基于无线传感网络的环境监控系统应用

基于无线传感网络的环境监控系统应用

樊巍

中国联合网络通信有限公司菏泽市分公司  274000

摘要：本文以某基于Zigbee的无线传感网络监控系统设计工作为例，分析了此类环境监控系统的实际应用方向与细节。简而言之，本文介绍一种以Zigbee无线传感器网络和移动数据存取技术为基础的环境监测系统。在系统的设计中，采用ZStack协议堆栈和移动端访问技术，可以对环境温度、湿度、烟雾、漏水等六个方面进行监测，同时通过采用数据库技术的强大存储功能，可以将采集到的数据储存到计算机中，便于任何网络设备远程监视环境.

关键词：无线传感网络；环境监控；监控系统

引言

当下的环境监控系统不论是在实验室、工厂还是在农业等多领域的应用都十分广泛，主要原因在于合理设计和应用此类环境监控系统，能够明显控制灾难事故发生的频率，这对后续生产和工作的安全系数也属于比较坚定的保障。

一、无线传感技术简介

（一）无线传感技术发展概况

20世纪初，调幅和调频广播进入了人们的日常生活，美国底特律、密执安警察局也相继采用了这类收音机。与此同时，微波技术在我国的应用领域也得到了飞速的发展。第二次世界大战之后，美国贝尔实验室提出了移动通信的概念，并发展出了晶体管。苏联将首枚人造卫星与空间技术相结合，开创了新世纪。

20世纪80年代之后， IC、微处理机、蜂窝电话、无线接入等技术的出现，促使无线通讯步入商业无线通讯时代。随着通信技术的迅速发展，计算机、通信、频率复用以及网络技术的发展，无线通信技术正朝着宽带、高速、服务多元化、网络化、智能化、个性化发展。

（二）短距离无线传感技术特点

在实际应用中，很多系统传送的主要是少量突发信息，而这些信息的信息量很小，因此必须进行实时的传输。很显然，传统的无线通信技术也能够很好地满足用户的需要，但此种技术会极大地减少设备的使用效率，同时在某些情况下会出现体积大、能耗高等问题。

因此随着通信技术的发展，一种短距离的无线通信技术应运而生。一般来说，只要发射端能够通过无线电波传输消息，将其传输到几十米范围内，就可以称之为近程无线电。

IrDA是一种在一九九三年由红外资料标准学会制定的，使用红外光来实现点对点的视距传送[1]。当前IrDA的传输速度最大可达16Mbps,120°的接收角。红外线传送装置具有体积小、功耗低、技术成熟、进入市场较早、成本低廉、适用范围广等特点。但是IrDA最大的缺陷在于它只能进行视距离传送，也就是说，在通讯装置之间不能有障碍物，因此，IrDA的应用被限定在一个特定的区域内。

BlueTooth技术是专为短距离的无线数据传送而设计的，它可以在1-100米的范围内有效地传送和1Mbps的传输速度[2]。自从蓝牙技术被正式发布以来，由于芯片价格昂贵，厂商支持力度不够，传输距离和抗干扰性能都很低，所以它的通信芯片和研发设备价格都比较高。目前，它主要用于对传输带宽要求不高的无线耳机等领域，并且在互联性上也有问题。由于Intel的强大支持，Wi-Fi技术很快就被迅驰处理器所占据。此技术采用IEEE802.11b标准，采用2.4GHz的直接序列扩展技术，最高可以达到11Mbps的最高数据传输速度，并且可以根据信号的强度调节到5.5Mbps,2Mbps,1Mbps；在使用最新的802.11b标准时，该协议的传输速度可以达到54Mbps，是当前最广泛使用的无线网络传输协议。WiMax是Wi-Fi的一代技术，可以说是一种比WiFi更远、更快的无线城域网接入技术类型，它的最高接入速率可以达到70Mbps。

UWB（UWB）是未来的一种短程宽带无线通信技术.因为没有使用一般的无线传输和接收机的载波调制技术，所以不需要混频、滤波、射频（Radio Frequency）等频率转换，经脉冲成形后由天线直接传输，成本低，功耗低，带宽性能好[3]。目前，有两个主要的技术团体在争夺这一技术标准，它们期望在10米以上的通讯距离，最高可以达到1Gbps，这是一个很好地应用在家庭消费类电子设备中进行大规模的数据传送。

（三）Zig Bee技术与一般无线通信技术的对比

“ZigBee”这个术语源自于“蜂舞”，密封通过特定舞蹈传递信息，也被称为蜂舞通信[4]。ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，它介于无线标签与蓝牙技术之间，属于一种技术建议。

ZigBee技术是IEEE802.15.4的一种，是由美国电子与电气工程师学会（IEEE）在2000年12月推出的。在过去的十多年里，全球已有超过180家会员公司加入了ZigBee的行列，其中包括软件供应商、系统集成商、终端厂商。ZigBee技术的主要用途是在不同的电子装置、断续数据和反复的低响应时间数据。该公司采用了跳频技术，其频带为2.4GHz（ISM）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），都是ISM（工业、医学、科学）的免费频段。其有效覆盖范围为10至75米，在网络速率下降或适当的功率放大器下，传输距离能被进一步扩展。

显然ZigBee网络具有良好的支持星形、树（串）和网格等多种拓扑，其网络的理论承载能力可达65536个[5]。ZigBee网络的建设和反应都很迅速，通常在15毫秒内由睡眠到工作状态，而节点接入网络仅需30毫秒。相比于BlueTooth,3-10秒，Wi-Fi3s。由于ZigBee的低传输速度和高的反应速度，所以其功率非常低，可以长期提供电池，并且ZigBee协议以及免费的传送带宽，大大降低了节点的成本。在通讯安全性方面，ZigBee提供三种安全模式，其中包含不安全设置、ACL访问控制表（Access Control Label, ACL）来阻止非法访问，并使用先进的密码标准ASE-128（ASE-128）。AES对称密钥是通过协议的网络层和应用层来实现的，它可以管理、存储、传输和更新。

二、基于无线传感网络的环境监控系统设计

（一）系统模型

本文所研究的环境监控系统结构框图如图1所示。

图 1 系统结构框图

分析图1可以得知，该系统主要就是由Zigbee无线传感网络，网关，数据库服务器，客户机，构成[6]。其各部分作用如下：

首先，Zigbee无线感知网络由一个节点、一个协调器、一个检测模块和一个以CC2530为基础的 Zigbee无线数传模块组成。而协调程序则会接收来自于传感器的信息，并将其传送至网关.因为ZStack协议堆叠的原因，可以动态地增加或减少节点的传感器。

    其次是在CortexA8的网关上，有一组Linux操作系统，它通过一个串口把数据从协调者传送到数据库。

最后，数据库服务器从网关接收到数据，利用特殊的协议分析和标记，最终将数据保存到一个表格中，以便用户可以访问。

此外，通过 TCP/IP协议，把用户程序和数据库服务器上的数据服务程序连接起来，可以实时地获取当前的环境信息。

（二）系统关键技术的研究

为降低难度，本文所研究系统当中的全部无线数传模块之内均具备相同的硬件结构。属于一种基于CC2530的无线数据传送系统的硬件电路，该电路采用了ZStack协议，并给出了相应的数据传送格式。从图2可以看出，CC2530模块一共有19个I/O指针，它们都可以被配置成一般I/O模式，也可以将其作为一个模拟输入管脚来使用。

图 2 基于CC2530无线数传模块

1、ZStack网络协议

由于系统中采用了ZStack协议堆栈技术，所以Zigbee无线传感网络中的节点数据传递模块和协调器的硬件组成都是一样的，并且软件的结构也是类似的。具体如飙1所示，其中内容为协议栈中需要用户修改的主要部分。

表 1 ZStack关键模块

2、模拟IIC总线

众所周知，CC2530芯片不具有 IIC接口，因此需要采用传统的 I/O接口来实现对信号的采集。同时，SDA线路的下降边缘表示启动信号，此时总线处于闲置状态，SCL处于高电平；在总线上进行数据传输，SCL是高电平，SDA线路的上端表示终端信号。而SCL在进行数据传输时，SDA的数据在 SCL较高的情况下是不变的，在主机将一位元组的资料传送给从机后，必须等待从机的回复讯息，以确定该从机收到资料是否顺利。

三、基于无线传感网络的环境监控系统的具体应用

（一）数据传输协议

在该系统的设计过程中，已经实现了六种类型的感应器数据的读取和监测.为避免因传输时的数据发生碰撞造成的信息混淆和遗失，在传输之前，必须根据协议对所有的资料进行编码.在接收端取得资料后，要根据相关的规则进行译码，具体内容如表2所示。

表 2 数据编码协议

（二）数据库设计

该系统中使用的是Windows操作系统，所以使用SQLSever数据库软件对采集到的传感器数据进行存储。以表3内容为例。

表 3 数据表

（三）软件设计

整个系统的软件设计由包括协调器、网关、服务器和客户端四大模块组成。其中一个更不分的工作流程如图3所示。

图 3 系统工作流程

（四）系统性能与运行效果

为了检验该系统的可行性，并对系统的工作效率进行了分析，最后在一个高性能计算实验室中部署了一个用于监控室内环境的烟雾、温度、湿度等传感器节点，但由于是有线安装，安装起来会更加困难，而且也会限制它的伸缩性。利用无线网络进行数据的读出和传送，恰好能够解决以上问题，并且能够灵活地进行结点数目和类型的变化。

1、系统性能

为了测试整个网络的扩展性、抗干扰性、传输速率，网关节点会将所收到的信息实时呈现在屏幕上，并按照所收到的信息的先后次序来进行判定。表4显示了本文所使用的数据传输时间和结果。从CC2530的使用说明中可以看到，该芯片的最高传输速率为30 kbps，也就是0.7 ms.但是，因为 ZStack协议堆会消耗很多的资源，所以不能有太短的时间。

表 4 速率测试数据表（单位：ms)

2、运行效果

该系统采用了 Android手机客户端监控软件，在运行后，会提示用户输入 IP地址及数据转发软件所使用的端口号，方便用户与数据传输软件之间的连接。获得感应器资料。如果输入的注册信息是正确的，那么该软件就会跳到操作界面上，在操作界面上，以曲线形式显示出目前的粉尘密度，并辅以良好、较差的文字进行说明。在云下面的雨图表明雨水渗透漏雨，在云彩的右边是一片烟雾，具体温度和湿度则是通过文字的方式表示。

结束语

    综上所述，本文研究了基于无线传感网络环境监控系统，其核心是CC2530内置51单片机，该方法采用仿真外部传感器的接口协议，实现对各种传感器的读取和写入，最终提高了系统的可扩展性。在此基础上，采用 ZStack技术，对环境信息进行采集、编码、传输，减少了传感器网络的软件复杂性，使其在动态布局、可扩展性、软件灵活性等方面得到了较大的改善，并且可以在多个站点上设置多个监测系统，从而达到对整个区域环境的监测。

参考文献：

[1]过琦芳,王永星. 基于LoRa的温室大棚监控系统云平台应用实现[J]. 农机化研究,2022,44(06):219-222.

[2]黄光日,海涛,杨嘉芃,林国忠. 基于NB-IoT和云平台技术的猪舍环境智能监控系统设计[J]. 自动化与仪表,2022,37(02):18-24.

[3]韩国鑫,谢秋菊,许译丹,王莉薇. 基于WSN动态协调节点优化的猪舍环境监控系统研究[J]. 肇庆学院学报,2022,43(02):43-48.

[4]司徒霭玲,雷强. 基于无线传感网络的通信电源远程监控系统设计[J]. 信息与电脑(理论版),2022,34(02):214-216.

[5]高瑞江. 基于无线传输技术的新型煤矿瓦斯监控系统设计[J]. 机械研究与应用,2022,35(02):178-180+218.

[6]李少年,李毅,魏列江,李金平,杨攀,包尚令. 基于改进卡尔曼数据融合算法的温室物联网采集系统研究[J]. 传感技术学报,2022,35(04):558-564.

作者简介：樊巍(1977年1月)，性别：男，籍贯：山东菏泽，学历：大学本科；学士学位，职称：中级，从事工作：中国联通创新业务研发及拓展。