基于無線傳感網絡的環境監測系統

吳芳

摘? 要：隨著經濟和科技的發展，農業種植也有了長足的發展，從之前的小面積種植演變為了如今的大規模，為了提高生產效率，減少勞動力，必須引進先進的技術配合人工勞作進行種植。傳統的環境監測系統布線成本高，抗干擾性差，增加新監測點時必須改變物理線路，工序復雜，維護難度大。

關鍵詞：無線傳感網絡;Zig Bee;環境監測;

為滿足環境溫度監測系統遠距離，低成本，部署靈活等要求，設計并實現了一種樹型結構的無線傳感網絡，通過無線傳感網絡采集環境溫度數據并上傳監控主機，實現遠距離檢測和監控.介紹了節點硬件設計，然后根據環境溫度監測的應用需求進行軟件設計，采用休眠機制以降低節點的功耗，將系統進行實地部署與測試.表明：該系統具有較高的實用性和可靠性。

1 相關工作

研究目的是利用ZigBee技術結合WSN設計安全高效的、個性化的環境監測系統。許多本領域學者已經利用WSN設計了一些環境監測系統，代表性的成果有：雷旭等利用無線傳感器網絡設計了隧道環境信息監測系統。系統以STM32微控制器為核心設計了低功耗網絡節點與網絡匯聚節點設計了B/S模式訪問的監控中心軟件;梅海彬等提出了一種基于Arduino開放平臺與XBee Pro增強通信距離的無線傳感器網絡，對近海環境進行了實時監測;陳克濤等設計了以CC2530為核心處理器的無線傳感器網絡農業環境監測網關節點;提出一種基于無線傳感器網絡和3G/4G的遠程環境監測系統;研究了WSN接入In?ternet的方法;Arch Rock Corp等研究了IPV6WSN;另外，針對農田土壤參數（諸如溫濕度等）的精確采集系統設計上，很多學者研究了土壤WSN精確化應用系統與實現的關鍵技術。諸如此類，這些都是典型的WSN環境監測系統與關鍵技術研究的文獻成果。概括這些目前WSN環境監測領域文獻共性特點，大多是針對農業、海洋等某一領域設計的應用系統，缺乏共性通用的系統平臺設計思想;另外由于缺乏目前云計算、最先進的新技術植入，缺乏先進與人性化設計理念。針對這些弱點，進行了研究改進。實踐證明本文設計的系統，用戶隨時隨地都可以了解監測場所的環境信息，如：溫度、濕度、可燃有毒氣體及其濃度、火災、光線明暗程度等數據。此外，系統利用數據融合技術實時閉環環境信息的預警決策，能根據信息特點實現對環境的智能化管理，如環境安全指數超標會做出決策并采取一些措施。

2 無線傳感器網絡和Zig Bee技術

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量價格較低的傳感器節點以自組織的方式構成的無線網絡系統[。將這些傳感器節點部署在目標區域內，節點通過無線通信的方式自發形成多跳的無線網絡，監測區域內的各種環境信息通過傳感器的感知、采集和處理后經由無線網絡傳送給監控中心或終端用戶，協作完成指定的任務。ZigBee是一種便宜的、低功率的近距離無線組網通信技術。適用于通信數據量不大、數據傳輸速率相對較低，分布范圍較小，一般應用于無線傳感器網絡、家庭自動化、農業自動化、遙測遙控和醫療護理等方面。ZigBee的主要特點是低速率、低功率、低成本、自配置和靈活的拓撲結構，抗干擾能力強。ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫鏈接，具有很強的兼容性。

3 硬件設計

系統中，節點硬件主要包括三大模塊：處理器、無線集成模塊，數據采集模塊與電源模塊，節點硬件結構如圖1所示

圖1節點硬件結構

處理器、無線集成模塊選用TI公司的CC2530F256芯片，CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，同時具有多種運行模式，確保了低能源消耗.數據采集模塊包含環境溫度與自身電壓值采集.溫度傳感器采用精度高，體積小，使用方便的DS18B20。節點通過芯片自帶電壓采集功能，通過模數轉換獲取實時電壓。節點電源采用兩節5號干電池，通過TPS60211升壓至3.3V對路由器與節點供電.由于協調器需保證長時間開機狀態，并且通過有線方式與監控主機連接，故使用普通5V直流電源通過SE1117-3.3V降壓至3.3V供電.硬件實物如圖2所示.

圖2硬件實物

4 軟件設計

系統軟件設計分為無線傳感網絡軟件設計和上位機管理系統軟件設計兩部分.無線傳感網絡的無線通信技術采用短距離、低復雜度、低功耗、低成本的，基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的Zig-Bee技術.此外，我們采用樹型拓撲結構，該結構易于擴展，故障排查方便，符合環境檢測應用需要.本設計中，除電源模塊外，各節點的硬件組成基本相同，通過運行不同的程序使其具有相應的工作機制。

1.協調器。協調器是網絡的第一個設備，上電后，首先處理網絡初始化事件，選擇一個信道和一個網絡ID，并啟動無線傳感網絡，隨后連接PC并保持信號接收狀態.協調器接收的信號分為有線與無線信號兩種.其中，有線信號為監控主機上的管理軟件自動或手動發出的信號，包括更改某一個節點的數據采集頻率，數據處理策略等.協調器在收到該類信號后會向下逐層傳送，并做出相應的動作.無線信號來自無線傳感網絡，包括節點加入信號和傳感數據，協調器則會做出相應的配置新節點和上傳數據至PC操作示。

2.路由器。路由器的主要功能是：允許其他設備加入網絡和多跳路由.由于本設計中選用樹狀網絡拓撲結構，允許路由器間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電.路由器成功啟動后，首先處理網絡初始化事件，發現無線網絡并請求加入.如果接收到響應信號，意味著該路由器已成功入網，否則需再次發出入網請求.由于使用樹型網絡結構允許路由器適當的休眠，路由器在入網成功后進入休眠/喚醒輪轉狀態，達到降低功耗的目的.在喚醒階段，路由器可能收到控制信號和傳感數據兩種信號.控制信號為由PC首發的信號，包含更改網絡設置的指令，需向下傳至目標節點.傳感數據為傳感節點采集的環境數據，需向上傳至父節點，使數據能最終通過協調器匯聚至監控主機.

總之，基于無線傳感網絡的環境溫度監測系統，實現了遠距離環境溫度檢測、傳輸與監控，同時將所采集的溫度數據存儲至后臺數據庫，以供后期數據查詢、分析與處理.在保證良好的網絡效能的基礎上，通過使用休眠機制與選取合適的發射功率，降低功耗，延長網絡的生命周期.該系統具有低成本，低功耗，部署靈活，實用可靠等優點.下一步工作將主要集中在監測軟件平臺的功能完善，同時進一步研究休眠機制，達到節點傳輸距離與功耗之間的平衡。

參考文獻：

[1]敦小平.無線傳感器網絡節點的研究與設計.2017.

[2]王秀英，淺談基于無線傳感網絡的環境監測系統.2017.