基于無線傳感器網(wǎng)絡的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)

張新耀　馮啟朋　霍鵬　王亞慧

摘要：室內(nèi)環(huán)境與人的生活、工作密切相關(guān)，一般具有結(jié)構(gòu)復雜及區(qū)域差異性大的特點。無線傳感器網(wǎng)絡是由具有感知能力、計算能力、無線通訊能力的傳感器節(jié)點組成的智能網(wǎng)絡，可以有效地監(jiān)測環(huán)境參數(shù)變化，并能夠?qū)Νh(huán)境異常做出實時處理，從而實現(xiàn)復雜環(huán)境下的分區(qū)域環(huán)境監(jiān)控，由此設計了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）的智能室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)。文章通過對整個系統(tǒng)的設計方法、軟硬件實現(xiàn)及系統(tǒng)測試結(jié)果進行了分析研究，最終證明了由無線傳感器網(wǎng)絡構(gòu)成的系統(tǒng)可以高效地實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的任務。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)；環(huán)境監(jiān)控；環(huán)境參數(shù)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）30-0030-03

無線傳感器網(wǎng)絡集傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)于一體，它由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡因其具有成本低、能耗小等特點，已經(jīng)展現(xiàn)了非常廣闊的應用前景，參考文獻[1]和參考文獻

[2]中分別介紹了其在農(nóng)業(yè)與醫(yī)藥學領域的應用。2003年MIT技術(shù)評論Technology Review在預測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，將其列為改變世界的十大新技術(shù)之一。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及生活條件的改善，人們對工作和生活環(huán)境的安全性和舒適度提出了更高的要求，而室內(nèi)環(huán)境與人們的生活與工作息息相關(guān)，因此室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與控制引起了人們越來越多的關(guān)注。為了實現(xiàn)各式各樣的生活與工作要求，室內(nèi)環(huán)境的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，正是這種結(jié)構(gòu)復雜多樣性及區(qū)域差異性，給室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與控制帶來了諸多挑戰(zhàn)。但是，隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展及應用，這些挑戰(zhàn)均迎刃而解。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的監(jiān)控功能主要利用了無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)來實現(xiàn)。系統(tǒng)分為三個部分，分別為監(jiān)控節(jié)點、下位機和上位機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

監(jiān)控節(jié)點：作為無線傳感器網(wǎng)絡的基本組成部分，它可以利用搭載的多種傳感器來獲取室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，通過微機電系統(tǒng)將這些參數(shù)進行數(shù)字化處理，并打包通過無線通訊模塊發(fā)送至下位機。

下位機：作為無線傳感器網(wǎng)絡的中心節(jié)點，下位機起著承上啟下的作用。它既能夠通過無線通訊模塊與諸傳感器節(jié)點通訊，又能通過串口與上位機實現(xiàn)信息交互，最終實現(xiàn)了傳感器節(jié)點與上位機的協(xié)調(diào)。

上位機：作為無線傳感器網(wǎng)絡的“大腦”，上位機負責整個傳感器網(wǎng)絡的正常運行。通過對下位機呈遞的數(shù)據(jù)包進行解碼，上位機能夠提取各環(huán)境參數(shù)信息，并將其圖形化顯示。此外，通過設置環(huán)境參

數(shù)閾值，上位機可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制。

2 系統(tǒng)功能介紹

環(huán)境參數(shù)采集與圖形化顯示：傳感器節(jié)點通過搭載的各類傳感器可以采集各類環(huán)境參數(shù)，例如溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量等，并通過無線傳輸將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。上位機通過解包提取各環(huán)境參數(shù)，對其進行圖形化顯示。通過圖形化顯示，可以直觀地得到環(huán)境參數(shù)的變化過程，便于發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常及對環(huán)境變化趨勢做出合理判斷。

異常處理：當環(huán)境參數(shù)超過預先設定的閾值時，則判定為異常狀態(tài)。此時，可以通過上位機軟件，調(diào)整相應節(jié)點控制設備的工作狀態(tài)，以使環(huán)境參數(shù)恢復正常。

雙重工作模式：上位機軟件設置有雙重工作模式，即自動控制模式和手動控制模式。在自動工作模式下，上位機會根據(jù)閾值判斷當前室內(nèi)環(huán)境是否發(fā)生異常，從而對節(jié)點的控制設備進行調(diào)節(jié)，使室內(nèi)環(huán)境維持在相對穩(wěn)定狀態(tài)。在手動模式下，可以根據(jù)當前的需要，主動干預室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)某些特殊條件下特殊要求。

3 硬件和軟件設計

3.1 硬件的設計

監(jiān)控節(jié)點的設計：由5個基本部分組成，分別為傳感器檢測單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元、控制單元和電源供應單元。節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點的處理器使用綜合性能較好的ATMEL的AVRmega16單片機。本節(jié)點擬設計為通用節(jié)點，可拓展為8路開關(guān)/模擬量輸入、8路輸出外接控制器、2路占空比可調(diào)PWM，可接多種多個傳感器，擴展性強。傳輸采用AM2400BS-R（NRF2401）無線通信模塊，收發(fā)頻率為2.4～2.524GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率最快為1M/bps，可以傳輸較大的數(shù)據(jù)包，發(fā)射功率最大為0dB，傳輸距離遠。節(jié)點程序流程圖如圖3所示?？刂茊卧衫^電器、排氣扇、風扇（可由PWM控制轉(zhuǎn)速）、白熾燈、火警報警器等組成。電源根據(jù)具體情況可以采用220V交流電、蓄電池、太陽能電池、USB等供電，省電也是本系統(tǒng)考慮的主要因素。

通信協(xié)議：分為無線通信協(xié)議和串口通信協(xié)議。無線通信協(xié)議分為上行和下行協(xié)議，上行協(xié)議用于節(jié)點到下位機的數(shù)據(jù)信息傳輸，下行協(xié)議用于下位機到節(jié)點的控制命令傳輸。上下行協(xié)議中預留了保留位，方便進行系統(tǒng)的進一步擴展。下位機與上位機之間采用RS232串行通信協(xié)議。

3.2 軟件的設計

上位機軟件：采用Visual C#語言編寫，在Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)。軟件設計的流程圖如圖5所示。主要包括用戶登錄界面、區(qū)域選擇界面和參數(shù)顯示界面。用戶登錄界面用于設定用戶權(quán)限，保證系統(tǒng)安全；區(qū)域選擇界面有利于用戶快速定位目標區(qū)域，保證系統(tǒng)快捷方便；參數(shù)顯示界面可以記錄并顯示參數(shù)歷史信息，并提供參數(shù)的動態(tài)變化曲線和控制按鈕，方便用戶對參數(shù)未來的變化趨勢進行合理預測和對異常情況進行處理。

Internet的創(chuàng)新性應用：可在互聯(lián)網(wǎng)上進行拓展，不僅可以方便地進行遠程監(jiān)控，還可以擴大監(jiān)測范圍，使該系統(tǒng)擁有更廣闊的應用前景。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果

為了進行系統(tǒng)測試，設計了一套模擬系統(tǒng)，該模擬系統(tǒng)包括3個無線傳感器節(jié)點，每個節(jié)點搭載溫濕度傳感器、光照傳感器和煙霧報警模塊。

通過對3個無線傳感器節(jié)點進行輪詢，測試得到最大的無線通訊有效距離約為30米。

5 結(jié)語

本文從應用角度出發(fā)，設計了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)低功耗，低成本，便于安裝。通過測試實驗，證明該系統(tǒng)功能實用可行，是對室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的重大改進。對室內(nèi)環(huán)境可以全面的了解和掌握，對異常情況可以做出正確的判斷和實時有效的處理，使室內(nèi)環(huán)境的安全性及舒適度得到大幅改善。

參考文獻

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基金項目：中國海洋大學“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目資助（編號：100082491002）

作者簡介：張新耀（1990-），男，山東兗州人，中國海洋大學信息科學與工程學院學生，研究方向：海洋技術(shù)。

（責任編輯：周加轉(zhuǎn)）