基于傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

周 亮,徐 薇

(咸寧職業(yè)教育〈集團〉學校 湖北 咸寧 437000)

0 引言

隨著全球工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展,環(huán)境污染和資源的過度利用成了當今社會面臨的重大挑戰(zhàn)之一。為了實現(xiàn)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的目標,監(jiān)測和評估環(huán)境狀況的重要性日益凸顯[1-2]。為此,基于傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應運而生。傳感器網(wǎng)絡技術(shù)是一種將大量分布式傳感器節(jié)點連接在一起的先進技術(shù),可以實時監(jiān)測和收集環(huán)境中的各種參數(shù)和數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有廣泛的應用前景,可應用于氣候變化、空氣質(zhì)量、水資源管理、土壤污染、噪聲水平等多個領(lǐng)域[3-5]。通過傳感器網(wǎng)絡,可以獲得環(huán)境的實時數(shù)據(jù),對環(huán)境狀況進行監(jiān)測和評估,并提供及時的響應和決策支持。

本文提出設計一種基于傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),以實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集。該系統(tǒng)可以收集大量的環(huán)境數(shù)據(jù),傳輸?shù)胶罄m(xù)可數(shù)據(jù)分析和提取處理部分有價值的信息和知識。這些信息和知識將為環(huán)境保護和資源管理提供科學依據(jù)和決策支持。本文首先介紹環(huán)境監(jiān)測的流程,然后設計了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),并對系統(tǒng)中的監(jiān)測終端設計、路由設計、無線網(wǎng)關(guān)設計等關(guān)鍵組成部分做了詳細論述,最后討論該系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢。

1 總體設計方案

1.1 環(huán)境監(jiān)測流程

環(huán)境監(jiān)測流程如圖1所示。環(huán)境監(jiān)測流程常分為監(jiān)測點布置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析4個部分。

圖1 環(huán)境監(jiān)測流程

監(jiān)測點布置是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計的第一步,它涉及選擇合適的監(jiān)測點位以覆蓋目標監(jiān)測區(qū)域。在布置監(jiān)測點時,需要考慮環(huán)境特征、監(jiān)測對象、監(jiān)測要求及資源限制等因素。監(jiān)測點的位置應能夠充分代表監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境狀況,并提供準確、全面的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,它包括傳感器的選擇與部署、數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸?shù)冗^程。通過布置在監(jiān)測點的傳感器節(jié)點,可以實時感知環(huán)境中的各種參數(shù),如溫度、濕度、氣體濃度等。采集到的數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心或數(shù)據(jù)庫中進行存儲和分析。數(shù)據(jù)處理是對采集到的原始數(shù)據(jù)進行預處理、校正和整理的過程。在數(shù)據(jù)處理中,可能會包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等操作,以確保數(shù)據(jù)的準確性和一致性。數(shù)據(jù)處理還可以包括數(shù)據(jù)融合,將來自不同傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行整合,形成更全面、綜合的環(huán)境信息。數(shù)據(jù)分析是對處理后的數(shù)據(jù)進行挖掘和分析的過程,以提取有價值的信息和知識。數(shù)據(jù)分析可以包括統(tǒng)計分析、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘和機器學習等方法。通過數(shù)據(jù)分析,可以揭示環(huán)境參數(shù)的變化趨勢、異常事件和相關(guān)關(guān)系,為環(huán)境監(jiān)測和決策提供科學依據(jù)。

這4個部分在環(huán)境監(jiān)測流程中相互依存、相互作用。監(jiān)測點布置決定了數(shù)據(jù)采集的范圍和質(zhì)量,數(shù)據(jù)采集提供了數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的基礎,而數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析則是從采集到的原始數(shù)據(jù)中提取有用信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過有效的監(jiān)測點布置、準確的數(shù)據(jù)采集、精細的數(shù)據(jù)處理和深入的數(shù)據(jù)分析,環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以為環(huán)境保護和資源管理提供準確、可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括監(jiān)測終端、ZigBee終端節(jié)點、ZigBee路由節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點、通用分組無線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡、Internet和監(jiān)測中心。監(jiān)測終端采集數(shù)據(jù)后,通過ZigBee終端節(jié)點傳輸給ZigBee路由節(jié)點,然后通過無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接GPRS網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng),與監(jiān)測中心進行通信。以下將詳細介紹它們各自的工作原理。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的最基本組成部分,它安裝在監(jiān)測點上,通過傳感器采集環(huán)境參數(shù),并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee終端節(jié)點。監(jiān)測終端需要具有一定的計算和通信能力,能夠進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee終端節(jié)點是連接監(jiān)測終端和ZigBee路由節(jié)點的關(guān)鍵組件,它具有無線通信能力和網(wǎng)絡協(xié)議支持,能夠?qū)⒈O(jiān)測終端采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee路由節(jié)點。ZigBee終端節(jié)點還可以接收來自ZigBee路由節(jié)點的控制指令,實現(xiàn)對監(jiān)測終端的遠程控制和管理。ZigBee路由節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor networks,WSN)中的中間節(jié)點,具有數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能,能夠?qū)碜訸igBee終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)節(jié)點。ZigBee路由節(jié)點還能夠?qū)W(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和維護,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性。

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點是連接WSN和互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點,它能夠?qū)igBee路由節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點還能夠進行數(shù)據(jù)處理和存儲,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。GPRS網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)是WSN與監(jiān)測中心進行數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵通道。GPRS網(wǎng)絡是一種廣泛應用的無線通信技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。互聯(lián)網(wǎng)是一種全球性的計算機網(wǎng)絡,能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享和遠程通信。通過GPRS網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng),無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,并接收監(jiān)測中心的指令和反饋。

監(jiān)測中心是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的核心部分,它具有數(shù)據(jù)存儲和處理功能,并能發(fā)出指令控制監(jiān)測終端的工作情況。

監(jiān)測終端、路由設計和無線網(wǎng)關(guān)是傳感器網(wǎng)絡的核心,因此將著重設計這3個部分。

2 監(jiān)測終端設計

監(jiān)測終端的設計結(jié)構(gòu)如圖3所示,監(jiān)測終端包括電源供應、數(shù)據(jù)采集單元、ZigBee模塊、聯(lián)合測試工作組(joint test action group,JTAG)接口和液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)顯示的電路。電源供應為監(jiān)測終端提供穩(wěn)定的電力,數(shù)據(jù)采集單元負責采集環(huán)境數(shù)據(jù),ZigBee模塊實現(xiàn)終端與其他節(jié)點之間的無線通信,JTAG接口用于調(diào)試和編程,液晶顯示電路用于實時顯示數(shù)據(jù)。

圖3 監(jiān)測終端的設計結(jié)構(gòu)

具體來說,電源供應是監(jiān)測終端的基礎組件,為整個終端提供所需的電力。它可以通過電池、電源適配器或太陽能電池板等方式提供穩(wěn)定的電源。電源供應保證監(jiān)測終端正常運行,同時也為其他組件提供所需的電力。數(shù)據(jù)采集單元是監(jiān)測終端的核心部件,負責采集環(huán)境參數(shù)和數(shù)據(jù)。它通過傳感器或傳感器陣列來感知環(huán)境的各種參數(shù),如PM2.5、CO、溫度和濕度等。采集到的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)狡渌M件進行處理和傳輸。ZigBee模塊是監(jiān)測終端與其他節(jié)點通信的關(guān)鍵部件,它基于ZigBee無線通信協(xié)議,實現(xiàn)終端與其他ZigBee節(jié)點之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。通過ZigBee模塊,監(jiān)測終端可以與其他終端或路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換和通信。JTAG接口是一種用于測試和調(diào)試電子設備的通用接口標準。在監(jiān)測終端中,JTAG接口用于與設備進行調(diào)試和編程。它可以連接到開發(fā)工具或調(diào)試設備,實現(xiàn)對終端的程序加載、調(diào)試和故障診斷等操作。LCD顯示電路是為了實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的實時顯示和交互而設計的部件。它通過驅(qū)動液晶顯示屏來顯示監(jiān)測終端采集到的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息。用戶可以通過液晶顯示屏獲取實時的環(huán)境數(shù)據(jù),并進行相應的操作和設置。

3 路由設計

路由的設計結(jié)構(gòu)如圖4所示,路由節(jié)點包括電源模塊、JTAG接口、ZigBee模塊。其中ZigBee模塊包括存儲器、處理器和無線射頻模塊。路由節(jié)點包括電源模塊、JTAG接口和ZigBee模塊。這些組件的協(xié)同工作確保了路由節(jié)點在WSN中的正常運行和通信能力。

圖4 路由的設計結(jié)構(gòu)

ZigBee模塊是路由節(jié)點中的關(guān)鍵組件,它基于ZigBee無線通信協(xié)議,實現(xiàn)與其他節(jié)點之間的無線通信。ZigBee模塊包括存儲器、處理器和無線射頻模塊。存儲器用于存儲路由節(jié)點運行時的程序代碼、數(shù)據(jù)和臨時存儲。它提供了臨時存儲和數(shù)據(jù)交換的空間,支持節(jié)點的正常運行和通信。處理器是ZigBee模塊的核心部分,負責控制和管理節(jié)點的運行。它執(zhí)行存儲在內(nèi)存中的程序代碼,處理數(shù)據(jù)和指令,并協(xié)調(diào)節(jié)點的通信和路由功能。

無線射頻模塊是實現(xiàn)節(jié)點與其他節(jié)點之間無線通信的關(guān)鍵組件。它負責將處理器處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線信號,并通過無線信道與其他節(jié)點進行通信。無線射頻模塊還能接收其他節(jié)點發(fā)送的信號,并將其轉(zhuǎn)換為處理器可識別的數(shù)據(jù)。

4 無線網(wǎng)關(guān)設計

無線網(wǎng)絡節(jié)點的設計結(jié)構(gòu)如圖5所示,無線網(wǎng)關(guān)包括電源模塊、ZigBee模塊和GPRS模塊。其中GPRS模塊包括天線和SIM卡插座。

圖5 無線網(wǎng)絡節(jié)點的設計結(jié)構(gòu)

ZigBee模塊能夠接收來自ZigBee終端節(jié)點或路由節(jié)點的數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS模塊或其他目標節(jié)點。ZigBee模塊在無線網(wǎng)關(guān)中起著數(shù)據(jù)接收、傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)的重要作用。GPRS模塊是無線網(wǎng)關(guān)中的另一個重要組件,它提供與GPRS網(wǎng)絡的連接功能。GPRS模塊中,天線用于接收和發(fā)送GPRS信號,確保與GPRS網(wǎng)絡的無線通信。它通過天線將無線網(wǎng)關(guān)與GPRS基站相連,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信。SIM卡插槽用于插入SIM卡,SIM卡是連接到移動通信網(wǎng)絡所需的關(guān)鍵介質(zhì)。通過SIM卡,GPRS模塊可以進行身份驗證、數(shù)據(jù)傳輸和與移動通信運營商的通信,以便實現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡的連接。

這些組件使無線網(wǎng)關(guān)能夠接收來自ZigBee模塊的數(shù)據(jù),并通過GPRS網(wǎng)絡與監(jiān)測中心或其他目標進行通信。無線網(wǎng)關(guān)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中起著重要的橋梁作用,實現(xiàn)了WSN與外部網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)互通。

5 分析與討論

該系統(tǒng)具有多層級架構(gòu)、WSN、多種數(shù)據(jù)通信方式、實時監(jiān)測和遠程管理,以及數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)可擴展性特點。以上特點使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的高效、準確和可靠,具備靈活性和可擴展性,適用于不同環(huán)境監(jiān)測應用場景的需求。

(1)多層級架構(gòu):該系統(tǒng)采用多層級架構(gòu)設計,包括監(jiān)測終端、路由節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心等組件。該層級架構(gòu)能夠有效地組織和管理系統(tǒng)中的各個組件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析的功能,并支持系統(tǒng)的可擴展性和靈活性。

(2)WSN:系統(tǒng)中的監(jiān)測終端和路由節(jié)點通過ZigBee無線通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸,構(gòu)建了一個WSN。無線網(wǎng)絡具有自組織、低功耗、低成本等特點,能夠靈活布置監(jiān)測節(jié)點,實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

(3)多種數(shù)據(jù)通信方式:系統(tǒng)中的無線網(wǎng)關(guān)通過集成了ZigBee模塊和GPRS模塊,實現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)通信方式。ZigBee模塊用于節(jié)點間的短距離無線通信,而GPRS模塊則通過移動通信網(wǎng)絡連接到監(jiān)測中心,實現(xiàn)了節(jié)點數(shù)據(jù)的遠程傳輸和遠程監(jiān)控。這種多種通信方式的設計使得系統(tǒng)具備了高靈活性和廣泛覆蓋的特點。

(4)實時監(jiān)測和遠程管理:通過監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集和無線通信,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的變化,并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心進行實時分析和處理。同時,通過GPRS網(wǎng)絡的連接,監(jiān)測中心可以對系統(tǒng)進行遠程管理和控制,包括數(shù)據(jù)接收、命令下發(fā)和配置調(diào)整等功能。

(5)數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)可擴展性:系統(tǒng)中的各個組件經(jīng)過合理設計和配置,能夠保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。監(jiān)測終端和路由節(jié)點的選擇和布置要考慮環(huán)境特點和數(shù)據(jù)需求,以確保采集到的數(shù)據(jù)具有代表性和可信度。同時,系統(tǒng)的模塊化設計和可擴展性使得可以根據(jù)實際需求進行靈活調(diào)整和擴展,滿足不同規(guī)模和應用場景下的環(huán)境監(jiān)測需求。

6 總結(jié)

綜上所述,本文設計的基于傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的實用性和應用前景。通過采用多層級架構(gòu)和WSN技術(shù),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集,具備了高靈活性和廣泛覆蓋的特點。該系統(tǒng)的監(jiān)測終端、路由節(jié)點和無線網(wǎng)關(guān)等關(guān)鍵組件,通過各自的功能和工作原理的相互配合,構(gòu)建了一個可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和通信環(huán)境。同時,系統(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)通信方式、實時監(jiān)測和遠程管理、數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)可擴展性等特點,能夠滿足不同規(guī)模和應用場景下的環(huán)境監(jiān)測需求。在實際應用中,還需要考慮節(jié)點布局、數(shù)據(jù)處理和分析算法等方面的問題,并結(jié)合具體環(huán)境特點進行優(yōu)化和改進。總之,該系統(tǒng)為環(huán)境監(jiān)測提供了一種有效的解決方案,具有一定的理論和實踐價值。