基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王松濤

（雅安市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站四川雅安625000）

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王松濤

（雅安市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站四川雅安625000）

隨著信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，信息技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中也越來(lái)越重視信息技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要支撐，它通過(guò)綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式計(jì)算技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)，它監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的改善作出了重要貢獻(xiàn)。本文主要分析了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息采集系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；傳感器節(jié)點(diǎn)

信息化的高速發(fā)展，讓我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)等各領(lǐng)域進(jìn)入了新的發(fā)展階段，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明，被應(yīng)用到軍事、醫(yī)療、環(huán)境、建筑等多個(gè)領(lǐng)域，它改變了傳統(tǒng)的發(fā)展模式，這種新技術(shù)的應(yīng)用為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步創(chuàng)造了巨大財(cái)富。深度掌握無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)結(jié)構(gòu)，更好的靈活掌握，設(shè)計(jì)出適用于農(nóng)業(yè)發(fā)展中環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息采集系統(tǒng)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 軍事領(lǐng)域

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)最早應(yīng)用于美國(guó)軍事作戰(zhàn)中，美國(guó)軍方設(shè)計(jì)的NSOF系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜的環(huán)境中，能夠迅速收集偵查區(qū)域的情報(bào)信息，然后通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到總戰(zhàn)術(shù)指揮網(wǎng)絡(luò)區(qū)。與傳統(tǒng)的獨(dú)立衛(wèi)星及地面雷達(dá)系統(tǒng)不同，它的優(yōu)勢(shì)更突出：（1）大大提高了信噪比，主要是該系統(tǒng)的分布節(jié)點(diǎn)多角度采集信息，是其特有的；（2）傳感系統(tǒng)與需要探測(cè)目標(biāo)的距離近，可以避免遠(yuǎn)距離傳輸環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)的干擾。

1.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)

當(dāng)代社會(huì)，人們生活質(zhì)量逐步提高，對(duì)于環(huán)境的關(guān)注日益增多，環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越科學(xué)化。起初，在自然環(huán)境中，原始數(shù)據(jù)的采集十分困難，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境工作者的野外考察提供了方便，環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有輕便性、廣分布性等優(yōu)勢(shì)，只要在既定范圍內(nèi)安裝了節(jié)點(diǎn)，就可以觀察到環(huán)境因素的變化情況，如果在火山、冰川、森林等自然區(qū)域安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將會(huì)為避免自然災(zāi)害等情況的發(fā)生發(fā)揮巨大的作用。

1.3 醫(yī)療健康

隨著醫(yī)療服務(wù)水平的逐步提高，互聯(lián)網(wǎng)也越來(lái)越多的應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域中，為人們的健康監(jiān)測(cè)提供了方便。遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)就是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的功能，醫(yī)生通過(guò)發(fā)放一些具有監(jiān)測(cè)血壓脈搏、體溫等功能的微型無(wú)線傳感器給患者，變通過(guò)設(shè)計(jì)好的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，便能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的健康狀況，對(duì)于患有冠心病、腦溢血等高危病人非常實(shí)用。

1.4 建筑及城市管理

1.4.1 在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

由于現(xiàn)代建筑的特點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠隨時(shí)掌握建筑物內(nèi)的溫度、壓力、聲音、安全等各種指標(biāo)和環(huán)境狀況，當(dāng)異常出現(xiàn)時(shí)，能夠迅速采取應(yīng)急措施，有效避免了對(duì)于人們財(cái)產(chǎn)生命安全的事故的發(fā)生。而智能家居的發(fā)明，便是通過(guò)無(wú)線傳感器的應(yīng)用，隨時(shí)可以監(jiān)測(cè)到室內(nèi)的溫度、濕度等指標(biāo)，而且對(duì)空調(diào)、家電、門(mén)窗可以進(jìn)行自動(dòng)控制，為人們創(chuàng)造了智能、舒適、方便的居住環(huán)境。

1.4.2 在城市管理中的應(yīng)用

隨著大城市病的到來(lái)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在交通中的深度應(yīng)用，為人們的出行提供了方便。通過(guò)智能交通平臺(tái)的搭建，為出行者避免高峰階段出行及城市管理機(jī)構(gòu)的工作提供了信息服務(wù)，及時(shí)掌握了道路信息。而且，有效制止了違法犯罪行為的出現(xiàn)，為維護(hù)城市安定做出了重要貢獻(xiàn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究起步早，尤其是美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家更為關(guān)注，從21世紀(jì)開(kāi)始，這些發(fā)達(dá)國(guó)家花費(fèi)了大量的精力致力于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中，引領(lǐng)了全球信息技術(shù)的飛躍發(fā)展。

2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)的研究現(xiàn)狀

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)功能強(qiáng)大，主要?dú)w功與路由、定位、同步、安全、網(wǎng)管、節(jié)能等技術(shù)的支撐，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域的監(jiān)控功能。

2.1.1 定位。在不同的限制條件下，主要基于測(cè)距和非測(cè)距兩種方法，而常用的測(cè)距技術(shù)有信號(hào)強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間差等，非測(cè)距算法主要有質(zhì)心算法及DV-Hop算法。

2.1.2 路由。經(jīng)過(guò)研究人員的長(zhǎng)期鉆研，提出了許多精確的算法，主要有平面路由協(xié)議、層次路由協(xié)議及位置路由協(xié)議這三類(lèi)。

2.1.3 同步。要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的同步范圍、精度，主要有RBS算法、TPSN算法、FTSP算法。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)管理。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的管理至關(guān)重要，更是行業(yè)研究的重點(diǎn)，主要包含能量管理、安全管理和數(shù)據(jù)管理。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.2.1 國(guó)外主要節(jié)點(diǎn)設(shè)備現(xiàn)狀分析

一種具有光通信能力的自治傳感器節(jié)點(diǎn)是美國(guó)重點(diǎn)支持的項(xiàng)目，即是Smart dust，最大的特點(diǎn)是體積小、重量輕，因此，該節(jié)點(diǎn)附著在其他物體上十分容易，甚至可以實(shí)現(xiàn)在大氣中浮動(dòng)。而TMote SKY節(jié)點(diǎn)作為加州大學(xué)伯克利分校對(duì)于火山監(jiān)測(cè)研制出的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活動(dòng)火山運(yùn)動(dòng)情況、周邊環(huán)境突發(fā)狀況的掌握。

2.2.2 國(guó)內(nèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)備技術(shù)分析

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)了一種通用的、低成本、低能耗的傳感器節(jié)點(diǎn)；華中科技大學(xué)構(gòu)建了一套芯片節(jié)點(diǎn)，但相對(duì)功耗較大并不實(shí)用；浙江大學(xué)現(xiàn)代控制工程研究所為從事面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究及理論知識(shí)方面的研究，專(zhuān)門(mén)成立了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)室，重視程度之高。盡管我國(guó)高校及科研院所都致力于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究，但相比于其他發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，研究深度及投入的科研力量都比較落后，擁有的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)較少，創(chuàng)新能力不足。

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最為典型的應(yīng)用就是美國(guó)學(xué)者在2004年將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)放置在葡萄園中，通過(guò)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專(zhuān)家一起研究，將信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)深度融合，準(zhǔn)確分析了葡萄生長(zhǎng)的溫度、濕度和病蟲(chóng)害等影響因素，大大提高了葡萄的成熟品質(zhì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)于2007年應(yīng)用到了西雙版納的自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，不僅對(duì)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)，而且發(fā)現(xiàn)了許多動(dòng)物的生活習(xí)性及新的動(dòng)物品種，對(duì)于保護(hù)區(qū)自然災(zāi)害的預(yù)警工作也提供了重要支持。

3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

環(huán)境監(jiān)測(cè)主要通過(guò)使用由大量互聯(lián)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境不間斷的高精度數(shù)據(jù)搜集。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要按照低成本、低功耗、實(shí)時(shí)性、精度高、穩(wěn)定性的原則來(lái)設(shè)計(jì)。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、及監(jiān)控終端構(gòu)成。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)區(qū)域安裝的傳感器節(jié)點(diǎn)可以將溫度和濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器匯集后，通過(guò)監(jiān)控終端進(jìn)行一系列的分析、整理和存儲(chǔ)，從而完成了對(duì)溫度、濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如下圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

環(huán)境溫濕度采集系統(tǒng)的工作流程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：（1）在安裝傳感器節(jié)點(diǎn)后，啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，輸入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的指令即可工作；（2）各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接受命令。（3）節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和監(jiān)控設(shè)備。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作流程如圖2所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作流程

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有體積小、精度高、生命周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，這樣在獲得周?chē)h(huán)境的確切參數(shù)、抵抗監(jiān)測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性及延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的有效時(shí)間等方面才能滿足需求，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的價(jià)值作用。

3.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有收集、處理數(shù)據(jù)及無(wú)線通信的功能，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分組成。它的設(shè)計(jì)原則主要考慮低功耗、優(yōu)化射頻性能、微型化、可擴(kuò)展性。在設(shè)計(jì)中，我們掌握了設(shè)計(jì)的基本原則及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但應(yīng)更加注重設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，主要有幾點(diǎn)：（1）相關(guān)聯(lián)的器件盡可能靠近一些，可以使抗噪聲的效果更好；（2）在布置電路時(shí)，應(yīng)注意將出現(xiàn)端附近放置高速運(yùn)轉(zhuǎn)的器件，稍遠(yuǎn)處放置低速電路和存儲(chǔ)器等，可以有效降低輻射等；（3）應(yīng)充分考慮器件的散熱問(wèn)題，所以在放置容易發(fā)熱的器件時(shí)盡量考慮布置在易通風(fēng)散熱的位置；（4）對(duì)于噪聲大的器件，應(yīng)保證大電流電路盡量遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)邏輯電路。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、環(huán)境監(jiān)測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，進(jìn)而對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、原則、工作流程及數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行了深入分析，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集功能。然而，在以后的研究中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于環(huán)境和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域監(jiān)測(cè)參數(shù)的多功能系統(tǒng)探討，如氣體含量傳感器、光照強(qiáng)度傳感器，而節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)對(duì)于不同類(lèi)型傳感器的匹配也需要改進(jìn)；同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)環(huán)境的特點(diǎn)，做好防水、防潮、防腐蝕等各項(xiàng)保障工作。總之，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，在農(nóng)業(yè)高度受到重視的今天，借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證農(nóng)業(yè)的持續(xù)進(jìn)步，讓我國(guó)的糧食大國(guó)地位進(jìn)一步夯實(shí)，對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的幸福生活具有重要的意義。

[1]王雪.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007,1-46,307-324.

[2]張?jiān)谏?余旭濤,畢光國(guó).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn).中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36(5):626-629.

[3]孫利民，李建中，陳渝.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò).北京:清華大學(xué)出版社, 2005，89-90,259-274，409-413.

王松濤（1982—），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)。