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無線環(huán)境監(jiān)測范文第1篇

關(guān)鍵詞：無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置設(shè)計

0 引言

在很多情況下，監(jiān)控中心都需要對周邊及關(guān)鍵位置的環(huán)境信息（如溫度、照度、濕度等）進行監(jiān)測和處理。各探測點信息采用有線傳輸是一種可靠的方法，但受建筑物裝修要求和環(huán)境障礙等因素限制，不宜采用有線方式傳輸時，使用無線方式傳輸無疑是一種經(jīng)濟適用的選擇。本裝置要求能在5秒鐘內(nèi)完成對255個探測節(jié)點環(huán)境溫度和光照信息的無線探測，并自動巡回或手動選擇顯示相關(guān)環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，為便于對周邊多點環(huán)信息進行探測，實現(xiàn)監(jiān)測終端與各探測節(jié)點之間信息的無線傳輸，本裝置由探測節(jié)點分機和監(jiān)測終端兩大部分組成。探測節(jié)點分機由單片機、溫度檢測電路、照度檢測電路、無線發(fā)射電路和接收電路等組成；監(jiān)測終端由單片機、無線發(fā)射電路、無線接收電路和顯示電路等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各探測節(jié)點分機完成對環(huán)境溫度和照度信息的采集與處理，并適時向監(jiān)測終端和鄰近檢測節(jié)點發(fā)送信息；監(jiān)測終端完成探測命令的、探測信息的處理、存儲與顯示。

1.1 信息傳送與轉(zhuǎn)發(fā)方案 為防止某個探測節(jié)點在上傳信息時發(fā)生碰撞，系統(tǒng)采用“時分復用”信道的通信方式。約定每個節(jié)點必須在規(guī)定的時隙ΔT內(nèi)完成信息發(fā)送。某個節(jié)點接收到監(jiān)測終端發(fā)來的“探測命令”時，或接收到鄰近節(jié)點轉(zhuǎn)來的第一個“探測命令”時。啟動定時，定時時間到便開始發(fā)送信息。定時時長根據(jù)每個節(jié)點地址不同或是否能直接接收終端“探測命令”為依據(jù)決定。

當監(jiān)測終端需要探測環(huán)境溫度和照度信息時，便以廣播通信方式向各個探測節(jié)點“探測命令”。能直接接收終端“探測命令”的節(jié)點同時啟動定時，某個探測節(jié)點定時時間到，便開始向終端和鄰近節(jié)點發(fā)送信息（含地址、溫度和照度信息）。終端將信息接收下來送單片機存儲、處理；不能直接接收“探測命令”的節(jié)點（如地址序號為j的節(jié)點），在接到第一個鄰近節(jié)點（如地址序號為i的節(jié)點）發(fā)出的信息時，便認為收到了“間接探測命令”，于是開始啟動定時。由于每轉(zhuǎn)發(fā)一個節(jié)點信息需要兩個ΔT，因此轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點j的定時時長

T=（256-i+2j）ΔT。

定時時間到，便發(fā)送含有i節(jié)點地址、j節(jié)點地址與環(huán)境數(shù)據(jù)的信息。此時，若i節(jié)點收到j(luò)節(jié)點發(fā)出的含有本節(jié)點（i節(jié)點）地址的信息，表明j節(jié)點需要本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息；若i節(jié)點收到的j節(jié)點信息中不含有本節(jié)點（i節(jié)點）地址的信息，表明j節(jié)點不需要本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息。

1.2 信息處理與顯示方案 由于要求在5秒內(nèi)完成對255個探測節(jié)點環(huán)境信息的探測，考慮到最多可能有254個節(jié)點的信息需要轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，監(jiān)測終端對每個節(jié)點的探測時間只有幾十毫秒，這么短的時間無法實現(xiàn)“即時檢測即時顯示”，只能將地址信息和環(huán)境信息全部接收下來處理后，再根據(jù)需要送顯示器顯示。顯示方式有三種選擇：一是自動巡回顯示，二是手動設(shè)定/選擇顯示，三是報警節(jié)點優(yōu)先顯示。

1.3 通信協(xié)議

1.3.1 數(shù)據(jù)包格式 本系統(tǒng)的信令和數(shù)據(jù)包由同步碼WS、功能碼FC、數(shù)據(jù)包長度碼SIG、數(shù)據(jù)包內(nèi)容DIGI和校驗碼CHECK五部分組成。數(shù)據(jù)包格式如下：

■

1.3.2 SPL編解碼與數(shù)據(jù)包傳輸 ①SPL編碼與數(shù)據(jù)包的發(fā)送。數(shù)據(jù)包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的發(fā)送是由單片機的通用輸出端口從高位到低位串行逐位發(fā)送的，發(fā)送完WS以后，發(fā)真正的信令碼FC、SIG、DIGI、DHECK時，將進行SPL編碼，按照1變?yōu)?1，0變?yōu)?0的原則，F(xiàn)C由原15位變成30位。②SPL解碼與數(shù)據(jù)包的接收。數(shù)據(jù)包的接收是發(fā)送的逆過程，是由單片機的通用接收端串行接收的，當單片機串行接收到WS后，即著手接收已經(jīng)過SPL編碼的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011，100的原則進行SPL解碼，若出現(xiàn)00或11的情況，認為接收端出錯，若出錯兩次，則信令無效，若只有一次，則暫時按000，111處理，留待下一步校驗碼糾錯。③差錯控制編碼檢錯與糾錯。差錯控制的基本思路是，在發(fā)送端根據(jù)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)系列加入多余碼元，使原來不相干的變?yōu)橄喔傻臄?shù)據(jù)，即編碼。傳輸時將多余碼元和信息碼元一并傳送。接收端根據(jù)信息碼元和多余碼元間的規(guī)則進行檢驗，即譯碼。根據(jù)譯碼結(jié)果進行差錯檢測。當發(fā)現(xiàn)差錯時，由譯碼器自動將錯誤糾正。這種多余碼元就是校驗碼。

2 電路與程序設(shè)計

2.1 發(fā)射電路 各探測節(jié)點和檢測終端的發(fā)射電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。電路一般由脈沖產(chǎn)生電路、脈沖整形電路、調(diào)制與發(fā)射電路構(gòu)成。

載波頻率的穩(wěn)定與否是發(fā)射電路能否穩(wěn)定、可靠地工作的關(guān)鍵，本設(shè)計采用振晶與高速與非門構(gòu)成的振蕩器來產(chǎn)生穩(wěn)定的載波信號。

信號的發(fā)射是通過線圈耦合的方式實現(xiàn)的，因而射頻功放應選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類，綜合考慮電路的復雜程度及效率問題，本設(shè)計選用三極管構(gòu)成的C類放大器對高頻信號進行射頻功率放大和發(fā)射。

常用的數(shù)字調(diào)制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，F(xiàn)SK、PSK電路比較復雜，本設(shè)計選擇100%ASK調(diào)制。100%ASK以100%的能量進行數(shù)據(jù)傳輸，保證了信號的較高抗干擾性，解調(diào)容易，在一定程度上提高了通信的可靠性。

2.2 接收電路 各探測節(jié)點和檢測終端的接收電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。電路主要由混頻器、本機振蕩器、中頻放大器、檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路構(gòu)成。

混頻器的作用是提高接收電路的靈敏度、選擇性。如果沒有混頻電路，接收電路將直接放大接收到的高頻信號，將會出現(xiàn)靈敏度低、選擇性差的問題。采用混頻器后，將高頻信號變?yōu)楣潭ǖ闹蓄l，故在混頻器后設(shè)置中頻放大器，中頻放大器在固定中頻上放大信號，放大電路可以設(shè)計得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本設(shè)計中頻放大器中設(shè)置了一個藕合諧振電路和一個選頻網(wǎng)絡(luò)，以進一步提高接收電路的選擇性和抗干擾能力。由于檢波出來的信號較弱，須經(jīng)低頻放大以后才能進行比較判決。因此解調(diào)電路部分應包括由檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調(diào)出來的數(shù)據(jù)信號送單片機進行處理。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 監(jiān)測軟件設(shè)計 終端單片機節(jié)點完成探測命令、探測到的節(jié)點信息的處理和顯示。當需要探測節(jié)點信息時，終端以廣播方式發(fā)出探測命令，并啟動定時，定時時長為512ΔT（ΔT為一個節(jié)點上傳信息所需時間），確保255節(jié)點在轉(zhuǎn)況下都能可靠探測。當探測到節(jié)點信息時，將該節(jié)點信息進行存儲、處理。全部節(jié)點的信息都接收下來處理完后，將地址信息、溫度信息和光照信息依序送顯示器顯示。然后再進行下一循環(huán)的探測。主要程序流程如圖2所示。

2.3.2 節(jié)點軟件設(shè)計 探測節(jié)點單片機完成對環(huán)境溫度、照度信息和電池電壓的采集與處理，適時向終端和鄰近節(jié)點發(fā)送信息，并根據(jù)臨近節(jié)點的需要及時向終端轉(zhuǎn)發(fā)信息。主要程序流程如圖3所示。

3 結(jié)束語

本裝置為一模擬實驗系統(tǒng)，由于各探測節(jié)點能夠接收和轉(zhuǎn)發(fā)鄰近節(jié)點傳來的信息，不僅數(shù)據(jù)傳送可靠，而且通信距離遠比點對點大。測試結(jié)果表明：該裝置能夠準確完整地監(jiān)測和處理各探測節(jié)點的環(huán)境信息。只要適當增加發(fā)射電路的載波頻率和發(fā)射功率就能增加探測距離和范圍，以適應實際應用要求。

參考文獻：

[1]謝自美.電子線路綜合設(shè)計[M].華中科技大學出版社.

無線環(huán)境監(jiān)測范文第2篇

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 數(shù)據(jù)融合

近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人們對于環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來越多的企業(yè)和機構(gòu)都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布署大量的廉價微型傳感器節(jié)點，經(jīng)由無線通信方式形成一個多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應用性非常強的技術(shù)，它在當前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用潛力是巨大的。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器結(jié)點通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠程檢測、控制，從而極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

二、IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議

1、IEEE 802.15.4標準

IEEE標準化協(xié)會針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)為低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一標準。同時ZigBee聯(lián)盟也開始推出與之相配套的網(wǎng)絡(luò)層及應用層的協(xié)議，目的是為了給傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)推出一個標準的解決方案。該標準一出現(xiàn)短短一年多的時間內(nèi)便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發(fā)成立了若干聯(lián)盟。IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)議棧中物理層與MAC層由IEEE定義，網(wǎng)絡(luò)層與應用程序框架由ZigBee聯(lián)盟定義，上層應用程序由用戶自行定義。

2、ZigBee標準

ZigBee這個字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈，來通知其他蜜蜂有關(guān)花粉位置等資訊，以達到彼此溝通訊息之目的，故以此作為新一代無線通訊技術(shù)之電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，zigbee協(xié)議在2003年中通過后，于2004正式問世了。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是自組織的，并能實現(xiàn)自我功能恢復，動態(tài)路由，自動組網(wǎng)，直序擴頻的方式故非常具有吸引力。節(jié)點搜索其它節(jié)點，并利用軟件“選中”某個節(jié)點后進行自動鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經(jīng)證實的通信伙伴。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點組成，節(jié)點通過自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域中分散的無線傳感器節(jié)點通過自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點負責采集周圍的相關(guān)信息，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠端的監(jiān)控設(shè)備。

四、系統(tǒng)概述

環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)，基站，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。為獲得準確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點將感應到的數(shù)據(jù)傳送到一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負責協(xié)同各個傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點信息的局部網(wǎng)絡(luò)?；臼悄軌蚝虸nternet

相連的一臺計算機（或衛(wèi)星通信站），它將傳感數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時它還具有一個本地數(shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)護人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測，溫室環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保部門的大氣監(jiān)測、突發(fā)性環(huán)境事故的預測及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及家庭、辦公室及商場空氣質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域應用。

五、系統(tǒng)應用特點及架構(gòu)

1、系統(tǒng)特點

利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應用領(lǐng)域一般具有以下特點：

（1）無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級品質(zhì)安全可靠。（2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習性和分布等。（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相對比較多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。（4）系統(tǒng)實施、運行費用要低，無需鋪設(shè)大量電纜，支持臨時性安裝，系統(tǒng)易于擴展和更新。（5）具有數(shù)據(jù)存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到后臺或遠程數(shù)據(jù)庫，并能夠進行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實現(xiàn)中非常重要的一個方面。

2、系統(tǒng)架構(gòu)

（1）礦井安全監(jiān)控

礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。傳感器節(jié)點負責井下多點數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風速和氣壓等參數(shù)，通過井場監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監(jiān)控中心。后臺監(jiān)護人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調(diào)度、安全監(jiān)測，從而可以有效的防止礦井事故的發(fā)生。

（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系3Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic，COA）聯(lián)合開展了一個名為“in—situ”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項目。該研究組在大鴨島（Great Ducklsland）上部署了由43個傳感器節(jié)點組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測海燕地下巢穴的微觀環(huán)境；使用低能耗的被動紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所不。

（3）智能家居

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應用于家居中，其家用遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)完成對家電的遠程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時打開空調(diào)，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。

六、關(guān)鍵技術(shù)研究

1、數(shù)據(jù)融合技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測應用的最終目標是對監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)收集。采樣頻率和精度由具體應用確定，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令。對于傳感器節(jié)點來說，需要考慮采樣數(shù)據(jù)量和能量消耗之間的折中。處于監(jiān)控區(qū)域邊緣的節(jié)點由于只需要將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節(jié)點由于同時還需要為邊緣節(jié)點路由數(shù)據(jù)，消耗的能量要多2個數(shù)量級左右。因此，邊緣節(jié)點必須對采集到的數(shù)據(jù)進行一定的壓縮和融合處理后再發(fā)送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel—Ziv算法對原始數(shù)據(jù)進行壓縮，使得數(shù)據(jù)通信量減少了2～4個數(shù)量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經(jīng)典壓縮算法的壓縮效果。

2、安全管理

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要表現(xiàn)在以下四個方面：（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)缺乏基礎(chǔ)設(shè)施支持，沒有中心授權(quán)和認證機構(gòu)，節(jié)點的計算能力很低，這些都使得傳統(tǒng)的加密和認證機制在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以實現(xiàn)，并且節(jié)點之間難以建立起信任關(guān)系；（2）有限的計算和能源資源往往需要系統(tǒng)對各種技術(shù)綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術(shù)等；（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點之間存在安全耦合，單個節(jié)點的安全泄露必然威脅網(wǎng)絡(luò)的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性；（4）在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點的移動性和無線信道的時變特性，使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)成員及其各成員之間的信任關(guān)系處于動態(tài)變化之中。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面已經(jīng)定義了完整有效的機制和算法，安全管理方面目前以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。

七、展望

環(huán)境監(jiān)測是一類典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)應用，在實際的應用中還有很多關(guān)鍵技術(shù)，包括節(jié)點部署、遠程控制、數(shù)據(jù)采樣和通信機制等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的應用相關(guān)性，在環(huán)境監(jiān)測應用中的關(guān)鍵技術(shù)需要根據(jù)實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和完善，我們還可以在各個方面開展許多新的應用，比如軍用傳感網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測戰(zhàn)場的態(tài)勢；交通傳感網(wǎng)絡(luò)可以配置在交通要道用于監(jiān)測交通的流量，包括車輛的數(shù)量、種類、速度和方向等相關(guān)參數(shù)；監(jiān)視傳感網(wǎng)絡(luò)可以用于商場、銀行等場合來提高安全性?？梢灶A見，隨著無線傳感設(shè)備性價比的提高以及相關(guān)研究的不斷深入和傳感網(wǎng)絡(luò)應用的不斷普及，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將給人們的工作和生活帶來更多的方便。

參考文獻

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[3]酈亮.802.15.4標準及其應用.電子設(shè)計應用

無線環(huán)境監(jiān)測范文第3篇

（1.蘇州大學文正學院，江蘇蘇州215104；2.蘇州大學物理與光電·能源學部，江蘇蘇州215006）

摘要：設(shè)計了一種基于無線透傳傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計采用1100E射頻芯片作為無線收發(fā)芯片，通過在ATmega128L微處理器中編寫透傳算法程序，實現(xiàn)對各環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)透傳，使用RS 232C串口與PC機進行通信，實現(xiàn)了對目標監(jiān)測區(qū)域各環(huán)境參數(shù)的實時采集。給出實驗測試采集到的多組數(shù)據(jù)，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，說明該設(shè)計可以在400 m內(nèi)同時實現(xiàn)對254個無線節(jié)點的實時監(jiān)測，測量誤差約為±0.1%～±3%。

關(guān)鍵詞 ：無線透傳；透傳算法；環(huán)境監(jiān)測；ATmega128L

中圖分類號：TN911?34；TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）18?0128?05

收稿日期：2015?03?10

基金項目：江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃資助項目（201413983005Y）；蘇州大學學生科研基金資助項目（2014）

0 引言

環(huán)境信息影響著人們對環(huán)境質(zhì)量的判定，對人們的生活產(chǎn)生了不小的影響[1]。隨著射頻無線通信技術(shù)的廣泛應用，現(xiàn)已實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的多點遠距離智能化實時采集[2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過ZigBee技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測溫室中的溫濕度信息，有效地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟價值[3]。在工業(yè)生產(chǎn)中，通過GPRS 技術(shù)實現(xiàn)了對礦井內(nèi)瓦斯等易燃易爆危險氣體的實時監(jiān)測，極大地保證了工業(yè)生產(chǎn)制造過程中的安全[4]。這些無線環(huán)境監(jiān)測技術(shù)克服了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方式網(wǎng)絡(luò)部署難，維護成本高，節(jié)點智能化程度低等缺點，極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。但是，在實際應用時，ZigBee技術(shù)的穿透性較差，數(shù)據(jù)傳輸距離較近，其他主流無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WiFi，藍牙，nRF等）對其同頻干擾較大，數(shù)據(jù)傳輸時誤碼率較高[5]。GPRS在進行數(shù)據(jù)傳輸時需要消耗大量流量，終端芯片資源配置較大[6]。

本文設(shè)計了一種無線透傳傳感網(wǎng)絡(luò)應用于分布式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在進行組網(wǎng)時無需考慮射頻無線芯片的收發(fā)協(xié)議和配置方法，可以透過無線芯片直接將其當作普通的有線模塊使用，降低了終端芯片的資源利用率，通過鉗位電路和電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了RS 232通信的兼容轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計的無線、透傳傳感網(wǎng)絡(luò)大大降低了射頻無線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件和設(shè)計研發(fā)成本，保證了通信的距離和準確性。設(shè)計可以實現(xiàn)對400 m 范圍內(nèi)有建筑物遮擋的環(huán)境狀況下進行實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該無線透傳環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括終端監(jiān)測部分，無線透傳網(wǎng)絡(luò)，PC監(jiān)測端。

（1）終端監(jiān)測部分。微處理器ATmega128L將各傳感器采集來的環(huán)境參數(shù)的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并在LCD液晶屏上實時顯示各環(huán)境參數(shù)，并與報警閾值比較。

（2） 無線透傳網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計透傳算法，使用AT?mega128L將暫存在存儲器中的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合RS 232 有線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)，進一步轉(zhuǎn)換為無線協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端，并與PC監(jiān)測端的無線透傳網(wǎng)絡(luò)相連接，使無線通信等效為有線通信。該透傳等效圖如圖1所示。

（3）PC監(jiān)測端部分。PC機將各個透傳無線節(jié)點實時采集來的環(huán)境參數(shù)進行存儲和處理，并將各時刻的參數(shù)以圖像的形式顯示出來，并且用戶可以根據(jù)實際監(jiān)測的需要，通過PC機對系統(tǒng)報警閾值進行修改。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 終端監(jiān)測端硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的微處理器均采用AT?mega128L單片機[7]。它采用獨特的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的內(nèi)部資源可以更好地運行相對復雜的透傳算法。在指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結(jié)構(gòu)，指令大多為單周期，透傳算法在工作時，可以嚴格的控制時序，保證通信的準確性。在能源管理方面，ATmega128L提供多種電源管理方式，以盡量節(jié)省節(jié)點能量，保證了各節(jié)點長時間持續(xù)工作。在可擴展方面，提供了多個I/O口，有助于終端機各傳感器模塊的選擇和擴展，防止了各傳感器信號及數(shù)據(jù)相互干擾。ATmega128L 提供的USART（通用同步異步收發(fā)器）控制器、SPI（串行外設(shè)接口）控制器等與無線收發(fā)模塊相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)大吞吐量，高速率的數(shù)據(jù)收發(fā)。

如圖2 所示，環(huán)境監(jiān)測終端機工作時，電化學甲醛傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器發(fā)出的微弱信號經(jīng)過放大電路后被放大，然后對其進行A/D轉(zhuǎn)換等一系列的加工后再由ATmega128L對其進行處理，如果甲醛等環(huán)境參數(shù)濃度值高于環(huán)境參數(shù)濃度的國標，那么蜂鳴器就會發(fā)出警報，同時各環(huán)境參數(shù)濃度值會被輸送到LCD 上顯示出來。如果在國標的允許范圍內(nèi)，那么只顯示濃度值而不發(fā)出警報。此外，ATmega128L將各環(huán)境參數(shù)經(jīng)射頻芯片CC1100E傳送到透傳網(wǎng)絡(luò)。

2.2 透傳自組模塊硬件設(shè)計

CC1100E芯片在進行數(shù)據(jù)傳輸時采用UART0通信協(xié)議，ATmega128L可以嚴格按照時序讀寫用以控制芯片內(nèi)部的32個寄存器，靈活配置各參數(shù)，如圖3所示。

CC1100E 接口RF_CLK，RF_CS，RF_SOMI，RF_SI?MO 分別和ATmega128L 的串行外設(shè)接口端PB2，PB1，PD2，PD3 相連接。RF_CLK 端口為PB2 端口傳輸數(shù)據(jù)的時鐘信號；RF_CS作為片選信號，僅當片選信號為低電平時，ATmega128L對CC1100E的操作才有效。

RF_SOMI 用于從ATmega128L 到CC1100E 的串行數(shù)據(jù)傳輸。為了降低整數(shù)據(jù)透傳的功耗，CC1100E在數(shù)據(jù)接收或收發(fā)狀態(tài)聲明時，系統(tǒng)設(shè)計采用中斷方式。

RF_GDO0，RF_GDO2 必須與微處理器的外部中斷相連，以便使用CC1100E 喚醒微處理器，設(shè)計時將RF_GDO0，RF_GDO2分別與具有中斷能力的PD6，PD7相連接。CC1100E在高頻工作狀態(tài)下，發(fā)射前段和天線饋點需要巴倫電路和匹配網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 透傳網(wǎng)絡(luò)控制算法設(shè)計

微處理器ATmega128L 通過射頻無線收發(fā)芯片CC1100E，把暫存的各參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程接收端，如圖4所示。首先微處理器ATmega128L通過透傳算法控制射頻發(fā)射芯片CC1100E發(fā)送信號校檢標志碼。這個過程的目的是給遠程端射頻無線收發(fā)芯片發(fā)送符合該透傳自組傳感網(wǎng)絡(luò)的通信匹配標志，以判斷是否為本通信所需的無線數(shù)據(jù)包。

ATmega128L 通過CC1100E 連續(xù)發(fā)送校檢標志碼0X55 和0XAA 共2 個字節(jié)，供遠端芯片查詢確認。其次，ATmega128L 通過CC1100E 發(fā)送校檢結(jié)束標志碼0X88 和0XFE，表示校檢標志發(fā)送結(jié)束。然后，發(fā)送數(shù)據(jù)包長度信息Length，告訴接收端芯片本次數(shù)據(jù)包發(fā)送的長度。最后，ATmega128L從發(fā)送端的緩存中發(fā)送長度為Length的數(shù)據(jù)包。

微處理器ATmega128L 通過射頻無線收發(fā)芯片CC1100E，把遠程端發(fā)送來的數(shù)據(jù)接收到本地芯片緩存。如圖5所示。當ATmega128L通過CC1100E收到上升沿校驗標準碼時，說明有數(shù)據(jù)傳來，立即喚醒轉(zhuǎn)入接收模式。

接收模式時，如果接收到的0X55 和0XAA 字節(jié)數(shù)小于6，則說明此時通信與該自組傳感網(wǎng)絡(luò)不匹配，本次通信結(jié)束，進入待機睡眠狀態(tài)；如果連續(xù)接收到0X55和0XAA，并且接收到的字節(jié)數(shù)大于等于6，則說明通信與該自組傳感網(wǎng)絡(luò)匹配，隨后的信號將是本地芯片所需要的無線信號。如果接收到0X88和0XFE，則表明校檢標志接收完畢，等待下面的信號，如果一直沒有接收到校驗標志碼0X88和0XFE，則表明本次通信失敗，通信結(jié)束。當接收到0X88和0XFE之后緊接著接收到的為數(shù)據(jù)包長度信息Length，由此判定數(shù)據(jù)包的長度。最后一步，接收緊接著的長度為Length的數(shù)據(jù)包，并且存入接收端緩存。完成本次數(shù)據(jù)的接收。

3.2 監(jiān)測終端軟件設(shè)計

如圖6所示，首先對液晶屏和單片機中的寄存器初始化，寄存器包括A/D 轉(zhuǎn)換寄存器，定時器0 中斷寄存器和定時器2寄存器。

將A/D 轉(zhuǎn)化寄存器中的輸入信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換函數(shù)后再經(jīng)過定時器中斷函數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)這個信號來判斷所測區(qū)域各環(huán)境參數(shù)的濃度和是否發(fā)出警報，如果發(fā)出警報，那么ATmega128L的PWM端口決定了蜂鳴器的頻率，如果不發(fā)出警報，那么各參數(shù)濃度數(shù)據(jù)就直接顯示在LCD 屏上。整個系統(tǒng)是一直運行的，當輸入的信號發(fā)生改變，那么LCD 上的環(huán)境參數(shù)濃度值也會發(fā)生相應的改變。取值頻率設(shè)置為30 ms取一次值，由定時器中斷函數(shù)來實現(xiàn)控制。

3.3 上位機軟件設(shè)計

為了清晰地觀察室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的變化情況，使用LabView設(shè)計了上位機。上位機部分程序如圖7所示。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

4.1 實驗結(jié)果及分析

在對終端機進行測試時，在400 m 距離范圍內(nèi)，對5 間不同房間的溫度和甲醛含量進行了測試，其中0xf1為封閉的實驗室，0xf2為封閉的教室，0xf3為封閉宿舍，0xf4為通風教室，0xf5為通風宿舍。測試結(jié)果如表1所示。如表1 所示，在密閉狀態(tài)下，所監(jiān)測房屋0xf1 一天的甲醛濃度都維持在0.06~0.08 ppm，遠超過國家室內(nèi)甲醛濃度標準。教室、實驗室、宿舍等場所由于長時間不通風，室內(nèi)甲醛的濃度會比較高，人們長期生活在這種環(huán)境下，會對身體造成嚴重的傷害。系統(tǒng)采集到的溫度數(shù)據(jù)，與標準溫度誤差范圍均在3%以下。

4.2 透傳傳感網(wǎng)絡(luò)性能分析

通過對透傳模塊的測試，系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，每5 s需通信轉(zhuǎn)發(fā)心跳幀一次，空中每幀數(shù)據(jù)都會轉(zhuǎn)發(fā)一次，最多支持240 字節(jié)長度數(shù)據(jù)包。當空中波特率固定為9 600 b/s通信距離為400 m平原條件時，通信誤碼率為10-3~10-4。透傳數(shù)據(jù)在傳輸過程中會存在一定延時，適用于傳輸距離遠且對實時性要求不高的場合。

系統(tǒng)模塊在正常工作模式下，通過控制SLP管腳電平，可以使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，當SLP管腳接收到下降沿信號時，模塊進入休眠模式。處于休眠模式時，模塊的工作電流小于5 μA。模塊進入休眠模式后，RST腳輸入一個低電平信號（>1 ms）可以使模塊退出休眠模式，進入正常工作狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文提出的無線通信透傳算法，透過無線通信把傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)當作有線通信使用，工作時無需任何用戶協(xié)議，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，自動路由?？梢宰詣犹l抗干擾，自動路由數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不需單獨的路由器或中繼器，穿透障礙物能力強，極大地降低了終端芯片的資源利用率和無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件成本。環(huán)境采集終端機，續(xù)航能力強，各傳感器靈敏度高，采集到的各參數(shù)與實際誤差相差極小。樣品機實物圖如圖8所示。

當數(shù)據(jù)速率提高時，系統(tǒng)通信的誤碼率會增加，如需進一步提高透傳模塊的性能?？刹捎靡韵录夹g(shù)來提高通信可靠性[8?10]。在物理層，模塊采用差分曼徹斯特編碼技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而保證通信中的同步問題。

在數(shù)據(jù)鏈路層，使用循環(huán)冗余編碼進行數(shù)據(jù)幀校驗，用以保證數(shù)據(jù)到達用戶應用層以后的可靠性。

注：本文通訊作者為吳迪。

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作者簡介：于洪濤（1993—），男，江蘇徐州人。主要研究方向為光電應用技術(shù)。

吳迪（1980—），男，江蘇徐州人，博士，講師。主要研究方向為儀器儀表與自動化檢測技術(shù)。

無線環(huán)境監(jiān)測范文第4篇

摘 要：根據(jù)無線通信技術(shù)低功耗、低成本和動態(tài)性的優(yōu)點，研究基于無線傳感網(wǎng)的井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對井場環(huán)境進行監(jiān)測，防止井下事故的發(fā)生。系統(tǒng)的硬件由終端、路由器、協(xié)調(diào)器、上位機四部分組成，主要針對井場環(huán)境監(jiān)控困難、環(huán)境復雜、事故易發(fā)的情況。該系統(tǒng)軟件的基本思想是：先初始化系統(tǒng)，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)送給CC2530進行存儲、數(shù)據(jù)處理，最后利用CC2530的RF收發(fā)器對數(shù)據(jù)進行發(fā)送。該系統(tǒng)采用無線ZigBee技術(shù)作為傳輸方式，同時結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)，對上位機界面進行了設(shè)計。系統(tǒng)測試過程穩(wěn)定，結(jié)果可靠，同時抗干擾能力較強且可以應用于多種戶外環(huán)境參數(shù)的采集與監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：井場環(huán)境監(jiān)測；無線通信技術(shù)；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

項目資助：本研究受油氣消防四川省重點實驗室開放基金項目（No. YQXF201602），2016國家級級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 （項目號：201610615030）資助。

1引言

隨著能源危機的到來，對石油資源的長期、安全、高效開采，已成為大家研究的話題。井場環(huán)境條件惡劣，危險性高，需要監(jiān)控參數(shù)多。由于對相關(guān)參數(shù)的控制不及時而造成的一些或大或小的事故，造成這些事故的原因除了所處地質(zhì)的本身條件外，很多時候都是由于對采油參數(shù)的控制不及時而造成的。進入21世紀，他們不僅使用無線通信技術(shù)來對井場環(huán)境進行監(jiān)測，而且在鉆井技術(shù)方面也實現(xiàn)了自動化。但是在井場環(huán)境中有線方式在一些應用中存在一定局限性，如需經(jīng)過強腐蝕地段等。因此無線通信技術(shù)得到高度重視。無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本和動態(tài)性等優(yōu)點[1]。它們能夠很好的應用到環(huán)境無線監(jiān)測，因此，研究基于無線傳感網(wǎng)的井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的作用和意義。

2 井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計框架

本系統(tǒng)采用固定端采集模式，分為終端、路由器、協(xié)調(diào)器、上位機四部分。在網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點分布在井場內(nèi)的各個地方，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性以及實際井場的面積，計算出總共需要多少個傳感器節(jié)點。[2]這些傳感器節(jié)點對井場環(huán)境的溫濕度、光照強度以及各種有害氣體進行實時采集。當協(xié)調(diào)器上電時，開始對網(wǎng)絡(luò)進行建立，然后通過ZigBee的方式與傳感器節(jié)點進行無線連接。系統(tǒng)組成如圖1所示：

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點整體設(shè)計

該設(shè)計針對的是井場環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，井場環(huán)境一般較惡劣，需要采集的環(huán)境參數(shù)包括可燃氣體（甲烷）、溫濕度、光強、有毒氣體硫化氫以及煙霧等等。在該設(shè)計中，整個網(wǎng)絡(luò)的主控芯片采用CC2530，它能很好地適應井場環(huán)境的監(jiān)測。除此之外，網(wǎng)絡(luò)還應具有傳感器模塊、射頻模塊、電源模塊、通信串口以及天線等來滿足整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的無線通信功能[3]。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、光電傳感器和硫化氫傳感器。傳感器與CC2530芯片都集成在同一塊PCB板子上。通信串口使用RS232。

2.2.2 傳感器電路設(shè)計

本設(shè)計研究的井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，主要是對井場的環(huán)境參數(shù)進行采集、監(jiān)測，需要對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置相應的傳感器電路。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、CH4傳感器、光電傳感器和硫化氫傳感器。

2.2.3 串口通信電路

本設(shè)計的串口通信采用串行通信。這種通信方式可以節(jié)約通信成本，但是傳輸速度比并行慢。串口通信電路就是為了使協(xié)調(diào)器與上位機相連，通過上位機對數(shù)據(jù)進行顯示。

2.2.4 其他電路

天線線路使通訊信號能從一節(jié)點通過無線方式發(fā)送至另一節(jié)點；電源轉(zhuǎn)換電路使9V直流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成5V直流電壓與3.3V直流電壓。

3 井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 單片機端軟件設(shè)計框架

單片機端軟件的基本思想是：首先對整個系統(tǒng)上電復位初始化，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換，該A/D轉(zhuǎn)換器是利用CC2530的電路來實現(xiàn)的，利用相應的傳感器對環(huán)境參數(shù)進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)送給CC2530進行存儲、數(shù)據(jù)處理，最后利用CC2530的RF收發(fā)器對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，然后另外的CC2530進行接收。

3.2 上位機端軟件設(shè)計框架

計算機端軟件就是對數(shù)據(jù)進行無線接收，然后通過串口助手對其進行顯示，再利用上位機對數(shù)據(jù)進行處理、保存、報警等功能。

3.3 上位機實現(xiàn)

在該設(shè)計中，利用的是LabVIEW來實現(xiàn)的，該界面包括用戶登陸界面，串口配置界面，數(shù)據(jù)與波形顯示界面，同時還具有數(shù)據(jù)保存功能。

4系統(tǒng)測試

4.1 模塊測試

（1）數(shù)據(jù)采集模塊測試

由于實驗限制，本設(shè)計在測試的時候僅僅只選用了溫濕度傳感器SHT11和光電傳感器。

（2）通信模塊測試

利用兩塊CC2530模板，一個下載終端節(jié)點程序，一個下載協(xié)調(diào)器程序，并將協(xié)調(diào)器與上位機通過串口線連接。給協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點上電，觀察兩個模塊LED顯示情況以及串口助手顯示情況。通過模塊測試，系統(tǒng)能夠正常工作運行。

4.2 整體測試

此時點擊文件路徑處，選擇文件保存的位置，當停止運行時，可以查看歷史數(shù)據(jù)。該圖顯示每隔1秒采集一次參數(shù)，且節(jié)點1和節(jié)點2的參數(shù)能夠很直觀的顯示，通^對歷史參數(shù)的保存，就能對其進行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)故障。

4.3環(huán)境實測

為了驗證系統(tǒng)的可靠性，利用它在實驗室外進行了測試。我們先完成終端、協(xié)調(diào)器與路由器的程序下載。之后，我們布置各終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、路由器。再對各節(jié)點進行供電，上位機采用電腦進行代替。隨即，我們進行環(huán)境參數(shù)的采集。

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)敉猸h(huán)境進行實時監(jiān)測，當環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定的值時，LabVIEW界面相應的位置就會進行報警。

5結(jié)論

本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)。采用無線ZigBee技術(shù)作為傳輸方式，同時結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)，對上位機界面進行了設(shè)計。經(jīng)過現(xiàn)場實驗表明，該套系統(tǒng)測試過程穩(wěn)定，結(jié)果可靠，同時抗干擾能力較強。不僅如此，本系統(tǒng)還可以應用于多種戶外環(huán)境參數(shù)的采集與監(jiān)測。

參考文獻

[1]陳方華.基于ZigBee的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[D].安徽理工大學，2009.6：6-8.

無線環(huán)境監(jiān)測范文第5篇

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；沿海濕地；環(huán)境監(jiān)測；安卓；無線傳感網(wǎng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171433

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0089-03

0 引言

濕地[1]是地球上具有多種獨特功能的生態(tài)系統(tǒng)，它不僅為人類提供大量食物、原料和水資源，而且在維持生態(tài)平衡、保持生物多樣性和珍稀物種資源，以及涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候、補充地下水、控制土壤侵蝕等方面起到重要作用。

鹽城工學院地處沿海城市江蘇鹽城。鹽城因濕地遼闊被譽為“東方濕地之都”，其市域東部擁有太平洋西海岸、亞洲大陸邊緣最大的海岸型濕地[1]，面積680多萬畝，占江蘇省灘涂總面積的7/10，全國的1/7，被列入世界重點濕地名錄。但隨著氣候變化和人類活動的影響，鹽城濕地面積不斷減少，濕地環(huán)境面臨人類活動、環(huán)境污染等多方面威脅，濕地保護和濕地環(huán)境監(jiān)測刻不容緩。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)[2]技術(shù)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接進行信息交換和通訊，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人們對物理世界更加透徹和深入的感知，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的目標是實現(xiàn)物與物、物與人，所有物品與網(wǎng)絡(luò)連接，方便識別、管理和控制[4]。

作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的無線傳感網(wǎng)，可以通過無線方式自組織組網(wǎng)，并將感知數(shù)據(jù)上傳或下發(fā)，非常適合遠程環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域[5]。本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決沿海濕地環(huán)境監(jiān)測問題[6]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建濕地環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)[7]，實現(xiàn)對大面積濕地環(huán)境的感知覆蓋[8]。感知的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)[9]實時上傳到后臺數(shù)據(jù)中心，用戶可通過PC客戶端、手機APP[10]等方式實時查看濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。發(fā)生異常時，可通過短信等方式向用戶報警，從而實現(xiàn)實時、自動化的沿海濕地環(huán)境智能監(jiān)測，提高濕地環(huán)境監(jiān)測效率，促進沿海濕地環(huán)境保護，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計路線

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為2個部分：即面向濕地環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、面向濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的后臺服務(wù)器。

面向濕地監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過在沿海濕地范圍內(nèi)全面部署無線傳感器節(jié)點，節(jié)點之間通過無線鏈路，并遵循Zigbee協(xié)議，自組織形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對濕地環(huán)境的多參數(shù)、大范圍數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點（Sink Node），匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

面向濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的后臺服務(wù)器，負責存儲采集得到的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)并進行簡單處理。在濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時及時發(fā)出報警信息。用戶可通過PC或移動終端以有線、無線等方式訪問后臺服務(wù)器，查看濕地環(huán)境的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點一邊連接濕地環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，另一邊連接因特網(wǎng)，作為濕地環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和后臺服務(wù)器之間的橋梁，負責協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺服務(wù)器。

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計框架如圖2所示。

從任務(wù)需求出發(fā)，分析系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)中的關(guān)鍵問題，有針對性地提出解決方案。具體來說，在感知環(huán)境數(shù)據(jù)選擇方面，將選擇濕地環(huán)境中的空氣和水體數(shù)據(jù)，如溫濕度、光照、PM2.5、水體PH、水體濁度等參數(shù)進行采集和感知。在傳感器節(jié)點組網(wǎng)方面，選用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)傳感器節(jié)點組網(wǎng)程序。在服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)庫方面，選用MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，存儲采集的各種濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。后臺服務(wù)器使用Java語言開發(fā)后臺管理件界面，并與移動端通信。基于Android平臺開發(fā)移動客戶端，實現(xiàn)對濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

系統(tǒng)采用自頂向下、逐步細化的模塊化方式進行研究和開發(fā)。首先進行項目的總體設(shè)計和模塊劃分，然后針對每個模塊進行設(shè)計和開發(fā)，最后進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。模塊開發(fā)總是在前期完成模塊的基礎(chǔ)上，不斷將新模塊加入系統(tǒng)，以便于發(fā)現(xiàn)模塊之間的問題以及模塊設(shè)計中的缺陷，提高系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)速度。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

面向沿海濕地環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖3所示。整個傳感器網(wǎng)絡(luò)包括9種傳感器節(jié)點，分別是溫度傳感器節(jié)點、濕度傳感器節(jié)點、光照傳感器節(jié)點、PH傳感器節(jié)點、水體濁度傳感器節(jié)點、PM2.5傳感器節(jié)點、結(jié)露傳感器節(jié)點、氣壓傳感器節(jié)點、煙霧傳感器節(jié)點。

這9種類型的傳感器節(jié)點通過Zigbee協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)狀組網(wǎng)，并將感知的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接Internet。

2.2 后臺服務(wù)器軟件設(shè)計

后臺服務(wù)器軟件設(shè)計如圖4所示。后臺服務(wù)器軟件系統(tǒng)負責接收協(xié)調(diào)器節(jié)點上報的沿海濕地環(huán)境數(shù)據(jù)并進行處理：一方面利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，另一方面按照移動端需求，通過Socket向移動端發(fā)送歷史或?qū)崟r環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.3 移動APP設(shè)計

Android客戶端系統(tǒng)設(shè)計如圖5所示。Android客戶端一方面接收PC端通過Socket發(fā)來的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過動態(tài)曲線實時展現(xiàn)當前濕地的實時數(shù)據(jù)；另一方面，可以查詢PC端存儲的歷史數(shù)據(jù)并展現(xiàn)。Android客戶端還可設(shè)定報警閾值，當某項濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，通過短信主動報警。

3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

沿海濕地環(huán)境監(jiān)測原型系統(tǒng)部署了6個無線傳感器節(jié)點，共連接9種傳感器。無線傳感器節(jié)點通過Zigbee協(xié)議自組織連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點一方面通過Zigbee協(xié)議接收其它節(jié)點發(fā)來的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，另一方面通過串口連接到服務(wù)器，將接收到的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。在服務(wù)器上部署后臺服務(wù)器軟件，負責濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲及與Android終端的通信。服務(wù)器和Android終端連接到同一局域網(wǎng)，通過Socket方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.2 后臺服務(wù)器軟件實現(xiàn)

后臺服務(wù)器軟件界面如圖6所示。后臺服務(wù)器軟件使用Java Swing開發(fā)，可通過串口讀取協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中。同時通過 “啟動服務(wù)”按鈕，為Android終端提供Socket服務(wù)，允許Android終端訪問數(shù)據(jù)庫中的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

3.3 Android終端軟件實現(xiàn)

Android終端軟件基于Android Studio開發(fā)，可運行于主流版本的Android終端上。Android終端軟件主要負責濕地環(huán)境實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)異常時的報警。

Android終端實時數(shù)據(jù)展現(xiàn)界面如圖7所示。在該界面，點擊“連接”按鈕，軟件將通過Socket與后臺服務(wù)器建立連接，接收后臺服務(wù)器發(fā)來的濕地環(huán)境實時數(shù)據(jù)。濕地環(huán)境實時數(shù)據(jù)在二維坐標中以動態(tài)曲線方式向用戶展現(xiàn)。在二維圖像下有濕地環(huán)境參數(shù)相關(guān)按鈕，用戶可以點擊選擇想要查看的濕地環(huán)境參數(shù)。不同的環(huán)境數(shù)據(jù)以不同顏色的動態(tài)曲線實時展現(xiàn)。

Android終端歷史數(shù)據(jù)查詢界面如D8所示。在該界面上，用戶可選擇所要查詢的環(huán)境數(shù)據(jù)類型，并通過文本框輸入查詢數(shù)據(jù)的起始和終止時刻，點擊“開始查詢”按鈕后，以曲線方式展現(xiàn)某項環(huán)境數(shù)據(jù)在指定時間段內(nèi)的變化情況。

Android終端環(huán)境數(shù)據(jù)超限閾值設(shè)置界面如圖9所示。在該界面，用戶可為每種濕地環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)置上限和下限值，并設(shè)定報警短信發(fā)送的目標號碼。當某項環(huán)境數(shù)據(jù)值超出設(shè)定的上限或下限后，指定手機將接收到報警短信。

4 結(jié)語

沿海濕地環(huán)境監(jiān)測檢測系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對沿海濕地環(huán)境9種參數(shù)的遠程實時監(jiān)測。用戶可通過Android移動端APP實時查看濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，查詢指定時間段內(nèi)的濕地環(huán)境歷史數(shù)據(jù)。當相關(guān)濕地環(huán)境參數(shù)超過用戶設(shè)定的上限或下限時將收到報警短信提醒。應用該系統(tǒng)可提升沿海濕地環(huán)境監(jiān)測的自動化和智能化水平，提高沿海濕地資源保護效率。

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