時間：2023-01-08 11:39:51
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇無線環(huán)境監(jiān)測，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
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(fù)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類，綜合考慮電路的復(fù)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(fù)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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(dāng)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(yīng)實際應(yīng)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(xué)出版社.
關(guān)鍵詞：無線傳輸；環(huán)境監(jiān)測；Zigbee
1 研究背景及意義
近年來新興了一種性能穩(wěn)定、傳輸效果較好的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，主要用于傳感器間近距離無線通信連接。基于這種無線的傳輸技術(shù)而開發(fā)的硬件模塊，具有低成本，低功耗，協(xié)議簡單，安全可靠，自動組網(wǎng)等特點。目前，此項技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并被應(yīng)用于多種行業(yè)。
傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測的過程一般為接受任務(wù)，現(xiàn)場調(diào)查和收集資料，監(jiān)測計劃設(shè)計，優(yōu)化布點，樣品采集，樣品運輸和保存，樣品的預(yù)處理，分析測試，數(shù)據(jù)處理，綜合評價等。同時監(jiān)測地域的分散性，環(huán)境變化過程的緩慢性，監(jiān)測的時間跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的間斷監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，對突發(fā)狀態(tài)現(xiàn)象調(diào)查無法完成，而應(yīng)用這種無線傳輸技術(shù)的監(jiān)測平臺可以隨時不間斷的進行監(jiān)測。
2 基于無線傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
本文將無線傳輸技術(shù)用于環(huán)境監(jiān)測，搭建環(huán)境監(jiān)測平臺，該平臺將具備連續(xù)性、追蹤性的特點，對突發(fā)環(huán)境事件的研究提供幫助。將來隨著該平臺研究更加成熟，還將具備綜合性特點，非常符合環(huán)境監(jiān)測的要求。首先將開發(fā)的微傳感器節(jié)點模塊按照一定要求布置在監(jiān)測環(huán)境中，實時采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過中心節(jié)點（具有協(xié)調(diào)器和路由的功能）將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)，最后網(wǎng)關(guān)將收集到的整個子網(wǎng)絡(luò)的信息通過系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)傳給基站?；九c一個數(shù)據(jù)庫和 Internet 網(wǎng)聯(lián)接，將收集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。最后，終端用戶可以通過 Internet 網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)庫得到自己感興趣的信息，并且能夠根據(jù)需要作出下達指令，控制節(jié)點運行。實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測以及下達控制操作的目的。
1）無線技術(shù)綜述：Zigbee 技術(shù)是專門為了低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的通信協(xié)議，通過對比 Zigbee技術(shù)和其它無線通信技術(shù)的特點，總結(jié)出 Zigbee 技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)選擇。本文重點從整個構(gòu)架上闡述了基于 Zigbee 環(huán)境監(jiān)測平臺的系統(tǒng)研究。為了適合無線網(wǎng)絡(luò)中傳感和控制設(shè)備通信的特定的需求，傳感和控制設(shè)備的通信并不需要高的帶寬，但是他們要求快速的反應(yīng)時間，非常低的能量消耗，以及大范圍的設(shè)備分布。Zigbee 協(xié)議應(yīng)運而生，它繼承了以往協(xié)議的優(yōu)勢，為無線網(wǎng)絡(luò)中傳感和控制設(shè)備之間的通信提供了一個極好的解決標(biāo)準(zhǔn)。
2）系統(tǒng)建設(shè)：通過 Zigbee 協(xié)議采用自組網(wǎng)和多跳的通信方式將環(huán)境的變化量傳送給了它的上一級網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將收集到的所有子網(wǎng)絡(luò)的信息，通過事先編譯好的系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)傳給更上一級的中心服務(wù)器。中心服務(wù)器有一個數(shù)據(jù)庫專門存放這些環(huán)境的變化量，將它和 Internet 網(wǎng)連接。這樣，用戶終端就可以通過手機或 PC 機通過相應(yīng)的服務(wù)程序直接訪問到 Internet 網(wǎng)數(shù)據(jù)庫得到用戶所需要的外界環(huán)境的信息。當(dāng)然，隨著這一技術(shù)的不斷深入發(fā)展，用戶終端只需按下鍵盤在千里之外的辦公室就可以實現(xiàn)對智能節(jié)點的控制。
3 智能節(jié)點硬件設(shè)計
智能節(jié)點的硬件設(shè)計包括主控制器模塊選擇，通信模塊選擇，各種環(huán)境監(jiān)測傳感器選擇等。通過比較選擇了環(huán)境監(jiān)測中用到的幾種傳感器，分析它們的型號、特點、輸出模式以及外部接口電路。
1）智能節(jié)點的設(shè)計：智能節(jié)點的設(shè)計是整個系統(tǒng)硬件設(shè)計最核心的部分，它直接放置在監(jiān)測環(huán)境內(nèi)部，負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)裙δ?。?jié)點的設(shè)計必須滿足具體應(yīng)用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并為節(jié)點配備合適的傳感器、必要的計算功能、內(nèi)存資源以及適當(dāng)?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由四個模塊組成：傳感器模塊（A/D 轉(zhuǎn)換、傳感器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器）、電源供應(yīng)模塊（電池、AD-DC）。本設(shè)計在原有基礎(chǔ)上添加標(biāo)準(zhǔn)化的接口平臺和控制平臺，實現(xiàn)更多應(yīng)用的傳感器的添加，以及用戶可以下達命令對開關(guān)量，模擬量和數(shù)字量執(zhí)行控制。
2）微控制器選擇：微控制器模塊是環(huán)境監(jiān)測平臺節(jié)點的核心部分，在微控制器的選擇上，需要綜合考慮其存儲、處理、接口和功耗等多方面因素對硬件平臺實現(xiàn)功能的支持。我們選用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是專門為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，時鐘頻率較低（4MHz），可以適用于不同類型設(shè)備的指令集。它以可變的片上 RAM（存儲范圍為 2～10KB）、幾個 12 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個實時時鐘為特征。它的功能很強大，可以執(zhí)行一個標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器節(jié)點的基本計算任務(wù)
3）通信模塊選擇：通信模塊是傳感器組網(wǎng)的必備條件，使得獨立的傳感器節(jié)點之間可以互相連接，并能借助多跳將數(shù)據(jù)回傳到節(jié)點，即數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。在環(huán)境監(jiān)測中，大量的節(jié)點被放置在被監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)，能量消耗以及外部對信號的干擾，選擇芯片時要充分考慮通信模塊抗干擾能力以及能量消耗問題，即在滿足信號處理要求的同時盡可能地抵抗干擾和降低系統(tǒng)能耗，延長平臺工作時間。
4）傳感器模塊：傳感器是環(huán)境監(jiān)測平臺中負責(zé)采集監(jiān)測對象相關(guān)信息的組件，與應(yīng)用緊密相關(guān)，不同的應(yīng)用對涉及的檢測量也不相同，有可能是一個模擬量（溫度、濕度、光強、氣體含量等），也有可能是一個數(shù)字量（信號鏈路質(zhì)量）或者是一個布爾值（閾門開關(guān)、電閘的開合和繼電器的位置等）。在環(huán)境監(jiān)測中，傳感器模塊主要添加的常用傳感器有全光譜光強度傳感器、可見光譜光強度傳感器、有毒氣體監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器等。
5）控制平臺：大多數(shù)的環(huán)境監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集和傳輸是系統(tǒng)的主要工作，盡量避免對環(huán)境監(jiān)測對象造成影響，以保證數(shù)據(jù)采集精度。但是，對于諸如農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控之類，用戶希望不僅可以了解農(nóng)田的各種環(huán)境參數(shù)變化，而且可以根據(jù)采集信息的變化情況對農(nóng)田環(huán)境進行相應(yīng)調(diào)整。例如，在蔬菜大棚內(nèi)，溫濕度是影響蔬菜生長的一些重要因素，當(dāng)監(jiān)測平臺監(jiān)測到溫濕度高于或低于適合蔬菜生長的范圍時需要采取一定的措施來改變大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度，比如控制噴淋開或關(guān)，這就需要引入執(zhí)行器進行控制。在不同應(yīng)用中，執(zhí)行器的功能與作用各不相同，可能是一個繼電器開關(guān)，也可能是一組運動裝置或數(shù)控設(shè)備，具體需要由系統(tǒng)應(yīng)用所針對的對象決定。
6）電源模塊：電源模塊是環(huán)境監(jiān)測平臺的能量來源，電源技術(shù)的好壞決定了網(wǎng)絡(luò)工作時間的長短和系統(tǒng)運行成本。目前還沒有找到更高效使用時間更長的高能量電池，我們使用的是兩節(jié)AA 電池，實驗效果顯示可以維持一個節(jié)點工作半個月時間。
7）其他硬件設(shè)計：節(jié)點模塊采用 USB 口作為其程序調(diào)試下載端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主機通訊，為了和節(jié)點通訊，必須在FTDI設(shè)備上安裝FTDI驅(qū)動。節(jié)點模塊將會在windows設(shè)備管理器中以串行口出現(xiàn)。并行的無線傳感器可以同時連接到一臺電腦的USB口，每個點，將會接收到不同的串行通信口標(biāo)識符。天線節(jié)點模塊的內(nèi)置天線是一個倒F型的微波傳輸帶，它從電路板底部伸出，遠離電池組。倒F型天線是有線單極子，它頂部的截面被折疊下來與地線平行。在讀出或?qū)懭腴W存中數(shù)據(jù)的時候必須要謹慎，因為它是和無線電通信交叉存取的。這是總線在微控制器上的典型軟件應(yīng)用。
4 平臺軟件設(shè)計
該環(huán)境監(jiān)測平臺的軟件設(shè)計主要通過操作系統(tǒng) TinyOS 和編程語言 NesC 來完成。本章通過典型應(yīng)用分析了模塊化、基于組件的編程案例。將模塊化的程序設(shè)計移植于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，列出了該平臺的軟件流程圖。最后通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用開發(fā)了一套可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。該平臺的軟件開發(fā)通過開源式 TinyOS 操作系統(tǒng)和基于組件的 NesC 編程語言來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，程序開發(fā)周期短，便于修改，對于各種環(huán)境監(jiān)測傳感器的添加也很方便。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用開發(fā)使人們在辦公室就可以直觀的看到各種傳感器采集的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，足不出戶就可以對數(shù)據(jù)進行提煉分析，觀測環(huán)境變化的一舉一動，實現(xiàn)了 24 小時不間斷監(jiān)測，對突發(fā)環(huán)境情況變化的研究提供了可能。
5 總結(jié)與展望
本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線傳輸技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它通過使用由大量微型傳感器節(jié)點組成的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以對所監(jiān)測的環(huán)境進行不間斷的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基礎(chǔ)性研究和探討。搭建了基于無線傳輸技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測平臺，這個平臺具有數(shù)據(jù)采集和上傳、網(wǎng)絡(luò)可視化、遠程控制等功能。在過去智能節(jié)點的硬件設(shè)計上存在接口不容易擴展問題，主要是由于環(huán)境監(jiān)測中需要添加的傳感器類型不同導(dǎo)致輸出信號格式不同，另外還有主控芯片輸入接口不夠用等問題。針對這些展開研究，設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)化接口電路，實現(xiàn)了接口擴展。最后需要利用該平臺進行了一系列的試驗和調(diào)試，對采集的數(shù)據(jù)進行了分析，將該平臺應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測是具有一定科研意義的。
參考文獻
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【摘要】伴隨著社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，無線電技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，并且隨著科技的發(fā)展，無線電技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，涉及到無線電的業(yè)務(wù)也變得越來越廣泛，臺站的數(shù)量也在不斷增加，但是出現(xiàn)的問題就是無線電頻譜資源變得越來越緊張，所以無線電電磁環(huán)境變得也越來越復(fù)雜，為了更好的掌握無線電電磁環(huán)境的變化，促進無線電更好的為人們的發(fā)展服務(wù)，因此需要做好無線電電磁環(huán)境的監(jiān)測工作。本研究針對無線電電磁環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)問題展開了一系列的闡述，首先分析了無線電電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成，然后分析了在開展無線電電磁環(huán)境的監(jiān)測過程中需要注意的問題有哪些，對于掌握無線電電磁環(huán)境的變化有一定的指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】無線電 電磁環(huán)境 監(jiān)測系統(tǒng)
一、前言
正如平時所熟知的地形條件，水文條件及氣象環(huán)境一樣，無線電電磁環(huán)境本身也存在于空間中，無線電電磁環(huán)境指的是在某一時間段，某一空間范圍內(nèi)人為的電磁現(xiàn)象和自然界本身存在的電磁現(xiàn)象的總和。鑒于電磁環(huán)境與無線電設(shè)備的工作狀態(tài)有直接關(guān)系，因此需要做好無線電電磁環(huán)境監(jiān)測，一旦無線電電磁不正常也就是平時所講的電磁干擾。由于電磁環(huán)境的穩(wěn)定性受到眾多影響因素的影響，因此需要就無線電電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)展開細致的研究，才能控制好電磁環(huán)境更好的為社會發(fā)展服務(wù)。
二、無線電電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成分析
（一）監(jiān)測控制中心
監(jiān)測控制中心是無線電電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成，整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要對來自于不同地區(qū)，頻域監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集，然后分析數(shù)據(jù)，促進自動監(jiān)測工作的完成。監(jiān)測控制中心主要利用無線電管理內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對下級控制中心的控制，監(jiān)測控制中心是整體監(jiān)測數(shù)據(jù)的聚集點，正是由于其具有非常強大的數(shù)據(jù)處理功能，因此是整個監(jiān)測系統(tǒng)的中心組成。
（二）大型固定監(jiān)測站系統(tǒng)
大型固定監(jiān)測站系統(tǒng)也是無線電電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成之一，想要促進無線電信號良好，一般需要將監(jiān)測系統(tǒng)安裝在較高的建筑物上，大型固定的監(jiān)測站系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對無線電發(fā)射基本參數(shù)的測量、帶寬測定、調(diào)至測定、頻段及頻道的測定，能夠?qū)崿F(xiàn)較強的數(shù)據(jù)監(jiān)測與存儲處理功能。
（三）移動監(jiān)測站系統(tǒng)
移動監(jiān)測站主要是將整體監(jiān)測設(shè)備設(shè)置在一些傳輸性能較好的交通工具上，然后移動監(jiān)測站系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)固定站監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋不全面的缺點進行彌補，所以在這個層面上將移動監(jiān)測站系統(tǒng)同樣也具有大型固定站監(jiān)測功能的。
（四）可移動站
可移動站與移動監(jiān)測站系統(tǒng)有所不同，它與交通工具實現(xiàn)了完全分離，所以使用起來相對比較靈活，一旦有需要能夠利用任何交通工具將監(jiān)測設(shè)備送達到指定的監(jiān)測點。當(dāng)然如果監(jiān)測有需要可以將監(jiān)測設(shè)備臨時固定的某處從而實現(xiàn)了固定監(jiān)測站的監(jiān)測功能。
（五）小型固定監(jiān)測站
采用小型固定監(jiān)測站系統(tǒng)開展監(jiān)測功能主要是為了減少不必要的投資，最大限度的將覆蓋區(qū)域的監(jiān)測加強，結(jié)合實際的監(jiān)測需要建立起有針對性的監(jiān)測系統(tǒng)，該種監(jiān)測站主要是對無線電電磁環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)加以收集。
（六）便攜式監(jiān)測設(shè)備
該種監(jiān)測設(shè)備，小巧便捷，便于在較近距離查找排除無線電干擾信號。上述所講的無線電監(jiān)測站系統(tǒng)的具體使用情況需要結(jié)合國家對地區(qū)無線電電磁環(huán)境監(jiān)測的具體要求來選擇。
三、在無線電電磁系統(tǒng)監(jiān)測過程中需要重點注意的問題
由于無線電電磁系統(tǒng)監(jiān)測對無線電設(shè)備的使用有著至關(guān)重要的影響，但是無線電電磁系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測過程是一項非常復(fù)雜的過程，其監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性將直接影響無線電設(shè)備的具體使用情況，因此在監(jiān)測過程中需要有一些問題要注意。首先，在無線電電磁環(huán)境的監(jiān)測過程中，出現(xiàn)不同寬帶信號的現(xiàn)象是非常正常的，因此在進行監(jiān)測結(jié)果接受的使用需要有較為嚴格的要求，為了最大限度的使用不同調(diào)制形式信號的測定需要，可以接受脈沖干擾信號。在監(jiān)測過程中需要注意峰值和準(zhǔn)峰值的檢波功能，結(jié)合不同的測量對象，選擇合適的檢波方式。在監(jiān)測過程中會有很多外界因素影響監(jiān)測結(jié)構(gòu)，隨機干擾的來源不僅有熱噪聲還有雷達目標(biāo)反射以及自然界所存的噪聲，因此在進行平穩(wěn)隨機過程的干擾信號的測定時需要使用監(jiān)測有效值以及檢測平均值等實現(xiàn)測定。在使用波檢器的時候，可以充分利用波檢器的性質(zhì)，然后分析不通信號在不同的波檢方式下的不同反應(yīng)，來判斷帶測定信號的類型，然后確定信號的性質(zhì)，但是在監(jiān)測的時候需要注意的問題是防止輸入端過載，檢波方式的選擇需要慎重，在監(jiān)測之前需要進行設(shè)備的校準(zhǔn)，預(yù)選器的選擇需要結(jié)合具體的測定過程。只有在測定過程中注意到一些小的細節(jié)才能促進檢測結(jié)果的有效性。
四、結(jié)語
綜上所述，無線電電磁環(huán)境的整體監(jiān)測系統(tǒng)的組成非常復(fù)雜，只有就每一個組成的功能及工作原理分析到位，然后注意到在無線電電磁系統(tǒng)監(jiān)測過程中所需要重點注意的問題才能做好無線電電磁環(huán)境的監(jiān)測工作，最大限度的促進無線電業(yè)務(wù)的健康穩(wěn)定發(fā)展。
參考文獻：
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【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(yīng)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(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)用性非常強的技術(shù)，它在當(dāng)前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)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(xué)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)
IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)。同時ZigBee聯(lián)盟也開始推出與之相配套的網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的解決方案。該標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用程序框架由ZigBee聯(lián)盟定義，上層應(yīng)用程序由用戶自行定義。
2、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)
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(fù)，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(zé)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)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(zé)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(zé)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(yù)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(yīng)用。
五、系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)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(xí)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(zé)井下多點數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風(fēng)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(yīng)用非常典型。美國加州大學(xué)伯克利分校計算機系3Intel實驗室和大西洋學(xué)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(yīng)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(yīng)用的最終目標(biāo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)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(yīng)用，在實際的應(yīng)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(yīng)用相關(guān)性，在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)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(yīng)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(yù)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(yīng)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。
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關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；設(shè)施農(nóng)業(yè)；監(jiān)測；低功耗
中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：16727800（2013）003008202
0 引言
近年來我國以大棚和溫室為主體的設(shè)施農(nóng)業(yè)正在迅速發(fā)展，但與國外相比，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)普遍存在科技含量低、生產(chǎn)水平和效益低下等缺點，因此，迫切需要提高我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的整體水平。信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是提高設(shè)施農(nóng)業(yè)科技水平的重要環(huán)節(jié)。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)分布呈“小而散”的特點，存在很多小型化的溫室生產(chǎn)模式。因此，研制成本低廉、操作簡單、可靠性高的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)是我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個關(guān)鍵。
目前，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域自動監(jiān)測方法通常是通過有線方式將傳感器采集的信號傳到監(jiān)測中心。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境分布范圍廣、地形復(fù)雜、環(huán)境溫度變化大、空氣潮濕等因素的影響，極易導(dǎo)致信號傳輸電纜的老化，從而降低監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。隨著無線通信技術(shù)的日趨多元化結(jié)合，ZigBee 作為一種近距離、低功耗、低傳輸速率、低成本、高可靠性的無線通信技術(shù)，特別適用于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的無線環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用需求，本文構(gòu)建的基于Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該系統(tǒng)整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和監(jiān)測平臺四部分組成。監(jiān)測平臺是系統(tǒng)的管理中心和數(shù)據(jù)匯聚中心，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)協(xié)調(diào)和管理網(wǎng)絡(luò)通信，初始化和啟動整個網(wǎng)絡(luò)后控制路由節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點位于最前端，用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境物理量信息，并通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸至路由節(jié)點；路由節(jié)點再將收到的各種數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。
2 監(jiān)測傳感器節(jié)點設(shè)計
2.1 節(jié)點硬件設(shè)計
傳感器節(jié)點的主要功能是負責(zé)采集設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測區(qū)溫濕度、光照強度、土壤pH值等物理量信息，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給路由節(jié)點。整個傳感器節(jié)點系由傳感器模塊、處理器模塊、無線射頻模塊、電源管理模塊等四部分組成。監(jiān)測傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
傳感器節(jié)點各硬件模塊功能簡介如下：
（1）傳感器模塊。該模塊主要集成了各種傳感器，對溫度、濕度、光照強度、土壤PH值等物理量進行采集，由 AD 轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。其中溫濕度傳感器采用的是數(shù)字溫濕度傳感器DHT21，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器；本方案中選擇TSL2561作為光強度傳感器，它具備高速、低功耗、寬量程、可編程且可以根據(jù)用戶靈活配置等優(yōu)勢；CO2濃度傳感器采用超低功耗紅外二氧化碳傳感器COZIR-A，其他傳感器接口已經(jīng)留出，方便以后進行擴展。
（2）處理器模塊。該模塊負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作、數(shù)據(jù)的存儲和處理，是傳感器節(jié)點的核心。在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中根據(jù)低功耗和處理能力的需要，本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機MSP430F149。它具有RISC CPU內(nèi)核，內(nèi)部集成了12Bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部溫度傳感器、16位定時器A和定時器B、串行異步通信端口UART0和UART1（軟件可選擇UART/SPI模式）、硬件乘法器，多達48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空間和2kB的數(shù)據(jù)空間等諸多外設(shè)，可直接用JTAG仿真調(diào)試。MSP430F149具有多種模式可選，在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，可根據(jù)不同的需要，切換模式以降低系統(tǒng)功耗。
（3）無線射頻模塊。無線射頻模塊主要是控制信息的無線收發(fā)。無線通信模塊消耗了整個傳感器節(jié)點的絕大部分能量，故選擇低功耗、高性能的射頻模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵之一?；诂F(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的實際情況，本系統(tǒng)無線射頻模塊采用CC2430無線射頻芯片。無線射頻模塊采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430內(nèi)部集成了RF收發(fā)模塊，利用2.4GHz公共頻率，應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時具有低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢；該芯片性能穩(wěn)定，具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，正常工作時需要的外部元器件極少，與主控制器接口簡單，特別適合低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
（4）電源管理模塊。電源管理模塊為系統(tǒng)其它各模塊提供持續(xù)、穩(wěn)定的能量供應(yīng)，由于此監(jiān)測終端為戶外不間斷工作，為降低功耗，電源管理模塊加入低功耗的管理和控制，通過軟件機制實現(xiàn)多種工作模式（包含正常模式和休眠模式），當(dāng)節(jié)點不工作時系統(tǒng)即進入休眠模式?？紤]到系統(tǒng)將長期使用，可以通過外接電源或外接蓄電池和太陽能電池板以保證系統(tǒng)的持續(xù)供電。
2.2 節(jié)點軟件設(shè)計
基于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)長時間工作的需要，傳感器節(jié)點軟件系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是在保證能有效實現(xiàn)必要功能的前提下最大限度地減小節(jié)點的能耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測節(jié)點的能耗主要集中在通信能耗和傳感器模塊的能耗，而通信能耗要遠大于傳感器模塊能耗。因此，節(jié)點電源打開后，完成ZigBee模塊和傳感器模塊的初始化，建立通信鏈路后，設(shè)置喚醒時鐘并進入休眠模式。節(jié)點軟件設(shè)計程序流程如圖3 所示。
3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
一般設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測的規(guī)模和范圍不大，因此本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲選擇簡單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過對多個監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行分析可以判斷環(huán)境監(jiān)測區(qū)域的狀態(tài)。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)，為節(jié)點分配地址。當(dāng)監(jiān)控平臺查詢數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)根據(jù)地址分配執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。
4 結(jié)語
將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息檢測具有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測方式無法比擬的優(yōu)勢。本文提出了基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點的硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計。本文提出的這一無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、可靠性強等特點，為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息監(jiān)測提供了一種有效的解決方案。
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（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，浙江 杭州 310018）
【摘 要】基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、嵌入式網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心三部分組成。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以ATmega16單片機為控制核心構(gòu)成，配置了符合環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的各種傳感器，可對10種大氣環(huán)境變量和氣象參數(shù)連續(xù)自動監(jiān)測，并采用ZigBee無線通信模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到嵌入式網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)以S3C2440A處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為平臺，還配置了觸摸式人機界面，不僅能采集大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，還可接入Internet，實現(xiàn)大氣環(huán)境變量和氣象參數(shù)值遠傳。監(jiān)測中心接收嵌入式網(wǎng)關(guān)上傳的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，存入基于Access 2007的大氣環(huán)境信息關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并提供查詢等數(shù)據(jù)管理功能。
關(guān)鍵詞 環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；無線通信；嵌入式系統(tǒng)
0 引言
環(huán)境監(jiān)測是為保護環(huán)境和保障人群健康，運用化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和公共衛(wèi)生學(xué)等方法間斷或連續(xù)地測定環(huán)境中污染物的濃度，觀察、分析其變化和對環(huán)境影響的過程[1]。隨著社會進步與經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境保護問題越來越受到人們的關(guān)注。世界各國都致力于控制和減少環(huán)境污染，研究環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的綠色方案，我國也提出了發(fā)展低碳經(jīng)濟的戰(zhàn)略目標(biāo)，并對環(huán)境自動監(jiān)控提出了更高的要求。
大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)能夠準(zhǔn)確、及時、全面地反映特定區(qū)域環(huán)境的質(zhì)量現(xiàn)狀及其變化趨勢，要求覆蓋面廣，監(jiān)測點布設(shè)靈活，從而為環(huán)境管理、污染源控制和環(huán)境規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)特定區(qū)域環(huán)境信息的實時采集、無線傳輸和集中處理，是實現(xiàn)大氣環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測的一種先進解決方案。
1 系統(tǒng)總體方案
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。嵌入式網(wǎng)關(guān)和若干傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成星形拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由隨機部署在感興趣區(qū)域內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實時采集大氣環(huán)境信息和氣象參數(shù)，經(jīng)過預(yù)處理之后，以ZigBee無線通信方式發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)；嵌入式網(wǎng)關(guān)也具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集能力，還配置了LCD觸摸屏人機界面，其主要功能是將各監(jiān)測點的環(huán)境數(shù)據(jù)匯總之后，通過Internet傳送給大氣環(huán)境監(jiān)測中心（PC），即實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Internet接入。環(huán)境監(jiān)測中心對特定區(qū)域的大量環(huán)境數(shù)據(jù)和氣象參數(shù)進行檢查分析之后，存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，以便統(tǒng)計處理和數(shù)據(jù)查詢。
2 環(huán)境監(jiān)測變量及傳感器
大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測（air quality monitoring）是指對一個地區(qū)大氣中的主要污染物進行布點觀測，并由此評價大氣環(huán)境質(zhì)量的過程[2]。國務(wù)院環(huán)境保護領(lǐng)導(dǎo)小組的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)劃分、標(biāo)準(zhǔn)分級、污染物項目、取值時間及濃度限值。選擇《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）等可用傳感器測量的幾種大氣污染物作為系統(tǒng)監(jiān)測對象。由于大氣污染與氣象條件密切相關(guān)，因而在大氣污染監(jiān)測中應(yīng)包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對濕度、氣壓等氣象參數(shù)的測定[3]。此外，CO2是反映碳排放的重要指標(biāo)，所以將其列為監(jiān)測項目之一，故基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測變量共有10種。遵循低成本、高可靠性、適當(dāng)精度、使用方便等原則，為大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配置了以下8種傳感器模塊：
（1）SO2傳感器：選擇模擬輸出型二氧化硫傳感器模塊SMC-CDX，它采用雙光束非分光紅外線（NDIR）檢測技術(shù)，具有抗其它氣體干擾、穩(wěn)定性好、自帶溫度補償?shù)忍攸c，輸出符合Modbus協(xié)議的模擬信號4～20mA，經(jīng)過信號變送器產(chǎn)生0～5VDC的模擬信號。
（2）NO2傳感器：選用深圳市富安達智能科技有限公司研發(fā)的NO2/S-500-S傳感器（量程：0～500ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度范圍：-20°C-45°C，工作濕度范圍：15-90%），無需偏執(zhí)電壓，具有良好的重復(fù)再現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性，經(jīng)信號放大電路及信號變送器輸出0～5VDC的模擬信號。
（3）CO傳感器：選用英國Alphasense公司的一氧化碳傳感器CO-BF（量程：0-1000ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度：-30～50℃，工作濕度：15～90％RH），經(jīng)信號放大及變送后產(chǎn)生0～5VDC模擬信號。
（4）O3傳感器：選用MQ131臭氧氣體檢測模塊（工作電壓：5VDC），它具有模擬量輸出及TTL電平輸出的雙路信號輸出，TTL低電平輸出有效，可直接與單片機I/O口相連。
（5）風(fēng)速風(fēng)向傳感器：配置的M288865包括了風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器。風(fēng)速傳感器（量程：0～40m/s，精度：±0.3m/s）可以產(chǎn)生TTL電平頻率信號，風(fēng)向傳感器（量程：0～360o，精度：0.1%）在精密導(dǎo)電塑料電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出，可經(jīng)過變換電路產(chǎn)生0～5VDC模擬輸出信號。
（6）溫濕度傳感器：選用含有校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11（溫度量程：-40～123.8℃，濕度量程：0～100%RH，溫度測量精度：±0.3℃，濕度測量精度：1.8%），它采用準(zhǔn)IIC方式傳輸數(shù)據(jù)。
（7）氣壓傳感器：選擇德國BOSCH氣壓傳感器系列的BMP085（量程：300～1100mbar，精度：0.03mbar，工作溫度范圍：-40℃～85℃），用8-Pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，可以通過IIC總線直接與各種微處理器相連。
（8）CO2傳感器：選擇采用固體電解質(zhì)電池原理的MG811型CO2氣體傳感器。該傳感器受溫濕度變化的影響較小，具有良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性，經(jīng)信號放大及調(diào)理后產(chǎn)生0～5VDC的模擬輸出信號。
3 大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個由傳感單元、處理單元、無線收發(fā)單元和電源單元4個功能模塊組成的微型嵌入式系統(tǒng)[4]，其硬件組成如圖2所示。它的控制能力、數(shù)據(jù)存儲能力、分析計算能力和通信能力相對嵌入式網(wǎng)關(guān)較弱。傳感單元分為模擬和數(shù)據(jù)兩部分，SO2傳感器(SMC-CDX)、NO2傳感器(NO2/S-500-S)、CO傳感器(CO-BF)、CO2傳感器(MG811)和風(fēng)向傳感器(M288865/DIR)的輸出信號經(jīng)過放大和調(diào)理之后，輸出0～5V模擬信號，可接入MCU的ADC通道；O3傳感器(MQ131)、風(fēng)速傳感器(M288865/SPEED)輸出TTL電平脈沖信號，可接入MCU的計數(shù)通道。溫濕度傳感器(SHT11)采用準(zhǔn)IIC方式向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA和SCK信號可直接與MCU的I/O引腳連接；氣壓傳感器(BMP085) 使用標(biāo)準(zhǔn)IIC總線向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。處理單元主要協(xié)調(diào)、控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理采集數(shù)據(jù)，并與其它節(jié)點合作完成被指派的感知、監(jiān)測任務(wù)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，從節(jié)約成本、提高可靠性等方面考慮，選用ATmega16單片機。無線收發(fā)單元將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用TI公司的系統(tǒng)芯片（SoC）CC2530F256，運行ZigBee2007/PRO 協(xié)議，通過USART與MCU傳輸數(shù)據(jù)，滿足以Zigbee為基礎(chǔ)的2.4GHz的ISM頻段應(yīng)用。電源單元則為傳感器節(jié)點提供維持正常運行所必須的能量。
3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計
嵌入式網(wǎng)關(guān)以ARM微處理器為核心，包括傳感單元、基本外圍電路、存儲單元、ZigBee通信、Internet通信和觸屏顯示6部分，其硬件組成如圖3所示。選擇SamSung公司的基于ARM920T架構(gòu)的16/32位RISC處理器S3C2440A作為控制核心，協(xié)調(diào)其它所有工作單元有序運行，實現(xiàn)大氣環(huán)境信息和氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等全部功能。嵌入式網(wǎng)關(guān)的傳感單元組成及功能與傳感器節(jié)點的傳感單元相同?；就鈬娐钒娫措娐?、時鐘電路和復(fù)位電路，為S3C2440A正常運行以及嵌入式網(wǎng)關(guān)中所有外圍電路正常工作提供基本保障。存儲單元擴展了SDRAM和flash兩種存儲器，分別為程序代碼和各種數(shù)據(jù)提供存儲空間。ZigBee通信模塊負責(zé)與WSN內(nèi)的各傳感器節(jié)點通信，搜集監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境信息。觸屏顯示單元采用Toppoly 3.5寸LCD模塊，移植了Qt界面，便于用戶在現(xiàn)場進行傳感器網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)配置，查詢?nèi)我鈺r刻采集的環(huán)境數(shù)據(jù)等。Internet通信模塊將匯總的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心，并與ZigBee模塊聯(lián)合實現(xiàn)ZigBee和TCP/IP兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
4 大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件
4.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實行被動式數(shù)據(jù)采集行為，即僅當(dāng)接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令時才執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的任務(wù)，其它時間則進入休眠模式以降低電能消耗。
傳感器節(jié)點應(yīng)用軟件的設(shè)計過程相對簡單，其程序流程如圖4所示。上電復(fù)位后首先初始化硬件，向嵌入式網(wǎng)關(guān)報告自己的ID信息，加入WSN之后就進入空閑模式。在此模式下，CPU停止運行，而SPI、USART、ADC、定時器/ 計數(shù)器、看門狗和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。諸如定時器溢出與USART傳輸完成等內(nèi)外部中斷都可以喚醒MCU[5]。因此，當(dāng)接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集命令后，USART接收中斷會將MCU喚醒，即刻采集大氣污染物數(shù)據(jù)，再通過ZigBee通信模塊將其傳輸至嵌入式網(wǎng)關(guān)。
4.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件
基于S3C2440A微處理運行Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，其軟件部分包括啟動引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，前3部分是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)部分，目前已有相對較為成熟的版本出現(xiàn)，只需要針對具體硬件平臺進行修改、裁減即可完成移植工作，不必重新開發(fā)。
4.2.1 驅(qū)動程序
驅(qū)動程序是應(yīng)用程序和實際設(shè)備之間的一個軟件層[6]。分為字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器都是簡單的硬件設(shè)備，因此，全部被抽象為字符設(shè)備。字符設(shè)備驅(qū)動程序完成的主要工作是初始化硬件設(shè)備、添加和刪除設(shè)備結(jié)構(gòu)體，申請和釋放設(shè)備號以及填充file_operations結(jié)構(gòu)體。file_operations結(jié)構(gòu)體用來建立設(shè)備編號與驅(qū)動程序操作的連接，實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)體中的read()、write()、ioctl()等函數(shù)是驅(qū)動程序設(shè)計的主題工作。
傳感器設(shè)備驅(qū)動程序所實現(xiàn)的只是最重要的設(shè)備方法，比如SHT11和CO2的file_operations結(jié)構(gòu)被初始化為如下形式：
struct file_operations shtxx_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = sht11_open,
.ioctl = sht11_ioctl,
.release = sht11_release,
};
static struct file_operations adc_fops = {
owner: THIS_MODULE,
open: adc_co2_open,
read: adc_co2_read,
ioctl: adc_co2_ioctl,
release: adc_co2_release,
};
4.2.2 應(yīng)用程序
嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序主要包括兩個線程和一個中斷服務(wù)程序，其執(zhí)行流程如圖5所示。上電后，首先進入main函數(shù)（主線程）初始化并設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)用signal函數(shù)設(shè)置SIGALRM信號的信號處理程序用以完成嵌入式網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測中心的TCP/IP通信任務(wù)，然后設(shè)置定時器，再調(diào)用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建Data_Collection線程負責(zé)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，之后運行基于事件驅(qū)動的Qt程序，在這段代碼中將程序控制權(quán)交給用戶，用戶通過操作界面可以設(shè)置嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)或查看實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。
4.3 大氣環(huán)境監(jiān)測中心軟件
使用Access2007創(chuàng)建大氣環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，利用visual c++提供的ADO（ActiveX Data Object）訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理、越限報警和數(shù)據(jù)顯示查詢等功能。當(dāng)鍵入主鍵值（ID）時，程序訪問access數(shù)據(jù)庫進行查詢，并顯示出該ID對應(yīng)的各字段數(shù)據(jù)值；還可以時間為橫軸，參數(shù)值為縱軸顯示某一時間段的變化曲線。如圖6所示。5 結(jié)論
系統(tǒng)綜合測試表明，環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可按照設(shè)計要求采集數(shù)據(jù)，并能正確接收、執(zhí)行嵌入式網(wǎng)關(guān)下發(fā)的各種命令；嵌入式網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)WSN自組網(wǎng)功能，并支持傳感器節(jié)點動態(tài)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，且人機界面簡單易用；大氣環(huán)境監(jiān)測中心可顯示環(huán)境信息歷史數(shù)據(jù)和變化曲線，支持各種查詢。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、嵌入式網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信良好，可協(xié)同完成特定區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化任務(wù)。
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（1.蘇州大學(xué)文正學(xué)院，江蘇蘇州215104；2.蘇州大學(xué)物理與光電·能源學(xué)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(biāo)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(biāo)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(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目（201413983005Y）；蘇州大學(xué)學(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)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(xué)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(biāo)，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(biāo)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)志碼0X88 和0XFE，表示校檢標(biāo)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(dāng)ATmega128L通過CC1100E收到上升沿校驗標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志接收完畢，等待下面的信號，如果一直沒有接收到校驗標(biāo)志碼0X88和0XFE，則表明本次通信失敗，通信結(jié)束。當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(fēng)教室，0xf5為通風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)。教室、實驗室、宿舍等場所由于長時間不通風(fēng)，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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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)。
關(guān)鍵詞：ZigBee CC2530 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 環(huán)境監(jiān)測 GPRS
中圖分類號：TP302 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）10-0146-02
倉庫作為物資供應(yīng)體系的一個重要組成部分，承擔(dān)著物資的存儲、管理和調(diào)配的任務(wù)，倉庫中的物資要保證數(shù)量，品質(zhì)和安全，要做到防潮，防火，防盜等等，對倉庫環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測顯得尤為重要，目前，很多倉庫的環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀是使用人工監(jiān)測，方法落后，或者使用有線監(jiān)測方式，布置方式不靈活，還有不能實現(xiàn)無線遠程監(jiān)測等等，倉庫的智能化監(jiān)測是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過使用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對倉庫環(huán)境進行實時的監(jiān)測，提供準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù)，及時準(zhǔn)確的掌握倉庫的環(huán)境條件，為物資的存儲提供有力的數(shù)據(jù)支持。
本文設(shè)計了一個基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對倉庫的溫度、濕度、蟲害、火災(zāi)等參數(shù)進行采集，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸?shù)綑C房服務(wù)器，然后對采集的數(shù)據(jù)集中分析和處理，及時掌握倉庫的環(huán)境參數(shù)，對異常情況作出及時的應(yīng)對措施，以便減少損失、節(jié)約開支和提高生產(chǎn)效益。
1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的具有計算和通信能力的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]，其作用是利用傳感器節(jié)點來監(jiān)測節(jié)點周圍的環(huán)境，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)裝置將數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點），然后由匯聚節(jié)點通過有線或無線方式接入網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給客戶端，綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過大量傳感器節(jié)點分工協(xié)作的方式實時感知、采集數(shù)據(jù)，并由無線網(wǎng)絡(luò)處理感知對象的數(shù)據(jù)，并且傳輸給使用者[2]。
1.2 ZigBee無線通信技術(shù)
ZigBee是一種近距離、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)，基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。通過ZigBee通信模塊可進行無線通信，ZigBee的特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率、低成本[3]。ZigBee無線傳輸距離室內(nèi)為30～50m，室外可達到100m，ZigBee的工作頻率有三種：全球2.4GHz、美國915MHz和歐洲868MHz，通信速率在2.4GHz的時候為250kbps，在915MHz時為40kbps，在868MHz時為20kbps。完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下分為應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)有星形、網(wǎng)狀和混合狀，這三種拓撲結(jié)構(gòu)可以組成多種網(wǎng)絡(luò)。
2、系統(tǒng)的總體設(shè)計
本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)通過監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測倉庫各種環(huán)境參數(shù)，溫度，濕度，紫外線，火焰，煙霧等，通過匯聚節(jié)點傳輸?shù)紾PRS無線通信網(wǎng)絡(luò)，然后GPRS模塊將數(shù)據(jù)由RS232串口傳輸?shù)綑C房服務(wù)器，通過服務(wù)器軟件分析處理，便于及早發(fā)現(xiàn)倉庫中異常情況并作出及時的處理。
3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計
傳感器節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，傳感器節(jié)點除了具有一般傳感器的感知能力之外，還具有數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)無線傳輸能力，可以感知環(huán)境參數(shù)、處理并進行無線通信。傳感器節(jié)點的硬件一般包含感知模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源管理模塊[4]，本系統(tǒng)設(shè)計的傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。
傳感器節(jié)點的感知模塊采用的傳感器如下：（1）溫度、濕度傳感器：采用瑞士Sensirion公司研制的SHT11型智能化溫濕度傳感器，它采用專利技術(shù)（COMS和傳感器技術(shù)的融合），外形尺寸僅為7.5mm×5mm×2.5mm。SHT11具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)；（2）火焰?zhèn)鞲衅鳎翰捎没鹧鎮(zhèn)鞲衅鱎2868來發(fā)現(xiàn)倉庫中的火焰，在火星產(chǎn)生的瞬間可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，并發(fā)出警報；（3）煙霧傳感器：采用煙霧傳感器HIS07來及時發(fā)現(xiàn)煙霧，杜絕火災(zāi)隱患。
傳感器節(jié)點的處理器模塊采用CC2530芯片，CC2530支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee/ZigBee RF4CE[5]，擁有快閃記憶體256個字節(jié)，CC2530結(jié)合了一個完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個8051微處理器，8kB的RAM，32/64/128/256 KB閃存，以及其他強大的支持功能和外設(shè)。較CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、鏈路預(yù)算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護能力等方便都有較大的提升。
為節(jié)省電能，監(jiān)測點每2分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給族頭節(jié)點，然后傳送給匯聚節(jié)點。
3.2 匯聚節(jié)點硬件設(shè)計
匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)，處于傳感器節(jié)點的上層，匯聚節(jié)點具有數(shù)據(jù)的存儲、處理和傳輸?shù)裙δ?，匯聚節(jié)點接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置等功能[6][7]，本系統(tǒng)中匯聚節(jié)點接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過接口將數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊-西門子MC75i，西門子MC75i將數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給機房服務(wù)器。匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
3.3 GPRS無線傳輸模塊
系統(tǒng)中選擇GPRS作為長距離傳輸方式，即系統(tǒng)中匯聚節(jié)點與機房服務(wù)器之間采用GPRS無線傳輸方式，匯聚節(jié)點的GPRS模塊通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，將倉庫監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心機房的GPRS模塊，監(jiān)控中心機房的GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給機房服務(wù)器。GPRS具有覆蓋范圍廣、可靠性高、實時性強、成本低、功耗小等特點。本系統(tǒng)GPRS無線傳輸模塊采用西門子MC75i模塊，MC75i的特點為：1.支持850、900、1800和1900MHZ四種頻率；2.GPRS multi-slot class 12；3.E-GPRS下行速率可達460Kbit/sec；4.AT指令Hayes GSM 07.05及GSM 07.07。
4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計
本系統(tǒng)用VB6.0開發(fā)，管理員可以通過管理軟件實時監(jiān)測到倉庫的各種數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)庫，譬如溫濕度、煙霧值等等，當(dāng)系統(tǒng)讀取到的傳感器數(shù)據(jù)超過設(shè)定的安全值時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，以溫濕度監(jiān)測為例，系統(tǒng)的流程如圖4所示。
5、結(jié)語
通過采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫環(huán)境監(jiān)測，并使用GPRS實現(xiàn)無線遠傳，達到了倉庫的實時的數(shù)據(jù)采集，方便的部署以及遠程監(jiān)控的智能化監(jiān)測，具有良好的應(yīng)用推廣價值。
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