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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 基于红外传感与无线网络的大气环境监测系统研究 姓名：刘玉宾 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：丁万山 2011-01 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 当前经济的迅速发展及工业化的迅速推进带来了工业废气和温室气体排放量的急剧增加， 导致环境的进一步恶化和全球温度上升，不利于社会的可持续发展。人们迫切需求对大气环境 开展监测和预报，以便采取更广泛、有效的措施控制污染。因此，建立大气环境的连续在线监 测系统已成为当前十分重要的研究课题。 本文在深入分析了红外传感技术和无线网络技术后，提出了针对城市大气环境构建监测与 预警系统的设计方案。
2、通过对测试原理和方法的充分论证，设计了差分吸收式红外气体传感器； 开发了以 CC2430 无线单片机为核心的无线传感网络，包括无线通信与控制模块、A/D 转换模 块、红外传感器模块等软硬件的设计；完成了各软硬件模块的制作和分步调试；在集成开发环 境 IAR7.30B 下完成了 ZigBee 协议栈的移植和节点程序的编写，在 VC+6.0 下完成了 PC 机监 控软件的编写；最后分别完成了对红外气体传感器的标定、测试和对 ZigBee 无线网络的通信测 试，并对整个系统的运行进行了初步测试。 测试实验结果表明，红外气体传感器具备较高的分辨率和精度，其中 CO2气体的测量精度 达到 0.3%，CH
3、4气体传感器的测量精度为 2%；无线模块之间可以实现网络通信，采集的传感 器数据可以通过无线网络传输到监控机上，监控软件能够正确的显示和存储传感器节点采集的 数据。由于本文设计的测试系统具有体积小、成本低、功耗低、响应速度快等优点，可以推广 到矿井，石油，化工废气排放等环境下的气体监测，具有较高的实用性。 关键词：大气环境监测，无线传感网络，红外传感，ZigBee 技术，CC2430 基于红外传感与无线网络的大气环境监测系统研究 II ABSTRACT At present, with the rapid economic development and industrialization p
4、romoted, it has brought a variety of industrial waste gas emissions, leading to further deterioration of the environment and global temperature rise, and it isn t conducive to sustainable development of society. Urgent needs of the people on the atmospheric environment monitoring and forecasting in
5、order to take broader, more effective measures to control pollution. Analysis of atmospheric pollution, establishing and improving the atmospheric environment monitoring system has become an important research topic. After the analysis of the infrared sensor technology and wireless network technolog
6、y, we proposed using infrared sensor technology and wireless sensor network to build an atmospheric environment monitoring and early warning system.By the full argument and testing of Principles and methods, we designed the infrared gas sensors with technology of differential absorption; we developm
7、ent wireless sensor networks with the CC2430 wireless microcontroller, including wireless communications and control module, A/D converter module, infrared sensor module and other hardware design; completed the debugging of various hardware and software modules; we ported the ZigBee protocol in the
8、integrated development environment of IAR7.30B and programmed the PC- monitoring application software; and we completed the testing of Infrared gas sensor and ZigBee wireless network, and make the initial testing of the whole system. After the test experiments, infrared gas sensor have high resoluti
9、on and accuracy, in which CO2 gas measurement accuracy of 0.3%, CH4 gas sensor measurement accuracy of 2%; wireless network communication between modules can be achieved, the sensor data collected by wireless network to the monitoring machine, monitoring software can correctly display and storage of
10、 data collected by sensor nodes. As a test system designed in this paper is small, fast response, etc., can be extended to emissions, mines, chemical plants and other gas monitoring environment with high availability. Keywords: Atmospheric environmental monitoring, WSNs, infrared sensors, ZigBee tec
11、hnology, CC2430 基于红外传感与无线网络的大气环境监测系统研究 VI 图表清单 图 2.1 甲烷气体的主要光谱吸收带.7 图 2.2 I- C 关系曲线8 图 2.3 双波长单光路的结构框图10 图 2.4 单波长双光路的结构框图10 图 2.5 物理层接口模型12 图 2.6 物理层帧结构13 图 2.7 MAC 层接口模型.13 图 2.8 MAC 层帧结构.14 图 2.9 ZigBee 协议结构。.15 图 2.10 网络层的接口模型.15 图 2.11 网络层帧结构16 图 2.12 应用层帧结构16 图 2.13 ZigBee 网络拓扑结构图17 图 2.14 系统示
12、意图.18 图 2.15 传感器节点框图18 图 2.16 协调器节点框图18 图 3.1 MIC2591 电路图 21 图 3.2 硅光电二极管伏安特性22 图 3.3 PD36 的特征吸收光谱图.23 图 3.4 OPA377 前置放大器的基本电路24 图 3.5 CC2430 模块硬件应用电路.27 图 3.6 CC2591 射频前端放大电路.28 图 3.7 仿真器 JTAG 口连接结构.28 图 3.8 十针 JTAG 接口.29 图 3.9 3.3V 电源电路29 图 3.10 5V 电源电路.30 图 3.11 MAX1168 的典型硬件电路图31 图 3.12 串口转换电路原理
13、图.32 图 4.1 MAX1168 的工作时序35 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 图 4.2 MAX1168 的启动及读取流程图 35 图 4.3 IAR 集成开发环境42 图 4.4 传感器节点主体程序流程图.43 图 4.5 MAX1168 数据采集程序流程图 44 图 4.6 采集数据的滤波程序流程图.44 图 4.7 协调器节点程序流程图45 图 4.8 监控应用程序主界面.47 图 4.9 串口设置界面47 图 5.1 串口通信测试51 图 5.2 电源电压与温度采集调试51 图 5.3 MAX1168 的 AD 转换测试结果.52 图 5.4 CO2浓度和 V/ V0 的
14、拟合曲线.55 图 5.5 CH4浓度和 V0/V的拟合曲线57 图 5.6 协议栈通信测试57 图 5.7 整机运行调试结果.58 图 5.8 整机系统调试结果 159 图 5.9 整机系统调试结果 259 图 5.10 传感器数据在数据库中的数据表60 表 1.1 几种无线通信技术的比较. 5 表 3.1 大气中红外线的主要吸收气体及其吸收频谱20 表 3.2 PD34 性能参数.23 表 4.1 MAX1168 控制字 .34 表 4.2 MSSTATE_LRWPAN 与 Microchip Stack V3.6 协议栈的比较39 表 4.3 协议栈参数配置41 表 4.4 面向用户的主
15、要功能回调函数.41 表 5.1 AD 转换测试表 52 表 5.2 驱动电路测试53 表 5.3 前置放大器测量结果.54 表 5.4 CO2标定数据.55 表 5.5 CH4标定数据.56 南京航空航天大学硕士学位论文 IX 注释表 略写 英文全称 中文名称 APDU Application Protocol Data Unit 应用层协议数据单元 APS Application Sublayer 应用支持子层 CCA Clear Channel Assessment 空闲信道评估 CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoida
16、nce 避免冲突载波监听多路访问 ED Energy Detect 信道能量检测 FFD Full Function Device 全功能器件 FSM Finite State Machine 有限状态机 GPRS General Packet Radio Service 通用分组无线业务 GSM Global System for Mobile Communications 全球移动通讯系统 GTS Guaranteed Time Slots 时隙保证槽 ISM Industrial Scientific Medical 工业、科学、医学 JTAG Joint Test Action Group 联合测试行动小组 KVP Key Value Pair 键值对 LED Light Emitting Diode 发光二极管 LNA Low Noise Amplifier 低噪声放大器 LQI L
