用于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡分析

常兵磊 亓大千 栗 騰

1.聯(lián)合泰澤環(huán)境科技發(fā)展有限公司山東分公司，山東濟南 250000；2.山東省煤田地質局第五勘探隊，山東泰安 271000

加強用于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡分析，有利于增強環(huán)境監(jiān)測工作落實效果，保持其良好的監(jiān)測工作狀況，實現(xiàn)對可能發(fā)生環(huán)境問題的有效應對。因此，需要通過對信息化時代背景下環(huán)境監(jiān)測要求的充分考慮，對適用于其監(jiān)測方面的自供電傳感器網絡進行有效分析，且在與之相關的分析研究工作支持下，保持這類網絡應用過程中良好的功能特性，最大限度地滿足環(huán)境監(jiān)測方面的多樣化需求。在此基礎上，可提升環(huán)境監(jiān)測方面的信息化水平。

1 基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡結構分析

為了使自供電傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)測應用中可發(fā)揮出應有的作用，給予其監(jiān)測工作高效開展相應的支持，則需要對這類網絡結構有所了解。具體表現(xiàn)為：（1）數(shù)據(jù)采集端。通過對這類智能化模塊的合理設置，可使自供電傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)測應用中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效采集。實踐中的數(shù)據(jù)采集端包括：溫濕度數(shù)字傳感器、PIC 18系列的MCU和ZigBee兼容的無線收發(fā)芯片組成。其中，MCU與無線收發(fā)芯片通過SPI總線連接，二者構成無線傳輸模塊。相應的通信協(xié)議與應用程序都在MCU上實現(xiàn)；（2）數(shù)據(jù)接收與采集端。自供電傳感器網絡結構形成過程中，通過對數(shù)據(jù)接收端的合理設置，且在無線傳輸模塊、PC機通信及異步串口的配合作用下，可實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效接受。此時，數(shù)據(jù)采集端可對主機發(fā)出的信號進行及時處理，并在無線傳輸方式的支持下將采集到的信號發(fā)送出去，且能將環(huán)境監(jiān)測中采集到的數(shù)據(jù)進行上傳處理，使得自供電傳感器網絡的潛在應用價值提升；（3）主機通過相應監(jiān)控程序，向數(shù)據(jù)采集端發(fā)出數(shù)據(jù)采集請求，接收數(shù)據(jù)并實時顯示數(shù)據(jù)。實踐中通過對這些不同結構組成部分的配合使用，可增強自供電傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)測方面的應用效果，完善這類網絡的服務功能。

2 基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡的ZigBee通信協(xié)議

由于實踐中自供電傳感器網絡對性能可靠的無線傳感器依賴性強，因此，為了確保這類網絡在環(huán)境監(jiān)測方面的應用效果良好性，則需要對與之相關的ZigBee通信協(xié)議加以分析。具體表現(xiàn)為：（1）通過對ZigBee通信協(xié)議的科學使用，有利于滿足基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡的節(jié)能需求，減少能耗的同時確保環(huán)境監(jiān)測工作落實有效性，并提高環(huán)境監(jiān)測中的信息傳遞效率；（2）基于ZigBee通信協(xié)議的自供電傳感器網絡，其運行過程中可實現(xiàn)對ZigBee網絡設備的高效利用，使得這類設備支持下的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸更加高效，且在無線通信模塊的配合作用下，優(yōu)化自供電傳感器網絡使用功能，避免對環(huán)境監(jiān)測工作落實效果造成不利影響。同時，通過對ZigBee通信協(xié)議、無線傳感器等要素的科學使用，可使基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡功能更加完善，實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測信息的高效處理。

3 基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡的硬件設計

實踐中通過對環(huán)境監(jiān)測要求及實際情況的分析與考慮，在構建其所需的自供電傳感器網絡過程中，為了提升其實踐應用水平，也需要注重這類網絡相關的硬件設計。其設計要點包括以下方面。

3.1 傳感器節(jié)點總體結構及功耗估計

實踐中的傳感器節(jié)點組成部分較多，像處理器模塊、無線通信模塊、能量供應及傳感器模塊，都隸屬于傳感器節(jié)點的范疇。其中，在對環(huán)境監(jiān)測方面的數(shù)據(jù)進行分析及處理時，需要發(fā)揮傳感器節(jié)點中處理器模塊的實際作用，且在這類模塊的支持下，通過對其工作電壓、電流的合理設置，有利于降低基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡中硬件部分的能耗；在與其它監(jiān)測端及節(jié)點間進行無線通信時，需要通過對傳感器節(jié)點中無線通信模塊的合理設置予以應對，從而提升基于環(huán)境監(jiān)測的自供電無線傳感器網絡的通信水平；能量模塊的作用在于：為傳感器節(jié)點提供所需的能量，使得與之相關的網絡能夠處于正常的運行狀態(tài)；傳感器模塊的作用在于：負責監(jiān)測區(qū)域內溫濕度信息的采集和數(shù)據(jù)轉換，能夠使相應的網絡應用中的數(shù)據(jù)信息傳遞效率逐漸提高。實踐中通過對這四個不同模塊功能特性的充分考慮，可實現(xiàn)對傳感器節(jié)點總體結構的合理設置，滿足基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡的穩(wěn)定運行要求。

在傳感器節(jié)點功耗估計中，需要設計人員能夠根據(jù)這類節(jié)點中組成部分的實際情況，針對性的開展其功耗估計工作，并將節(jié)能理念融入到傳感器節(jié)點設置過程中，使得基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡硬件設計更具合理性，并完善其在實踐中的設計方案。

3.2 太陽能供電模塊的合理使用

為了使傳感器節(jié)點在實踐中所需的儲能裝置使用壽命得以延長，且減少其維護工作量，滿足節(jié)能環(huán)保方面的實際要求，則需要設計人員在基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡硬件設計中注重太陽能供電模塊的合理使用。具體表現(xiàn)為：（1）設計人員應通過對傳感器節(jié)點能量需求的考慮，將太陽能供電模塊應用于基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡硬件設計中，使得這類網絡硬件部分的能量供應方面可滿足節(jié)能環(huán)保要求，確保其中的傳感器節(jié)點應用效果良好性；（2）傳感器節(jié)點中設置太陽能供電模塊時，也需要在光伏與可充電池之間配置一定容量的超級電容器，并通過并聯(lián)控制器控制超級電容器來實現(xiàn)有效的能量流動。同時，用超級電容器和可充電池混合儲能的光伏系統(tǒng)，可在太陽能板、超級電容器等構件的配合作用下，滿足傳感器節(jié)點的能量需求，并提升太陽能供電模塊的潛在應用價值。

3.3 其它方面的硬件設計要點

基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡硬件設計，除過前面所述的設計內容，也需要關注其在這些方面的設計要點：（1）重視溫濕度傳感器模塊的設置與使用。在這類模塊的作用下，可實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測中溫度、濕度數(shù)據(jù)信息的采集、分析及處理，完善自供電傳感器網絡的硬件設計方案，給予環(huán)境監(jiān)測水平提升科學保障；（2）加強無線模塊的硬件使用。設計人員在實踐中若能加強這類模塊的硬件使用，則可提高適用于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡中的數(shù)據(jù)傳輸效率。在此期間，應考慮選用功耗低、集成度高，且與ZigBee協(xié)議兼容性良好的芯片，從而滿足自供電傳感器網絡硬件設計方面的要求，并實現(xiàn)對無線模塊硬件的高效利用，確保這類硬件組成部分支持下的環(huán)境監(jiān)測工作開展能夠達到預期效果。

4 基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡的軟件設計

4.1 設計中的初始化

該網絡軟件設計中的初始化，包含了這些內容：（1）定義信息包傳輸?shù)幕靖袷剑唬?）定義不同的端口，且需要將電壓調節(jié)器打開，復位并開啟晶體振蕩器；（3）注重緩沖接受模式與緩沖發(fā)送模式的配合使用，使得基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡中的軟件設計更加合理，增強這部分的設計效果。

4.2 設計中的中斷服務流程

基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡的軟件設計工作開展，為了確保該網絡中數(shù)據(jù)信息的傳輸狀況良好性，則需要設計人員合理設置中斷服務流程。具體表現(xiàn)為：（1）根據(jù)這類網絡的功能特性，針對性的設置好開中斷、把接收到的數(shù)據(jù)存放到自定義的緩沖區(qū)、尋址過程分析、關中斷等中斷服務流程；（2）當中斷服務流程設置好后，需要對其在基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡中的作用效果進行全面評估，以便提升該網絡的軟件設計水平。

4.3 設計中的上位機顯示

在基于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網絡軟件應用中的上位機顯示效果是否良好，體現(xiàn)著其軟件設計水平。因此，設計人員在這類網絡設計中應通過對采樣分析、串口傳送下的數(shù)據(jù)傳輸狀況、PC機的應用工況等要素的考慮，實現(xiàn)軟件設計中的上位機顯示，從而將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)在自供電傳感器網絡中的軟件作用下顯示出來。

5 結語

綜上所述，通過對自供電傳感器網絡的有效使用，可使環(huán)境監(jiān)測工作開展更具科學性，逐漸增加其監(jiān)測過程中的技術含量。因此，未來在實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測方面的信息化發(fā)展目標時，應關注自供電傳感器網絡的科學使用，使得這類網絡作用下的環(huán)境監(jiān)測工作更加高效，并實現(xiàn)對其監(jiān)測中所需豐富信息資源的高效利用，從而改善環(huán)境監(jiān)測方面的工作狀況，滿足生態(tài)建設方面的實際要求。長此以往，可為我國環(huán)境監(jiān)測積累豐富的實踐經驗。