基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

吳芳

摘? 要：隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植也有了長足的發(fā)展，從之前的小面積種植演變?yōu)榱巳缃竦拇笠?guī)模，為了提高生產(chǎn)效率，減少勞動力，必須引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)配合人工勞作進(jìn)行種植。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線成本高，抗干擾性差，增加新監(jiān)測點時必須改變物理線路，工序復(fù)雜，維護(hù)難度大。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò);Zig Bee;環(huán)境監(jiān)測;

為滿足環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)距離，低成本，部署靈活等要求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種樹型結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)并上傳監(jiān)控主機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測和監(jiān)控.介紹了節(jié)點硬件設(shè)計，然后根據(jù)環(huán)境溫度監(jiān)測的應(yīng)用需求進(jìn)行軟件設(shè)計，采用休眠機(jī)制以降低節(jié)點的功耗，將系統(tǒng)進(jìn)行實地部署與測試.表明：該系統(tǒng)具有較高的實用性和可靠性。

1 相關(guān)工作

研究目的是利用ZigBee技術(shù)結(jié)合WSN設(shè)計安全高效的、個性化的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。許多本領(lǐng)域?qū)W者已經(jīng)利用WSN設(shè)計了一些環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，代表性的成果有：雷旭等利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了隧道環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32微控制器為核心設(shè)計了低功耗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點設(shè)計了B/S模式訪問的監(jiān)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(qiáng)通信距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對近海環(huán)境進(jìn)行了實時監(jiān)測;陳克濤等設(shè)計了以CC2530為核心處理器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)關(guān)節(jié)點;提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和3G/4G的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);研究了WSN接入In?ternet的方法;Arch Rock Corp等研究了IPV6WSN;另外，針對農(nóng)田土壤參數(shù)（諸如溫濕度等）的精確采集系統(tǒng)設(shè)計上，很多學(xué)者研究了土壤WSN精確化應(yīng)用系統(tǒng)與實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。諸如此類，這些都是典型的WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)研究的文獻(xiàn)成果。概括這些目前WSN環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域文獻(xiàn)共性特點，大多是針對農(nóng)業(yè)、海洋等某一領(lǐng)域設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)，缺乏共性通用的系統(tǒng)平臺設(shè)計思想;另外由于缺乏目前云計算、最先進(jìn)的新技術(shù)植入，缺乏先進(jìn)與人性化設(shè)計理念。針對這些弱點，進(jìn)行了研究改進(jìn)。實踐證明本文設(shè)計的系統(tǒng)，用戶隨時隨地都可以了解監(jiān)測場所的環(huán)境信息，如：溫度、濕度、可燃有毒氣體及其濃度、火災(zāi)、光線明暗程度等數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實時閉環(huán)環(huán)境信息的預(yù)警決策，能根據(jù)信息特點實現(xiàn)對環(huán)境的智能化管理，如環(huán)境安全指數(shù)超標(biāo)會做出決策并采取一些措施。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Zig Bee技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量價格較低的傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[。將這些傳感器節(jié)點部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點通過無線通信的方式自發(fā)形成多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息通過傳感器的感知、采集和處理后經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控中心或終端用戶，協(xié)作完成指定的任務(wù)。ZigBee是一種便宜的、低功率的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。適用于通信數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，分布范圍較小，一般應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭自動化、農(nóng)業(yè)自動化、遙測遙控和醫(yī)療護(hù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)。ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫鏈接，具有很強(qiáng)的兼容性。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)中，節(jié)點硬件主要包括三大模塊：處理器、無線集成模塊，數(shù)據(jù)采集模塊與電源模塊，節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

處理器、無線集成模塊選用TI公司的CC2530F256芯片，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，同時具有多種運行模式，確保了低能源消耗.數(shù)據(jù)采集模塊包含環(huán)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(jié)點通過芯片自帶電壓采集功能，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取實時電壓。節(jié)點電源采用兩節(jié)5號干電池，通過TPS60211升壓至3.3V對路由器與節(jié)點供電.由于協(xié)調(diào)器需保證長時間開機(jī)狀態(tài)，并且通過有線方式與監(jiān)控主機(jī)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(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計和上位機(jī)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計兩部分.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)采用短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的，基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的Zig-Bee技術(shù).此外，我們采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，故障排查方便，符合環(huán)境檢測應(yīng)用需要.本設(shè)計中，除電源模塊外，各節(jié)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(yīng)的工作機(jī)制。

1.協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備，上電后，首先處理網(wǎng)絡(luò)初始化事件，選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)ID，并啟動無線傳感網(wǎng)絡(luò)，隨后連接PC并保持信號接收狀態(tài).協(xié)調(diào)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(jiān)控主機(jī)上的管理軟件自動或手動發(fā)出的信號，包括更改某一個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集頻率，數(shù)據(jù)處理策略等.協(xié)調(diào)器在收到該類信號后會向下逐層傳送，并做出相應(yīng)的動作.無線信號來自無線傳感網(wǎng)絡(luò)，包括節(jié)點加入信號和傳感數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器則會做出相應(yīng)的配置新節(jié)點和上傳數(shù)據(jù)至PC操作示。

2.路由器。路由器的主要功能是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和多跳路由.由于本設(shè)計中選用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)初始化事件，發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)并請求加入.如果接收到響應(yīng)信號，意味著該路由器已成功入網(wǎng)，否則需再次發(fā)出入網(wǎng)請求.由于使用樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)允許路由器適當(dāng)?shù)男菝?，路由器在入網(wǎng)成功后進(jìn)入休眠/喚醒輪轉(zhuǎn)狀態(tài)，達(dá)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(shù)據(jù)兩種信號.控制信號為由PC首發(fā)的信號，包含更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的指令，需向下傳至目標(biāo)節(jié)點.傳感數(shù)據(jù)為傳感節(jié)點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，需向上傳至父節(jié)點，使數(shù)據(jù)能最終通過協(xié)調(diào)器匯聚至監(jiān)控主機(jī).

總之，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離環(huán)境溫度檢測、傳輸與監(jiān)控，同時將所采集的溫度數(shù)據(jù)存儲至后臺數(shù)據(jù)庫，以供后期數(shù)據(jù)查詢、分析與處理.在保證良好的網(wǎng)絡(luò)效能的基礎(chǔ)上，通過使用休眠機(jī)制與選取合適的發(fā)射功率，降低功耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期.該系統(tǒng)具有低成本，低功耗，部署靈活，實用可靠等優(yōu)點.下一步工作將主要集中在監(jiān)測軟件平臺的功能完善，同時進(jìn)一步研究休眠機(jī)制，達(dá)到節(jié)點傳輸距離與功耗之間的平衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]敦小平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研究與設(shè)計.2017.

[2]王秀英，淺談基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).2017.