2 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，主要包括LXK－3瓦斯傳感器、SHT11溫濕度傳感器、PPD4NS粉塵傳感器模塊、 ATmega128L單片機(jī)、CC1000無線收發(fā)芯片、液晶顯示模塊等。

2.1 瓦斯傳感器模塊
2.1.1 瓦斯傳感器的工作原理
　　目前檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊姆绞接泄飧缮?、氣敏半?dǎo)體、載體催化、電化學(xué)和紅外吸收^[4]等，經(jīng)過幾十年的研究，載體催化元件逐步成熟并占據(jù)了礦井瓦斯和多種可燃可爆氣體檢測(cè)領(lǐng)域的首位。其檢測(cè)原理為：由帶催化劑的檢測(cè)元件和不帶催化劑的補(bǔ)償元件及相應(yīng)的匹配電阻組成電橋，瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)檢測(cè)元件電阻值改變，影響電橋平衡，從而可以檢測(cè)環(huán)境中瓦斯?jié)舛茸兓?BR>2.1.2 LXK－3及其信號(hào)調(diào)理
　　本文采用中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所的LXK－3催化元件。該系列元件是一種廣譜性的氣敏元件，適用于天然氣、液化石油氣和城市煤氣等多種可燃?xì)怏w的檢測(cè)和報(bào)警。圖3為L(zhǎng)XK－3在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路，其差分輸出電壓反映了瓦斯的濃度變化，直接作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入通道(ADC3、ADC2)。LXK－3的輸出電壓范圍為－50～50mV,而參考電壓選擇單片機(jī)的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓2.56V，因此對(duì)差分電壓放大50倍比較合適。ATmega128的ADC放大倍數(shù)只有三種選擇：1x、10x、200x，為了提高精度，采用外部放大器與模擬開關(guān)相結(jié)合的工作方式，由單片機(jī)控制模擬開關(guān)，采用10x、50x、200x三個(gè)檔位。

　　由于LXK－3對(duì)電源要求比較高(2.8±0.1V)，而本系統(tǒng)采用電池供電，電壓不夠穩(wěn)定，因此采用輸出電壓可通過電阻R2調(diào)節(jié)的專用電源芯片LP3965對(duì)其供電。由LP3965的電阻－電壓公式可以確定電阻R2的值，即R2=R1(-1),V_OUT=2.8V， R2＝13kΩ。
2.2 微控制器ATmega128單片機(jī)
　　處理器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心。本文采用的ATmega128L單片機(jī)外形小，集成度高，功耗低，支持睡眠模式，運(yùn)行速度快，內(nèi)部有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC，有足夠的外部通用I/O端口和通信接口，成本低且有安全性保證。
2.3 CC1000無線收發(fā)模塊
　　無線收發(fā)模塊完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收及轉(zhuǎn)發(fā)功能，這里采用Chipcon公司的單片無線收發(fā)通信芯片CC1000，其具有低電壓(2.3～3.6V)、低功耗、高靈敏度、小尺寸、接收信號(hào)強(qiáng)度" title="信號(hào)強(qiáng)度">信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)、可編程輸出功率(-20～1OdBm)等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳速度可達(dá)72.8kbps,具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議。CC1000與單片機(jī)的通信通過三線串行接口(PDATA、PCLK和PALE)進(jìn)行。圖4是CC1000在系統(tǒng)中應(yīng)用的電路原理圖，外圍元器件的參數(shù)是在發(fā)射頻率為915MHz的條件下配置的。
2.4其他重要模塊
　　除檢測(cè)瓦斯?jié)舛韧?，?jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫濕度傳感器模塊，不僅可以進(jìn)行溫濕度檢測(cè)，還可以根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)對(duì)瓦斯傳感器校零。Sensirion公司高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT11，采用串行時(shí)鐘輸入線SCK來與單片機(jī)保持通訊同步，串行數(shù)據(jù)線DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)，能夠直接提供溫度在－40～120℃范圍內(nèi)、濕度在0～100％RH范圍內(nèi)的數(shù)字輸出。
　　粉塵傳感模塊采用SHINYEI KAISHA公司的PPD4NS粉塵傳感器，感知微米以上的粉塵，以檢測(cè)單位體積內(nèi)粉塵粒子的絕對(duì)個(gè)數(shù)。
　　報(bào)警節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示通過中文液晶顯示器模塊實(shí)現(xiàn)。
3 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
　　軟件系統(tǒng)的主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、無線收發(fā)、液晶顯示和節(jié)點(diǎn)定位等,采用模塊化設(shè)計(jì)。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要設(shè)置瓦斯信號(hào)的采集參數(shù)并控制采集、讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出并計(jì)算露點(diǎn)；無線收發(fā)模塊通過設(shè)置寄存器控制對(duì)命令或數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛取貪穸鹊葦?shù)據(jù)的本地實(shí)時(shí)顯示；節(jié)點(diǎn)定位模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

　　節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)要支持傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)層的支持，方便系統(tǒng)擴(kuò)展，因此系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)是在嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行的，與基于硬件的C語言直接編程相比，這種方式對(duì)功能擴(kuò)展、功耗控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化等有很大幫助。嵌入式操作系統(tǒng)選用了加州大學(xué)伯克利分校的基于事件驅(qū)動(dòng)的TinyOS操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)過程是：首先用C語言設(shè)計(jì)程序，然后在處理器上移植TinyOS操作系統(tǒng)，利用其編程語言(nesC)在TinyOS下編譯。
3.2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理
　　瓦斯?jié)舛刃盘?hào)的采集控制模塊主要完成采集參數(shù)選擇(數(shù)據(jù)放大倍數(shù)檔位轉(zhuǎn)換)與數(shù)據(jù)計(jì)算工作。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的最大值為511，采用450、50作為檔位判斷上下限，分別設(shè)置10x、50x、200x三個(gè)信號(hào)調(diào)理檔位。瓦斯?jié)舛扔?jì)算時(shí)，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出，由差分輸入轉(zhuǎn)換公式ADC=(V₊-V_-)·GAIN·512/V_REF計(jì)算出差分電壓△V，再根據(jù)LXK－3的輸出特性曲線，即可得到瓦斯?jié)舛戎怠?BR>　　溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通過DATA線直接讀取，控制流程如下：用一組啟動(dòng)傳輸時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測(cè)量命令(‘00000101’表示相對(duì)濕度，‘00000011’表示攝氏溫度)后,釋放DATA線，等待SHT11下拉DATA至低電平，表示測(cè)量結(jié)束，同時(shí)接收數(shù)據(jù)。
　　對(duì)于粉塵傳感器模塊，計(jì)算數(shù)據(jù)端口輸出脈沖中低電平的占空比即可得到粉塵濃度。
3.2.2 無線收發(fā)程序
　　無線收發(fā)程序負(fù)責(zé)接收來自基站或其他節(jié)點(diǎn)的命令或數(shù)據(jù)，并發(fā)送本節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。首先進(jìn)行CC1000的寄存器初始化配置，然后通過改變寄存器的值，進(jìn)入待機(jī)、發(fā)送或接收模式。圖5為無線收發(fā)的控制流程圖。