網絡體系結構
1、節點組成結構
在所需監測大氣環境質量的區域分布有大量大氣環境監測所需傳感器、電流/電壓轉換器、中央處理器、無線收發器和高效電池組成的微型模塊，這些微型模塊按照一定的協議組成無線網絡。每個微型模塊代表網絡中的一個通信節點，且每一個通信節點具有唯一的地址標識（ID）。其硬件框圖如圖1所示。
通信節點的數據采集可以根據大氣環境監測的需要選定合適的傳感器，如溫度、氣壓、總可吸入顆粒物、SO2、NO2或其它需要監測氣體等，本設計所選取的監測對象為大氣的溫度和大氣中的SO2、NO2濃度。因為大氣中的SO2和NO2濃度值很低，而且平時的濃度值和突發環境污染事件時的濃度值相差巨大，這就要求所選取的SO2和NO2氣體傳感器具有高精度和大量程的特點。
瑞士membrapor公司的電化學SO2傳感器SO2/CF-100型號和電化學NO2傳感器NO2/M-20是很好的選擇。這兩種型號的電化學傳感器的工作原理均為空氣中的監測氣體與傳感器的電極發生化學反應輸出與氣體濃度大小成正比例的電流信號均有測量數據準確的優點，且價格便宜的優點。二者的性能參數參見表1。
氣壓傳感器采用VTI公司的高精度氣壓傳感器，無須額外的供電，輸出0～3V電壓，精度18pa。溫度傳感器與微處理器模塊和無線通信模塊集成，測量范圍 -45°C ～ 100°C ，精度 0.1°C 。氣壓值和溫度值用于對氣體濃度值的修正。電流/電壓轉換電路將SO2和NO2傳感器輸出的微弱電流信號轉換為符合A/D模塊輸入要求的0～3.3V電壓信號，該電路由兩級集成運算放大器組成，具有放大倍數大，溫漂和零漂小的特點。
通信節點主要由兩打模塊組成，即微處理器模塊和無線通信模塊。
微處理器模塊主要由A/D轉換電路和微處理器組成。
A/D轉換電路具有6路外部輸入通道，四個傳感器傳回的0～3.3V的電壓信號由A/D轉換電路進行量化、編碼，生成10位的數字信號，并將該信號傳給微處理器。
微處理器采用ATMEL公司的ATmega128型號高性能、低功耗AVR8位增強型單片機，該單片機具有速度快、抗干擾能力強、可C語言編程等優點。
ATmega128采用先進的RISC精簡指令集結構，具有133條功能強大的指令，這些指令大部分可以在一個時鐘周期內執行，片內帶有32×8個通用工作寄存器和執行時間為兩個周期的硬件乘法器；具有128K在線可重復編程Flash、4K字節EEPROM和4K內部SRAM，具有JTAG，可通過JTAG接口對Flash、EEPROM熔絲位和加密位進行編程；ATmega內含兩個8位定時/計數器、兩個擴充的帶有預分頻器、比較和模式捕獲模式的16位定時/計數器、獨立振蕩器的實時計數器、二通道8位PWM、6通道2～16位精度PWM、8通道10位A/D轉換器、輸出比較調節器、8個單通道、7個微分通道、2個增益位1/10x/200x的微分通道，兩線（I 2C ）串行接口、二路可編程串行UART接口、主/從SPI串行接口以及帶有內部振蕩器的可編程看門狗定時器。微處理器將接收到的4個傳感器的信號進行處理，為每個數據幀的幀頭和幀尾，根據各個傳感器輸入接口的不同，在每幀數據中對應的起始位和結束位加載該傳感器的數據，并在每幀數據中加上該通信節點的ID編碼；根據接收到的監控中心的指令喚醒通信節點或使通信節點進入睡眠狀態，以減少電能消耗。
無線通信模塊采用Ember公司的2420EM射頻芯片。其性能及主要技術參數如下：采用IEEE802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式，工作頻帶范圍為2400～2483.5MHZ，在國家規定免費頻段內工作；采用O－QPSK調制方式，數據速率達253Kbps，碼片速率達2MChip/s；超低功耗（RX：19.7mA，TX：17.4mA）高接收靈敏度（-94dB），抗相鄰頻道干擾能力強（39dB）；內部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低壓供電（2.1～3.6V）；輸出功率可編程，接口配置簡單，4線SPI接口，串行時鐘接口頻率可達到 10M ；IEEE802.15.4MAC層硬件支持，可支持自動幀格式生成、同步插入和監測、6bitCRC校驗、電源監測、完全自動對MAC層起安全保護；外圍電路簡單，只需要極少的外圍元器件，外部數字I/O接口使用3.3V電壓，與微處理器輸出的邏輯信號完全兼容。無線通信模塊負責信號的收發，并對發送的每幀信號在幀的結尾加載8位的發射信號強度信息。
通信節點的工作流程：傳感器將采集到的信號傳輸給A/D轉換器（其中，SO2和NO2傳感器的信號在傳給A/D轉換器前需經電流/電壓轉換器進行變換），A/D轉換器對傳感器信號進行量化編碼，生成對應數字信號，并將該數字信號傳給微處理器，微處理器對該數字信號進行處理后，生成相應的待發送信號，微處理器采取一定的控制策略，使待發送信號通過無線通信模塊發射出去。每個無線傳感器通信節點都具有數據發送、接收和轉發功能，并可自動生成路由。
Sink節點是處在通信節點和監控中心之間的節點，是連接通信節點和監控中心的橋梁，它接收通信節點發送過來的監測數據，并將該數據通過一條與監控中心計算機連接的RS232串口線傳回監控中心，同樣，它也接收監控中心計算機發送的指令，并將這些指令發送給通信節點。
2、系統體系結構
基于無線傳感器網絡的大氣環境監系統的體系架構，如圖2所示，主要有4部分組成：通信節點、Sink節點、應用服務器、數據服務器。通信節點具有數據采集、信號處理和無線通信功能，它既是信息幀的發起者，也是信息幀的轉發者，通過網絡自組織和多跳路由，將數據向Sink節點發送，Sink節點通過RS232串口線和計算機相連。
