基于無線傳輸的環境監測系統研究

程輝　張江洪

摘 要：隨著科學技術的迅速發展，環境監測的方法也從原始的人工監測發展為智能化的設備監測。雖然環境監測越來越受到人們的重視，但是目前大多數采用的還是人工及半自動方法采集環境因子，效率低精度差。本文主要提出一種基于無線傳輸技術的低功耗、智能化、低成本的環境監測系統，本系統可以實現環境監測指標的實時自動測量、自動傳輸、可視化展示等問題。

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、外圍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外圍設備的指令集。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。

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