基于无线传感网络的环境监测系统吴芳

基于无线传感网络的环境监测系统吴芳

吴芳

盘山县环境监测站辽宁盘锦124000

摘要：随着经济和科技的发展，农业种植也有了长足的发展，从之前的小面积种植演变为了如今的大规模，为了提高生产效率，减少劳动力，必须引进先进的技术配合人工劳作进行种植。传统的环境监测系统布线成本高，抗干扰性差，增加新监测点时必须改变物理线路，工序复杂，维护难度大。

关键词：无线传感网络；ZigBee；环境监测；

为满足环境温度监测系统远距离，低成本，部署灵活等要求，设计并实现了一种树型结构的无线传感网络，通过无线传感网络采集环境温度数据并上传监控主机，实现远距离检测和监控．介绍了节点硬件设计，然后根据环境温度监测的应用需求进行软件设计，采用休眠机制以降低节点的功耗，将系统进行实地部署与测试．表明：该系统具有较高的实用性和可靠性。

1相关工作

研究目的是利用ZigBee技术结合WSN设计安全高效的、个性化的环境监测系统。许多本领域学者已经利用WSN设计了一些环境监测系统，代表性的成果有：雷旭等利用无线传感器网络设计了隧道环境信息监测系统。系统以STM32微控制器为核心设计了低功耗网络节点与网络汇聚节点设计了B/S模式访问的监控中心软件；梅海彬等提出了一种基于Arduino开放平台与XBeePro增强通信距离的无线传感器网络，对近海环境进行了实时监测；陈克涛等设计了以CC2530为核心处理器的无线传感器网络农业环境监测网关节点；提出一种基于无线传感器网络和3G/4G的远程环境监测系统；研究了WSN接入In⁃ternet的方法；ArchRockCorp等研究了IPV6WSN；另外，针对农田土壤参数（诸如温湿度等）的精确采集系统设计上，很多学者研究了土壤WSN精确化应用系统与实现的关键技术。诸如此类，这些都是典型的WSN环境监测系统与关键技术研究的文献成果。概括这些目前WSN环境监测领域文献共性特点，大多是针对农业、海洋等某一领域设计的应用系统，缺乏共性通用的系统平台设计思想；另外由于缺乏目前云计算、最先进的新技术植入，缺乏先进与人性化设计理念。针对这些弱点，进行了研究改进。实践证明本文设计的系统，用户随时随地都可以了解监测场所的环境信息，如：温度、湿度、可燃有毒气体及其浓度、火灾、光线明暗程度等数据。此外，系统利用数据融合技术实时闭环环境信息的预警决策，能根据信息特点实现对环境的智能化管理，如环境安全指数超标会做出决策并采取一些措施。

2无线传感器网络和ZigBee技术

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是由大量价格较低的传感器节点以自组织的方式构成的无线网络系统[。将这些传感器节点部署在目标区域内，节点通过无线通信的方式自发形成多跳的无线网络，监测区域内的各种环境信息通过传感器的感知、采集和处理后经由无线网络传送给监控中心或终端用户，协作完成指定的任务。ZigBee是一种便宜的、低功率的近距离无线组网通信技术。适用于通信数据量不大、数据传输速率相对较低，分布范围较小，一般应用于无线传感器网络、家庭自动化、农业自动化、遥测遥控和医疗护理等方面。ZigBee的主要特点是低速率、低功率、低成本、自配置和灵活的拓扑结构，抗干扰能力强。ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝链接，具有很强的兼容性。

3硬件设计

系统中，节点硬件主要包括三大模块：处理器、无线集成模块，数据采集模块与电源模块，节点硬件结构如图1所示

图1节点硬件结构

处理器、无线集成模块选用ＴＩ公司的ＣＣ２５３０Ｆ２５６芯片，ＣＣ２５３０结合了领先的ＲＦ收发器的优良性能，业界标准的增强型８０５１ＣＰＵ，同时具有多种运行模式，确保了低能源消耗．数据采集模块包含环境温度与自身电压值采集．温度传感器采用精度高，体积小，使用方便的ＤＳ１８Ｂ２０。节点通过芯片自带电压采集功能，通过模数转换获取实时电压。节点电源采用两节５号干电池，通过ＴＰＳ60211升压至3.3Ｖ对路由器与节点供电．由于协调器需保证长时间开机状态，并且通过有线方式与监控主机连接，故使用普通５Ｖ直流电源通过ＳＥ1117－3.3Ｖ降压至3.3Ｖ供电．硬件实物如图2所示．

图2硬件实物

4软件设计

系统软件设计分为无线传感网络软件设计和上位机管理系统软件设计两部分．无线传感网络的无线通信技术采用短距离、低复杂度、低功耗、低成本的，基于IＥＥＥ802.15.4无线标准研制开发的Ｚｉｇ－Ｂｅｅ技术．此外，我们采用树型拓扑结构，该结构易于扩展，故障排查方便，符合环境检测应用需要．本设计中，除电源模块外，各节点的硬件组成基本相同，通过运行不同的程序使其具有相应的工作机制。

1.协调器。协调器是网络的第一个设备，上电后，首先处理网络初始化事件，选择一个信道和一个网络ＩＤ，并启动无线传感网络，随后连接ＰＣ并保持信号接收状态．协调器接收的信号分为有线与无线信号两种．其中，有线信号为监控主机上的管理软件自动或手动发出的信号，包括更改某一个节点的数据采集频率，数据处理策略等．协调器在收到该类信号后会向下逐层传送，并做出相应的动作．无线信号来自无线传感网络，包括节点加入信号和传感数据，协调器则会做出相应的配置新节点和上传数据至ＰＣ操作示。

2.路由器。路由器的主要功能是：允许其他设备加入网络和多跳路由．由于本设计中选用树状网络拓扑结构，允许路由器间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电．路由器成功启动后，首先处理网络初始化事件，发现无线网络并请求加入．如果接收到响应信号，意味着该路由器已成功入网，否则需再次发出入网请求．由于使用树型网络结构允许路由器适当的休眠，路由器在入网成功后进入休眠／唤醒轮转状态，达到降低功耗的目的．在唤醒阶段，路由器可能收到控制信号和传感数据两种信号．控制信号为由ＰＣ首发的信号，包含更改网络设置的指令，需向下传至目标节点．传感数据为传感节点采集的环境数据，需向上传至父节点，使数据能最终通过协调器汇聚至监控主机．

3.传感节点。传感节点没有特定的维持网络结构的责任，且通常使用电池作为电源，在设计中，我们采用休眠机制，以降低功耗．传感节点加入网络的过程和路由器类似，睡眠结束后，如果节点接收到调整采样频率等下行控制命令，则先进行相应的设置更改后进入环境数据测量阶段，将环境数据向上发送至父节点后再次切换到睡眠模式，采用这种方法能显著提高节点的生存时间。

4.上位机管理软件。上位机管理软件功能主要包括数据接收，数据存储，数据显示，报警和网络控制．监控主机保持始终监听协调器状态，将收到的数据进行解析，分离出节点号与各项环境值，并存储至数据库以供后期数据查询与分析．系统提供网络实时拓扑结构图与历史数据查询曲线图功能，使数据显示更为直观．当环境数据超出系统预设的上下限阈值，系统会进行报警，实现环境监控．同时，系统提供良好的网络控制接口，用以更改无线传感网络中某节点的采集频率与数据处理模式。

总之，基于无线传感网络的环境温度监测系统，实现了远距离环境温度检测、传输与监控，同时将所采集的温度数据存储至后台数据库，以供后期数据查询、分析与处理．在保证良好的网络效能的基础上，通过使用休眠机制与选取合适的发射功率，降低功耗，延长网络的生命周期．该系统具有低成本，低功耗，部署灵活，实用可靠等优点．下一步工作将主要集中在监测软件平台的功能完善，同时进一步研究休眠机制，达到节点传输距离与功耗之间的平衡。

参考文献：

［１］敦小平．无线传感器网络节点的研究与设计．2017.

［２］王秀英，浅谈基于无线传感网络的环境监测系统.2017