无线环境监测大全11篇

无线环境监测篇（1）

无人值守综合监控系统可在比较复杂环境中实现无人值守检测，集中式管理与分布式监控远程设备。对于无线远程实施监控系统来讲，在系统内充分运用了诸多先进技术，如无线通信技术、现代传感技术及环境测试技术等，可将其大致划分为三部分，即以Web为基础的数据与分析模块、服务器端接收存储模块及终端采集发送模块。本文基于MSP430探讨环境监测系统的设计路径。

1.系统分析与模块介绍

1.1系统总体设计

无线环境监测系统设计中，选用节点寻址技术，实施多节点通信。手机无线通信距离外的各节点数据，乃是无线实时检测系统所需解决的关键问题，也就是监控终端采用切实办法对无线通信距离之外的探测节点数据进行实时收集，有别于其它类型的预设路由的接力数据传输方式，对于覆盖区域相应拓展问题给予了有效解决，在运行中，监控终端始终均为主控，能够收集制定区域框架内各探测节点的实时数据，而对于特殊情况，针对所接收到的远端请求，能以被动的方式来接受，若在节点发生紧急情况，能够及时作出处理。而对于探测节点，其处从属地位，监控终端对其实施控制，在紧急状况下，可调整至主动发送，保证能够及时上报可能出现的环境污染因子。

1.2系统硬件设计

1.2.1硬件设计思路

无论是探测模块还是监控模块，均需由MCU实现，本文均选用MSP430F1611单片机（TI公司），将其当作控制器，对于MSP系列单片机来讲，其实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机，其具有比较底的功耗消耗，此点对于本系统设计，对于本次设计尤为重要。对于环境监测模块而言，可监测二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息，而对于其它类环境信息的测量，在本系统中快速植入。定点采集及轮询等方式，各节点实现有序通信，而通过运用预设路由的接力数据传输方式，能够较好的且系统化的解决覆盖范围拓展问题，对于监控终端，还有屏显与键盘功能，本文选用128×64液晶屏显及4×4按钮键盘。

1.2.2无线通信模块

对于环境监测数据，其实为静态信息，具有相对不高的数据传输速度要求，在对无线通信模块进行设计时，则可将nkF24L01数字无线收发器作为优选。此接收器其实为一款低成本无线收发器，即为工业级内置硬件链路层协议。此器件于2.4GHz工作，在ISM频段全球开放，内部设置有多种功能模块，如调制器、晶体振荡器、功率放大器及频率合成器等，并且其中还内置有ShockBurst技术（增强型），另外，可通过程度配置方式，确定通信频道与输出功率。可直接连接于单片机I/O，具有较少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比较低，若将发生功率{整至-6dBm，则工作电流便会维持在8mA：若处于接收状态，电流则维持在12.2mA，通过各种低功率工作模式的运用，可更好的开展节能设计。

1.2.3监控模块

对于监控模块，对于其核心处理器的选用，通常以MSP430F1611单片机为基础，实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机。监控模块当中的液晶显示与键盘，能够操作各种菜单功能，另外，还可进行数据与信息的实时查询。在内容上，还包含有基于本地环境的监测模块，类似一节点。

1.2.4环境监测模块

环境监测模块的核心处理器也采用的是MSP430F1611单片机，能够测量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在检测二氧化硫、二氧化氮和臭氧时，分别选用紫外荧光传感器、化学发光传感器和紫外吸收传感器，测量范围为0-500ppb，通过与SPI形成兼容效应，用微型SOT23-6来封装。通常情况下，化学发光法传感器测量范围为0-500ppb。

2.系统功能设计

2.1轮询模式

先选择“数据采集”，从中找出“轮询模式”，然后进至此模式，对于其中各个节点，需逐个访问，针对各节点的执行，需要做到与定点采集模式相同，首先从节点1进行定点采集之后以自动的方式在，在需要访问的后续地址上加一，也就是节点2，以此方式类推，直至最后节点。最后屏显所测数据，以便清晰观察分析。探测时，如若在等待时间上超出终端，便会向下节点自动跳转，并继续进行访问，在终端数据上予以显示，从中便可查知此节点所存在的故障，所以，此模式能够对各及诶单正常工作与否进行检测。

2.2自动接收

对于自动接收模式而言，其能够将监控模块，时刻控制在等待接收状态，各探测节点依据实现设定好的顺序，将环境数据信息定时发送。为不出现冲突，即大于2个节点同时进行数据发送，当进至自动接收模式时，监控模块会将一个启动时钟发送至全部探测节点，将其为基准，各个探测点延时后，会将环境数据信息自动发送。

3.环境监测系统覆盖范围扩展

无线环境监测篇（2）

 

1 前言

环境保护越来越受到重视，环境监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学的依据。目前无线传感器网络在环境监测中发挥着越来越重要的作用。与传统的环境监测手段相比，使用无线传感器网络进行环境监测有三个显著优势[1]：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对被检测环境的人为影响很小。二是传感器节点数量大，分布密度高，每个节点可以采集到某个局部环境的详细信息并汇总融合后传到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，探测精度高的特点。三是传感器节点本身具有一定得计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的检测，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。因为传感器网络节点对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，所以无线传感器网络适用于多种环境监测应用中。

2 环境监测应用中无线传感器网络节点的硬件设计

图1节点硬件组成

微处理器采用TI公司的超低功耗的MSP430系列处理器，功能完善、集成度高，而且根据存储容量的多少提供多种引脚兼容。

无线通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通过SPI接口与MSP430相连接。

电源用电池供电，使用AA电池。

传感器节点可以不在节点中包含模数转化器，而是使用数字换能器接口。

3 无线传感器网络用于环境监测中的关键技术

3.1 节点部署

好的无线传感器的节点部署必须同时考虑覆盖和连通两个问题。覆盖要求在感知中的每个地方都能至少被一个节点监视到，而连通要求在网络通信上不被分割。覆盖受节点的敏感度影响，而连通受到节点的通信距离影响。

因监测环境的复杂性和监测环境对于外来设备的敏感性、为了获得周围环境的确切参数和为了延长传感器网络部署的有效时间、增强传感器网络的实用性，所以用于环境监测的传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长的要求。

选择可替换、高精度的传感器对于环境监测来说至关重要。一般来说，同类的传感器测得数据之间误差应不超过3%，这样通过一定得补偿机制可以将误差控制在1%之内。选择传感器的另一个重要因素是传感器的启动时间。在启动时间内传感器需要一个持续的电流作用，因此需要采用启动时间较短的传感器以节省能量。

3.2 能量管理

无线环境监测篇（3）

监测饲养鱼类生活水质的情况，从而使用有效的措施改善水质，保证水产品质量安全，实现安全生产的目的。WSN（无线传感器网络）具有人工自动智能化程度高、信息时效性强、所覆盖区域很宽广、能完成多路传感器数据一起采集、扩展性好等特点，将其用于水质环境监测相关领域有着很广泛的应用前景。当前，我国及国外均已开展了WSN在水质监测方面的相关应用探究。我国专家所带领的团队设计了基于WSN的海洋环境监测系统，已具备海洋生态环境监测等功能；基于ZigbeeWSN与互联网Internet结合的远程实时水质监测相关工程型系统，实现了水质监测相关数据的获取及疏导。可是上述监测系统很多使用水质自动监测仪进行监测，此仪器是根据测量电极、变送器设备以及显示等功能性设备组成的一体化装配硬件，它个头大、价格高，且需要时常供电，无法应用于大范围水域进行监测等缺点。下文根据水体的T、pH和溶解氧浓度为监测对象，设计了一套基于WSN的水产养殖水质监测系统。在调理电路相关的同时，无需供电，实现了监测过程整体所设想的无线化。这套系统使用起来不僵硬，能对大范围养殖领域实现水质环境相关数据的实时获取、无线传输和远程监测等技术手段。

二、局域语言编程系统整体设计

本文所提到的局域语言编程系统主要由多相关数据养殖水资源质量Sensor（传感器）、数模变送局部模型、WSN、GPRS发送单位、数据及时分析查询以及短信预警局域语言编程系统等几个部分组成。基于网络的智能化养殖水资源质量相关数据及时监管测试预警局域语言编程系统，不仅可以对养殖水资源质量环境相关数据开展及时监管测试，还可以对监管测试相关数据开展数据融合，并建立养殖水资源质量相关数据的历史综合大数据，从而为科学养殖提供基础可靠数据。

三、局域语言编程系统主要功能

本文局域语言编程系统的主要功能是及时监管测试养殖水体的养殖水资源质量环境变化，并通过无线通信技术将监管测试数据传输到监管测试中心，以实现数据持续记录、分析处理并及时预警的目标，实现对水体环境非正常情况的及时预警，并在第一时间提醒相关人员使用必要的调节措施。1.养殖水资源质量监管测试局域语言编程系统使用相关数据养殖水资源质量Sensor（传感器），可及时监管测试养殖水体的T、pH值、溶氧量等相关数据。2.监管测试局域语言编程系统持续二十四小时不断自动监管测试各种各样的养殖水资源质量相关数据，并自动发送到大数据接收器，与此同时记录并做相关方向的分析。3.数据接收器获取各监管测试相关收集点数据，相关接收者可随时通过个人电脑操控客户端软件，及时调取查看检测数据或开展辅助分析相关工作。4.数据分析局域语言编程系统可通过图表形式显示检测数据，提供比较直观具体的养殖水资源质量环境变化趋势。同时，能及时保存所获取的数据信息，并建立大容量的“养殖水资源质量环境历史大数据”，为水产养殖相关探究与生产提供了可靠依据。

四、无线Sensor（传感器）网络节点硬件设计

无线Sensor（传感器）网络节点包括Sensor（传感器）节点、路由节点以及相关数据融合节点，路由节点由Sensor（传感器）节点充当，聚节点要与监管测试中心计算机连接，在硬件上，只减少Sensor（传感器）局部模型以及增加非并行通信局部模型，其他局部模型设计与Sensor（传感器）节点基上述一样。

五、硬件组成Sensor（传感器）节点

主要由Sensor（传感器）局部模型、处理器局部模型、无线通信局部模型以及电源局部模型组成。Sensor（传感器）局部模型包括养殖水资源质量Sensor（传感器）以及信号调整电路，构成Sensor（传感器）板。处理器局部模型、无线通信局部模型以及电源局部模型构成主控板。节点的硬件结构，节点实物与电路封装。

无线环境监测篇（4）

2数据采集功能

无线传感器模块是养殖环境监测系统的基础，在养殖池适当的区域安放温度、溶解氧、pH值及光照数据的无线传感器网络节点，准确采集水产养殖环境的数据信息。无线传感器模块的设计框图如图2所示。图中包括传感器、处理器、通信功能以及电源4个子模块。由于实际要求的差异，无线传感器模块4个子模块的硬件构成不尽相同，然而各子模块的功能基本相同。传感器子模块实现养殖环境的数据采集功能，并将采集到的信息转换成处理器可以识别的信息；处理器子模块调节整个无线传感器模块的工作状态，完成对自身采集信息和来自其他模块数据的处理，并实现与其他模块间的信息交流；通信功能子模块完成与其他模块间的信息通信以及收发采集到的数据；电源子模块主要负责提供模块正常工作需要的能量，一般使用微型电池。本文选用Ateml公司生产的AVR系列高性能、低功耗8位单片机ATmega128L，该芯片是一颗真正的系统芯片；在芯片内部集成了128KB的可编程闪存，具有独立锁定位、可选择的启动代码区进而通过片内的启动程序实现系统内编程，同时，其电压工作范围为2．7～5．5V。传感器采集到的数据信息通过AT－mega128L进行AD转换为数字信号，由无线通信模块负责将得到的数字信号输出。

3信息通信功能

3．1无线传感器网络

无线传感器网络的拓扑结构采用星网结合，各个采集点单独形成局部的无线传感器网络，通过中继节点将局部网络传出的数据汇聚传送到信息中心。各个采集点的无线传感器网络中都布置了传感器，这些传感器负责完成养殖环境的信息检测，即对池水温度、溶解氧浓度、pH值以及光照强度的信息采集。传感器采集到原始信号后，只有将模拟信号转换为数字信号才能通过无线网络进行传输，转换过程需要模拟信号放大器、A／D转换器、信号处理器等。传感器节点通过自组织功能将采集到的数据以单跳或者多跳的形式发送给中继节点。

3．2Wi－Fi传输

通常架设无线网络的基本配备是无线网卡及一台AP，足以实现无线模式，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。中继节点汇集到信息后通过Wi－Fi无线网络传输到信息处理中心，通过Wi－Fi接入点实现无线传感网之间的信息通信以及数据处理功能，Wi－Fi接入点既有普通站点的特点，同时可以实现接入到分配系统的功能。

4信息处理中心

4．1数据库管理

应用软件使用ADO设计连接ORACLE，具有采集信息的存档、当前或者历史信息的检索功能，实现对采集点采集到的数据的处理与存储。ADO设计开发中采用了较多的Command对象，同时采用ANSISQL语句实现对数据库的控制。鉴于实际操作中数据库中需要存档的数据量较大，因此数据的访问能力非常重要。而Command类的重复应用性比较好，可以把数据库的细节封入SQL里，当数据链表的内容改变时，可以只改正SQL语句就可以保证应用程序架构的稳定性。

4．2监控系统

为提高养殖人员对养殖环境的监视效率，本系统提供了良好的人机交互模块，含有信息实时显示、数据的历史查询模块、巡检人员的路径显示模块等功能。

无线环境监测篇（5）

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2013）003008202

0 引言

近年来我国以大棚和温室为主体的设施农业正在迅速发展，但与国外相比，我国的设施农业普遍存在科技含量低、生产水平和效益低下等缺点，因此，迫切需要提高我国设施农业的整体水平。信息技术在农业领域中的应用是提高设施农业科技水平的重要环节。我国作为一个农业大国，农业分布呈“小而散”的特点，存在很多小型化的温室生产模式。因此，研制成本低廉、操作简单、可靠性高的设施农业环境监测控制系统是我国现代化设施农业的一个关键。

目前，传统的农业领域自动监测方法通常是通过有线方式将传感器采集的信号传到监测中心。由于农业生产环境分布范围广、地形复杂、环境温度变化大、空气潮湿等因素的影响，极易导致信号传输电缆的老化，从而降低监测系统的可靠性。随着无线通信技术的日趋多元化结合，ZigBee 作为一种近距离、低功耗、低传输速率、低成本、高可靠性的无线通信技术，特别适用于现代设施农业的无线环境数据采集与监测。

1 系统结构

结合设施农业环境监测应用需求，本文构建的基于Zigbee传感器网络的农业环境监测系统的结构如图1所示。

该系统整个监测网络由传感器节点、路由节点、协调器节点和监测平台四部分组成。监测平台是系统的管理中心和数据汇聚中心，协调器节点负责协调和管理网络通信，初始化和启动整个网络后控制路由节点的数据传输。传感器节点位于最前端，用于采集农业环境物理量信息，并通过网络把数据传输至路由节点；路由节点再将收到的各种数据传送给协调器节点。

2 监测传感器节点设计

2.1 节点硬件设计

传感器节点的主要功能是负责采集设施农业生产环境监测区温湿度、光照强度、土壤pH值等物理量信息，并将采集的数据传输给路由节点。整个传感器节点系由传感器模块、处理器模块、无线射频模块、电源管理模块等四部分组成。监测传感器节点结构框图如图2所示。

传感器节点各硬件模块功能简介如下：

（1）传感器模块。该模块主要集成了各种传感器，对温度、湿度、光照强度、土壤PH值等物理量进行采集，由 AD 转换器将模拟电信号转换成数字信号。其中温湿度传感器采用的是数字温湿度传感器DHT21，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器；本方案中选择TSL2561作为光强度传感器，它具备高速、低功耗、宽量程、可编程且可以根据用户灵活配置等优势；CO2浓度传感器采用超低功耗红外二氧化碳传感器COZIR-A，其他传感器接口已经留出，方便以后进行扩展。

（2）处理器模块。该模块负责控制整个传感器节点的操作、数据的存储和处理，是传感器节点的核心。在农业环境监测系统中根据低功耗和处理能力的需要，本系统采用TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149。它具有RISC CPU内核，内部集成了12Bit模数转换器、内部温度传感器、16位定时器A和定时器B、串行异步通信端口UART0和UART1（软件可选择UART/SPI模式）、硬件乘法器，多达48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空间和2kB的数据空间等诸多外设，可直接用JTAG仿真调试。MSP430F149具有多种模式可选，在设施农业环境监测系统中，可根据不同的需要，切换模式以降低系统功耗。

（3）无线射频模块。无线射频模块主要是控制信息的无线收发。无线通信模块消耗了整个传感器节点的绝大部分能量，故选择低功耗、高性能的射频模块是整个系统的关键之一。基于现代设施农业环境监测的实际情况，本系统无线射频模块采用CC2430无线射频芯片。无线射频模块采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430内部集成了RF收发模块，利用2.4GHz公共频率，应用于监视、控制网络时具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势；该芯片性能稳定，具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，正常工作时需要的外部元器件极少，与主控制器接口简单，特别适合低功耗的无线传感器网络的应用。

（4）电源管理模块。电源管理模块为系统其它各模块提供持续、稳定的能量供应，由于此监测终端为户外不间断工作，为降低功耗，电源管理模块加入低功耗的管理和控制，通过软件机制实现多种工作模式（包含正常模式和休眠模式），当节点不工作时系统即进入休眠模式。考虑到系统将长期使用，可以通过外接电源或外接蓄电池和太阳能电池板以保证系统的持续供电。

2.2 节点软件设计

基于环境监测系统长时间工作的需要，传感器节点软件系统设计的关键是在保证能有效实现必要功能的前提下最大限度地减小节点的能耗。无线传感器网络中监测节点的能耗主要集中在通信能耗和传感器模块的能耗，而通信能耗要远大于传感器模块能耗。因此，节点电源打开后，完成ZigBee模块和传感器模块的初始化，建立通信链路后，设置唤醒时钟并进入休眠模式。节点软件设计程序流程如图3 所示。

3 网络拓扑结构

一般设施农业监测的规模和范围不大，因此本系统的网络拓扑选择简单的星型网络结构，通过对多个监测节点发送的数据进行分析可以判断环境监测区域的状态。系统启动后，根据网络协议组建网络，为节点分配地址。当监控平台查询数据时，系统根据地址分配执行数据采集。

4 结语

将无线传感器网络应用于现代设施农业环境信息检测具有传统农业监测方式无法比拟的优势。本文提出了基于ZigBee传感器网络的设施农业环境信息实时监测系统的设计方案。介绍了系统的总体结构和传感器节点的硬件及软件系统设计。本文提出的这一无线传感器监测系统，具有低成本、低功耗、可靠性强等特点，为现代设施农业生产环境信息监测提供了一种有效的解决方案。

参考文献：

＼[1＼] 蔡镔，毕庆生.基于ZigBee无线传感器网络的农业环境监测系统研究与设计＼[J＼].江西农业大学学报，2010（11）.

＼[2＼] 郭文强，张玉杰，侯勇严.无线传感器网络在环境监测系统中的设计与应用＼[J＼].陕西科技大学学报：自然科学版，2012（6）.

＼[3＼] 周秀辉.无线传感器网络技术及在环境检测中的应用研究＼[D＼].成都： 电子科技大学，2006.

＼[4＼] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例＼[M＼].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

＼[5＼] 徐志国.基于无线传感器网络的噪声监测系统的设计＼[J＼].皖西学院学报，2009（6）.

无线环境监测篇（6）

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0383-01

一、无线传感器网络的涵义

无线传感器网络综合运用了多项技术，它是多种技术的集合体，主要包括无线通信技术、嵌入式计算机技术、传感器技术以及分布式信息处理技术。它可以对监控对象进行实时监测，采集监控区域内的相关数据，并加以处理后得到准确详实信息，最终将这些信息发给有需要的人。无线传感器网络由大量静止或移动的节点以自组织和多跳的方式构成，集传感与驱动控制、计算、通信能力于一身，协作地实时监测、感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息并报告给用户。由于它成本低，采用无线通信，不需要固定网络协助，所以其研究成果应用十分广泛。

二、无线传感器网络体系结构

无线传感器网络是由非常多的微型传感器节点组成，它们的功能并不完全相同，但是构造大体相同，大都是由数据收集、处理、发送和电源四部分构成，网络中节点的作用是收集数据，数据中转，或者是类头节点。收据收集，即收集监测到的数据（如湿度、温度等），并将其传送至远方基站或者是汇节点；数据周转，即将其他节点发送过来的数据信息，在不经过任何处理的情况直接传送出去；类头节点，收集属于同一类型节点的数据信息，汇总后传送给上一层级。

系统基本由下面几部分构成：

（1）传感器节点。对所监控区域的环境指标进行测量，比如温度、湿度等，将所监测到的数据传递给监控中心。

（2）网关。连接无线传感器网络与外网，实现传感器网络与外网通信协议的转换，将传感器网络收集到的数据发送至外网，并给下级节点布置监测任务。

（3）远程客户端和PDA用户。通过外网查询监控中心的数据。

（4）监控中心。布置任务，下达监测命令，以及管理监测数据，主要是汇总分析，统计数据。

三、无线传感器网络在环境监测中的应用优势与现状

用无线传感网络进行环境监测，具有三个比较明显的优势。

（1）成本低廉，网络安装速度快；

（2）在不增加其他设备的情况下就可以完成数据的传输工作，这使得系统性能提高了一个数量级；

（3）网络坚实，不易被毁坏，能够满足某些特殊需求。

关于将无线传感网络应用于环境监测中，国内的学者已经做得很多研究，并获得了一些研究成果。在美国是研究人员将其用于监测岛屿的生态状况；在我国，杭州将其用于监测杭州西溪湿地水环境，国防科技大学将其用于环境监测并得到了重要的研究成果。

在我国，无线传感器网络还未得到广泛的应用，主要原因是，第一大部分人对其还不熟悉，不知道任何使用，它的优势在哪里；第二无线传感器网络在使用中还存在一些重要问题没有得到彻底解决，国内关于它的研究还比较浅，加之其应用不同地方会出现不同的问题，对网络结构和传感器节点等也有不同的要求。

四、无线传感器网络在环境监测中的应用

（一）矿井环境监测

对于煤矿企业而言，安全探测是十分重要的，特别是在需求量持续增长的前提下，在长期的开发与使用中，煤矿探测的安全问题愈发的引起了人们的重视。在无线传感器网络的支持下，可以很好的实现低成本的探测需求，并且可以在一定程度上提高矿井作业的安全属性。特别是Zig Bee技术的应用与推广，可以满足人们对于井下监控、数据分析、安全分析等综合需求。在近年来，技术人员将Zig Bee技术进行了细化和拓展，可以帮助人们直观的了解到井下的作业情况，这对于安全、高效作业目标的实现提供了较大的支持。

（二）军事环境监测

无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和容错性高的特点，因此非常适合在军事领域应用，也是军事指挥、控制、通信、计算、情报、监视、侦察与目标捕获系统的重要组成部分。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场实时监视，目标定位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能，目前国际许多机构的课题都是以战场需求为背景展开的。信息技术必然是未来战争取胜的关键，目前已然有许多国家将该技术与军事研究相结合，帮助己方及时的获取对方的各项信息，从而及时的进行战略的调整。

（三）自然环境监测

1、大气环境监测

将无线传感网络用于监测大气环境，主要需要两部分的支持，分别是设备和相应的程序支持。设备包括一是传感器节点，主要是用于大气技术参数的监测和收集，还有相配套的放大电路；二是Sink节点，用来汇总数据及向基站传输数据；三是服务器，这其中需要两个服务，一个进行数据处理，一个用于数据传输。相应程序也就软件主要是由用于数据收集、处理和传输的相关模块组成，通常有串口通信、数据转换、数据统计等功能模块。它的优点是安装简单方便、布局灵活、维护容易、成本低。

2、水环境监测

无线传感器网络的水环境监测系统的结构从功能上可以将水环境监测系统分成三级。第一级是以无线传感器网络为核心构造的数据采集网络系统，主要由数据采集节点和协调器节点以及测试仪构成；第二级是Zig Bee/GPRS网关系统，主要负责数据采集网络中的数据并远程发送，远程数据处理中心对数据采集网络控制命令的发送；第三级是远程数据处理中心系统，主要负责数据的处理分析和控制命令决策。在整个水环境监测系统中，无线传感器网络专注于探测和收集水环境的信息；而复杂的数据处理和存储等则交给远程数据处理中心来完成。主要包括以动态曲线的方式实现传感器信息的在线监测和大量水质数据的存储。

3、地质监测

无线传感器网络在地质监测方面也有很广泛的应用。对于部分地质较为特殊的区域而言，有效的地质检测可以很好的促进该区域基础设施建设，如冻土环境下的交通设施建设，在人力无法实现的前提下，无线传感器网络则可以很好的实现。尤著宏等基于无线传感器网络的青藏铁路温度监测系统，采用多跳的方式将数据从传感节点传输至转发基站上的汇聚节点，再由汇聚节点利用 GPRS 网络发送至监控中心。

4、其他应用

无线传感器网络在其他领域也同样具有重要的应用价值，例如在农业信息监测方面，崔光照等针对当前农业环境监测面临的监测点分散、布线困难和实时性差等问题，提出了利用具有自组织特性的无线传感器网络，对温度、土地湿度和土壤pH值等环境变量进行在线监测的方法。该方法采用了对等式网络体系结构，低功耗微小网络节点以及基于拓扑树的网络初始化配置算法。实验测试表明，节点能够有效地采集和处理数据，并可以在节点间成功地进行通信。另外，无线传感器网络系统在水产养殖、森林监测、家庭环境监测以及管道输送监测等方面都得到了广泛应用。

综上所述，无线传感器网络在众多领域都有着应用，并发挥着极为重要的作用。因此，为使无线传感器网络拥有更为广泛的应用领域，还需要更进一步的深入研究，为社会发展营造更良好的环境。

参考文献

无线环境监测篇（7）

1.引言

我国的煤炭生产主要来源于地下开采，井下生产条件很恶劣，如：噪声大、粉尘浓度和有毒气体浓度较高。长期在这种环境中从事生产工作，会影响矿工的身心健康，同时给煤矿安全生产也带来隐患。由于矿井结构的复杂性，井下的重要环境信息如温度、湿度、压力、风速以及有毒气体浓度等，很难用有线通信手段实时地监控。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）作为一种新型的无线通信技术，应用于矿井环境监测系统的分析和设计之中，不仅为矿井安全生产管理和事故救援提供可靠的技术支持，而且为类似矿井的环境监测系统的分析和设计提供理论基础和应用实例。

2.无线传感器网络分析

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量传感器节点通过自组织方式构成的网络系统，各个节点协作地感知、收集和处理被监测区域中感知对象的信息，通过对这些信息的协作式处理，获得感知对象的准确信息。因此，传感器、感知对象和观测者构成了WSN的三要素[1]。

2.1 无线传感器网络体系结构

2.1.1 无线传感器网络的一般结构

典型的传感器网络由传感器节点、汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等部分构成。传感器节点随机部署在被监测区域内，节点以自组织形式构成网络，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到汇聚节点和其他相邻节点。汇聚节点直接与互联网或通信卫星相连，通过互联网或通信卫星实现任务管理节点与传感器节点之间的通信。用户通过管理节点对传感器网络进行管理和配置，监测任务并收集监测数据。

2.1.2 传感器节点的功能模块结构

无线传感器网络的关键设备是传感器节点。一般来说，传感器节点由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。其中传感器模块由各类传感器及数模转换设备组成，主要用于感知被监测区域的环境信息，并将其感知到的信息数据传送给处理器模块；处理器模块主要负责协调节点各部分工作，如对感知模块获取的信息进行处理、保存，控制数据采集操作和电源的工作模式等；无线通信模块主要负责与其它传感器节点及观测者的通信；能量供应模块提供传感器节点正常工作所必需的能源，它是影响节点寿命的关键因素。无线传感器节点结构如图1所示。

图1 传感器节点结构示意图

2.2 无线传感器网络的特点

2.2.1 传感器节点体积小，成本低，具有自适应性

无线传感器中应用的传感器节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点。传感器网络是由大量的传感器节点组成，制造成本低。此外，传感器网络可在比较恶劣环境下工作，比如矿井、矿山，经常有节点失效或新节点加入网络，使网络的拓扑结构动态变化，因此，传感器网络具有很好的可靠性和自适应性。

2.2.2 电源能量是网络寿命的关键

无线传感器网络通常部署在恶劣环境或人不宜到达的区域，电池能量有限，且一般无补充能源，传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此如何提高电源效率是设计节点考虑的关键因素。

2.2.3 数据管理与处理是传感器网络的核心

无线传感器网络最鲜明的特点就是以数据为中心，传感器网络的设计必须以对感知数据的管理和处理为核心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术等几个方面考虑其系统实现。

3.MEMSoWSN系统方案设计

MEMSoWSN是基于无线传感器网络的矿井环境监测系统的简称，系统方案基于无线传感网络技术构建，以实现对矿井环境监控和管理。

3.1 系统结构分析设计

图2为矿井环境及人员监测系统整体结构图。该监测系统可分为两个子系统，采集与传输系统（井下部分）和监测与管理系统（地面部分）。

图2 MEMSoWSN整体结构示意图

3.2 采集与传输系统

采集与传输系统主要包括移动节点、路由节点以及汇聚节点，实现对矿井生存环境等信息的采集与传输。其中，移动节点和路由节点都是传感器节点，主要收集井下环境信息，不参与多跳转发，只将本节点感知的信息发送给邻近路由节点；路由节点参与多跳转发，并感知矿井空气中有害气体的浓度和成分（瓦斯、一氧化碳等）以及矿井中空气的物理状态（如风速、负压、温湿度等），将感知的数据根据路由协议发送出去；汇聚节点的作用是实现传输系统和管理系统之间的数据传输，相当于系统之间的一个网关节点。

3.3 监测与管理系统

监测与管理系统包括监控中心计算机网络、数据库和监控软件等，无线传感器网络收集的数据通过汇聚节点传给监控中心并存入数据库，监控软件对数据进行分析处理，并根据数据的变化对人员及井下环境进行管理控制。

3.4 数据处理流程设计

MEMSoWSN系统的数据处理流程是：首先由传感器节点进行井下环境信息实时采集，经其内置的处理单元简单处理后发送给邻近路由节点，路由节点通过多跳转发的方式将数据发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据转发给地面信息监控中心，信息监控中心将接收到的汇聚节点的数据存入数据库，并对数据进行分析，以得到有用的井下环境信息，最后将分析结果展现给管理员。

3.5 传感器节点设计

根据无线传感器网络的通信原理和单片机知识，可设计如图3所示的传感器普通节点，图4所示的汇聚节点。

图3 普通节点示意图

图4 汇聚节点结构示意图

3.6 信息监控中心设计

信息监控中心主要功能是接收汇聚节点监测的数据，分析井下环境状况。它主要由网关服务器、数据库服务器、信息监控服务器等组成。网关服务器用来与汇聚节点进行通信，实现协议转换；数据库服务器用来分类存储传感器网络发来的井下信息，同时与信息监控服务器进行通信；信息监控服务器运行监控软件，分析并显示井下环境状态。

监控软件是信息监控中心的关键部分。它由实时显示模块、数据查询模块、数据统计模块、告警管理模块和系统维护模块组成，如图5所示。实时显示模块动态显示井下环境信息；数据查询模块实现矿工信息精确查询、路由节点工作状态查询以及所关心节点传感器数据的查询等；数据统计模块统计系统工作情况；告警管理模块对各种传感器数据进行阈值限制，当出现非正常情况时进行告警，以便使管理员及时做出响应；系统维护包括登录人员管理、系统界面维护以及系统密钥管理等。

图5 监控软件功能模块结构示意图

3.7 实用性和可行性分析

底下矿井空间狭窄、密闭、地质状况多样，不易布设有线设备监测点，无线传感器网络中的传感器节点体积小，成本低，可以随意撒放于任何不规则空间，它们感知被测区域信息并相互传递，使有线设备难以获取的数据通过汇聚节点和路由节点最终到达监控中心，实现矿井环境信息的实时监测。

设计无线传感器网络应用或试验时，通常使用ZigBee通信技术。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。同时，考虑到井下通信的一些特殊要求，比如：矿井巷道的半封闭空间结构以及煤的电介质特性使得矿井在频率较高的情况下类似于波导，可以在2.4GHz频段工作，使高频无线电信号在矿井中更为有效地直接传输。许多学者已经对无线信号在矿井中的传输进行了试验，结果证明其传播性能较好[2]。2.4GHz频段又是全球通用的工业、科学、医学（ISM，Industrial，Scientific and Medical）频段，免付费、免申请，在此频段上天线尺寸和芯片功耗可以设计的更小，井下通信非常适合用。在实验室，应用OPNET（Optimal Network Engineering Tools）仿真开发工具OPNET Modeler，即可进行仿真实验。

4.总结与展望

本文结合矿井环境的特点，通过分析无线传感网络的技术特征，分析设计了基于无线传感器网络的矿井环境监测系统模型，结合相应的无线通信技术及其路由协议即可进行仿真。

随着无线传感器网络的发展及矿井环境检测手段的不断提高，今后的研究工作还将进一步扩展。可从以下几个方面提升系统的整体功能，如增加传感器节点的功能，引入声音和视频等多媒体传感器，使管理人员对井下情况一目了然。结合WSN数据融合技术，提高数据收集效率，获得更准确的井下信息，节省节点的能量延长其寿命等。

参考文献：

[1]李建中,李金宝,石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J].软件学报,2003,14(10):

无线环境监测篇（8）

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2012）15－3334-02

Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

YANG Fang

（School of Physics and Mechanical ＆ Electrical Engineering， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract： For farmland environmental conditions，monitoring was difficult，a farmland information monitoring system based on sensor wireless sensor networks was designed targeted the status of farmland environmental conditions． The system used sensor nodes to collect the farmland environmental parameters and send them to the control center for further analysis and processing by the ZigBee technology． Farm managers could precisely and intuitively control the key parameters in the process of crop planting and it has good practical value．

Key words： farmland environmental parameters； wireless sensor networks； sensor nodes； real－time monitoring； ZigBee

我国是农业大国，农业是国民经济的基础产业，农业生产受到温度、湿度、水分等多种农田环境因素的影响。因此，在农业生产过程中引入现代信息技术，可以准确、高效地收集农田信息，对提高农产品产量具有重要意义。

针对农田环境复杂、监测难度大等特点，充分利用无线传感器网络灵活而强大的组网功能，设计了基于ZigBee无线传感器网络的农田环境监测系统，该系统由传感器节点、汇聚节点、互联网和用户终端等组成［1］，利用安装在被监测区的传感器节点采集农田环境参数后，通过ZigBee技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的空气温度、相对湿度、CO2含量、水位等关键参数，对在农业生产过程中实现增产节能有着很好的实用价值［2］。

1 农田环境监测系统总体结构设计

ZigBee技术是一种短距离、低速率的无线通信技术，被广泛应用在无线传感网络的组建中。与其他无线通信技术相比，ZigBee具有网络容量大、工作频段灵活、架构简单、功耗低、成本低、可靠性高、组网能力强和安全等优点［3，4］；ZigBee由终端设备、协调器和路由器构成。终端设备是指传感器节点，将其按一定规律安装在农田里，配备低功耗的微处理器，监测空气温度、相对湿度、CO2含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量等参数。一定区域内的传感器节点构成一个簇，这些节点又分为簇首和普通节点。簇首主要进行数据的融合及转发，能把簇中普通节点采集到的信息发送到上级的协调器，也能把协调器接收的信息在簇内进行传播；普通节点只能与本簇的簇首交换信息。协调器把监测到的信息传输到网关，然后网关通过GPRS把数据传送到监控中心。ZigBee网络主要有网状和星状，星状拓扑结构简单，但是覆盖能力差，且只要簇首出现故障整个网络就瘫痪；网状拓扑覆盖能力强、可靠性好，但结构复杂［5］。农田区域环境复杂，存在很多不利因素，为提高ZigBee的精确性，该设计采用星状—簇首—路由拓扑结构［6］（图1）。

2 功能模块设计

2．1 硬件结构设计

1）传感器节点。ZigBee无线传感器网络由传感器节点组成，传感器节点一般由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块组成（图2）。

无线环境监测篇（9）

中图分类号:TN919 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)07-0053-03

Design of Building Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Technology

CUI Ran1, MA Xu-dong1, PENG Chang-hai2

(1. School of Automation, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: The building energy management system is introduced, and the importance of environment monitoring for energy saving is analysed. The wireless sensor moni-toring scheme building environment is put forward. The enviroment monitoring system based on wireless sensor network is designed and realized. The issues on how to select monitoring points in engineering application was solved by means of summarization.

Keywords: building energy management system; wireless sensor network; building; environment monitoring system; energy-saving

0 引 言

20世纪80年代的能源危机让世界意识到节约能源的重要性,在楼宇电力节能方面出现了很多实际有效的技术和方法。新的空调控制理论、DDC控制器、最优化的控制思想不断应用到楼宇能耗设备上。传统的楼宇自控系统BAS从对设备的控制逐渐发展成为包含了对能源的管理和控制的楼宇能源管理系统BEMS。

楼宇中能耗设备众多,其中空调和照明系统的能耗占楼宇总能耗的70%以上。由于楼宇特殊的构造和结构特点,如何在楼宇中建立统一的实时监测平台,诊断楼宇的节能水平,是楼宇能源管理系统中需要解决的一个重要问题。

国际能源组织IEA认为BEMS是在提供愉快舒适的室内环境和保证使用者安全的前提下实现建筑物的节能效果和人力的节约。因此,以室内环境为监测对象,通过对室内温度和光照强度的监测,能反映空调系统和照明系统消耗能源所产生的效果,从而可以在此基础上优化系统运行,达到节能的目的。

为实现对室内环境的监测,需要在楼宇内的不同区域布置大量传感装置。而在楼宇中采用传统的有线监测网络将产生巨大的安装成本且对楼宇本身存在一定程度的损伤(特别是对既有建筑而言)。如果采用无线传感技术,则布线工作即可免去,工程的总成本将大幅降低。因此,通过无线传感技术实现楼宇内的环境信息的采集和传输是成功建立监测系统的关键。

1 无线传感网络

1.1 网络协议

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感知、监测各种环境对象信息,通过嵌入式系统对信息进行智能处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。

节点间无线通信协议采用基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee协议[1](见图1)。Zigbee协议支持支持星形和网状拓扑结构,具有低功耗、网络容量大、传输距离远等特点,非常适合用于楼宇环境监测。IEEE 802.15.4标准是针对无线个人局域网(Low-rate Wireless Personal Area Network),把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标,旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一的标准。采用免执照2.4 GHz和868/915 MHz的ISM频段,能够方便自由地构建无线局域网络。

图1 ZigBee协议结构

1.2 拓扑结构

网络拓扑结构采用网状结构网络(Mesh Network)(见图2)[2]。网状网络具有很广的的传送范围,而且通过链路冗余的方式使得网络的可靠性进一步提高。只要是在通信距离范围内的任意两个节点都可以建立起一个通信链路。该链路建立后如果因干扰而中断,节点会自动搜索其他相邻的节点,重新建立一条新的链路。不仅如此,网络中的任何两个设备都可以相互通信,即使不在直接通信的范围内,也可以通过多个中间设备中继的方式进行传输,即多跳的传输方式。动态路由和多跳传输增强了网络的健壮性,除了中心节点,任何一个节点的损坏对不会对整个网络产生影响。基于这些特性,网状网络非常适合在楼宇自动化和楼宇监控方面的应用。

图2 网状网络拓扑图

2 楼宇环境监测系统的实现

2.1 硬件平台

数据采集装置采用美国克尔斯博科技公司(Crossbow)MTS系列多功能传感器板(见图3(a))和基于TI CC2420的MicaZ射频处理器(见图3(b))为平台,实现数据的采集和传输。与中心节点通信的网关采用Crossbow的MIB520(见图3(c))作为网络基站。MIB520网关通过USB接口实现对节点的在线编程和数据接收。

2.2 TinyOS微操作系统

TinyOS是UC Berkeley(加州大学伯克利分校)开发的开放源代码操作系统,专为嵌入式无线传感网络设计,操作系统基于构件(Component-based)的架构使得快速的更新成为可能,而这又减小了受传感网络存储器限制的代码长度。TinyOS的构件包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具。其良好的电源管理源于事件驱动执行模型,该模型也允许时序安排具有灵活性。TinyOS已被应用于多个平台和感应板中。

图3 硬件平台

TinyOS的程序采用的是模块化设计,所以它的程序核心往往都很小(一般来说核心代码和数据大概在400 B左右),能够突破传感器存储资源少的限制,这能够让TinyOS很有效的运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的组件,可以很简单方便的编制程序,用来获取和处理传感器的数据并通过无线电来传输信息。TinyOS在构建无线传感器网络时,它会有一个基地控制台,主要是用来控制各个传感器子节点,并聚集和处理它们所采集到的信息。TinyOS只要在控制台发出管理信息,然后由各个节点通过无线网络互相传递,最后达到协同一致的目的。

利用TinyOS微操作系统构建的无线传感网络具有以下特点:

(1) 基于组件的架构(Componented-based Architecture)

TinyOS提供一系列可重用的组件,一个应用程序可以通过连接配置文件(A Wiring Specification)将各种组件连接起来,以完成它所需要的功能。

(2) 事件驱动(Event-Driven Architecture)

TinyOS的应用程序都是基于事件驱动模式的,采用事件触发去唤醒传感器工作。

(3) 任务和时间并发(Tasks and Events Concurrency Model)

Tasks一般用在对于时间要求不是很高的应用中,且Tasks之间是平等的,即在执行时是按顺序先后来得,而不能互相占先执行,一般为了减少Tasks的运行时间,要求每一个Task都很短小,能够使系统的负担较轻。

Events一般用在对于时间的要求很严格的应用中,而且它可以占先优于Tasks和其他Events执行,它可以被一个操作的完成或是来自外部环境的事件触发,在TinyOS中一般由硬件中断处理来驱动事件。

(4) 裂相操作Split-Phase Operations

在TinyOS中由于Tasks 之间不能互相占先执行,所以TinyOS没有提供任何阻塞操作,为了让一个耗时较长的操作尽快完成,一般来说都是将对这个操作的需求和这个操作的完成分开来实现,以便获得较高的执行效率。

2.3 固件程序设计

无线节点采用了Crossbow的MicaZ收发处理器、MTS300温度/光照集成传感器以及MIB520网关,实现MESH网状结构网络。在节点端,利用XMesh提供的组件进行程序开发,组件主要包括:Main,XMTS300M,QueueSend,TimerC,XmeshBinaryRouter,NoLeds,HPLPowerManagementM,Voltage,PhotoTemp,Sounder,GenericCommPromiscuous等。通过Main组件启动时钟组件TimerC、通信组件GenericCommPromiscuous、路由组件XMeshBinaryRouter以及传感器组件XMTS300M等,实现了多跳结构的自组织网络,并使用HPLPowerManagementM模块对节点进行休眠控制以降低功耗。

在网关处,网络中所有节点的信息都最终发送到网关的汇聚节点sink0,通过节点汇聚节点sink0由MIB520网关发送到上位机。组件采用XServer中间件的相关组件,包括调度组件Main、网管监测组件Xheartbeat、基站组件XmeshBaseM、路由组件XmeshBinaryRouter、LED组件NoLeds、下行命令组件XcommandC,组件间的结构关系如图4所示。

图4 网关组件连接图

3 监测点位置选择

由于楼宇构造和结构的特殊性,在无线传感网络的实际应用中需要注意以下问题。

3.1 节点位置

网络节点位置和数量的选择是构建无线通信网络首先要考虑的问题。由于楼宇中结构复杂,合理地选取发射器、中继器和接收器的位置是保证网络健壮性的关键。从节点间相互通信的角度考虑,最佳位置要能使节点彼此间在可视直线距离范围内,保证节点间通信和连接的稳定。

3.2 传输距离

在楼宇内,信号的实际传送距离与理想状态有很大的差距,主要原因有三个:

(1) 传输距离引起的信号衰减;

(2) 传输过程中障碍物引起的信号衰减;

(3) 其他设备的电磁干扰。

当发送器和接收器之间具有一条畅通无阻的可视路径时,在发射信号强度一定的情况下,接收信号强度的衰减与传输距离的平方成反比关系。在实际应用中,由于障碍物的存在和信号发射的干扰,距离的幂指数通常大于2,约在2~4之间[3]。因此,在楼宇中布置传感器节点时,要根据环境正确评估传输距离,确保信息的有效传输。

3.3 信号强度检测

信号强度检测的目的是为了确认节点位置的选取是否正确,各节点之间的通信是否稳定可靠。通过信号强度检测,合理改变各节点的位置或适当添加中继器来增强网络的健壮性。目前,几大知名的传感器节点生产厂家如Crossbow等的节点都具有接收信号强度(RSSI)监测功能,可及时发现网络中薄弱点,及时地予以调整。

3.4 电磁干扰

楼宇内手机、微波炉等电磁设备都会产生无线波,对无线通信网络产生干扰。无线通信网络采用扩频技术(Spread Spectrum)实现信号的传输,抗干扰能力得到增强,但在布置无线节点时,仍要注意与电磁设备保持一定的距离,同时也避免无线节点的电磁场对其他设备的干扰。

4 结 语

随着《节约能源法》和《公共建筑节能设计标准》等相关法律法规的出台,以及人们节能意识的不断提高,如何保证室内环境的舒适性,同时降低楼宇的能耗,将是楼宇节能研究的主要课题。无线传感技术以其便利性和不断降低的成本,在降低能源消耗、改善室内环境、延长能耗设备使用寿命、减少设备维护费用等方面被广泛应用,为实现节能建筑、绿色建筑的目标提供了重要的技术支持。

参考文献

[1]金纯.Zigbee与蓝牙的分析和比较[J].信息技术与标准化,2004(6):17-20.

[2]KINTER M M, BRAMBLEY M R. Pos &cons of wireless[J]. ASHRAE Journal, 2002, 44(11):54-61.

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[4]张振昭,许锦标,万频.楼宇智能化技术[M].北京:机械工业出版社,2002.

[5]刘敢峰,吴光明.家庭自动化集中主流网络协议[J].电子技术应用,2003(2):6-8.

[6]吴由平.网络化智能楼宇管理与综合监控接入技术研究[D].南京:东南大学,2006.

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[8]MENZEL Karsten, PESCH Dirk, FLYNN Brendan O, et al. Towards a wireless sensor platform for energy efficient building operation[J]. Tsinghua Science and Technology, 2008, 13(S1): 381-386.

无线环境监测篇（10）

中图分类号：TP274；S126 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0140-02

1 引言

21世纪的农业是信息高度集成化的智慧农业，在农业领域中充分发挥科技的力量势在必行。智慧农业是农业发展的新潮流，是未来农业可持续发展的必经之路。发展智慧农业需要大量有效和及时准确的农田环境信息，获取农田环境信息是智慧农业实现的关键之一。近年来，农田环境信息获取的方法和手段不断提高和丰富，但从总体上看，还存在一些问题有待解决，如：环境信息采集过程应用的手段还相对落后、采集效率不高；传输方式受布线难、传输距离短、现场环境复杂等限制；同时由于农田分散、且多无人看管、设备多，管理工作需要进一步完善。

为此，笔者设计了基于GPRS、云平台和无线传感器网络技术的监测系统，能够实现实时监测农田环境的各种参数，以解决上述问题。对于提高农业耕作精细化程度，减少人力资源投入，农业生产大数据的研究等都具有重要的科学意义，对智慧农业的推广发展具有深远影响。

2 农田环境监测系统

农田环境监测系统主要由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器构成。在大棚和农田里安装的是农田环境监测智能终端，它由太阳能电池板供电，无需外接电源，并且由程序控制为低能耗节能模式可常年累月运行，保证对农作物整个生长周期进行无缝监控。智能终端可以同时配备温度、湿度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤水分、土壤养分、土壤酸碱度、污染物（COD、BOD）等传感器。用这些传感器感知作物生长土壤、空气、光照等环境参数，转变成数据形式，通过GPRS无线通信网络上送到云服务器，进行分类、存储、统计和分析。

通过互联网浏览器访问平台网站，或者手机客户端查询相应农田环境数据的变换和报警信息。大量智能终端安装到农田大棚，长时间运行后，云服务器就会存储海量的农田环境数据。农业科研专家通过建立农作物生长模型分析这些海量数据，对历年作物品质、产量、环境数据进行分析对照，预测作物生长及产量情况，及时提出合理的农田耕作和管理的指导建议，为农业生产、发展精准农业、智慧农业提供技术支撑和科学依据。

2.1 农田环境监测参数选择

影响农田环境的参数很多，我们从中选取了对植物影响重要，而且便于在线测量如农田环境地表空气温度、湿度、CO2、NO2，表面光照、土壤温度、土壤含水量、土壤养分、土壤酸碱度等参数作为农田环境的监测量。

2.2 农田环境监测系统构成

农田环境监测系统由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器以及环境监测分析软件以及移动设备客户端软件等构成。

监测终端是采用嵌入式结构，内部集成了GPRS通讯设备；16路0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA等模拟量信号传感器接口；6路IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等通讯信号传感器接口；并提供锂电池、太阳能等电源输入接口和DC3.3V1A或DC5V0.5A或DC24V0.1A电源输出接口。测控终端除了具有监测终端的功能外，还带有8路继电器、2路PWM控制接口。

环境传感器选择有线的，DC3.3V或DC5V或DC24V供电，并且支持0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等信号接口之一的传感器，无需任何信号转换器就可以直接与监测终端连接。如果选择其他信号接口的传感器，需要外加信号转换器。

2.3 系统工作原理

在待测农田、大棚等相应位置安装农田环境传感器、监测终端以及太阳能板。如果需要，还可以安装一块或多块本地公共显示屏，用作实时显示监测数据和分析情况。

环境传感器将各种物理量转换成0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB之一的电信号，通过测控终端采集变为实时数据，经过嵌入在终端内部的硬件和软件数据滤波后加上时间戳和物理量类型，形成数据记录，保存在测控终端的Flash存储器中，同时由GPRS通讯上送到云服务器和本地公共显示屏。

云服务器收到测控终端上送的数据，进行分类、汇总保存到云数据库中。远程计算机的测试分析软件系统，通过互联网或GPRS，访问云服务器数据库，进行综合分析，将分析结果送回云服务器，供研究分析、本地公共显示屏显示、远程或移动客户端查询用。

3 农田环境监测数据处理

3.1 监测终端数据滤波

受地域或自然环境影响，监测数据极易受到农田劳作、环境扰动等的外界因素干扰。要想反映实际情况的监测数据，需要将采集到的数据进行滤波处理，因此，除了在硬件电路对采集量进行滤波外，还必须针对不同监测量，在软件上通过相应的数字滤波[2]进行处理。

采集终端将采集到的空气温湿度、土壤温度、含水量和光照强度等模拟信号转换成数字量后，通过公式计算出的环境参数的平均变化率。

监测终端根据其平均变化率，自动选择合适的数字滤波方法。例如像温度、湿度等大部分农田环境参数变化缓慢的监测量，即当

（1）

其中，y（t）为滤波后的当前采集值，f（x）为当前实测值，T0为滑动滤波长度。系统软件将新数据放入到滤波队列的队尾，扔掉最早采集的数据，滤波后的输出总是固定滤波长度的算术平均值。

当0.25

当0.55

3.2 监测结果

利用客户端分析软件从云端服务器获取监测数据，进行统计分析，从中选取了一块具有代表性的农田大棚，安装了一套监测终端，运行一段时间后，摘录了其中24小时的棚内空气温度、湿度、CO2含量和土壤温度、含水量、光照强度等参数监测曲线如图1所示。

4 结语

通过GPRS网络和云服务器，该系统可以无线远程实时监测农田环境数据。与传统农田环境采集系统相比，该系统减少人力和物力投入，缩短环境信息采集周期；与已有的无线采集系统相比，该系统对信号处理具有更好的收敛性，且通过云服务器存储数据更加稳定且智能。该系统对于发展精准农业和智慧农业起一定推动作用。

参考文献

无线环境监测篇（11）

中图分类号:TP301文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110055-01

本文通过对当前的钨矿环境监测系统现状的研究,结合无线传感器网络技术、嵌入式系统技术和网络通信技术,设计和实现了一套适用于钨矿环境的无线传感器网络环境参数监测系统。

一、矿山环境无线传感器网络总体设计

由于有线监测系统其自身的局限性以及生态环境的复杂性,特别是无法对危险环境进行监测,导致在某些场合有线监测系统已导致在某些场合有线监测系统已不能满足人们的需求[1]。针对钨矿复杂的环境,分析了系统的结构体系,设计了一种适用于钨矿环境参数监测的无线传感器网络系统结构。该结构为一个层次型网络结构,底层为部署在监测环境中的终端无线传感器节点,上层依次为无线传感器汇聚节点、传输网络、上位机(监控计算机),最终连接到Internet和公司局域网。系统总体架构如图1所示。

二、无线传感器网络节点硬件设计

(一)节点硬件结构设计

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块组成[2]。传感模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器采集的信号转变为数字信号并传送给处理器模块。处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理和实现网络安全可靠的通信协议[3]。无线通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发数据。能量供给模块负责为节点各个功能模块供电。

(二)各功能模块设计

1.微处理器模块

在选择微处理器时切忌一味追求性能,选择的原则[4]应该是“够用就好”。现在微处理器运行速度越来越快,但性能的提升往往带来功耗的增加。一个复杂的微处理器集成度高、功能强,但片内晶体管多,总漏电流大,即使进入休眠或空闲状态,漏电流也变得不可忽视;而低速的微处理器不仅功耗低,成本也低。另外,应优先选用具有休眠模式的微处理器,因为休眠模式下处理器功耗可以降低3～5个数量级。考虑实际需求,本设计中处理器模块选择ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L单片机。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最强大的单片机。该单片机具有体积小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、唤醒时间短、运行速度快、成本低和足够的外部接口等特点。

2.无线通信模块

无线通信模块选择Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18umCMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。该无线收发芯片具有集成度高,工作电压低、功耗低和灵敏度高等优点,易于得到厂商提供的协议栈和开发套件。

3.传感器模块

根据项目的应用背景和实际需要,选择传感器对监测区域内的温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行监测。在节点的硬件设计和研制中,充分考虑了传感器的能耗、精度、采样频率、与微处理器的接口特性等要求。为了提高节点的可扩展性,在节点中提供了可扩展不同传感器的接口。

设计中选用了温湿度传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、电化学传感器分别对温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行探测。选用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的数字温湿度传感器SHT10采集环境的温度和湿度。粉尘传感器选用日本神龙公司的粉尘传感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧气的探测分别选用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生产的电化学传感器6004二氧化碳传感器、O2/I-06氧气传感器、CF-1000一氧化碳传感器。

4.电源供给及管理模块

能量是无线传感器网络最宝贵的资源,它决定着传感器网络的寿命。为了满足降低节点能耗的目标,节省系统电源,传感器模块只有在工作时才启动,因此电源供应及管理模块中研究了采用TI公司TPS 79501传感器模块电源控制器。TPS 79501具有超低噪声、高PSRR、高电平启用等特点,输出为1.2V～5.5V电压可调的低压降稳压器,驱动能力达500mA～7.5A。

三、节点软件系统设计

无线传感器网络节点是个资源受限的嵌入式系统,包括硬件资源受限、带宽有限、能量受限及补给困难的特点,决定了现有的一些嵌入式操作系统(如Linux操作系统)不能很好适用于传感器网络节点。

TinyOS是目前传感器网络的主流操作系统,采用基于组件的体系结构,应用程序的各个功能都是由相应的组件实现的。当事件对应的硬件中断发生时,TinyOS的事件驱动机制能够快速地调用相关的事件处理程序,从而使CPU在事件发生时迅速执行相关任务,在处理完之后进入睡眠状态,从而有效的提高了CPU的使用效率,并且节省了能量。

四、结论

在钨矿环境监测中采用无线传感器网络,利用传感器节点功耗低、工作时间长、成本低、能自组织地通信以及在危险区域和大面积监测中容易布置等特点,能够实现钨矿环境参数低成本连续在线监测,较传统在线监测系统具有更大的优势,对于矿山安全具有重要意义。

基金项目:国家自然科学基金项目(No.50764005)

参考文献:

[1]黄布毅、常亚军、张海霞等,基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计,通信技术,2008,41(9):170～172.

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