一、项目概述
1.1 引言
早在上世纪70年代，就出现了用单片机控制的将传统传感器采用点对点传输，连接控制器而构成传感器网络的雏形。随着科学技术的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信号的综合能力，并通过与传感控制器的连接，组成了有信息综合处理能力的传感网络；从上世纪末开始，现场总线技术开始应用到传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用于无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成，因为无线技术低能，低耗的特点，并得到迅速发展。
现今基于单片机技术的传感器的设计和无线传感器网络作为一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，具有广阔的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感网络列为第一项未来新兴技术，探索其在应用领域的实用性尤其重要。
1.2 项目背景/选题动机
随着我国经济的发展，工业园区的发展日成规模，带动了我国GDP的大幅增加。但是日益加剧的环境污染与破坏也成了我们目前面临的首要问题，无论是煤化工业园区、钢铁工业园区、蔬菜工业园区、还是一些核工业园区，一些环境因素诸如二氧化硫浓度，一氧化碳浓度、温度、湿度、二氧化碳浓度等对产品以及人们的生活和工作环境都有着至关重要的影响。因此做好这些环境因素的检测工作是对产品质量和员工身体健康的重要保证。
众所周知，环境变量的精确监测与管理对于提高环境控制精度、节约能源及促进生产等有着重要的作用。目前我国工业园区环境监测系统缺乏，即便是有，往往采用一些生物检测法，布线检测法等，严重浪费能源。在应用方面，缺乏有效的监测管理机制，还未将检测、报警、预处理有机地结合起来；工业园区不同位置的各项参数值往往是不均匀的，所以需要采集多个不同点的温度值进行综合评判，而目前大多数工业园区的环境监测系统不能有效地覆盖整个工业园区，难以实现各个参数的统一性。同时，多数工业园区的数据采集采用人工和有线布网方式，前者消耗大量人力，且采集的信息缺乏一定的实时性；后者虽然比较成熟，但线路布置易受环境影响，安装程序复杂，维修、更新的费用和难度都较大，这给广大工厂带来一定的不便。
基于以上需求，我们将无线传感网络应用于环境监测，通过探索搭建一个稳定的传感器网络，在此基础上研发一种体积小、覆盖面广、功能多样化、便捷稳定的工业园区实时监测系统。尤其对于一些危险的生产车间我们可以采用无人操作模式，只要把传感器平台置于生产车间，采用无线收发数据模式就可以进行环境监测，使它易于操作，便于管理，可直接监测工业园区中各项环境因素的指标，进而解决环境监测成本高、监测难的问题。
本项目是将Atmel AVR单片机和无线传感网络投入具体领域的实用性研究。近年来兴起的ZigBee无线传输技术具有低能耗、较远传输距离、组网简单、抗毁性强等优点，因而得到广泛地推广和应用。其与Atmel AVR单片机的结合，必将增加该领域的又一解决方案，为环境监测和保护做出巨大贡献。同时也激励我们进一步探索基于ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列产品的创新设计，争做21世纪有用的创新人才。
二、需求分析
2.1 功能要求
本系统在大范围环境监测的基础上，以无线传感网络为研究平台，主要进行工业园区或生产车间内的环境数据的有效采集和传输。各采集节点分布于所需检测的环境中，采用Atmel AVR单片机控制各个传感器，节点之间由ZigBee协议搭建无线局域网，将数据传送到控制中心，以实现环境的无线实时检测。下面为系统的整体架构图：
图1 系统架构
2.2 性能要求
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。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
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
3.2 硬件平台选用及资源配置
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