基于无线传感网络的室内空气质量监测系统设计.pdf

聊城大学专业硕士学位论文摘要室内空气质量是关系人们身体健康的重要因素，尤其是像病房、办公室、教室、工厂厂房等密封效果比较好、空间相对狭小的地方，对室内环境空气质量进行监测的 研究尤为重要。空气质量的基本要素有：温度、湿度、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、PM2.5等。本空气质量检测系统针对室内环境空气质量中的多个物理量进行多点实时 监测，并通过ZigBee无线通信模块和GPRS模块组成无线数据通信网络山，将采集 集信息上传，最终在上位机显示和存储，并根据设定值进行报警。系统采用STC12C5A60S2系列作为控制核心，采用高精度激光检测PM2.5传感 器、温度传感器、湿度传感器以及醛、酮、醇类气体传感器检测空气中的各参数的含 量。为方便安装使用，系统采用了无线数据传输方式进行组网通信，首先将ZigBee 模块采用增强型的链式拓扑结构组成数据通信网络，数据打包汇总后经GPRS模块把 数据传输到网络上，根据数据格式编写的上位机软件可远程实时查看各个传感器所采 集到的环境空气参数，超出设定阈值的将进行报警。系统的创新点包括：(1)将本系统设计的环境质量监测终端与无线传感器网络相融合，即可以实现对 PM2.5、温度、湿度、二氧化氮、一氧化碳等信息的采集及传输，又可以借助检测系 统的现有布局进行传感网络的组件，可在上位机分析上述采集信息等工作状态，为故 障排查及维修提供重要依据，增强了对系统的实时管理的时效性。(2)根据各房间内传感器安装的空间位置特点，提出了增强型链式无线网络拓扑 结构，采用这种新型拓扑结构之后，可以有效的增强无线网络的健壮性，避免因单个 网络节点出现故障时影响整个网络数据的传输。关键词：空气质量监测系统；无线传感网络；GPRS；ZigBee聊城大学专业硕士学位论文ABSTRACTAir quality is an important factor affecting the health of people in the indoor environment,especially as wards,offices,classrooms,factory buildings and other sealing better,space is relatively small place,how to monitor indoor air quality has become particularly important.The basic elements of air quality include:temperature,humidity,carbon dioxide,carbon monoxide,formaldehyde,PM2.5,etc.Aiming at multiple physical of indoor air quality,the air quality monitoring system will make multi-point and real-time monitoring.The collected information is uploaded by wireless data communication network which composed by ZigBee wireless communication module and GPRS module.The final data is displayed on the PC,and according to the set value alarm.The system uses STC12C5A60S2 series as the control center.It also includes high-precision laser detection PM2.5 sensors,temperature sensors,humidity sensors,as well as aldehyde,ketenes,alcohols gas sensor detects levels of formaldehyde in the air.To facilitate installation,the system uses a wireless data transmission network to communicate.Firstly,ZigBee modules using enhanced chain topology to component data communications network,and the Packaging data transmission via GPRS modules to the network.According to the data displayed on the PC,we can view real-time data for each collection point.If some data exceeds the set threshold,the system will alert.The innovation of this system includes:(l)The existing environmental quality monitoring devices and wireless sensor network together can collect and transport PM2.5,temperature,humidity,formaldehyde and other information which from multi-point in the indoor environment,and according to a preset threshold to monitor each of the physical quantities.(2)According to the characteristics of sensors space location,the thesis proposes an enhanced chain wireless network topology,and the new topology can effectively enhance the robustness of wireless networks and avoid failure when a single network node affects the transmission of data across the network.keywords：air quality monitoring system;wireless sensor network;GPRS;ZigBee聊城大学专业硕士学位论文目录第一章绪论.11.1 课题研究背景及其意义.11.2 空气质量监测系统的研究现状.11.3 本文的主要研究内容及创新点.3第二章 无线传感网络结构及拓扑算法.52.1 无线传感网络的体系结构概述.52.2 常用的ZigBee网络拓扑结构.62.3 用于本系统的新型网络拓扑结构.72.4 本章小结.12第三章 室内环境质量监测系统的总体设计.143.1 系统设计原理与方案选择.143.2 设计的指标与要求.193.3 系统设计方案.203.4 本章小结.22第四章系统硬件设计.234.1 监测终端硬件设计.244.2 网关节点硬件设计.314.3 GPRS通信模块设计.334.4 本章小结.35第五章 系统软件设计.365.1 软件设计需求及步骤.365.2 系统监测终端的软件设计.375.3 网关节点的软件设计.425.4 系统上位机软件设计.465.5 本章小结.55第六章 工作总结与展望.56参考文献.57附录.59聊城大学专业硕士学位论文致谢.71攻读学位期间发表的学术论文及科研情况.72聊城大学专业硕士学位论文第一章绪论1.1 课题研究背景及其意义近些年来我国的经济飞速的前进，工业生产也保持着快速增长的姿态。在经济 增长的同时必然会带来一定的负面影响。比如，在石油等重工业的生产中，会由于 操作的疏忽、安全意识的淡薄导致有害气体的泄漏等问题给周边的百姓造成了不必 要的危害。一氧化碳(CO)气体中毒事故也是常见的，尤其是在农村，这个问题十分 的普遍。通常一个成年人一氧化碳的最大摄入量是50ppm,一旦高于此浓度就会出 现中毒状况，状况轻者会出现各种不适症状如头痛、恶心等，状况严重的可能会出 现深度昏迷，甚至死亡的危险。还有就是目前最为普遍的雾霾现象。而雾霾的罪魁 祸首就是PM2.5,也就是悬浮在空气中的灰尘烟雾等物质，这些物质一般都是直径 小于或者等于2.5微米的可入肺颗粒物。这些物质一旦吸入体内就会造成呼吸道的 感染，严重者会造成呼吸困难或者死亡。这些废弃物的主要来源是汽车制造的尾气 垃圾、道路上出现的灰尘、厂房生产产品的垃圾、农作物燃烧秸秆的垃圾。目前人 们普遍关注的是室外大气中的空气污染情况，而忽略了对室内空气质量的监测。相关信息显示：室外PM2.5可能比室内低，封闭环境更易受到污染。这在一定程度 会受到很多民众不解，其实PM2.5是很小的颗粒物，人眼很难发觉。因此，污染物 很容易进入到室内密闭环境。除此之外，密闭室内的各种装修物及烟气等都是造成 PM2.5偏高的重要因素。正是由于室内空气状况不良，做好室内环境空气质量的监测具有非常重要的意 义，室内空气质量的监测与净化将为保障居民健康做出贡献。与此同时，对室内空 气质量的监测将会促进我国环保产业的进行。1.2 空气质量监测系统的研究现状1.2.1 国外研究现状全球环境恶化已成为不争的事实，早在上世纪七八十年代就有一些发达国家对 空气质量进行检测评估，并进行及时通报。经过将近40年的发展与创新，从发达 国家开始并逐渐延伸至国内，有关大气污染与检测网络逐步完善，并投入使用，很 1聊城大学专业硕士学位论文多国家已经开始采用先进的环境大气污染动态检测系统，并进行全天候立体式检测 与分析。空气质量监测系统，以一套自动化的监测器为主体，完成对空气质量参数的自 动检测与信息显示。湿法监测又可以分成“库仑法”“电导法”两类，运用化学原 理实现监测，这也就造成了后续的试剂回收处理以及浓度调整等一系列问题，需要 专业人士进行细致专业操作，步骤繁琐、故障率高、后期维护困难。这种方法的使 用以日本为主，但自上世纪90年代开始，日本在国标规定的测量方式方法中增加 了“干式”测量的应用。和“湿法”不同，“干法”利用光学原理进行测试监测的,它主要的要求是将样品长久保持在空气下，不添加任何化学试剂，相关的配套维护 较为简单。欧美发达国家大都以“干法”作为主要监测方法，它基本主宰如今空气 检测整个领域，同时也是大势所趋。从检测技术的动态来说，最新一代的技术应 该是“灵敏光谱技术”，也是目前的主流技术。现如今，空气检测方面的两类新型 仪器已在国外问世，分贝为差分光谱吸收仪系统和新型红外系统。新型红外系统的 主要工作是监测关注度较高的气体，它以高灵敏，抗干扰型备受欢迎。它可以不问 断的对排放出来的气体进行长距离的监测，而且灵敏度高、反应时间快。差分光谱 吸收仪能监测多种气体，有这其他检测仪没有的优势。仪器中独立的望远镜设计既 可以传送光束也可以吸收从反光镜反射回来的光，保证了光束的精确性。1.2.2 国内研究现状我国空气污染主要来自于工业排放的废气，因此，城市空气质量监测一直以来 占据着空气监测的主导，监测装置与设施也以城市自行配备为主，并在此基础上逐 步延伸至农村，但目前对于室内环境监测的重视程度，还有待提高。其中的投入及 方式方法大都借鉴欧美、日本等发达国家，同时也结合我国国情开展了了一些适合 我国空气质量情况的检测方法研究工作和推广工作。自1985开始，国内部分直辖 市或京津沪等大城市逐步开始试用并启动大气自动监测系统，但对于室内空气质量 监测，仍然没有实质性的进展。由于我国没有自主研发的国产空气自动监测装置，所使用的设备主要依赖于进口。设备的价格和维护成本普遍偏高。1992年开始形 成的全国城市空气质量状况及趋势发展评价网络中，有一小部分城市建立的空气自 动监测系统，由于政府部门监管不力、经费不足、相关设备不齐全、专业人员缺乏 等诸多原因，并没有很好的将监测数据充分利用，各级政府及相关部门也没有要求 2聊城大学专业硕士学位论文统一规范各城市提供的空气质量监测数据取得及测量的方法，数据失去统一标准，造成大部分的数据变为无用数据。自21世纪以来，中央政府及国家环保部门开始 注重城市及周边地区空气质量数据汇总及分析工作，全力推动城市基础设施与配套 空气环境监测系统的建设，并且给予较大的资金支持及政策倾斜。21世纪初期，空气质量检测系统基本都是靠进口。现在我们国家主要有两种检测设备，一种是长 光程空气自动监测设备，另一种是干法空气自动监测设备。新世纪初期，国产的空 气质量监测系统已进驻国家环保部门以及一部分省份。1.3 本文的主要研究内容及创新点本系统针对室内环境空气质量中的多个物理量进行多点实时监测，并通过 ZigBee无线通信模块和GPRS模块组成无线数据通信网络，将采集信息上传，最终 在上位机显示和存储，并根据设定值进行报警。为方便安装使用，系统采用了无线数据传输方式进行组网通信，首先将ZigBee 模块采用增强型的链式拓扑结构组成数据通信网络，数据打包汇总后经GPRS模块 把数据传输到网络上，根据数据格式编写的上位机软件可在远程实时查看各个传感 器所采集到的环境空气参数，超出设定阈值的将进行报警。系统包括：系统监测 终端、ZigBee无线路由节点、GPRS无线通信模块、上位机监测软件等四大模块。主要的研究工作步骤：(1)监测终端的硬件设计、供电模块的硬件设计、数据显示部分设计；(2)设计ZigBee无线路由；(3)GPRS通信模块的电路设计；(4)无线传感网络的新型拓扑算法(5)数据采集及处理部分算法设计；(6)上位机显示界面设计。系统的创新点包括：1、将本系统设计的环境质量监测终端与无线传感器网络相融合，即可以实现 对PM2.5、温度、湿度、二氧化氮、一氧化碳等信息的采集及传输，又可以借助检 测系统的现有布局进行传感网络的组件，可在上位机分析上述采集信息等工作状 态，为故障排查及维修提供重要依据，增强了对系统的实时管理的时效性。3聊城大学专业硕士学位论文2、根据各房间内传感器安装的空间位置特点，提出了增强型链式无线网络拓 扑结构，采用这种新型拓扑结构之后，可以有效的增强无线网络的健壮性，避免因 单个网络节点出现故障时影响整个网络数据的传输。本文将从以下几点展开介绍：硬件设计、嵌入式软件设计、上位机软件设计、数据采集与处理算法的推导、新型网络拓扑结构及通信方式。根据课题的研究内容，本论文的章节安排如下：第一章为“绪论”主要概述了空气质量监测系统目前在国内外的研究成果以及 发展状况；同时交代了论文研究的主要内容、章节分布及创新点。第二章为“无线传感网络结构及拓扑算法”，首先简要概述了无线传感网络的 体系结构；然后讲述了无线传感网络的特点及关键技术；接着论述了常用的ZigBee 技术的网络拓扑及协议构架；最后详细介绍了用于本论文的新型网络拓扑结构。第三章为“室内环境质量监测系统的总体设计”，首先介绍了系统设计原理与 方案选择，主要从气体监测传感器和无线通信方式分析；然后介绍设计的指标与要 求；最后总结出本系统的总体设计方案。第四章为“系统的硬件设计”，系统的说明监测系统硬件方面的相关设计，它 主要包括：监测终端、ZigBee无线路由器、网关节点和GPRS通信四大模块设计。第五章为“系统软件设计及数据处理算法”，首先介绍了系统软件设计的功能 需求及步骤，然后介绍了下位机和上位机的软件设计。第六章为“工作总结和展望”，对本次课题研究工作进行了总结，并对下一步 工作给出了几点可行的研究方向。4聊城大学专业硕士学位论文第二章无线传感网络结构及拓扑算法2.1无线传感网络的体系结构概述随着科学技术的进一步发展，无线传感技术也得到很大的提高，与此同时传 感器技术也得到了相应的发展。这也就促进了技术成熟、价格低廉并且功能齐全的 传感器的生产。微型传感器具有很多功能，比如采集信息、分析处理数据、实现 无线的通信等等。无线传感器系统首先由监测域区内的传感器采集信息，接着通过 无线通信方式组成自组网系统，它的主要作用是可以辅助整个系统采集、分析和处 理监测域内的监测对象，然后发给上位机。现在全世界都在关注无线传感器网络的发展。现在无线传感器技术与理论的逐 渐完善，它现在不仅仅应用在军事国防领域而且已经扩展到医疗保健、环境保护等 众多领域，这让大家可以在任何地点时间都能得到想要的信息。无线传感网络的特点：(1)大规模网络：为得到相对准确消息，一般我们会在监测区设置非常多的传 感器。之所以称之为大规模网络是因为：第一，监测区非常大；第二，安排很紧密,常常要不大面积内要安排很多传感器。(2)自组织网络：一般要安置随机方位，这种关系不是提前设定好。(3)可靠的网络：传感器非常适合布置在露天环境以及人力不可达的区域，尤 其是当传感器被安置在室外时，很容易受到雨雪天气或者其他生物的破坏。无线传感网络的关键技术口(1)时间同步：常情况下在同步过程中会用到树形结构，这与路由协议研究中 寻找路径的方法相类似，所以可考虑借助寻找最佳路径的方法来研究时间同步。(2)安全技术：在很多情况下，无线传感网络会安排在用户不便操作的地方，想要维护非常困难。对于物理层，加密算法和扩频通信不失为良好的措施。(3)数据融合：它的主要作用是：一是节省能量，因为在传送数据的过程中删 除了冗余的信息从而减少了能量的需求；二是获得更为精确的信息，在采集过程中 采用多点采集的方法，从而减少了数据传输的错误率。(4)数据管理：为了将数据逻辑视图与其物理实现区分开来。这就要求传感网 络采集并分析所需的数据信息，然后同应应用程序的相关问题。数据管理系统存储5聊城大学专业硕士学位论文容量比较大而且计算能力比较强，监测终端产生的误差比较小，可以采用持续的查 询或者快照查询。2.2 常用的ZigBee网络拓扑结构常用的的树形、网状和星形三种种拓扑结构。协调器、路由器以及终端设备是 ZigBee网络中常见的3种设备。协调器主要负责建立、管理和维持网络、分配网络 地址；路由器主要负责维护路由表信息、路数据转发和储存等功能。下面具体介绍 一下这几种网络拓扑结构回。(1)星形拓扑结构网络中只有单独一个RAN协调器的中央调制设备和众多的终端设备是星形拓 扑结构的特性。协调器只考虑网络维护的构建问题，它是全功能设备(FFD)。终端 设备分为FFD和RFD两种，它只能单一与RAN协调器进行通信，当他有需求跟 其他终端设备通信时，必须由RAN协调器转发来实现。星状网络拓扑结构适用于 病房、办公室等区域。图2.1为星形拓扑结构图。T 通信线路FFDO RFD图2.1星形拓扑结构(2)树形拓扑结构树形拓扑结构，可想而知由树叶、枝干和树根组成。图2.2为其结构样式，节 点是网络中的终端设备也就是大树的叶；若干节点连接到路由器上，路由器是为枝 干；若干路由器聚集到PAN协调器上，它便是树根。PAN协调器首先选择PAN标 识符，并且广播发出此信标帧，待到其他设备收到此信息后才可以申请加入网络，最后形成网络的首要簇。路由器获取信标帧信息，接着配置并发出信标帧，然后与 其他设备形成下一簇。显然，树形拓扑结构适合较大范围的场所。6聊城大学专业硕士学位论文图2.2树形拓扑结构(3)网状拓扑结构与网状拓扑结构一样由终端节点、协调器、路由器等设备组成。图2.3为其结 构图。网状拓扑网络更灵活，无制网络的形状的限制，且节点间的传输也更有效方 便，只要在有效区之内，设备间就可以实现通信。网状结构的优势是覆盖范围大,可以构建更复杂的网。但是，由于协调器需要同时有维护管理网络和路由器的功能,因而它的计算能力很强，相应的复杂度高，成本也很高。而路由器负责的信息更为 健全，因此它的成本和复杂程度比其他拓扑结构更高。因此，网状拓扑结构实用在 分布范围较广的应用场合如工厂和智能农场等网口9。图2.3网状拓扑结构2.3 用于本系统的新型网络拓扑结构在本系统中结合ZigBee通信特点以及传感器的排布方式，采取了增强型的链 7聊城大学专业硕士学位论文式拓扑结构作为本项目中使用的拓扑连接方式。2.3.1 增强型链式拓扑结构概述目前，在构建网络时，大部分节点的分布是采用单链式结构，这样就会造成监 测终端能量的不均衡消耗，假如某一个节点出现了故障，那么在单链拓扑结构上就 会影响整个链路的正常通信和运转。所以说汇聚节点和传感节点的合理布置，不仅 可以均衡能量、延长寿命，还可以减少维护工作量。根据上述内容，本系统采用增强型链式拓扑结构，依据能量消耗多少来部署节 点的位置，采用不等间距的优化间隔方法部署监测终端和汇聚节点。在节点不等问 距的排列下，根据各个节点的能量消耗，提供计算公式计算出链式模型的优化间隔，节点根据优化间隔部署可以均衡各节点的能量消耗，延长整个网络的寿命。在优化 间隔增强型链式结构中，监测终端按照优化间隔排列的方法进行部署，在这个基础 上，将汇聚节点设置在所有监测终端的中间，进而形成优化间隔增强型链式结构。2.3.2 增强型链式网络结构的具体实现无线传感器网络采用增强型链式拓扑结构，包括汇聚节点、信息管理中心和各 监测终端。监测终端采集需要检测的数据信息，然后通过无线通信方式传送给汇聚 节点；汇聚节点对上传来的数据进行分析处理，接着把分析结果通过GPRS传送给 上位机；上位机根据传送来的数据进行分析处理并做出相应的措施。汇聚节点一方面经由GPRS模块与信息中心完成交换数据的工作，另一方面由 射频模块完成与监测终端的交换数据工作。监测终端负责获取外部信息并将获取的信息送给处理器模块处理。2.3.3 增强型链式拓扑结构特点这种增强型网络拓扑结构不仅具有一般无线传感器网络的特点，还具有自身节 点可部署、网络生命周期长、汇聚节点能量不限的特点。根据监测终端个数、通信 距离长短及节点的能耗，计算出链式模型的优化间隔，采用增强型链式结构对监测 终端及汇聚节点进行部署，避免了离汇聚节点越近的监测终端尽可能同时消耗自身 的能量，从而很好的延长了整个网络的生命周期，并提高网路数据的可靠性，达到 减少维护的目的。下面主要从算法的理论推导上阐明增强型网络拓扑结构的优势。8聊城大学专业硕士学位论文2.3.4 增强型拓扑结构优化间隔算法及推导在本系统中监测终端按优化间隔分布，汇聚节点设置在所有监测终端的中间，形成不等间距的优化间隔增强型链式结构，优化间隔的计算公式如下：4=-(2.1)-(n-z+l)t-FL z=i d其中，4为单链路中第，个监测终端到汇聚节点的距离，孔为单链路中监测终 端的个数，为单链路中第几个监测终端到汇聚节点的距离，夕为路径损耗常数。2.3.5 增强型拓扑结构中节点能量模型在传感网络系统中，传输模块中信息的收发和启动收发是能量消耗的主要来 源。监测终端启动后，侦听数据信息时，就要启动传感器发送模块，相应的路由节 点要启动接收模块，当数据包较短时，启动能量也是主要的能耗来源。节点的能量 消耗模型如下：单跳状态下，每位的能量消耗(，)为：E+.=%+g+(2.2)et-tad0(2.3)2.3.6 增强型拓扑结构中单跳距离的确定节点等间距排列的链式模型中，在通信距离较远时，采用多跳可使能耗较小，单多跳在通信过程中，每一个节点的能耗不一样，中间节点负责发送自己和周围节 点的数据包。因此，距离汇聚节点越近，需要传送的数据包就也越多，也需要更多 的能量，这样汇聚节点附近的监测终端将很快被耗尽能量，汇聚节点将无法进行工 作，严重影响了网络的生命周期。采用不等间隔部署，离汇聚节点越近的节点间距 越小，每跳传输的能量越低，从而平衡所有节点的能耗。在不等间距模型中，各间 隔分别表示如果每个节点都有数据包需发送经多跳到达网关，则 整个系统的能耗为：或皿玛)+L+J)+上汽(，+、,夕)(2.4)/乙 i=l由于实验的通信距离固定，所以总距离是有限制条件的：9聊城大学专业硕士学位论文dj=r(2.5)i=l由(2.4)(2.5)式可知，当n,r 一定的情况下，(2.4)式前两项是固定的，第三个合项是变化的，它引起卫一的变化，但石卫一在有限闭区间内总存在最小值，对应 linear linear一组最优的4值。对第三项求偏导，联想到各节点能耗均衡，得到以下式子：11 1能/伍一，+1其中，将(2.6)式代入(2.5)式，得：A 二-(2.6)(2.7)将(2.7)式代入(2.6)式,则：g+唔r(2.8)相关实验证明，在等间距情况下和在优化间距排列情况下，增强型链式结构比 链式结构的路由健壮性更好。在项目测试中证明，采用增强型的链式结构，能够 在单个节点出现供电故障或通信故障的时候，有效保证其他节点的正常通信，增加 了整个系统的稳定性和抗故障能力，同时可以减少因设备故障时数据反复搜索带来 的能量消耗。2.3.7增强型链式拓扑路由算法及流程上行数据传输网络路由节点10聊城大学专业硕士学位论文图2.4 新型链式拓扑节点路由示意图如图2.4所示，为新型链式拓扑节点路由示意图。图中-为网络路由节点，0号为网络协调器。网络协调器负责数据分发与打包处理。根据室内无线网络的组 网特点，网络节点程序中，需要对数据增加包头，以确定数据来源于跳数。如果按 照传统的ZigBee组网方式，链式拓扑网络将很快耗尽ZigBee协议栈的最大路由跳 数，因此，需要在新型网络中对路由跳数进行智能化改写，使之能够适应增强型路 由的特点，增加了网络健壮性。ZigBee无线路由模块进行数据整合处理，将相邻ZigBee节点发送的信息进行 路由处理，根据地址编号做打包处理，并将地址写入包头，间隔一定时间，主动扫 描相邻的4个网络节点(向前两个，向后两个)，分别取得这两个网络的信道、PANID 等参数。中继路由选择上行PAN加入。加入成功后，首先向上行PAN的协调器汇 报自己采集的空气质量信息。然后检查RAM中是否有其他节点上下行数据信息，如果有，则将其传递到上行协调器，或下行路由节点中。接收其他路由节点信息，并对信息加以甄别，对于重复信息，不进行重发。对于单个信息，发送握手信息，确认路由节点通信是否畅通，如果未收到回复信息，向上行协调器汇报节点故障信 息、，同时将路由信息进行传输内。处理后的相关数据可直接在液晶显示屏上进行显 示，同时经过GPRS传递到监控中心囚,监控中心再做出相应处理。ZigBee网络是由协调器建立完成的，协调器由协议栈各层的分工协作完成建网 过程，协调器建立网络的处理流程如下：(1)APL层启动建网请求。(2)中继路由选择上行PAN加入。加入成功后，首先向上行PAN的协调器汇 报自己采集的空气质量信息。然后检查RAM中是否有其他节点上下行数据信息，如果有，则将其传递到上行协调器，或下行路由节点中。(3)接收其他路由节点信息，并对信息加以甄别，对于重复信息，不进行重 发。对于单个信息，发送握手信息，确认路由节点通信是否畅通，如果未收到回复 信息，向上行协调器汇报节点故障信息，同时将路由信息进行传输(4)开始运行 新网络。开始运行新建立的网络。(4)允许关联节点加入网络。ZigBee协调器启动完成后，调用网络层原语 NLME.PERMIT-JOINING,request,允许相关节点加入网络。11聊城大学专业硕士学位论文路由节点建立数据连接的步骤为：(1)主动扫描相邻的4个网络节点(向前两个，向后两个)，分别取得这两个 网络的信道、PANID等参数。(2)中继路由选择上行PAN加入。加入成功后，首先向上行PAN的协调器汇 报自己采集的空气质量信息。然后检查RAM中是否有其他节点上下行数据信息，如果有，则将其传递到上行协调器，或下行路由节点中。(3)接收其他路由节点信息，并对信息加以甄别，对于重复信息，不进行重发。对于单个信息，发送握手信息，确认路由节点通信是否畅通，如果未收到回复信息,向上行协调器汇报节点故障信息，同时将路由信息进行传输。(4)重复上述2、3步骤。经过上述4个步骤，中继路由即可实现上行/下行节点之间传递命令包和数据 包，同时可以判断出节点故障等信息。路由节点流程图如图3.5所示：图2.5路由节点流程图2.4本章小结本章首先概述了无线传感网络的体系结构，然后讲述了无线传感网络的特点及 12聊城大学专业硕士学位论文关键技术，紧接着介绍了常用的无线传感网络组网拓扑结构，最后具体讲述了用于 本系统的新型网络拓扑结构。在课题应用的拓扑结构中，主要阐述了这种拓扑结构 的网络拓扑特点、路由算法公式的推导、算法的流程以及算法程序的实现。本章内 容为系统硬件设计提供理论基础。13聊城大学专业硕士学位论文第三章 室内环境质量监测系统的总体设计3.1 系统设计原理与方案选择在设计系统时，精确、实效是测量数据的标准，决定了相关传感器的选择；灵 活、高效是数据传送所用的通信方式的基本要求了，也决定通信方式的选择。本文 首先介绍常用气体检测传感器的分类与检测原理，然后介绍目前常用的短距离无线 通信方法及技术特征，通过各类气体传感器和无线通信技术的比较，选择出一套适合 本系统的方案。3.1.1 监测系统中气体传感器的选择化学传感器中最重要的一部分就是气体传感器。从它的特性分析、工作特性到 监测的技术，从监测区域到主要的用途，从材质结构到加工过程，都能作为分类的 标准，从而派生出许多分类的体系结构。目前，对于气体传感器的分类标准还不是 很标准，要对传感器进行细致的划分还需要进行很大的工作。下面我们将根据监测 气体传感器的检测原理进行大致的介绍。(1)热导式气体传感器这种传感器是由气体的浓度变化引起电压或者电流的变化来判断是何种气体 的感应器，它利用电信号变化来展现气体相关信息，达到监测预警的效果。该传感 器作用范围大，可检测100%的气体浓度，性能稳定，工作年限长；但是热导式气 体传感器的缺点比较明显：精度较低、反应周期长、温度偏差较大，无法推广应用 7 O(2)半导体气体传感器半导体气体传感器通过电阻变化来表现气体的各个指标。依照不同的物理性质 分成电阻式和非电阻式两种传感器网。电阻式半导体气体传感器构造简单、性价比高，是一款市场占有率较高的传感 器。因此，对这类传感器做深入分析研究。电阻式半导体气体传感器的核心为气敏 元件材料，该材料一般为金属氧化物。金属氧化物半导体的特点为气体附着在元件 表层时，电导率会随之产生变化。(3)电化学气体传感器电化学传感器也是利用电信号来表现气体变化的，这里的电信号是与气体浓度 14聊城大学专业硕士学位论文成正相关，它是由气体和传感器发生相应的反应形成的。三电极的此类传感器较 为普遍，重点介绍一下这种电化学气体传感器。三电极分为：工作电极(WE)、参考 电极(RE)以及计数电极(CE)o其模型如图3.1所示：气体进气孔图3.1三电极电化学传感器模型工作电极与被测气体发生氧化还原反应，电流随之发生变化产生相关信号。参考电极：利用参考电极与工作电极的电压，来确认工作电极电位变化值。辅助电极：辅助电极发生的氧化还原反应与工作电极相反，就是为了平衡电 流，使产生的电流顺利到达外部电路，据此检测相应的电流值。图3.2为恒电位控制电路，由一个场效应管和两个运放器组成。其中，高精度 运放器，电流偏置很低，有效防止电流进入参考极，保护整个恒电位电路。图3.2中，气体与传感器接触发生化学反应，产生的电流经过R2和运放电路 后得出相应的电压值。输出电压表示：V0UT=IxR2(3.1)15聊城大学专业硕士学位论文图3.2 电化学传感器恒电位电路通过测量输出电压，得出电流值，最后根据电流值与气体浓度变化关系计算出 气体的浓度数据，完成了对被测气体的信息数据检测。(4)红外线气体传感器红外线气体传感器的工作原理是根据不同浓度或者种类的气体对红外不同的 吸收特性，将它转换成电信号来检测浓度。该类传感器的组成大体分为：带有红外 探测功能的器件、信号处理电路、光学系统以及显示单元。红外探测器：这是红外传感器的核心。原理简单，就是红外射线照射物体产 生相应的光学变化来完成探测工作。光学系统：这部分由物镜和辅助光学元件组成。用来收集目标的红外线辐射 能量，并将目标的辐射分布图汇聚在一个确定的像面上。辅助系统由整流罩、中继 光学系统、浸没物镜、光锥和各类扫描元件等组成，用来提高系统的性能指标。信号调理电路：此部分对探测器检测到的信号进行放大、滤波，并从中提取 所需的信息。显示单元：对信号调理电路输出的信号进行处理后，以直观的方式展现给工 作者。常见得显示单元有指示仪表、记录仪、液晶显示器和示波器等。(5)光散射式颗粒测量传感器本设计主要用到的就是光散射法颗粒测量传感器，它是通过散射光信号的强弱 来分辨粉尘颗粒相关信息，这种光信号通过与颗粒接触产生光散射，进而产生散射 光的信号Hi。这种方法主要是用到Mie散射理论和颗粒物的各种数据参量来推算实 际颗粒物的浓度。事实上，颗粒物与光的散射之间的关系也受到了颗粒物的形状、大小等的影响，也就是说他们之间的关系并不是稳定的，是随时间变化的。光散射 法的传感器具有测量重复性能好、监测速度比较快、并且适合在线非接触行的测量 16聊城大学专业硕士学位论文等优势，因此得到了普遍的应用。为了满足日益增长的需求，现在许多国内外公司 都在研究不同规格的颗粒传感器。通过以上各传感器的比较，我们选择以下方案：气体传感器中PM2.5的检测选 择了光散射式颗粒测量传感器；甲醛气体的检测选择了基于半导体原理的气体传感 器；温湿度的检测选择了电化学传感器。3.1.2 监测系统无线通信方式的选择近年来，半导体和无线通信网络技术高速发展，众多无线通信技术应运而生。对众多无线通信技术作简要介绍，选取一种适合该监控系统无线传感器网络的通信 技术。(1)蓝牙(Bluetooth)蓝牙，工作频段为2.4GHz,通信覆盖范围：传输速率：1Mbps-3Mbps,一种短距离通信技术。数据、语言都可通过蓝牙进行传输。手机、PDA、笔记本电 脑、耳机等终端都广泛集成蓝牙模块。(2)Wi-FiWi-Fi,一种应用相当广泛的无线通信标准。它以11Mbps的传输速率和100m 的传输距离进行通信传输工作。(3)红外通信技术(IrDA)红外技术作用范围：传输速率：16Mbps,基于红外线的020方式的短 距离通信技术。红外技术通信角度必须小于30度，因此该技术很难推广。(4)射频识别(RFID)这种技操作简单，不需要任何多余的操作，就可以得到想要的数据。(5)ZigBeeZigBee技术，近年来发展比较迅速的一种速率低，耗能少，费用低的近距离无 线通信技术，工作频段2.4GHZ(国际通用)。以下几点是其特点：功耗低：一般情况下，几节五号电池就可以坚持很长时间。成本低：协议简化并且该协议不收取专利费。芯片售价大约2美元左右。时延短：通信延时以及待机到工作时延都很短。因此ZigBee技术比较适合 对时间要求较高的工业设备。网络容量大、网络灵活而且安全。17聊城大学专业硕士学位论文(6)GPRSGPRS位于2G和3G之间的2.5G通信技术,也可说是延续了 GSM的通信特点。GPRS已不单单局限于GSM的电路交换，而是通过一些简单的改造完成了分组交 换，达到了可观的数据传输效果口引。连接简单传输方便，因此不需任何转换。MSC 移动交换中心，短消息业务网关移动交换中心(SMS.GMSC)、GPRS骨干网。GPRS的具体特点：第一，将数据进行分组推送以及接收，其传输速率是GSM的数倍达到了 56H5Kbps、171.2Kbps的访问速率较为理想，音视频大容量的文件也可进行传输。第二，长久在线建立新连接无需等待，即时即用。第三，计费合理，仅按照数据流量计费不算时间。表3.1 几种短距离无线通信技术的比较规范工作频段传输速度(Mbps)最