系统软件设计。论文研究了德州仪器开发ZigBee协议栈ZStack软件构架，并在IAR集成开发环境中开发该协议栈，依据传感器节点和汇聚节点应用步骤添加自己温湿度采集应用程序和修改主文件中任务处理函数，最终实现功效。论文结构：共分为5章，结构安排以下：第1章：绪论。介绍了现在空气质量监测方法，课题研究背景及研究意义，无线传感器网络研究进展和论文关键研究内容和组织框架。第2章：无线传感器网络概述。介绍了无线传感器网络基础构架、体系结构、特点、应用和关键技术。第3章：空气质量监测系统硬件设计。介绍了ZigBee技术，系统总体结构设计，传感器节点和汇聚节点硬件设计。第4章：空气质量监测系统软件设计。介绍了ZigBee协议栈，IAR集成开发环境，传感器节点和汇聚节点应用程序设计。第5章：总结和展望。总结本论文所做工作，提出现有方案不足之处，并对下一步工作进行了展望。2 无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络介绍无线传感器网络是大量静止或移动传感器以自组织和多跳方法组成无线网络，其目标是协作地感知，采集，处理和网络传输覆盖地理区域感知对象检测信息，并汇报给用户。它英文是Wireless Sensor Network 简称WSN。大量传感器节点将探测数据，经过汇聚节点经其它网络发送给了用户9。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集，处理和传输三种功效，而这对应着现代信息技术三大基础技术，即传感器技术，计算机技术和通信技术。无线传感器网络是新一代传感器网络，含有很广泛应用前景，其发展和应用，将会给人类生活和生产各个领域带来深远影响。发达国家如美国，很重视无线传感器网络发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络应用和发展。波士顿大学，还于最近创办了传感器网络协会，期望能促进传感器联网技术开发。美国技术评论杂志在叙述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊估计未来四大新技术中，无线传感器网络也被列入其中10。能够估计，无线传感器网络广泛应用是一个肯定趋势，它出现将会给人类社会带来极大变革。2.2 无线传感器网络体系结构概述多年来伴随无线通信、集成电路、传感器和微机电系统（MEMS）等技术飞速发展，使得低成本、低功耗、多功效微型无线传感器大量生产成为可能，这些微型无线传感器含有没有线通信、数据采集和处理、协同合作等功效，无线传感器网络（以下简称传感器网络）就是由很多这些传感器节点协同组织起来。传感器网络节点能够随机或特定地部署在目标环境中，它们之间经过特定协议自组织起来，能够获取周围环境信息而且相互协同工作完成特定任务。传感器网络被认为是二十一世纪最关键技术之一，它将会对人类未来生活方法产生深远影响11。2月份美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响十大新兴技术，传感器网络被列为第一。传感器网络最初起源于美国优异国防研究项目局(DARPA-Defense Advanced Research Projects Agency)一个研究项目，当初处于冷战时期，为了监测敌方潜艇活动情况，需要在海洋中部署大量传感器，使用这些传感器所监测信息来实时监测海水中潜艇行动。不过因为当初技术条件限制，使得传感器网络应用只能局限于军方部分项目中，难以得到推广和发展。多年来伴随无线通信、微处理器、微电机系统等技术发展，使得传感器网络理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广，国外各个研究机构对它研究也正方兴未艾。在传感器网络中，每个节点功效全部是相同，大量传感器节点被部署在整个被观察区域中，各个传感器节点将自己所探测到有用信息经过初步数据处理和信息融合以后传送给用户，数据传送过程是经过相邻节点接力传送方法传送回基站，然后再经过基站以卫星信道或有线网络连接方法传送给最终用户。2.3 无线传感器网络特点传感器网络是由大量体积小、成本低、含有没有线通信、传感、数据处理传感器节点（sensor node）组成，传感器节点通常由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功效模块组成（图2-1所表示）。除此之外依据具体应用需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等12。其中电源单元是最关键模块之一，有系统可能采取太阳能电池等方法来补充能量，不过大多数情况下传感器节点电池是不可补充。定位系统对传感器网络路由是很关键，有些传感器节点采取全球定位系统（GPS）进行定位，不过GPS模块价格昂贵且体积难以降低，所以不可能全部节点全部使用GPS来进行定位。另外，GPS定位还受到其它限制，如部分应用于建筑物内部等。通常情况下是在整个网络中会有一些传感器节点配有GPS系统，其它节点经过局部定位算法得到它们和配有GPS节点之间相对位置，这么全部节点全部能知道各自具体位置了。除借助GPS定位方法外，还有离散梯度法等间接定位方法。图2-1 传感器网络节点组成模块Fig 2-1 node module of Sensor network传感器网络和传统网络相比有部分独有特点，正是因为这些特点使得传感器网络存在很多新问题，提出了很多新挑战13。传感器网络关键特点有：1) 传感器网络节点数量大、密度高因为传感器网络节点微型化，每个节点通信和传感半径很有限，通常为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往经过铺设大量传感器节点来确保网络质量。传感器网络节点数量和密度全部要比通常网络高多个数量级，可能达成每平方米上百个节点密度, 甚至多到无法为单个节点分配统一物理地址。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息有效传送路径选择、大量节点之间怎样协同工作等。2) 传感器网络节点有一定故障率因为传感器网络可能工作在恶劣外界环境之中，网络中节点可能会因为多种不可预料原所以失效，为了确保网络正常工作，要求传感器网络必需设计成含有一定容错能力，许可传感器节点含有一定故障率。3) 传感器网络节点在电池能量、计算能力和存放容量等方面有限制因为传感器节点微型化，节点电池能量有限，而且因为物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点电池能量限制是整个传感器网络设计最关键约束之一，它直接决定了网络工作寿命。其次，传感器节点计算和存放能力有限，使得其不能进行复杂计算，传统Internet网络上成熟协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必需重新设计简单有效协议及算法14。4) 传感器网络拓扑结构改变很快因为传感器网络本身特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换和传感器节点随时可能因为多种原因发生故障而失效，或有新传感器节点补充进来以提升网络质量，这些特点全部使得传感器网络拓扑结构改变很快，这对网络多种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）有效性提出了挑战。另外，假如节点含有移动能力，也有可能带来网络拓扑改变。5) 以数据为中心在传感器网络中大家只关心某个区域某个观察指标值，而不会去关心具体某个节点观察数据，比如说大家可能期望知道“检测区域东北角上温度是多少”，而不会关心“节点N所探测到温度值是多少”。这就是传感器网络以数据为中心特点。而传统网络传送数据是和节点物理地址联络起来，以数据为中心特点要求传感器网络能够脱离传统网络寻址过程，快速有效组织起各个节点信息并融合提取出有用信息直接传送给用户15。现在已经有部分致力于传感器网络企业，如美国Crossbow企业和Dust企业等，其中Crossbow企业已经推出了Mica系列传感器网络产品，到现在已经有了Mica，Mica2，Mica2Dot三种产品。她们还为Mica开发了一套微型操作系统TinyOS。Mica2Dot大小和一枚硬币差不多，每个Mica2能够分为两个模块，一个是基础射频和处理模块MPR（Mote Processor Radio Board），另一个是可选传感模块MDA（Mote Data Acquisition Board）。Mica2工作在915MHzISM频段上，有两个可调工作频率：914.007MHz和915.998MHz16。以AA电池或钮扣电池作为能源，Atmel Atmega 微控制器工作频率为4MHz，无线通信最大速率为40Kbps，单个节点之间最大通信距离为200英尺（约60米）。现在相关传感器网络大多数科研和演示系统全部是以Mica为平台。因为传感器网络需要大规模铺设，要求每个传感器节点成本很低，要达成实用化要求每个节点价格控制在1美元以下，现在每个传感器节点造价大约在80美元左右，不过相信伴随集成技术深入提升和大规模生产带来经济效益，传感器节点成本将会很快下降。其次因为节点微型化要求每个节点体积越来越小，Dust企业已经开始设计最终能够悬浮于空气中“灵巧微尘”（smart dust）传感器，现已设计出最小全功效“灵巧微尘”直径只有5mm左右，她们计划将在1年之内最终设计出体积小于1mm3产品。2.4 无线传感器网络应用传感器网络在军事领域应用十分关键，军方能够经过飞机空投等方法在预定区域散布大量微型廉价传感器节点，经过这些传感器节点实时监测周围环境改变，并将监测到数据经过卫星信道等方法发送回基地17。这么就能够方便地监控我军布防阵地是否有敌军入侵，也能够将网络部署在敌方阵地上，以隐密方法监控敌方阵地和敌军活动情况。现代战争越来越表现出信息战特点，战争中信息立即获取和反应对整个战局影响至关关键，利用传感器网络特点能够给指挥部门提供立即正确信息，这对增强国家国防军事力量是很关键。即使传感器网络最初关键应用于军事领域，不过伴随技术发展，传感器节点成本越来越低，而功效却日益强大，使得以前造价昂贵传感器网络现在已经能够进入民用领域。现在传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，越来越多可能应用领域也不停展现在大家面前，毫无疑问在传感器网络中隐藏着巨大商机。传感器网络在民用方面应用关键有：生态环境监测；基础设施安全；优异制造；物流管理；医疗健康；工业传感；智能交通控制；智能能源等。传感器网络还有很多其它方面应用，前景无限，这里就不一一列举了18。能够肯定是，伴随技术进步和经济发展，传感器网络必将会越来越多应用到社会生活各个方面。2.5 无线传感器网络关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新研究热点，有很多关键技术有待发觉和研究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最关键性能指标，所以WSN关键技术肯定以降低网络功耗和确保网络安全为根本。下面介绍网络拓扑控制、数据融合等部分关键技术。1) 网络拓扑控制对于自组织传感器网络而言，网络拓扑控制含有尤其关键意义。经过拓扑控制自动生成良好网络拓扑结构，能够提升路由协议和MAC协议效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点能量来延长网络生存期。所以，拓扑控制是WSN研究关键技术之一19。WSN拓扑控制现在关键研究问题是在满足网络覆盖度和连通度前提下，经过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间无须要无线通信链路，生成一个高效数据转发网络拓扑结构。拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。功率控制机制调整网络中每个节点发射功率，在满足网络连通度前提下，降低节点发送功率，均衡节点单跳可达邻居数目；现在已经提出了以邻居节点度为参考依据算法，和利用邻近图思想生成拓扑结构DRNG和DLSS算法。层次型拓扑控制利用分簇机制，让部分节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据骨干网，其它非骨干网节点能够临时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。2) 数据融合在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。不过在数据采集和传输过程中，总要对采集数据进行处理，所以存在怎样对采集数据进行处理、融合问题。假如完全在当地节点上处理采集数据而只发送处理后结果，能够降低传输数据功耗，但增加了当地节点处理器功耗；假如传输原始采集数据，能够降低节点处理器功耗但增加了节点传输数据功耗。所以，怎样对采集数据进行处理和融合对降低节点能耗起到相当大作用。通常网络中传感器数量很多，传感器采集数据含有一定冗余度，所以将多个节点采集数据相互结合起来进行处理能够降低整个网络数据传输量，有效降低系统功耗，问题是怎样寻求当地节点处理和节点联合处理平衡点。3) 定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺乏部分，没有位置信息监测消息通常毫无意义。为了提供有效位置信息，随机布署传感器节点必需能够在部署后确定本身位置。因为传感器节点存在资源有限、随机布署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必需满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。现有WSN定位算法依据定位机制不一样，能够分为基于测距方法和不基于测距方法两类。基于测距定位机制利用抵达时间延迟、信号抵达时差和接收信号强度来估量距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估量等计算未知节点位置。而不基于测距定位机制无需距离或角度信息，或不用直接测量这些信息，仅依据网络连通性等信息实现节点定位。距离无关定位机制订位性受环境原因影响小，即使定位误差对应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用需求，是现在大家关键关注定位机制20。4) 无线通信技术传感器网络需要低功耗短距离无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计关键目标。因为IEEE802.15.4标准网络特征和无线传感器网络存在很多相同之处，所以很多研究机构把它作为无线传感器网络无线通信平台。另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等很多优势，已成为室内短距离无线网络首选方案，这为WSN数据传输开辟了一个崭新方案。5) 时间同时传感器网络中因为节能策略,节点在大部分时间是休眠,所以要求处理通信同时问题,即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。另外,传感器网络是一个分布式网络,全部节点在通信上地位对等,没有优先级可言。所以要让整个网络能够工作在有效状态,往往需要做到全网或一定范围内全部节点同时,而不是通信双方简单同时。2.6 无线传感器网络拓扑结构从无线传感器组网形态和方法来看，有集中式、分布式和混合式。集中式类似于移动通信蜂窝结构，能够集中管理；分布式结构类似于Ad-hoc网络结构，可自组织网络接入连接，能够分步管理；混合式结构是集中式和分布式结构组合。其中无线传感器按节点功效及结构层次来看，有可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构和Mesh网络结构21。1) 平面网络：结构以下图2-2所表示，是无线传感器网络中最简单拓扑结构，每个节点全部为对等结构，含有完全一致功效特征，也就是每个节点包含相同MAC、路由、管理和安全等协议。不过因为采取自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂：图2-2 无线传感器网络平面网络结构Fig 2-2 level network structure of Wireless sensor network2) 分级网络结构（层次网络结构）：以下图2-3所表示，分级网络分为上层和下层两个部分上层为中心骨干节点；下层为通常传感器节点。骨干节点之间或通常传感器节点间采取是平面网络结构，然而骨干节点和通常节点之间采取是分级网络结构。通常传感器节点没有路由、管理及汇聚处理等功效。图2-3 无线传感器网络分级网络结构Fig 2-3 hierarchical network structure of wireless sensor network3) 混合网络结构：以下图2-4所表示，混合网络结构时无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构一个混合拓扑结构。这种结构和分级网络结构不一样是通常传感器节点之间能够直接通信，可不需要经过汇聚骨干节点来转发数据，不过对所需硬件成本更高22。图2-4无线传感器网络混合网络结构Fig 2-4 hybrid network structure of Wireless sensor network4) Mesh网络结构：以下图2-5所表示，这是新型网络拓扑结构，这是种规则分步网络，不一样于完全连接网络结构。通常只许可和节点最近邻居通信。网络内部节点通常也是相同，所以Mesh网络也称为对等网。因为通常Mesh网络结构节点之间存在多条路由路径，网络对于单点或单个链路故障含有较强容错能力。其中优点就是尽管全部节点全部是对等地位23，且含有相同计算和通信传输功效，某个节点可被指定为簇首节点，而且可实施额外功效，一旦簇首节点失效，另外一个节点能够立即补充并接管原簇首那些额外实施功效。图2-5无线传感器网络Mesh网络结构Fig 2-5 Mesh network structure of Wireless sensor network从技术上看，基于Mesh网络结构无线传感器含有以下特点：a.由无线节点组成网络：这种类型网络节点是由一个传感器或实施器组成且连接到一个双向无线收发器。b.节点根据Mesh拓扑结构布署：网内每个节点最少能够和一个其它节点通信，这种方法能够实现比传统集线式或星型拓扑愈加好地网络连接性。含有自我形成、自愈功效，以确保留在一条愈加可靠通信路径。c.支持多跳路由：来自一个节点数据在其抵达一个主机网关或控制器前，能够经过多个其它节点转发。经过Mesh方法网络连接，只需短距离通信链路，经受较少干扰，所以能够为网络提供较高吞吐率及较高频谱复用效率。d.功耗限制和移动性取决于节点类型及应用特点：通常基站或汇聚节点移动性较低，感应节点可移动性较高。基站不受电源限制，而感应节点通常由电池供电。e.存在多个网络接入方法：能够经过新型、Mesh等节点方法和其它网络集成。无线传感器节点结构：以下图2-6所表示，无线传感器由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块这四部分组成。其中，传感器模块（传感器和模数转换器）负责监测区域内信息采集和数据转换；处理器模块（CPU、存放器、嵌入式操作系统等）负责控制整个传感器节点操作，存放和处理本身采集数据；无线通信模块（网络、MAC、收发器）负责和其它传感器节点进行无线通信；能量供给模块为传感器节点提供运行所需能量，通常采取微型电池。图2-6无线传感器节点结构Fig 2-6 Wireless sensor node structure除了这四个模块外，传感器节点还能够包含其它辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。因为传感器节点采取电池供电，所以尽可能采取低功耗器件，以取得更高电源效率。3 空气质量监测系统硬件设计3.1 ZigBee技术ZigBee是基于IEEE802.15.4标准低功耗个域网协议。依据这个协议要求技术是一个短距离、低功耗无线通信技术。这一名称起源于蜜蜂八字舞，因为蜜蜂(bee)是靠翱翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀“舞蹈”来和同伴传输花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这么方法组成了群体中通信网