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緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇無線環境監測，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
0 引言
在很多情況下，監控中心都需要對周邊及關鍵位置的環境信息（如溫度、照度、濕度等）進行監測和處理。各探測點信息采用有線傳輸是一種可靠的方法，但受建筑物裝修要求和環境障礙等因素限制，不宜采用有線方式傳輸時，使用無線方式傳輸無疑是一種經濟適用的選擇。本裝置要求能在5秒鐘內完成對255個探測節點環境溫度和光照信息的無線探測，并自動巡回或手動選擇顯示相關環境信息。
1 系統方案設計
根據設計要求，為便于對周邊多點環信息進行探測，實現監測終端與各探測節點之間信息的無線傳輸，本裝置由探測節點分機和監測終端兩大部分組成。探測節點分機由單片機、溫度檢測電路、照度檢測電路、無線發射電路和接收電路等組成；監測終端由單片機、無線發射電路、無線接收電路和顯示電路等組成。系統結構如圖1所示。各探測節點分機完成對環境溫度和照度信息的采集與處理，并適時向監測終端和鄰近檢測節點發送信息；監測終端完成探測命令的、探測信息的處理、存儲與顯示。
1.1 信息傳送與轉發方案 為防止某個探測節點在上傳信息時發生碰撞，系統采用“時分復用”信道的通信方式。約定每個節點必須在規定的時隙ΔT內完成信息發送。某個節點接收到監測終端發來的“探測命令”時，或接收到鄰近節點轉來的第一個“探測命令”時。啟動定時，定時時間到便開始發送信息。定時時長根據每個節點地址不同或是否能直接接收終端“探測命令”為依據決定。
當監測終端需要探測環境溫度和照度信息時，便以廣播通信方式向各個探測節點“探測命令”。能直接接收終端“探測命令”的節點同時啟動定時，某個探測節點定時時間到，便開始向終端和鄰近節點發送信息（含地址、溫度和照度信息）。終端將信息接收下來送單片機存儲、處理；不能直接接收“探測命令”的節點（如地址序號為j的節點），在接到第一個鄰近節點（如地址序號為i的節點）發出的信息時，便認為收到了“間接探測命令”，于是開始啟動定時。由于每轉發一個節點信息需要兩個ΔT，因此轉發節點j的定時時長
T=（256-i+2j）ΔT。
定時時間到，便發送含有i節點地址、j節點地址與環境數據的信息。此時，若i節點收到j節點發出的含有本節點（i節點）地址的信息，表明j節點需要本節點轉發信息；若i節點收到的j節點信息中不含有本節點（i節點）地址的信息，表明j節點不需要本節點轉發信息。
1.2 信息處理與顯示方案 由于要求在5秒內完成對255個探測節點環境信息的探測，考慮到最多可能有254個節點的信息需要轉發。這樣，監測終端對每個節點的探測時間只有幾十毫秒，這么短的時間無法實現“即時檢測即時顯示”，只能將地址信息和環境信息全部接收下來處理后，再根據需要送顯示器顯示。顯示方式有三種選擇：一是自動巡回顯示，二是手動設定/選擇顯示，三是報警節點優先顯示。
1.3 通信協議
1.3.1 數據包格式 本系統的信令和數據包由同步碼WS、功能碼FC、數據包長度碼SIG、數據包內容DIGI和校驗碼CHECK五部分組成。數據包格式如下：
■
1.3.2 SPL編解碼與數據包傳輸 ①SPL編碼與數據包的發送。數據包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的發送是由單片機的通用輸出端口從高位到低位串行逐位發送的，發送完WS以后，發真正的信令碼FC、SIG、DIGI、DHECK時，將進行SPL編碼，按照1變為01，0變為10的原則，FC由原15位變成30位。②SPL解碼與數據包的接收。數據包的接收是發送的逆過程，是由單片機的通用接收端串行接收的，當單片機串行接收到WS后，即著手接收已經過SPL編碼的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011，100的原則進行SPL解碼，若出現00或11的情況，認為接收端出錯，若出錯兩次，則信令無效，若只有一次，則暫時按000，111處理，留待下一步校驗碼糾錯。③差錯控制編碼檢錯與糾錯。差錯控制的基本思路是，在發送端根據要傳輸的數據系列加入多余碼元，使原來不相干的變為相干的數據，即編碼。傳輸時將多余碼元和信息碼元一并傳送。接收端根據信息碼元和多余碼元間的規則進行檢驗，即譯碼。根據譯碼結果進行差錯檢測。當發現差錯時，由譯碼器自動將錯誤糾正。這種多余碼元就是校驗碼。
2 電路與程序設計
2.1 發射電路 各探測節點和檢測終端的發射電路可采用相同的電路結構。電路一般由脈沖產生電路、脈沖整形電路、調制與發射電路構成。
載波頻率的穩定與否是發射電路能否穩定、可靠地工作的關鍵，本設計采用振晶與高速與非門構成的振蕩器來產生穩定的載波信號。
信號的發射是通過線圈耦合的方式實現的，因而射頻功放應選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類，綜合考慮電路的復雜程度及效率問題，本設計選用三極管構成的C類放大器對高頻信號進行射頻功率放大和發射。
常用的數字調制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，FSK、PSK電路比較復雜，本設計選擇100%ASK調制。100%ASK以100%的能量進行數據傳輸，保證了信號的較高抗干擾性，解調容易，在一定程度上提高了通信的可靠性。
2.2 接收電路 各探測節點和檢測終端的接收電路可采用相同的電路結構。電路主要由混頻器、本機振蕩器、中頻放大器、檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路構成。
混頻器的作用是提高接收電路的靈敏度、選擇性。如果沒有混頻電路，接收電路將直接放大接收到的高頻信號，將會出現靈敏度低、選擇性差的問題。采用混頻器后，將高頻信號變為固定的中頻，故在混頻器后設置中頻放大器，中頻放大器在固定中頻上放大信號，放大電路可以設計得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本設計中頻放大器中設置了一個藕合諧振電路和一個選頻網絡，以進一步提高接收電路的選擇性和抗干擾能力。由于檢波出來的信號較弱，須經低頻放大以后才能進行比較判決。因此解調電路部分應包括由檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調出來的數據信號送單片機進行處理。
2.3 系統軟件設計
2.3.1 監測軟件設計 終端單片機節點完成探測命令、探測到的節點信息的處理和顯示。當需要探測節點信息時，終端以廣播方式發出探測命令，并啟動定時，定時時長為512ΔT（ΔT為一個節點上傳信息所需時間），確保255節點在轉況下都能可靠探測。當探測到節點信息時，將該節點信息進行存儲、處理。全部節點的信息都接收下來處理完后，將地址信息、溫度信息和光照信息依序送顯示器顯示。然后再進行下一循環的探測。主要程序流程如圖2所示。
2.3.2 節點軟件設計 探測節點單片機完成對環境溫度、照度信息和電池電壓的采集與處理，適時向終端和鄰近節點發送信息，并根據臨近節點的需要及時向終端轉發信息。主要程序流程如圖3所示。
3 結束語
本裝置為一模擬實驗系統，由于各探測節點能夠接收和轉發鄰近節點傳來的信息，不僅數據傳送可靠，而且通信距離遠比點對點大。測試結果表明：該裝置能夠準確完整地監測和處理各探測節點的環境信息。只要適當增加發射電路的載波頻率和發射功率就能增加探測距離和范圍，以適應實際應用要求。
參考文獻：
[1]謝自美.電子線路綜合設計[M].華中科技大學出版社.
關鍵詞：無線傳輸；環境監測；Zigbee
1 研究背景及意義
近年來新興了一種性能穩定、傳輸效果較好的無線數傳網絡，主要用于傳感器間近距離無線通信連接。基于這種無線的傳輸技術而開發的硬件模塊，具有低成本，低功耗，協議簡單，安全可靠，自動組網等特點。目前，此項技術已經日趨成熟，并被應用于多種行業。
傳統的環境監測的過程一般為接受任務，現場調查和收集資料，監測計劃設計，優化布點，樣品采集，樣品運輸和保存，樣品的預處理，分析測試，數據處理，綜合評價等。同時監測地域的分散性，環境變化過程的緩慢性，監測的時間跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的間斷監測。傳統的監測方法，對突發狀態現象調查無法完成，而應用這種無線傳輸技術的監測平臺可以隨時不間斷的進行監測。
2 基于無線傳輸的環境監測系統
本文將無線傳輸技術用于環境監測，搭建環境監測平臺，該平臺將具備連續性、追蹤性的特點，對突發環境事件的研究提供幫助。將來隨著該平臺研究更加成熟，還將具備綜合性特點，非常符合環境監測的要求。首先將開發的微傳感器節點模塊按照一定要求布置在監測環境中，實時采集各類環境數據，然后通過中心節點（具有協調器和路由的功能）將數據傳遞給網關，最后網關將收集到的整個子網絡的信息通過系統內網傳給基站。基站與一個數據庫和 Internet 網聯接，將收集到的數據進行相應的處理。最后，終端用戶可以通過 Internet 網訪問數據庫得到自己感興趣的信息，并且能夠根據需要作出下達指令，控制節點運行。實現對環境的實時監測以及下達控制操作的目的。
1）無線技術綜述：Zigbee 技術是專門為了低功耗的無線傳感器網絡研發的通信協議，通過對比 Zigbee技術和其它無線通信技術的特點，總結出 Zigbee 技術是無線傳感器網絡的最優選擇。本文重點從整個構架上闡述了基于 Zigbee 環境監測平臺的系統研究。為了適合無線網絡中傳感和控制設備通信的特定的需求，傳感和控制設備的通信并不需要高的帶寬，但是他們要求快速的反應時間，非常低的能量消耗，以及大范圍的設備分布。Zigbee 協議應運而生，它繼承了以往協議的優勢，為無線網絡中傳感和控制設備之間的通信提供了一個極好的解決標準。
2）系統建設：通過 Zigbee 協議采用自組網和多跳的通信方式將環境的變化量傳送給了它的上一級網關，網關將收集到的所有子網絡的信息，通過事先編譯好的系統內網傳給更上一級的中心服務器。中心服務器有一個數據庫專門存放這些環境的變化量，將它和 Internet 網連接。這樣，用戶終端就可以通過手機或 PC 機通過相應的服務程序直接訪問到 Internet 網數據庫得到用戶所需要的外界環境的信息。當然，隨著這一技術的不斷深入發展，用戶終端只需按下鍵盤在千里之外的辦公室就可以實現對智能節點的控制。
3 智能節點硬件設計
智能節點的硬件設計包括主控制器模塊選擇，通信模塊選擇，各種環境監測傳感器選擇等。通過比較選擇了環境監測中用到的幾種傳感器，分析它們的型號、特點、輸出模式以及外部接口電路。
1）智能節點的設計：智能節點的設計是整個系統硬件設計最核心的部分，它直接放置在監測環境內部，負責數據的采集、處理和傳輸等功能。節點的設計必須滿足具體應用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并為節點配備合適的傳感器、必要的計算功能、內存資源以及適當的通信設備。傳統的無線傳感器網絡節點由四個模塊組成：傳感器模塊（A/D 轉換、傳感器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線網絡、MAC、收發器）、電源供應模塊（電池、AD-DC）。本設計在原有基礎上添加標準化的接口平臺和控制平臺，實現更多應用的傳感器的添加，以及用戶可以下達命令對開關量，模擬量和數字量執行控制。
2）微控制器選擇：微控制器模塊是環境監測平臺節點的核心部分，在微控制器的選擇上，需要綜合考慮其存儲、處理、接口和功耗等多方面因素對硬件平臺實現功能的支持。我們選用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是專門為嵌入式應用而設計的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，時鐘頻率較低（4MHz），可以適用于不同類型設備的指令集。它以可變的片上 RAM（存儲范圍為 2～10KB）、幾個 12 位模/數轉換器和一個實時時鐘為特征。它的功能很強大，可以執行一個標準無線傳感器節點的基本計算任務
3）通信模塊選擇：通信模塊是傳感器組網的必備條件，使得獨立的傳感器節點之間可以互相連接，并能借助多跳將數據回傳到節點，即數據匯聚節點。在環境監測中，大量的節點被放置在被監測領域內，能量消耗以及外部對信號的干擾，選擇芯片時要充分考慮通信模塊抗干擾能力以及能量消耗問題，即在滿足信號處理要求的同時盡可能地抵抗干擾和降低系統能耗，延長平臺工作時間。
4）傳感器模塊：傳感器是環境監測平臺中負責采集監測對象相關信息的組件，與應用緊密相關，不同的應用對涉及的檢測量也不相同，有可能是一個模擬量（溫度、濕度、光強、氣體含量等），也有可能是一個數字量（信號鏈路質量）或者是一個布爾值（閾門開關、電閘的開合和繼電器的位置等）。在環境監測中，傳感器模塊主要添加的常用傳感器有全光譜光強度傳感器、可見光譜光強度傳感器、有毒氣體監測傳感器、溫濕度傳感器等。
5）控制平臺：大多數的環境監測，數據采集和傳輸是系統的主要工作，盡量避免對環境監測對象造成影響，以保證數據采集精度。但是，對于諸如農業環境監控之類，用戶希望不僅可以了解農田的各種環境參數變化，而且可以根據采集信息的變化情況對農田環境進行相應調整。例如，在蔬菜大棚內，溫濕度是影響蔬菜生長的一些重要因素，當監測平臺監測到溫濕度高于或低于適合蔬菜生長的范圍時需要采取一定的措施來改變大棚內環境溫濕度，比如控制噴淋開或關，這就需要引入執行器進行控制。在不同應用中，執行器的功能與作用各不相同，可能是一個繼電器開關，也可能是一組運動裝置或數控設備，具體需要由系統應用所針對的對象決定。
6）電源模塊：電源模塊是環境監測平臺的能量來源，電源技術的好壞決定了網絡工作時間的長短和系統運行成本。目前還沒有找到更高效使用時間更長的高能量電池，我們使用的是兩節AA 電池，實驗效果顯示可以維持一個節點工作半個月時間。
7）其他硬件設計：節點模塊采用 USB 口作為其程序調試下載端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主機通訊，為了和節點通訊，必須在FTDI設備上安裝FTDI驅動。節點模塊將會在windows設備管理器中以串行口出現。并行的無線傳感器可以同時連接到一臺電腦的USB口，每個點，將會接收到不同的串行通信口標識符。天線節點模塊的內置天線是一個倒F型的微波傳輸帶，它從電路板底部伸出，遠離電池組。倒F型天線是有線單極子，它頂部的截面被折疊下來與地線平行。在讀出或寫入閃存中數據的時候必須要謹慎，因為它是和無線電通信交叉存取的。這是總線在微控制器上的典型軟件應用。
4 平臺軟件設計
該環境監測平臺的軟件設計主要通過操作系統 TinyOS 和編程語言 NesC 來完成。本章通過典型應用分析了模塊化、基于組件的編程案例。將模塊化的程序設計移植于環境監測領域，列出了該平臺的軟件流程圖。最后通過網絡數據庫的應用開發了一套可視化數據監測平臺，實現了遠程監測。該平臺的軟件開發通過開源式 TinyOS 操作系統和基于組件的 NesC 編程語言來實現環境監測數據的發送和接收功能，程序開發周期短，便于修改，對于各種環境監測傳感器的添加也很方便。網絡數據庫的應用開發使人們在辦公室就可以直觀的看到各種傳感器采集的環境監測數據，足不出戶就可以對數據進行提煉分析，觀測環境變化的一舉一動，實現了 24 小時不間斷監測，對突發環境情況變化的研究提供了可能。
5 總結與展望
本文設計并實現了一種基于無線傳輸技術的環境監測系統，它通過使用由大量微型傳感器節點組成的環境監測網絡，可以對所監測的環境進行不間斷的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基礎性研究和探討。搭建了基于無線傳輸技術的環境監測平臺，這個平臺具有數據采集和上傳、網絡可視化、遠程控制等功能。在過去智能節點的硬件設計上存在接口不容易擴展問題，主要是由于環境監測中需要添加的傳感器類型不同導致輸出信號格式不同，另外還有主控芯片輸入接口不夠用等問題。針對這些展開研究，設計了標準化接口電路，實現了接口擴展。最后需要利用該平臺進行了一系列的試驗和調試，對采集的數據進行了分析，將該平臺應用于環境監測是具有一定科研意義的。
參考文獻
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【摘要】伴隨著社會的不斷發展，科學技術水平不斷提升，無線電技術的應用也越來越廣泛，并且隨著科技的發展，無線電技術也取得了長足的發展，涉及到無線電的業務也變得越來越廣泛，臺站的數量也在不斷增加，但是出現的問題就是無線電頻譜資源變得越來越緊張，所以無線電電磁環境變得也越來越復雜，為了更好的掌握無線電電磁環境的變化，促進無線電更好的為人們的發展服務，因此需要做好無線電電磁環境的監測工作。本研究針對無線電電磁環境的監測系統問題展開了一系列的闡述，首先分析了無線電電磁環境監測系統的主要組成，然后分析了在開展無線電電磁環境的監測過程中需要注意的問題有哪些，對于掌握無線電電磁環境的變化有一定的指導意義。
【關鍵詞】無線電 電磁環境 監測系統
一、前言
正如平時所熟知的地形條件，水文條件及氣象環境一樣，無線電電磁環境本身也存在于空間中，無線電電磁環境指的是在某一時間段，某一空間范圍內人為的電磁現象和自然界本身存在的電磁現象的總和。鑒于電磁環境與無線電設備的工作狀態有直接關系，因此需要做好無線電電磁環境監測，一旦無線電電磁不正常也就是平時所講的電磁干擾。由于電磁環境的穩定性受到眾多影響因素的影響，因此需要就無線電電磁環境監測系統展開細致的研究，才能控制好電磁環境更好的為社會發展服務。
二、無線電電磁環境監測系統的主要組成分析
（一）監測控制中心
監測控制中心是無線電電磁環境監測系統的主要組成，整個監測網絡需要對來自于不同地區，頻域監測數據進行采集，然后分析數據，促進自動監測工作的完成。監測控制中心主要利用無線電管理內部的網絡實現對下級控制中心的控制，監測控制中心是整體監測數據的聚集點，正是由于其具有非常強大的數據處理功能，因此是整個監測系統的中心組成。
（二）大型固定監測站系統
大型固定監測站系統也是無線電電磁環境監測系統的組成之一，想要促進無線電信號良好，一般需要將監測系統安裝在較高的建筑物上，大型固定的監測站系統能夠實現對無線電發射基本參數的測量、帶寬測定、調至測定、頻段及頻道的測定，能夠實現較強的數據監測與存儲處理功能。
（三）移動監測站系統
移動監測站主要是將整體監測設備設置在一些傳輸性能較好的交通工具上，然后移動監測站系統能夠實現固定站監測系統覆蓋不全面的缺點進行彌補，所以在這個層面上將移動監測站系統同樣也具有大型固定站監測功能的。
（四）可移動站
可移動站與移動監測站系統有所不同，它與交通工具實現了完全分離，所以使用起來相對比較靈活，一旦有需要能夠利用任何交通工具將監測設備送達到指定的監測點。當然如果監測有需要可以將監測設備臨時固定的某處從而實現了固定監測站的監測功能。
（五）小型固定監測站
采用小型固定監測站系統開展監測功能主要是為了減少不必要的投資，最大限度的將覆蓋區域的監測加強，結合實際的監測需要建立起有針對性的監測系統，該種監測站主要是對無線電電磁環境的監測數據加以收集。
（六）便攜式監測設備
該種監測設備，小巧便捷，便于在較近距離查找排除無線電干擾信號。上述所講的無線電監測站系統的具體使用情況需要結合國家對地區無線電電磁環境監測的具體要求來選擇。
三、在無線電電磁系統監測過程中需要重點注意的問題
由于無線電電磁系統監測對無線電設備的使用有著至關重要的影響，但是無線電電磁系統監測系統的監測過程是一項非常復雜的過程，其監測結果的準確性和全面性將直接影響無線電設備的具體使用情況，因此在監測過程中需要有一些問題要注意。首先，在無線電電磁環境的監測過程中，出現不同寬帶信號的現象是非常正常的，因此在進行監測結果接受的使用需要有較為嚴格的要求，為了最大限度的使用不同調制形式信號的測定需要，可以接受脈沖干擾信號。在監測過程中需要注意峰值和準峰值的檢波功能，結合不同的測量對象，選擇合適的檢波方式。在監測過程中會有很多外界因素影響監測結構，隨機干擾的來源不僅有熱噪聲還有雷達目標反射以及自然界所存的噪聲，因此在進行平穩隨機過程的干擾信號的測定時需要使用監測有效值以及檢測平均值等實現測定。在使用波檢器的時候，可以充分利用波檢器的性質，然后分析不通信號在不同的波檢方式下的不同反應，來判斷帶測定信號的類型，然后確定信號的性質，但是在監測的時候需要注意的問題是防止輸入端過載，檢波方式的選擇需要慎重，在監測之前需要進行設備的校準，預選器的選擇需要結合具體的測定過程。只有在測定過程中注意到一些小的細節才能促進檢測結果的有效性。
四、結語
綜上所述，無線電電磁環境的整體監測系統的組成非常復雜，只有就每一個組成的功能及工作原理分析到位，然后注意到在無線電電磁系統監測過程中所需要重點注意的問題才能做好無線電電磁環境的監測工作，最大限度的促進無線電業務的健康穩定發展。
參考文獻：
[1]司廣莉. 淺談無線電電磁環境監測系統及監測數據[J]. 科技資訊， 2009，（24）.
【關鍵詞】無線傳感器網絡 ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 數據融合
近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展，以及人們對于環境保護和環境監督提出的更高要求，越來越多的企業和機構都致力于在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術的研究。通過在監測區域內布署大量的廉價微型傳感器節點，經由無線通信方式形成一個多跳的網絡系統，從而實現網絡覆蓋區域內感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。無線傳感器網絡技術是應用性非常強的技術，它在當前我國環境監測系統中的應用潛力是巨大的。
一、無線傳感器網絡和ZigBee
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器結點通過無線通信技術自組織構成的網絡系統。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界，在工業自動化領域，利用無線傳感器網絡技術實現遠程檢測、控制，從而極大地擴展現有網絡的功能。傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產業。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee協議
1、IEEE 802.15.4標準
IEEE標準化協會針對無線傳感器網絡需要低功耗短距離的無線通信技術為低速無線個人區域網絡（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速互連提供統一標準。同時ZigBee聯盟也開始推出與之相配套的網絡層及應用層的協議，目的是為了給傳感器網絡和控制系統推出一個標準的解決方案。該標準一出現短短一年多的時間內便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發成立了若干聯盟。IEEE 802.15.4/ZigBee協議棧結構如圖1所示。協議棧中物理層與MAC層由IEEE定義，網絡層與應用程序框架由ZigBee聯盟定義，上層應用程序由用戶自行定義。
2、ZigBee標準
ZigBee這個字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈，來通知其他蜜蜂有關花粉位置等資訊，以達到彼此溝通訊息之目的，故以此作為新一代無線通訊技術之電磁干擾。因此，經過人們長期努力，zigbee協議在2003年中通過后，于2004正式問世了。
ZigBee網絡是自組織的，并能實現自我功能恢復，動態路由，自動組網，直序擴頻的方式故非常具有吸引力。節點搜索其它節點，并利用軟件“選中”某個節點后進行自動鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經證實的通信伙伴。
三、無線傳感器網絡技術特點
無線傳感器網絡由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節點組成，節點通過自我組織、自我愈合的方式組成網絡。區域中分散的無線傳感器節點通過自組織方式形成傳感器網絡。節點負責采集周圍的相關信息，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網絡傳遞到遠端的監控設備。
四、系統概述
環境監測應用中無線傳感器網絡屬于層次型的異構網絡結構，最底層為部署在實際監測環境中的傳感器節點。向上層依次為傳輸網絡，基站，最終連接到Internet。傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，傳感器節點的體系結構如圖2所示。為獲得準確的數據，傳感器節點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監控區域內，從而形成多個傳感器網絡。傳感器節點將感應到的數據傳送到一個網關節點，網關節點負責將傳感器節點傳來的數據經由一個傳輸網絡發送到基站上。傳輸網絡是負責協同各個傳感器網絡網關節點、綜合網關節點信息的局部網絡。基站是能夠和Internet
相連的一臺計算機（或衛星通信站），它將傳感數據通過Internet發送到數據處理中心，同時它還具有一個本地數據庫副本以緩存最新的傳感數據。監護人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數據中心，或者向基站發出命令。基于無線傳感器網絡的環境監測系統適合于在煤礦、油田安全監測，溫室環境監測、環保部門的大氣監測、突發性環境事故的預測及分析、特殊污染企業的監測，生物群種的生態環境監測以及家庭、辦公室及商場空氣質量監測等領域應用。
五、系統應用特點及架構
1、系統特點
利用無線傳感器網絡實現環境監測的應用領域一般具有以下特點：
（1）無人環境、環境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統工業級品質安全可靠。（2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態環境監控可能反而會破壞環境的完整性，包括影響生態環境中種群的習性和分布等。（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備相對比較多，但僅僅用于監測或控制。（4）系統實施、運行費用要低，無需鋪設大量電纜，支持臨時性安裝，系統易于擴展和更新。（5）具有數據存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數據存儲到后臺或遠程數據庫，并能夠進行離線的數據挖掘，數據分析也是系統實現中非常重要的一個方面。
2、系統架構
（1）礦井安全監控
礦井利用無線傳感器網絡實現井下安全監控的系統結構框圖如圖3所示。傳感器節點負責井下多點數據采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風速和氣壓等參數，通過井場監控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監控中心。后臺監護人員通過該監測系統可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調度、安全監測，從而可以有效的防止礦井事故的發生。
（2）生態環境監測
傳感器網絡在生態環境監測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系3Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic，COA）聯合開展了一個名為“in—situ”的利用傳感器網絡監控海島生態環境的項目。該研究組在大鴨島（Great Ducklsland）上部署了由43個傳感器節點組成的傳感器網絡，節點上安裝有多種傳感器以監測海島上不同類型的數據。如使用光敏傳感器、數字溫濕度傳感器和壓力傳感器監測海燕地下巢穴的微觀環境；使用低能耗的被動紅外傳感器監測巢穴的使用情況，系統的結構框圖如圖4所不。
（3）智能家居
無線傳感器網絡還可以應用于家居中，其家用遠程環境監控系統的結構框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監控系統完成對家電的遠程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時打開空調，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環境。
六、關鍵技術研究
1、數據融合技術
環境監測應用的最終目標是對監測環境的數據采樣和數據收集。采樣頻率和精度由具體應用確定，并由控制中心向傳感器網絡發出指令。對于傳感器節點來說，需要考慮采樣數據量和能量消耗之間的折中。處于監控區域邊緣的節點由于只需要將收集的數據發送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節點由于同時還需要為邊緣節點路由數據，消耗的能量要多2個數量級左右。因此，邊緣節點必須對采集到的數據進行一定的壓縮和融合處理后再發送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel—Ziv算法對原始數據進行壓縮，使得數據通信量減少了2～4個數量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經典壓縮算法的壓縮效果。
2、安全管理
傳統網絡中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網絡，主要表現在以下四個方面：（1）無線傳感器網絡缺乏基礎設施支持，沒有中心授權和認證機構，節點的計算能力很低，這些都使得傳統的加密和認證機制在無線傳感器網絡中難以實現，并且節點之間難以建立起信任關系；（2）有限的計算和能源資源往往需要系統對各種技術綜合考慮，以減少系統代碼的數量，如安全路由技術等；（3）無線傳感器網絡任務的協作特性和路由的局部特性使節點之間存在安全耦合，單個節點的安全泄露必然威脅網絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性；（4）在無線傳感器網絡中，由于節點的移動性和無線信道的時變特性，使得網絡拓撲結構、網絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態變化之中。目前無線傳感器網絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面已經定義了完整有效的機制和算法，安全管理方面目前以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。
七、展望
環境監測是一類典型的傳感器網絡應用，在實際的應用中還有很多關鍵技術，包括節點部署、遠程控制、數據采樣和通信機制等。由于傳感器網絡具有很強的應用相關性，在環境監測應用中的關鍵技術需要根據實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網絡技術的日益成熟和完善，我們還可以在各個方面開展許多新的應用，比如軍用傳感網絡可以監測戰場的態勢；交通傳感網絡可以配置在交通要道用于監測交通的流量，包括車輛的數量、種類、速度和方向等相關參數；監視傳感網絡可以用于商場、銀行等場合來提高安全性。可以預見，隨著無線傳感設備性價比的提高以及相關研究的不斷深入和傳感網絡應用的不斷普及，無線傳感器網絡將給人們的工作和生活帶來更多的方便。
參考文獻
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關鍵詞：無線傳感器網絡；設施農業；監測；低功耗
中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：16727800（2013）003008202
0 引言
近年來我國以大棚和溫室為主體的設施農業正在迅速發展，但與國外相比，我國的設施農業普遍存在科技含量低、生產水平和效益低下等缺點，因此，迫切需要提高我國設施農業的整體水平。信息技術在農業領域中的應用是提高設施農業科技水平的重要環節。我國作為一個農業大國，農業分布呈“小而散”的特點，存在很多小型化的溫室生產模式。因此，研制成本低廉、操作簡單、可靠性高的設施農業環境監測控制系統是我國現代化設施農業的一個關鍵。
目前，傳統的農業領域自動監測方法通常是通過有線方式將傳感器采集的信號傳到監測中心。由于農業生產環境分布范圍廣、地形復雜、環境溫度變化大、空氣潮濕等因素的影響，極易導致信號傳輸電纜的老化，從而降低監測系統的可靠性。隨著無線通信技術的日趨多元化結合，ZigBee 作為一種近距離、低功耗、低傳輸速率、低成本、高可靠性的無線通信技術，特別適用于現代設施農業的無線環境數據采集與監測。
1 系統結構
結合設施農業環境監測應用需求，本文構建的基于Zigbee傳感器網絡的農業環境監測系統的結構如圖1所示。
該系統整個監測網絡由傳感器節點、路由節點、協調器節點和監測平臺四部分組成。監測平臺是系統的管理中心和數據匯聚中心，協調器節點負責協調和管理網絡通信，初始化和啟動整個網絡后控制路由節點的數據傳輸。傳感器節點位于最前端，用于采集農業環境物理量信息，并通過網絡把數據傳輸至路由節點；路由節點再將收到的各種數據傳送給協調器節點。
2 監測傳感器節點設計
2.1 節點硬件設計
傳感器節點的主要功能是負責采集設施農業生產環境監測區溫濕度、光照強度、土壤pH值等物理量信息，并將采集的數據傳輸給路由節點。整個傳感器節點系由傳感器模塊、處理器模塊、無線射頻模塊、電源管理模塊等四部分組成。監測傳感器節點結構框圖如圖2所示。
傳感器節點各硬件模塊功能簡介如下：
（1）傳感器模塊。該模塊主要集成了各種傳感器，對溫度、濕度、光照強度、土壤PH值等物理量進行采集，由 AD 轉換器將模擬電信號轉換成數字信號。其中溫濕度傳感器采用的是數字溫濕度傳感器DHT21，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器；本方案中選擇TSL2561作為光強度傳感器，它具備高速、低功耗、寬量程、可編程且可以根據用戶靈活配置等優勢；CO2濃度傳感器采用超低功耗紅外二氧化碳傳感器COZIR-A，其他傳感器接口已經留出，方便以后進行擴展。
（2）處理器模塊。該模塊負責控制整個傳感器節點的操作、數據的存儲和處理，是傳感器節點的核心。在農業環境監測系統中根據低功耗和處理能力的需要，本系統采用TI公司生產的16位超低功耗單片機MSP430F149。它具有RISC CPU內核，內部集成了12Bit模數轉換器、內部溫度傳感器、16位定時器A和定時器B、串行異步通信端口UART0和UART1（軟件可選擇UART/SPI模式）、硬件乘法器，多達48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空間和2kB的數據空間等諸多外設，可直接用JTAG仿真調試。MSP430F149具有多種模式可選，在設施農業環境監測系統中，可根據不同的需要，切換模式以降低系統功耗。
（3）無線射頻模塊。無線射頻模塊主要是控制信息的無線收發。無線通信模塊消耗了整個傳感器節點的絕大部分能量，故選擇低功耗、高性能的射頻模塊是整個系統的關鍵之一。基于現代設施農業環境監測的實際情況，本系統無線射頻模塊采用CC2430無線射頻芯片。無線射頻模塊采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430內部集成了RF收發模塊，利用2.4GHz公共頻率，應用于監視、控制網絡時具有低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢；該芯片性能穩定，具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，正常工作時需要的外部元器件極少，與主控制器接口簡單，特別適合低功耗的無線傳感器網絡的應用。
（4）電源管理模塊。電源管理模塊為系統其它各模塊提供持續、穩定的能量供應，由于此監測終端為戶外不間斷工作，為降低功耗，電源管理模塊加入低功耗的管理和控制，通過軟件機制實現多種工作模式（包含正常模式和休眠模式），當節點不工作時系統即進入休眠模式。考慮到系統將長期使用，可以通過外接電源或外接蓄電池和太陽能電池板以保證系統的持續供電。
2.2 節點軟件設計
基于環境監測系統長時間工作的需要，傳感器節點軟件系統設計的關鍵是在保證能有效實現必要功能的前提下最大限度地減小節點的能耗。無線傳感器網絡中監測節點的能耗主要集中在通信能耗和傳感器模塊的能耗，而通信能耗要遠大于傳感器模塊能耗。因此，節點電源打開后，完成ZigBee模塊和傳感器模塊的初始化，建立通信鏈路后，設置喚醒時鐘并進入休眠模式。節點軟件設計程序流程如圖3 所示。
3 網絡拓撲結構
一般設施農業監測的規模和范圍不大，因此本系統的網絡拓撲選擇簡單的星型網絡結構，通過對多個監測節點發送的數據進行分析可以判斷環境監測區域的狀態。系統啟動后，根據網絡協議組建網絡，為節點分配地址。當監控平臺查詢數據時，系統根據地址分配執行數據采集。
4 結語
將無線傳感器網絡應用于現代設施農業環境信息檢測具有傳統農業監測方式無法比擬的優勢。本文提出了基于ZigBee傳感器網絡的設施農業環境信息實時監測系統的設計方案。介紹了系統的總體結構和傳感器節點的硬件及軟件系統設計。本文提出的這一無線傳感器監測系統，具有低成本、低功耗、可靠性強等特點，為現代設施農業生產環境信息監測提供了一種有效的解決方案。
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（杭州職業技術學院機電系，浙江 杭州 310018）
【摘 要】基于無線傳感器網絡的大氣環境監測系統由傳感器網絡節點、嵌入式網關和監測中心三部分組成。其中，傳感器網絡節點以ATmega16單片機為控制核心構成，配置了符合環境監測標準的各種傳感器，可對10種大氣環境變量和氣象參數連續自動監測，并采用ZigBee無線通信模塊將環境數據傳送到嵌入式網關。該網關以S3C2440A處理器和嵌入式Linux操作系統為平臺，還配置了觸摸式人機界面，不僅能采集大氣環境數據，還可接入Internet，實現大氣環境變量和氣象參數值遠傳。監測中心接收嵌入式網關上傳的環境監測數據，存入基于Access 2007的大氣環境信息關系型數據庫，并提供查詢等數據管理功能。
關鍵詞 環境監測；無線傳感器網絡；ZigBee；無線通信；嵌入式系統
0 引言
環境監測是為保護環境和保障人群健康，運用化學、生物學、物理學和公共衛生學等方法間斷或連續地測定環境中污染物的濃度，觀察、分析其變化和對環境影響的過程[1]。隨著社會進步與經濟快速發展，環境保護問題越來越受到人們的關注。世界各國都致力于控制和減少環境污染，研究環境可持續發展的綠色方案，我國也提出了發展低碳經濟的戰略目標，并對環境自動監控提出了更高的要求。
大氣環境監測系統所獲得的環境數據應能夠準確、及時、全面地反映特定區域環境的質量現狀及其變化趨勢，要求覆蓋面廣，監測點布設靈活，從而為環境管理、污染源控制和環境規劃等提供科學依據。基于無線傳感器網絡的大氣環境監測系統可以實現特定區域環境信息的實時采集、無線傳輸和集中處理，是實現大氣環境網絡化監測的一種先進解決方案。
1 系統總體方案
基于無線傳感器網絡的大氣環境監測網絡結構如圖1所示。嵌入式網關和若干傳感器網絡節點組成星形拓撲結構的無線傳感器網絡。由隨機部署在感興趣區域內的傳感器網絡節點實時采集大氣環境信息和氣象參數，經過預處理之后，以ZigBee無線通信方式發送到嵌入式網關；嵌入式網關也具有環境數據采集能力，還配置了LCD觸摸屏人機界面，其主要功能是將各監測點的環境數據匯總之后，通過Internet傳送給大氣環境監測中心（PC），即實現無線傳感器網絡的Internet接入。環境監測中心對特定區域的大量環境數據和氣象參數進行檢查分析之后，存儲到Access數據庫中，以便統計處理和數據查詢。
2 環境監測變量及傳感器
大氣環境質量監測（air quality monitoring）是指對一個地區大氣中的主要污染物進行布點觀測，并由此評價大氣環境質量的過程[2]。國務院環境保護領導小組的《環境空氣質量標準》規定了環境空氣質量功能區劃分、標準分級、污染物項目、取值時間及濃度限值。選擇《環境空氣質量標準》中規定的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）等可用傳感器測量的幾種大氣污染物作為系統監測對象。由于大氣污染與氣象條件密切相關，因而在大氣污染監測中應包括風向、風速、溫度、相對濕度、氣壓等氣象參數的測定[3]。此外，CO2是反映碳排放的重要指標，所以將其列為監測項目之一，故基于無線傳感器網絡的大氣環境監測系統的監測變量共有10種。遵循低成本、高可靠性、適當精度、使用方便等原則，為大氣環境監測系統配置了以下8種傳感器模塊：
（1）SO2傳感器：選擇模擬輸出型二氧化硫傳感器模塊SMC-CDX，它采用雙光束非分光紅外線（NDIR）檢測技術，具有抗其它氣體干擾、穩定性好、自帶溫度補償等特點，輸出符合Modbus協議的模擬信號4～20mA，經過信號變送器產生0～5VDC的模擬信號。
（2）NO2傳感器：選用深圳市富安達智能科技有限公司研發的NO2/S-500-S傳感器（量程：0～500ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度范圍：-20°C-45°C，工作濕度范圍：15-90%），無需偏執電壓，具有良好的重復再現性和長期穩定性，經信號放大電路及信號變送器輸出0～5VDC的模擬信號。
（3）CO傳感器：選用英國Alphasense公司的一氧化碳傳感器CO-BF（量程：0-1000ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度：-30～50℃，工作濕度：15～90％RH），經信號放大及變送后產生0～5VDC模擬信號。
（4）O3傳感器：選用MQ131臭氧氣體檢測模塊（工作電壓：5VDC），它具有模擬量輸出及TTL電平輸出的雙路信號輸出，TTL低電平輸出有效，可直接與單片機I/O口相連。
（5）風速風向傳感器：配置的M288865包括了風速傳感器和風向傳感器。風速傳感器（量程：0～40m/s，精度：±0.3m/s）可以產生TTL電平頻率信號，風向傳感器（量程：0～360o，精度：0.1%）在精密導電塑料電位器的活動端產生變化的電阻信號輸出，可經過變換電路產生0～5VDC模擬輸出信號。
（6）溫濕度傳感器：選用含有校準數字信號輸出的數字溫濕度傳感器SHT11（溫度量程：-40～123.8℃，濕度量程：0～100%RH，溫度測量精度：±0.3℃，濕度測量精度：1.8%），它采用準IIC方式傳輸數據。
（7）氣壓傳感器：選擇德國BOSCH氣壓傳感器系列的BMP085（量程：300～1100mbar，精度：0.03mbar，工作溫度范圍：-40℃～85℃），用8-Pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，可以通過IIC總線直接與各種微處理器相連。
（8）CO2傳感器：選擇采用固體電解質電池原理的MG811型CO2氣體傳感器。該傳感器受溫濕度變化的影響較小，具有良好的穩定性、再現性，經信號放大及調理后產生0～5VDC的模擬輸出信號。
3 大氣環境監測網絡設計
3.1 傳感器網絡節點設計
傳感器網絡節點是一個由傳感單元、處理單元、無線收發單元和電源單元4個功能模塊組成的微型嵌入式系統[4]，其硬件組成如圖2所示。它的控制能力、數據存儲能力、分析計算能力和通信能力相對嵌入式網關較弱。傳感單元分為模擬和數據兩部分，SO2傳感器(SMC-CDX)、NO2傳感器(NO2/S-500-S)、CO傳感器(CO-BF)、CO2傳感器(MG811)和風向傳感器(M288865/DIR)的輸出信號經過放大和調理之后，輸出0～5V模擬信號，可接入MCU的ADC通道；O3傳感器(MQ131)、風速傳感器(M288865/SPEED)輸出TTL電平脈沖信號，可接入MCU的計數通道。溫濕度傳感器(SHT11)采用準IIC方式向MCU發送數據，DATA和SCK信號可直接與MCU的I/O引腳連接；氣壓傳感器(BMP085) 使用標準IIC總線向MCU發送數據。處理單元主要協調、控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理采集數據，并與其它節點合作完成被指派的感知、監測任務，是傳感器網絡節點的核心，從節約成本、提高可靠性等方面考慮，選用ATmega16單片機。無線收發單元將傳感器網絡節點接入傳感器網絡，采用TI公司的系統芯片（SoC）CC2530F256，運行ZigBee2007/PRO 協議，通過USART與MCU傳輸數據，滿足以Zigbee為基礎的2.4GHz的ISM頻段應用。電源單元則為傳感器節點提供維持正常運行所必須的能量。
3.2 嵌入式網關設計
嵌入式網關以ARM微處理器為核心，包括傳感單元、基本外圍電路、存儲單元、ZigBee通信、Internet通信和觸屏顯示6部分，其硬件組成如圖3所示。選擇SamSung公司的基于ARM920T架構的16/32位RISC處理器S3C2440A作為控制核心，協調其它所有工作單元有序運行，實現大氣環境信息和氣象參數的數據采集、數據預處理、數據存儲、數據轉發等全部功能。嵌入式網關的傳感單元組成及功能與傳感器節點的傳感單元相同。基本外圍電路包括電源電路、時鐘電路和復位電路，為S3C2440A正常運行以及嵌入式網關中所有外圍電路正常工作提供基本保障。存儲單元擴展了SDRAM和flash兩種存儲器，分別為程序代碼和各種數據提供存儲空間。ZigBee通信模塊負責與WSN內的各傳感器節點通信，搜集監測區域的環境信息。觸屏顯示單元采用Toppoly 3.5寸LCD模塊，移植了Qt界面，便于用戶在現場進行傳感器網絡運行參數配置，查詢任意時刻采集的環境數據等。Internet通信模塊將匯總的環境數據傳輸至監測中心，并與ZigBee模塊聯合實現ZigBee和TCP/IP兩種網絡協議的轉換。
4 大氣環境監測系統軟件
4.1 傳感器網絡節點軟件
傳感器網絡節點實行被動式數據采集行為，即僅當接收到嵌入式網關下發的數據采集命令時才執行采集數據的任務，其它時間則進入休眠模式以降低電能消耗。
傳感器節點應用軟件的設計過程相對簡單，其程序流程如圖4所示。上電復位后首先初始化硬件，向嵌入式網關報告自己的ID信息，加入WSN之后就進入空閑模式。在此模式下，CPU停止運行，而SPI、USART、ADC、定時器/ 計數器、看門狗和中斷系統繼續工作。諸如定時器溢出與USART傳輸完成等內外部中斷都可以喚醒MCU[5]。因此，當接收到嵌入式網關的數據采集命令后，USART接收中斷會將MCU喚醒，即刻采集大氣污染物數據，再通過ZigBee通信模塊將其傳輸至嵌入式網關。
4.2 嵌入式網關軟件
基于S3C2440A微處理運行Linux操作系統的嵌入式系統，其軟件部分包括啟動引導程序、操作系統內核、根文件系統、設備驅動程序和應用程序，前3部分是系統運行的基礎部分，目前已有相對較為成熟的版本出現，只需要針對具體硬件平臺進行修改、裁減即可完成移植工作，不必重新開發。
4.2.1 驅動程序
驅動程序是應用程序和實際設備之間的一個軟件層[6]。分為字符設備驅動程序、塊設備驅動程序和網絡驅動程序。大氣環境監測系統中的傳感器都是簡單的硬件設備，因此，全部被抽象為字符設備。字符設備驅動程序完成的主要工作是初始化硬件設備、添加和刪除設備結構體，申請和釋放設備號以及填充file_operations結構體。file_operations結構體用來建立設備編號與驅動程序操作的連接，實現該結構體中的read()、write()、ioctl()等函數是驅動程序設計的主題工作。
傳感器設備驅動程序所實現的只是最重要的設備方法，比如SHT11和CO2的file_operations結構被初始化為如下形式：
struct file_operations shtxx_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = sht11_open,
.ioctl = sht11_ioctl,
.release = sht11_release,
};
static struct file_operations adc_fops = {
owner: THIS_MODULE,
open: adc_co2_open,
read: adc_co2_read,
ioctl: adc_co2_ioctl,
release: adc_co2_release,
};
4.2.2 應用程序
嵌入式網關應用程序主要包括兩個線程和一個中斷服務程序，其執行流程如圖5所示。上電后，首先進入main函數（主線程）初始化并設置系統參數，調用signal函數設置SIGALRM信號的信號處理程序用以完成嵌入式網關與監測中心的TCP/IP通信任務，然后設置定時器，再調用pthread_create函數創建Data_Collection線程負責數據采集任務，之后運行基于事件驅動的Qt程序，在這段代碼中將程序控制權交給用戶，用戶通過操作界面可以設置嵌入式網關系統參數或查看實時采集的環境數據。
4.3 大氣環境監測中心軟件
使用Access2007創建大氣環境信息數據庫，利用visual c++提供的ADO（ActiveX Data Object）訪問數據庫，實現環境數據分析處理、越限報警和數據顯示查詢等功能。當鍵入主鍵值（ID）時，程序訪問access數據庫進行查詢，并顯示出該ID對應的各字段數據值；還可以時間為橫軸，參數值為縱軸顯示某一時間段的變化曲線。如圖6所示。5 結論
系統綜合測試表明，環境監測網絡中的傳感器網絡節點可按照設計要求采集數據，并能正確接收、執行嵌入式網關下發的各種命令；嵌入式網關可實現WSN自組網功能，并支持傳感器節點動態加入或離開網絡，且人機界面簡單易用；大氣環境監測中心可顯示環境信息歷史數據和變化曲線，支持各種查詢。傳感器網絡節點、嵌入式網關和監測中心的數據通信良好，可協同完成特定區域的大氣環境監測網絡化任務。
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（1.蘇州大學文正學院，江蘇蘇州215104；2.蘇州大學物理與光電·能源學部，江蘇蘇州215006）
摘要：設計了一種基于無線透傳傳感網絡的分布式環境監測系統。設計采用1100E射頻芯片作為無線收發芯片，通過在ATmega128L微處理器中編寫透傳算法程序，實現對各環境參數的數據透傳，使用RS 232C串口與PC機進行通信，實現了對目標監測區域各環境參數的實時采集。給出實驗測試采集到的多組數據，通過對實驗數據的分析，說明該設計可以在400 m內同時實現對254個無線節點的實時監測，測量誤差約為±0.1%～±3%。
關鍵詞 ：無線透傳；透傳算法；環境監測；ATmega128L
中圖分類號：TN911?34；TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）18?0128?05
收稿日期：2015?03?10
基金項目：江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃資助項目（201413983005Y）；蘇州大學學生科研基金資助項目（2014）
0 引言
環境信息影響著人們對環境質量的判定，對人們的生活產生了不小的影響[1]。隨著射頻無線通信技術的廣泛應用，現已實現對環境參數的多點遠距離智能化實時采集[2]。在農業生產中，通過ZigBee技術能夠實時監測溫室中的溫濕度信息，有效地提高了農業生產的經濟價值[3]。在工業生產中，通過GPRS 技術實現了對礦井內瓦斯等易燃易爆危險氣體的實時監測，極大地保證了工業生產制造過程中的安全[4]。這些無線環境監測技術克服了傳統的環境監測方式網絡部署難，維護成本高，節點智能化程度低等缺點，極大地提高了數據的傳輸效率。但是，在實際應用時，ZigBee技術的穿透性較差，數據傳輸距離較近，其他主流無線傳感網絡（WiFi，藍牙，nRF等）對其同頻干擾較大，數據傳輸時誤碼率較高[5]。GPRS在進行數據傳輸時需要消耗大量流量，終端芯片資源配置較大[6]。
本文設計了一種無線透傳傳感網絡應用于分布式環境監測系統，在進行組網時無需考慮射頻無線芯片的收發協議和配置方法，可以透過無線芯片直接將其當作普通的有線模塊使用，降低了終端芯片的資源利用率，通過鉗位電路和電平轉換實現了RS 232通信的兼容轉換。本文設計的無線、透傳傳感網絡大大降低了射頻無線通信網絡的硬件和設計研發成本，保證了通信的距離和準確性。設計可以實現對400 m 范圍內有建筑物遮擋的環境狀況下進行實時監測。
1 系統總體設計
該無線透傳環境監測傳感網絡主要包括終端監測部分，無線透傳網絡，PC監測端。
（1）終端監測部分。微處理器ATmega128L將各傳感器采集來的環境參數的模擬信號經過A/D轉換，轉化為數字信號，并在LCD液晶屏上實時顯示各環境參數，并與報警閾值比較。
（2） 無線透傳網絡。設計透傳算法，使用AT?mega128L將暫存在存儲器中的傳感器數據轉化為符合RS 232 有線通信協議的數據，進一步轉換為無線協議的數據發送到遠端，并與PC監測端的無線透傳網絡相連接，使無線通信等效為有線通信。該透傳等效圖如圖1所示。
（3）PC監測端部分。PC機將各個透傳無線節點實時采集來的環境參數進行存儲和處理，并將各時刻的參數以圖像的形式顯示出來，并且用戶可以根據實際監測的需要，通過PC機對系統報警閾值進行修改。
2 系統硬件設計
2.1 終端監測端硬件設計
該系統的微處理器均采用AT?mega128L單片機[7]。它采用獨特的RISC結構，豐富的內部資源可以更好地運行相對復雜的透傳算法。在指令執行方面，微控制單元采用Harvard結構，指令大多為單周期，透傳算法在工作時，可以嚴格的控制時序，保證通信的準確性。在能源管理方面，ATmega128L提供多種電源管理方式，以盡量節省節點能量，保證了各節點長時間持續工作。在可擴展方面，提供了多個I/O口，有助于終端機各傳感器模塊的選擇和擴展，防止了各傳感器信號及數據相互干擾。ATmega128L 提供的USART（通用同步異步收發器）控制器、SPI（串行外設接口）控制器等與無線收發模塊相結合，能夠實現大吞吐量，高速率的數據收發。
如圖2 所示，環境監測終端機工作時，電化學甲醛傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器發出的微弱信號經過放大電路后被放大，然后對其進行A/D轉換等一系列的加工后再由ATmega128L對其進行處理，如果甲醛等環境參數濃度值高于環境參數濃度的國標，那么蜂鳴器就會發出警報，同時各環境參數濃度值會被輸送到LCD 上顯示出來。如果在國標的允許范圍內，那么只顯示濃度值而不發出警報。此外，ATmega128L將各環境參數經射頻芯片CC1100E傳送到透傳網絡。
2.2 透傳自組模塊硬件設計
CC1100E芯片在進行數據傳輸時采用UART0通信協議，ATmega128L可以嚴格按照時序讀寫用以控制芯片內部的32個寄存器，靈活配置各參數，如圖3所示。
CC1100E 接口RF_CLK，RF_CS，RF_SOMI，RF_SI?MO 分別和ATmega128L 的串行外設接口端PB2，PB1，PD2，PD3 相連接。RF_CLK 端口為PB2 端口傳輸數據的時鐘信號；RF_CS作為片選信號，僅當片選信號為低電平時，ATmega128L對CC1100E的操作才有效。
RF_SOMI 用于從ATmega128L 到CC1100E 的串行數據傳輸。為了降低整數據透傳的功耗，CC1100E在數據接收或收發狀態聲明時，系統設計采用中斷方式。
RF_GDO0，RF_GDO2 必須與微處理器的外部中斷相連，以便使用CC1100E 喚醒微處理器，設計時將RF_GDO0，RF_GDO2分別與具有中斷能力的PD6，PD7相連接。CC1100E在高頻工作狀態下，發射前段和天線饋點需要巴倫電路和匹配網絡。
3 系統軟件設計
3.1 透傳網絡控制算法設計
微處理器ATmega128L 通過射頻無線收發芯片CC1100E，把暫存的各參數數據發送到遠程接收端，如圖4所示。首先微處理器ATmega128L通過透傳算法控制射頻發射芯片CC1100E發送信號校檢標志碼。這個過程的目的是給遠程端射頻無線收發芯片發送符合該透傳自組傳感網絡的通信匹配標志，以判斷是否為本通信所需的無線數據包。
ATmega128L 通過CC1100E 連續發送校檢標志碼0X55 和0XAA 共2 個字節，供遠端芯片查詢確認。其次，ATmega128L 通過CC1100E 發送校檢結束標志碼0X88 和0XFE，表示校檢標志發送結束。然后，發送數據包長度信息Length，告訴接收端芯片本次數據包發送的長度。最后，ATmega128L從發送端的緩存中發送長度為Length的數據包。
微處理器ATmega128L 通過射頻無線收發芯片CC1100E，把遠程端發送來的數據接收到本地芯片緩存。如圖5所示。當ATmega128L通過CC1100E收到上升沿校驗標準碼時，說明有數據傳來，立即喚醒轉入接收模式。
接收模式時，如果接收到的0X55 和0XAA 字節數小于6，則說明此時通信與該自組傳感網絡不匹配，本次通信結束，進入待機睡眠狀態；如果連續接收到0X55和0XAA，并且接收到的字節數大于等于6，則說明通信與該自組傳感網絡匹配，隨后的信號將是本地芯片所需要的無線信號。如果接收到0X88和0XFE，則表明校檢標志接收完畢，等待下面的信號，如果一直沒有接收到校驗標志碼0X88和0XFE，則表明本次通信失敗，通信結束。當接收到0X88和0XFE之后緊接著接收到的為數據包長度信息Length，由此判定數據包的長度。最后一步，接收緊接著的長度為Length的數據包，并且存入接收端緩存。完成本次數據的接收。
3.2 監測終端軟件設計
如圖6所示，首先對液晶屏和單片機中的寄存器初始化，寄存器包括A/D 轉換寄存器，定時器0 中斷寄存器和定時器2寄存器。
將A/D 轉化寄存器中的輸入信號經過A/D 轉換函數后再經過定時器中斷函數，系統根據這個信號來判斷所測區域各環境參數的濃度和是否發出警報，如果發出警報，那么ATmega128L的PWM端口決定了蜂鳴器的頻率，如果不發出警報，那么各參數濃度數據就直接顯示在LCD 屏上。整個系統是一直運行的，當輸入的信號發生改變，那么LCD 上的環境參數濃度值也會發生相應的改變。取值頻率設置為30 ms取一次值，由定時器中斷函數來實現控制。
3.3 上位機軟件設計
為了清晰地觀察室內各環境參數的變化情況，使用LabView設計了上位機。上位機部分程序如圖7所示。
4 實驗數據及分析
4.1 實驗結果及分析
在對終端機進行測試時，在400 m 距離范圍內，對5 間不同房間的溫度和甲醛含量進行了測試，其中0xf1為封閉的實驗室，0xf2為封閉的教室，0xf3為封閉宿舍，0xf4為通風教室，0xf5為通風宿舍。測試結果如表1所示。如表1 所示，在密閉狀態下，所監測房屋0xf1 一天的甲醛濃度都維持在0.06~0.08 ppm，遠超過國家室內甲醛濃度標準。教室、實驗室、宿舍等場所由于長時間不通風，室內甲醛的濃度會比較高，人們長期生活在這種環境下，會對身體造成嚴重的傷害。系統采集到的溫度數據，與標準溫度誤差范圍均在3%以下。
4.2 透傳傳感網絡性能分析
通過對透傳模塊的測試，系統穩定工作時，每5 s需通信轉發心跳幀一次，空中每幀數據都會轉發一次，最多支持240 字節長度數據包。當空中波特率固定為9 600 b/s通信距離為400 m平原條件時，通信誤碼率為10-3~10-4。透傳數據在傳輸過程中會存在一定延時，適用于傳輸距離遠且對實時性要求不高的場合。
系統模塊在正常工作模式下，通過控制SLP管腳電平，可以使系統進入休眠狀態，當SLP管腳接收到下降沿信號時，模塊進入休眠模式。處于休眠模式時，模塊的工作電流小于5 μA。模塊進入休眠模式后，RST腳輸入一個低電平信號（>1 ms）可以使模塊退出休眠模式，進入正常工作狀態。
5 結語
本文提出的無線通信透傳算法，透過無線通信把傳統的無線傳感網絡當作有線通信使用，工作時無需任何用戶協議，即可實現數據的透明傳輸，自動路由。可以自動跳頻抗干擾，自動路由數據，網絡結構中不需單獨的路由器或中繼器，穿透障礙物能力強，極大地降低了終端芯片的資源利用率和無線傳感網絡硬件成本。環境采集終端機，續航能力強，各傳感器靈敏度高，采集到的各參數與實際誤差相差極小。樣品機實物圖如圖8所示。
當數據速率提高時，系統通信的誤碼率會增加，如需進一步提高透傳模塊的性能。可采用以下技術來提高通信可靠性[8?10]。在物理層，模塊采用差分曼徹斯特編碼技術發送數據，從而保證通信中的同步問題。
在數據鏈路層，使用循環冗余編碼進行數據幀校驗，用以保證數據到達用戶應用層以后的可靠性。
注：本文通訊作者為吳迪。
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作者簡介：于洪濤（1993—），男，江蘇徐州人。主要研究方向為光電應用技術。
吳迪（1980—），男，江蘇徐州人，博士，講師。主要研究方向為儀器儀表與自動化檢測技術。
關鍵詞：ZigBee CC2530 無線傳感器網絡 環境監測 GPRS
中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）10-0146-02
倉庫作為物資供應體系的一個重要組成部分，承擔著物資的存儲、管理和調配的任務，倉庫中的物資要保證數量，品質和安全，要做到防潮，防火，防盜等等，對倉庫環境參數的監測顯得尤為重要，目前，很多倉庫的環境監測現狀是使用人工監測，方法落后，或者使用有線監測方式，布置方式不靈活，還有不能實現無線遠程監測等等，倉庫的智能化監測是網絡通信技術在現代工業生產中的應用，通過使用ZigBee無線傳感器網絡對倉庫環境進行實時的監測，提供準確的實時數據，及時準確的掌握倉庫的環境條件，為物資的存儲提供有力的數據支持。
本文設計了一個基于ZigBee無線傳感器網絡的倉庫環境監測系統，通過ZigBee無線傳感器網絡對倉庫的溫度、濕度、蟲害、火災等參數進行采集，通過GPRS無線網絡遠程傳輸到機房服務器，然后對采集的數據集中分析和處理，及時掌握倉庫的環境參數，對異常情況作出及時的應對措施，以便減少損失、節約開支和提高生產效益。
1、無線傳感器網絡
1.1 無線傳感器網絡概述
無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的具有計算和通信能力的微型傳感器節點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網絡系統[1]，其作用是利用傳感器節點來監測節點周圍的環境，收集監測數據通過無線收發裝置將數據以多跳的方式發送給匯聚節點（Sink節點），然后由匯聚節點通過有線或無線方式接入網絡，將監測數據傳送給客戶端，綜上所述，無線傳感器網絡通過大量傳感器節點分工協作的方式實時感知、采集數據，并由無線網絡處理感知對象的數據，并且傳輸給使用者[2]。
1.2 ZigBee無線通信技術
ZigBee是一種近距離、低功耗、低速率的無線通信技術，基于IEEE802.15.4協議標準。通過ZigBee通信模塊可進行無線通信，ZigBee的特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低速率、低成本[3]。ZigBee無線傳輸距離室內為30～50m，室外可達到100m，ZigBee的工作頻率有三種：全球2.4GHz、美國915MHz和歐洲868MHz，通信速率在2.4GHz的時候為250kbps，在915MHz時為40kbps，在868MHz時為20kbps。完整的ZigBee協議棧自上而下分為應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層、物理層。ZigBee網絡的拓撲結構有星形、網狀和混合狀，這三種拓撲結構可以組成多種網絡。
2、系統的總體設計
本系統結構圖如圖1所示，系統通過監測節點監測倉庫各種環境參數，溫度，濕度，紫外線，火焰，煙霧等，通過匯聚節點傳輸到GPRS無線通信網絡，然后GPRS模塊將數據由RS232串口傳輸到機房服務器，通過服務器軟件分析處理，便于及早發現倉庫中異常情況并作出及時的處理。
3、系統的硬件設計
3.1 傳感器節點硬件設計
傳感器節點是傳感器網絡的基本單元，傳感器節點除了具有一般傳感器的感知能力之外，還具有數據處理和數據無線傳輸能力，可以感知環境參數、處理并進行無線通信。傳感器節點的硬件一般包含感知模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源管理模塊[4]，本系統設計的傳感器節點結構如圖2所示。
傳感器節點的感知模塊采用的傳感器如下：（1）溫度、濕度傳感器：采用瑞士Sensirion公司研制的SHT11型智能化溫濕度傳感器，它采用專利技術（COMS和傳感器技術的融合），外形尺寸僅為7.5mm×5mm×2.5mm。SHT11具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數；（2）火焰傳感器：采用火焰傳感器R2868來發現倉庫中的火焰，在火星產生的瞬間可以準確地發現，并發出警報；（3）煙霧傳感器：采用煙霧傳感器HIS07來及時發現煙霧，杜絕火災隱患。
傳感器節點的處理器模塊采用CC2530芯片，CC2530支持IEEE 802.15.4標準/ZigBee/ZigBee RF4CE[5]，擁有快閃記憶體256個字節，CC2530結合了一個完全集成的，高性能的RF收發器與一個8051微處理器，8kB的RAM，32/64/128/256 KB閃存，以及其他強大的支持功能和外設。較CC2430相比，CC2530在發射功率、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護能力等方便都有較大的提升。
為節省電能，監測點每2分鐘采集一次數據，并將數據通過無線傳感器網絡傳送給族頭節點，然后傳送給匯聚節點。
3.2 匯聚節點硬件設計
匯聚節點（Sink節點）相當于網關，處于傳感器節點的上層，匯聚節點具有數據的存儲、處理和傳輸等功能，匯聚節點接收傳感器節點的數據，并且連接無線傳感器網絡與互聯網、移動通信網等外部網絡，完成協議轉換、網絡節點配置等功能[6][7]，本系統中匯聚節點接收傳感器節點的數據，并通過接口將數據傳輸給GPRS模塊-西門子MC75i，西門子MC75i將數據通過GPRS無線網絡傳輸給機房服務器。匯聚節點結構圖如圖3所示。
3.3 GPRS無線傳輸模塊
系統中選擇GPRS作為長距離傳輸方式，即系統中匯聚節點與機房服務器之間采用GPRS無線傳輸方式，匯聚節點的GPRS模塊通過GPRS無線網絡，將倉庫監測數據傳輸到監控中心機房的GPRS模塊，監控中心機房的GPRS模塊將數據通過串口將數據傳輸給機房服務器。GPRS具有覆蓋范圍廣、可靠性高、實時性強、成本低、功耗小等特點。本系統GPRS無線傳輸模塊采用西門子MC75i模塊，MC75i的特點為：1.支持850、900、1800和1900MHZ四種頻率；2.GPRS multi-slot class 12；3.E-GPRS下行速率可達460Kbit/sec；4.AT指令Hayes GSM 07.05及GSM 07.07。
4、系統的軟件設計
本系統用VB6.0開發，管理員可以通過管理軟件實時監測到倉庫的各種數據，將數據填入數據庫，譬如溫濕度、煙霧值等等，當系統讀取到的傳感器數據超過設定的安全值時，系統發出報警信號，以溫濕度監測為例，系統的流程如圖4所示。
5、結語
通過采用無線傳感器網絡的倉庫環境監測，并使用GPRS實現無線遠傳，達到了倉庫的實時的數據采集，方便的部署以及遠程監控的智能化監測，具有良好的應用推廣價值。
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