0引言

　　空氣質量監測是壞境監測的一個重要組成部分，已由傳統的手工采樣--實驗室分析發展到自動監測階段。監測的項目由原來的SO2、NOx、TSP逐漸增加了新的項目，如CO、O3以及空氣中有毒有害的有機物。由于人們生活水平的提高，全社會環保意識的提高，對環境信息提供的要求越來越高。但是，空氣質量監測站的設計應考慮到設計成本、易于維護、數據的實時性以及監測范圍的擴大等。無線傳感器節點成本低、功耗小，適用于多個區域的多點檢測，但是無線傳輸距離短，而監測點一般遠離監控中心，現有的GPRS（通用分組無線電業務）網路覆蓋面很廣，遠距離的數據傳輸是很容易的。

　　本文利用現在無線傳感器網絡和GPRS網路來設計空氣質量監測站，介紹了監測站的基本結構、傳感器節點和網關節點的硬件設計及基本工作流程。

　　1 監測站的基本結構

　　監測站主要由無線傳感器網路和GPRS網絡構成，如圖1所示。

　　空氣質量監測站由無線傳感器節點、空氣質量傳感器（檢測SO2，NOx等）以及A/D轉換、網關節點、GPRS模塊、微處理器等組成［1］。監測區域所部署的傳感器節點監測每點的數據，然后數據沿著其他傳感器節點逐級進行傳輸，在傳輸過程中監測的數據可能被多個節點處理，經過多跳后匯集到網關節點，再由網關節點將數據傳輸到控制中心。

　　2 傳感器節點的設計

　　如圖2所示，傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4部分組成［1］。傳感器模塊負責監測區內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，仔儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；電源模塊為傳感器，處理器，無線模塊提供運行所需的能量，并對能量進行管理，以達到最大的使用效率。

　　2.1 傳感器節點硬件電路的設計

　　從傳感器節點的系統造價、開發程度、資源處理能力、基本通信協議能力、二次開發能力及其通信可靠性方面考慮進行硬件電路設計。

　　a）微處理模塊：采用ATEML公司的ATmega1288位AVR微處理器，其128 kB的系統內可編程Flash存儲器，4 kB的EEPROM、4 kB的SRAM基本滿足了系統對存儲空間的要求［2］，不需要擴展存儲空間，減少了系統的能耗；8通道10位A/D轉換器基本滿足了傳感器數據轉換和精度的要求；6種可以通過軟件選擇的省電模式，可以為系統節省大部分電源；先進的指令集以及單周期指令執行時問，ATMEGA128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗與處理速度之間的矛盾。

　　b）無線模塊：采用由（Chipcon公司生產的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420。CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器件，其MAC層和PHY層協議符合802.1 5.4規范，工作于2.4 GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸支持數據傳輸率高達250 kbit/s，可以實現多點對多點的快速組網，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。

　　c）傳感器模塊：采用低功耗的傳感器可以是溫度傳感器，濕度傳感器，以及各種空氣質量傳感器（如TGS2602）。每一個節點可以連接不同的傳感器，以適用各監測點的要求。溫度濕度傳感器是為了校正空氣質量傳感器的數據。

　　d）電源模塊：主要為傳感器、微處理器、無線收發器提供能源，并對電源進行管理，以提高能量的利用率，一般采用干電池供電（2節1.5 V）。

　　2.2 CC2420與ATMEGA128的數據傳輸

　　CC2420與ATMEGA128的連接非常簡單，如圖3所示。使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳表示收發數據狀態［1，3］；處理器通過S P I接口（MISO、MOSI、SCK）與CC2420交換數據，發送命令。這時CC2420是受控的，處理器工作在主機模式，它是數據傳輸的控制方，CC2420設為從機方式。

　　在SPI設為主機方式通信時，應在SPI初始化時由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當數據寫入主機的SPI數據寄存器后，主機將啟動時鐘發生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數據移出，同時從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。

　　圖4表示了ATMEGA128與CC2420之間的數據傳輸方式。