首頁 > 優(yōu)秀范文 > 無線環(huán)境監(jiān)測
時間：2023-03-01 16:36:42
序論：速發(fā)表網(wǎng)結合其深厚的文秘經(jīng)驗，特別為您篩選了11篇無線環(huán)境監(jiān)測范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識！
中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）07-0192-01
1 方案設計與論證
1.1 無線收發(fā)模塊
（1）方案比較：方案一：采用編解碼集成電路PT2262/2272，其為CMOS工藝制造，具有低功耗、外部元器件少，工作電壓范圍寬：2.6～15v等特點，應用于車輛防盜系統(tǒng)、家庭防盜系統(tǒng)、遙控玩具、其他電器遙控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率傳輸器、單片無線收發(fā)芯片XE1209，其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)2次連續(xù)相位頻率位移鍵控調制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的單片射頻收發(fā)芯片TH7122作為主要芯片，其工作頻率范圍在27MHz～930MHz，具有很寬的調諧范圍?？梢怨ぷ髟?種不同的狀態(tài)下：待機狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)。（2）方案確定：綜合分析以上三種方案的優(yōu)缺點，方案三具有更大的優(yōu)越性、靈活性，因此我們采用方案三作為具體實施的方案。
1.2 處理器比較與選擇
由于本系統(tǒng)中的兩個探測點采用兩節(jié)1.5V干電池供電，并要求盡量降低各探測節(jié)點的功耗，因此采用一般的C51單片機并不滿足要求。而ARM微控制器STM32系列雖然具有豐富的資源、強大的功能與低功耗等特點，但是其性價比相對來說比較高，整機電路也比較復雜，故也不選取。因此在保證滿足要求的前提下，我們選擇了適合于許多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了許多系統(tǒng)級的功能，大大減少了元件的數(shù)目并降低系統(tǒng)的成本。
1.3 顯示器比較與選擇
（1）方案比較。方案一：采用DM-162液晶顯示模塊，具有低功耗、模塊結構緊湊、輕巧、裝配容易等特點，但是其界面比較小，不能達到比較好顯示的效果。方案二：采用漢字圖形點陣液晶顯示模塊RT12864M，可顯示的內容非常豐富，但是其功耗相對高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手機液晶，其驅動采用低功耗的CMOS LCD控制驅動器PCD8544，所有的顯示功能集成在一塊芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案確定。綜合以上分析，從功耗與性價比的角度來考慮，我們選擇方案三作為顯示模塊。（3）信道調制方式。由于無線收發(fā)芯片已經(jīng)確定使用了單片射頻收發(fā)芯片TH7122，其在發(fā)射模式下產(chǎn)生載波頻率，可以采用FSK/ASK/FM三種調制方式，但是在本系統(tǒng)中我們固定了載波頻率為27MHz，再綜合這三種調制方式的特點，另外FSK對鑒頻器的參數(shù)非常高，對調試不是很方便，因此在這里采用ASK調制方式作為具體實現(xiàn)的方案。（4）總體方案根據(jù)以上分析與論證，我們確定了總體設計方案：監(jiān)測終端硬件以P89LPC922為主控制器，以液晶5110、無線收發(fā)模塊為受控模塊。探測點也以P89LPC922為主控制器，以無線收發(fā)模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。（如圖1）
2 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析
2.1 測試儀器及設備
（1）UT30D數(shù)字萬用表。（2）SS-7802 20M數(shù)字示波器。
2.2 測試方法及數(shù)據(jù)
（1）測試方法。1）分模塊進行測試：對探測節(jié)點的光照檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對探測節(jié)點的溫度檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對無線通信模塊進行測試，驗證是否能正常通信。2）保證各模塊正常工作之后，再進行整機測試。（2）數(shù)據(jù)記錄。直接對單個光敏電阻進行光照變化時的阻值測量，記錄數(shù)據(jù)如下：（如表1）
2.3 數(shù)據(jù)分析
以上對光敏電阻阻值的測量，由于光敏電阻本身的特性與操作方法的原因，所記錄的數(shù)據(jù)只是針對于某個特定情況之下，其實光敏電阻的阻值是隨光照強度的變化而變化的。
3 結語
本系統(tǒng)主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發(fā)芯片TH7122、低耗電數(shù)字溫度傳感器TMP102等構成，很好地實現(xiàn)了外部環(huán)境的監(jiān)測：光照與溫度，并且性能比較好。很有市場前途。
參考文獻
0 引言
在很多情況下，監(jiān)控中心都需要對周邊及關鍵位置的環(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環(huán)境信息。
1 系統(tǒng)方案設計
根據(jù)設計要求，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)結構如圖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。由于每轉發(fā)一個節(jié)點信息需要兩個ΔT，因此轉發(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)點轉發(fā)信息。
1.2 信息處理與顯示方案 由于要求在5秒內完成對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)譯碼結果進行差錯檢測。當發(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構。電路一般由脈沖產(chǎn)生電路、脈沖整形電路、調制與發(fā)射電路構成。
載波頻率的穩(wěn)定與否是發(fā)射電路能否穩(wěn)定、可靠地工作的關鍵，本設計采用振晶與高速與非門構成的振蕩器來產(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，因而射頻功放應選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類，綜合考慮電路的復雜程度及效率問題，本設計選用三極管構成的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)字調制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，F(xiàn)SK、PSK電路比較復雜，本設計選擇100%ASK調制。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構。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，放大電路可以設計得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本設計中頻放大器中設置了一個藕合諧振電路和一個選頻網(wǎng)絡，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。因此解調電路部分應包括由檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調出來的數(shù)據(jù)信號送單片機進行處理。
2.3 系統(tǒng)軟件設計
2.3.1 監(jiān)測軟件設計 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)點在轉況下都能可靠探測。當探測到節(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發(fā)信息。主要程序流程如圖3所示。
3 結束語
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。測試結果表明：該裝置能夠準確完整地監(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，以適應實際應用要求。
參考文獻：
中圖分類號：TN711 文獻標識碼：A 文章編號：
引言
現(xiàn)代溫室是設施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)車間，溫室環(huán)境信息的監(jiān)測控制系統(tǒng)是實現(xiàn)其生產(chǎn)自動化、高效化最為關鍵的環(huán)。傳統(tǒng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于有線通信方式。有線通信系統(tǒng)在溫室生產(chǎn)實踐中存在諸如布線復雜、維護困難、傳感器節(jié)點不能隨作物變更而靈活部署等問題。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless sensor network，WSN)作為一種全新的信息獲取技術和處理技術，具有節(jié)點規(guī)模大、體積小、成本低、自組網(wǎng)等特點，在溫室環(huán)境監(jiān)測領域有廣闊的應用前景。
1溫室控制系統(tǒng)結構
在溫室測控系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點負責采集溫室內部的環(huán)境參數(shù)，是溫室控制系統(tǒng)的核心部分；各匯聚負責節(jié)點是溫室監(jiān)測節(jié)點的管理者，也是監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集者，并承擔感知區(qū)域與服務器端之間的通信工作；服務器是整個溫室控制系統(tǒng)的控制中心，負責管理和控制Sink節(jié)點，根據(jù)Sink節(jié)點提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)決定進一步采取的策略，并對終端用戶提供訪問控制接口；客戶端使用PC或者移動設備通過Web服務隨時查看當前溫室環(huán)境狀態(tài)以及歷史數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)向溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出進一步的指令，由服務器進行進一步的處理。
2 無線傳感器節(jié)點設計
2.1、無線傳感器節(jié)點硬件設計
傳感器節(jié)點是溫室監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成單元，需要具備環(huán)境因子采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能。在溫室環(huán)境監(jiān)測應用背景下，傳感器節(jié)點設計重點考慮了低成本、低功耗、穩(wěn)定、可靠等因素。
(1)CC2430。 CC2430是由Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)，其主要特點如下：采用了增強型工業(yè)標準8051MCU，具有較高性能。集成了符合2．4 GHz IEEE802．15．4的RF收發(fā)器CC2420。具有4種電源管理模式，可靈活配置系統(tǒng)工作模式以降低系統(tǒng)功耗。在休眠模式時電流消耗僅有0.9μA，在待機模式時電流消耗小于0．6μA。基于CC2430設計的節(jié)點僅需較少的電路即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性并降低了系統(tǒng)功耗。
(2)傳感器選擇。傳感器節(jié)點需要完成各種與植物生長密切相關的環(huán)境因子的采集，這些信息采集是由傳感器完成的，要求傳感器具備較高的精度及較低的功耗。本設計所采用各種傳感器及其技術參數(shù)為：SHT71數(shù)字型大氣溫濕度傳感器，工作電流為550μA，待機時僅0．3μA，測量溫濕度的精度分別為±0．3℃和小于等于1．8％，接口為12C總線。ISL29010數(shù)字型光照強度傳感器，工作電流為0．25μA，待機電流0．1μA，測量精度±50 lux，接口為12C。SLSTl—5數(shù)字型土壤溫度傳感器，測量電流1．5 mA，待機電流1μA，測量精度±0．5℃，接口為單總線。H550數(shù)字型CO2傳感器，工作電流15μA，精度為±30 ppm，接口為12C。FDSl00模擬型土壤濕度傳感器，工作電流15μA，精度小于等于3％，輸出為模擬信號。
由上述技術參數(shù)可以看出，數(shù)字型傳感器的功耗較低，與CPU以單總線或雙總線連接，除了FDSl00模擬型土壤濕度傳感器外，其余均可掛接在12C數(shù)據(jù)總線上。在本設計中由CC2430的兩個I／O口分別模擬12C總線的時鐘線和數(shù)字線，簡化了電路設計，節(jié)省了CPU的I／0端口。FDSl00輸出模擬信號，可直接與CC2430的P0口相連，利用CC2430內部的ADC實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。
2.2、ZigBee通信協(xié)議的實現(xiàn)
ZigBee協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟制定的無線通信技術標準，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低速率和低成本。此外，ZigBee設備具有能量檢測和鏈路質量指示功能，根據(jù)檢測結果，設備可自動調整發(fā)射功率，在保證通信鏈路質量的前提下，最小地消耗設備能量。
在節(jié)點軟件設計中，通過調用ZigBee協(xié)議棧提供的API函數(shù)完成網(wǎng)絡管理層的設備初始化、配置網(wǎng)絡、啟動網(wǎng)絡，實現(xiàn)分布在多個溫室中的無線傳感器節(jié)點的自組網(wǎng)絡。為了進一步降低節(jié)點功耗，設計了靈活、可動態(tài)配置的定時采集數(shù)據(jù)、定時休眠及喚醒功能。
3 網(wǎng)關管理平臺設計
3.1 網(wǎng)關節(jié)點硬件設計
在本設計中，作者以S3C2410A為核心構建了無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關硬件平臺，主要硬件結構有：
(1)ZigBee協(xié)調器。在本設計中，ZigBee協(xié)議將整個傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)最終匯聚到協(xié)調器節(jié)點上，因此本文中將ZigBee協(xié)調器節(jié)點嵌入到網(wǎng)關節(jié)點，協(xié)調器通過串口和網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)通信。
(2)MC39i。采用Siemens公司GSM／GPRS雙頻模塊MC39i完成網(wǎng)關的無線遠程通信。MC39i支持GSM900和GSMl800雙頻網(wǎng)絡，接收速率可達86．20 kb／s，發(fā)送速率可達21．5 kb／s，完全滿足無線傳感器網(wǎng)絡較小的數(shù)據(jù)傳輸量的需求。
(3)存儲器接口。S3C2410A內置了外部存儲器控制器，本系統(tǒng)拓展了64MB SDRAM和64MBNandFlash。
(4)通用接口。網(wǎng)關系統(tǒng)具有很強的擴展能力：帶觸摸屏的LCD是網(wǎng)關系統(tǒng)信息交互的界面；USB接口可用來外接標準鼠標、鍵盤；SD卡可作為拓展存儲器使用；RJ45接口可將網(wǎng)關接人以太網(wǎng)。
(5)電源。穩(wěn)定的電源對網(wǎng)關系統(tǒng)的運行至關重要。通過變壓器將220 V市電降為穩(wěn)定的12 V直流電作為網(wǎng)關的主電源，同時采用12 V的蓄電池作為系統(tǒng)的備用電源，以構成不問斷電源，保證系統(tǒng)在斷電情況下能正常運行。
3．2基于WinCE的軟件平臺的實現(xiàn)
WinCE5．0是一個32位、多任務、多線程的嵌入式操作系統(tǒng)，具有模塊化、易于裁剪等優(yōu)點。本設計采用Platform Builder定制了適合網(wǎng)關硬件平臺的WinCE5．0操作系統(tǒng)，為溫室管理人員提供了直觀、圖形化的人機界面，便于用戶的操作；同時為應用程序開發(fā)提供了豐富的API接口。本系統(tǒng)在Embedded Visual C++4．0開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)了如下通信程序：串口通信，管理系統(tǒng)通過串口與ZigBee協(xié)調器和MC39i進行數(shù)據(jù)通信。GSM通信，通過GSM短消息來實現(xiàn)網(wǎng)關管理系統(tǒng)的遠程預警。Socket網(wǎng)絡通信，遠程監(jiān)控中心需要一臺具有公網(wǎng)IP地址的服務器，網(wǎng)關通過以太網(wǎng)／GPRS雙重通信信道與遠程管理中心進行通信。本設計中，采用可靠的流式套接字實現(xiàn)了基于TCP／IP協(xié)議Socket網(wǎng)絡通信。
3．3 網(wǎng)關管理系統(tǒng)的實現(xiàn)
作為溫室監(jiān)測系統(tǒng)的本地管理平臺，網(wǎng)關需要完成眾多數(shù)據(jù)管理工作。本設計基于SQLite3實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件，用以完成傳感器節(jié)點管理和環(huán)境數(shù)據(jù)管理。
(1)節(jié)點管理。監(jiān)測區(qū)域分布有大量不同類型的無線傳感器節(jié)點，因此需要對所有節(jié)點進行統(tǒng)一管理。具有同一ZigBee信道的節(jié)點都可以加到無線網(wǎng)絡中。節(jié)點的管理包括節(jié)點電量、節(jié)點ID、節(jié)點位置、傳感器類型、采樣周期、運行狀態(tài)、更新時間等屬性的配置。
(2)數(shù)據(jù)管理與預警。網(wǎng)關周期性收到無線傳感器網(wǎng)絡所有節(jié)點匯聚的大量環(huán)境信息，采用SQLite數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、查詢等管理。此外，需要對寫入數(shù)據(jù)庫的每一個環(huán)境數(shù)據(jù)進行判斷，當超過溫室管理人員設置的安全范圍時，啟動警報器、閃光燈、GSM短信等多種預警方式。
結束語
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點體積小，并只需要部署一次就可以進行長期的監(jiān)測工作 同時，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力，可以將大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)無線發(fā)送到基站進行處理，具有傳統(tǒng)溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所不具有的優(yōu)勢，非常適用于溫室環(huán)境監(jiān)測應用。本文作者基于無線傳感器網(wǎng)絡技術，設計并實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)傳感器節(jié)點快速自組網(wǎng)以及對各種溫室環(huán)境因子的實時采集、傳輸、顯示。該系統(tǒng)很好地克服了傳統(tǒng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，為無線傳感器網(wǎng)絡技術在溫室監(jiān)測領域的應用做了有益探索。
參考文獻
中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0383-01
一、無線傳感器網(wǎng)絡的涵義
無線傳感器網(wǎng)絡綜合運用了多項技術，它是多種技術的集合體，主要包括無線通信技術、嵌入式計算機技術、傳感器技術以及分布式信息處理技術。它可以對監(jiān)控對象進行實時監(jiān)測，采集監(jiān)控區(qū)域內的相關數(shù)據(jù)，并加以處理后得到準確詳實信息，最終將這些信息發(fā)給有需要的人。無線傳感器網(wǎng)絡由大量靜止或移動的節(jié)點以自組織和多跳的方式構成，集傳感與驅動控制、計算、通信能力于一身，協(xié)作地實時監(jiān)測、感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內感知對象的監(jiān)測信息并報告給用戶。由于它成本低，采用無線通信，不需要固定網(wǎng)絡協(xié)助，所以其研究成果應用十分廣泛。
二、無線傳感器網(wǎng)絡體系結構
無線傳感器網(wǎng)絡是由非常多的微型傳感器節(jié)點組成，它們的功能并不完全相同，但是構造大體相同，大都是由數(shù)據(jù)收集、處理、發(fā)送和電源四部分構成，網(wǎng)絡中節(jié)點的作用是收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中轉，或者是類頭節(jié)點。收據(jù)收集，即收集監(jiān)測到的數(shù)據(jù)（如濕度、溫度等），并將其傳送至遠方基站或者是匯節(jié)點；數(shù)據(jù)周轉，即將其他節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，在不經(jīng)過任何處理的情況直接傳送出去；類頭節(jié)點，收集屬于同一類型節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，匯總后傳送給上一層級。
系統(tǒng)基本由下面幾部分構成：
（1）傳感器節(jié)點。對所監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境指標進行測量，比如溫度、濕度等，將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心。
（2）網(wǎng)關。連接無線傳感器網(wǎng)絡與外網(wǎng)，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡與外網(wǎng)通信協(xié)議的轉換，將傳感器網(wǎng)絡收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至外網(wǎng)，并給下級節(jié)點布置監(jiān)測任務。
（3）遠程客戶端和PDA用戶。通過外網(wǎng)查詢監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)。
（4）監(jiān)控中心。布置任務，下達監(jiān)測命令，以及管理監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要是匯總分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
三、無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用優(yōu)勢與現(xiàn)狀
用無線傳感網(wǎng)絡進行環(huán)境監(jiān)測，具有三個比較明顯的優(yōu)勢。
（1）成本低廉，網(wǎng)絡安裝速度快；
（2）在不增加其他設備的情況下就可以完成數(shù)據(jù)的傳輸工作，這使得系統(tǒng)性能提高了一個數(shù)量級；
（3）網(wǎng)絡堅實，不易被毀壞，能夠滿足某些特殊需求。
關于將無線傳感網(wǎng)絡應用于環(huán)境監(jiān)測中，國內的學者已經(jīng)做得很多研究，并獲得了一些研究成果。在美國是研究人員將其用于監(jiān)測島嶼的生態(tài)狀況；在我國，杭州將其用于監(jiān)測杭州西溪濕地水環(huán)境，國防科技大學將其用于環(huán)境監(jiān)測并得到了重要的研究成果。
在我國，無線傳感器網(wǎng)絡還未得到廣泛的應用，主要原因是，第一大部分人對其還不熟悉，不知道任何使用，它的優(yōu)勢在哪里；第二無線傳感器網(wǎng)絡在使用中還存在一些重要問題沒有得到徹底解決，國內關于它的研究還比較淺，加之其應用不同地方會出現(xiàn)不同的問題，對網(wǎng)絡結構和傳感器節(jié)點等也有不同的要求。
四、無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用
（一）礦井環(huán)境監(jiān)測
對于煤礦企業(yè)而言，安全探測是十分重要的，特別是在需求量持續(xù)增長的前提下，在長期的開發(fā)與使用中，煤礦探測的安全問題愈發(fā)的引起了人們的重視。在無線傳感器網(wǎng)絡的支持下，可以很好的實現(xiàn)低成本的探測需求，并且可以在一定程度上提高礦井作業(yè)的安全屬性。特別是Zig Bee技術的應用與推廣，可以滿足人們對于井下監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、安全分析等綜合需求。在近年來，技術人員將Zig Bee技術進行了細化和拓展，可以幫助人們直觀的了解到井下的作業(yè)情況，這對于安全、高效作業(yè)目標的實現(xiàn)提供了較大的支持。
（二）軍事環(huán)境監(jiān)測
無線傳感器網(wǎng)絡具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和容錯性高的特點，因此非常適合在軍事領域應用，也是軍事指揮、控制、通信、計算、情報、監(jiān)視、偵察與目標捕獲系統(tǒng)的重要組成部分。利用無線傳感器網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場實時監(jiān)視，目標定位，戰(zhàn)場評估，核攻擊和生物化學攻擊的監(jiān)測和搜索等功能，目前國際許多機構的課題都是以戰(zhàn)場需求為背景展開的。信息技術必然是未來戰(zhàn)爭取勝的關鍵，目前已然有許多國家將該技術與軍事研究相結合，幫助己方及時的獲取對方的各項信息，從而及時的進行戰(zhàn)略的調整。
（三）自然環(huán)境監(jiān)測
1、大氣環(huán)境監(jiān)測
將無線傳感網(wǎng)絡用于監(jiān)測大氣環(huán)境，主要需要兩部分的支持，分別是設備和相應的程序支持。設備包括一是傳感器節(jié)點，主要是用于大氣技術參數(shù)的監(jiān)測和收集，還有相配套的放大電路；二是Sink節(jié)點，用來匯總數(shù)據(jù)及向基站傳輸數(shù)據(jù)；三是服務器，這其中需要兩個服務，一個進行數(shù)據(jù)處理，一個用于數(shù)據(jù)傳輸。相應程序也就軟件主要是由用于數(shù)據(jù)收集、處理和傳輸?shù)南嚓P模塊組成，通常有串口通信、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能模塊。它的優(yōu)點是安裝簡單方便、布局靈活、維護容易、成本低。
2、水環(huán)境監(jiān)測
無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結構從功能上可以將水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分成三級。第一級是以無線傳感器網(wǎng)絡為核心構造的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點以及測試儀構成；第二級是Zig Bee/GPRS網(wǎng)關系統(tǒng)，主要負責數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)并遠程發(fā)送，遠程數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡控制命令的發(fā)送；第三級是遠程數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)，主要負責數(shù)據(jù)的處理分析和控制命令決策。在整個水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡專注于探測和收集水環(huán)境的信息；而復雜的數(shù)據(jù)處理和存儲等則交給遠程數(shù)據(jù)處理中心來完成。主要包括以動態(tài)曲線的方式實現(xiàn)傳感器信息的在線監(jiān)測和大量水質數(shù)據(jù)的存儲。
3、地質監(jiān)測
無線傳感器網(wǎng)絡在地質監(jiān)測方面也有很廣泛的應用。對于部分地質較為特殊的區(qū)域而言，有效的地質檢測可以很好的促進該區(qū)域基礎設施建設，如凍土環(huán)境下的交通設施建設，在人力無法實現(xiàn)的前提下，無線傳感器網(wǎng)絡則可以很好的實現(xiàn)。尤著宏等基于無線傳感器網(wǎng)絡的青藏鐵路溫度監(jiān)測系統(tǒng)，采用多跳的方式將數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點傳輸至轉發(fā)基站上的匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點利用 GPRS 網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控中心。
4、其他應用
無線傳感器網(wǎng)絡在其他領域也同樣具有重要的應用價值，例如在農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測方面，崔光照等針對當前農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測面臨的監(jiān)測點分散、布線困難和實時性差等問題，提出了利用具有自組織特性的無線傳感器網(wǎng)絡，對溫度、土地濕度和土壤pH值等環(huán)境變量進行在線監(jiān)測的方法。該方法采用了對等式網(wǎng)絡體系結構，低功耗微小網(wǎng)絡節(jié)點以及基于拓撲樹的網(wǎng)絡初始化配置算法。實驗測試表明，節(jié)點能夠有效地采集和處理數(shù)據(jù)，并可以在節(jié)點間成功地進行通信。另外，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖、森林監(jiān)測、家庭環(huán)境監(jiān)測以及管道輸送監(jiān)測等方面都得到了廣泛應用。
綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡在眾多領域都有著應用，并發(fā)揮著極為重要的作用。因此，為使無線傳感器網(wǎng)絡擁有更為廣泛的應用領域，還需要更進一步的深入研究，為社會發(fā)展營造更良好的環(huán)境。
參考文獻
近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的迅猛發(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)和機構都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究。通過在監(jiān)測區(qū)域內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)絡系統(tǒng)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。無線傳感器網(wǎng)絡技術是應用性非常強的技術，它在當前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用潛力是巨大的。
一、無線傳感器網(wǎng)絡和ZigBee
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器結點通過無線通信技術自組織構成的網(wǎng)絡系統(tǒng)。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡直接感知客觀世界，在工業(yè)自動化領域，利用無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)遠程檢測、控制，從而極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能。傳感器網(wǎng)絡、塑料電子學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、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議
1、IEEE 802.15.4標準
IEEE標準化協(xié)會針對無線傳感器網(wǎng)絡需要低功耗短距離的無線通信技術為低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速互連提供統(tǒng)一標準。同時ZigBee聯(lián)盟也開始推出與之相配套的網(wǎng)絡層及應用層的協(xié)議，目的是為了給傳感器網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)推出一個標準的解決方案。該標準一出現(xiàn)短短一年多的時間內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)議棧結構如圖1所示。協(xié)議棧中物理層與MAC層由IEEE定義，網(wǎng)絡層與應用程序框架由ZigBee聯(lián)盟定義，上層應用程序由用戶自行定義。
2、ZigBee標準
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)絡是自組織的，并能實現(xiàn)自我功能恢復，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)絡技術特點
無線傳感器網(wǎng)絡由大量低功耗、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。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。節(jié)點負責采集周圍的相關信息，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網(wǎng)絡傳遞到遠端的監(jiān)控設備。
四、系統(tǒng)概述
環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網(wǎng)絡屬于層次型的異構網(wǎng)絡結構，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，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模塊組成，傳感器節(jié)點的體系結構如圖2所示。為獲得準確的數(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，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點將感應到的數(shù)據(jù)傳送到一個網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點負責將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個傳輸網(wǎng)絡發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡是負責協(xié)同各個傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點、綜合網(wǎng)關節(jié)點信息的局部網(wǎng)絡?；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量監(jiān)測等領域應用。
五、系統(tǒng)應用特點及架構
1、系統(tǒng)特點
利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應用領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)境中種群的習性和分布等。（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡中的設備相對比較多，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
（1）礦井安全監(jiān)控
礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。傳感器節(jié)點負責井下多點數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風速和氣壓等參數(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)絡在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系3Intel實驗室和大西洋學院（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，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)的結構框圖如圖4所不。
（3）智能家居
無線傳感器網(wǎng)絡還可以應用于家居中，其家用遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結構框圖如圖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，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、關鍵技術研究
1、數(shù)據(jù)融合技術
環(huán)境監(jiān)測應用的最終目標是對監(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用確定，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡發(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準的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)絡中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網(wǎng)絡，主要表現(xiàn)在以下四個方面：（1）無線傳感器網(wǎng)絡缺乏基礎設施支持，沒有中心授權和認證機構，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)絡中難以實現(xiàn)，并且節(jié)點之間難以建立起信任關系；（2）有限的計算和能源資源往往需要系統(tǒng)對各種技術綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術等；（3）無線傳感器網(wǎng)絡任務的協(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)絡拓撲結構、網(wǎng)絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態(tài)變化之中。目前無線傳感器網(wǎng)絡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)絡應用，在實際的應用中還有很多關鍵技術，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)絡具有很強的應用相關性，在環(huán)境監(jiān)測應用中的關鍵技術需要根據(jù)實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的日益成熟和完善，我們還可以在各個方面開展許多新的應用，比如軍用傳感網(wǎng)絡可以監(jiān)測戰(zhàn)場的態(tài)勢；交通傳感網(wǎng)絡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、速度和方向等相關參數(shù)；監(jiān)視傳感網(wǎng)絡可以用于商場、銀行等場合來提高安全性?？梢灶A見，隨著無線傳感設備性價比的提高以及相關研究的不斷深入和傳感網(wǎng)絡應用的不斷普及，無線傳感器網(wǎng)絡將給人們的工作和生活帶來更多的方便。
參考文獻
[1]馬祖長，孫怡寧，梅濤，無線傳感器網(wǎng)絡綜述.通信學報
[2]豐原.無線傳感器網(wǎng)絡
中圖分類號:TN919 文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)07-0053-03
Design of Building Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Technology
CUI Ran1, MA Xu-dong1, PENG Chang-hai2
(1. School of Automation, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract: The building energy management system is introduced, and the importance of environment monitoring for energy saving is analysed. The wireless sensor moni-toring scheme building environment is put forward. The enviroment monitoring system based on wireless sensor network is designed and realized. The issues on how to select monitoring points in engineering application was solved by means of summarization.
Keywords: building energy management system; wireless sensor network; building; environment monitoring system; energy-saving
0 引 言
20世紀80年代的能源危機讓世界意識到節(jié)約能源的重要性,在樓宇電力節(jié)能方面出現(xiàn)了很多實際有效的技術和方法。新的空調控制理論、DDC控制器、最優(yōu)化的控制思想不斷應用到樓宇能耗設備上。傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)BAS從對設備的控制逐漸發(fā)展成為包含了對能源的管理和控制的樓宇能源管理系統(tǒng)BEMS。
樓宇中能耗設備眾多,其中空調和照明系統(tǒng)的能耗占樓宇總能耗的70%以上。由于樓宇特殊的構造和結構特點,如何在樓宇中建立統(tǒng)一的實時監(jiān)測平臺,診斷樓宇的節(jié)能水平,是樓宇能源管理系統(tǒng)中需要解決的一個重要問題。
國際能源組織IEA認為BEMS是在提供愉快舒適的室內環(huán)境和保證使用者安全的前提下實現(xiàn)建筑物的節(jié)能效果和人力的節(jié)約。因此,以室內環(huán)境為監(jiān)測對象,通過對室內溫度和光照強度的監(jiān)測,能反映空調系統(tǒng)和照明系統(tǒng)消耗能源所產(chǎn)生的效果,從而可以在此基礎上優(yōu)化系統(tǒng)運行,達到節(jié)能的目的。
為實現(xiàn)對室內環(huán)境的監(jiān)測,需要在樓宇內的不同區(qū)域布置大量傳感裝置。而在樓宇中采用傳統(tǒng)的有線監(jiān)測網(wǎng)絡將產(chǎn)生巨大的安裝成本且對樓宇本身存在一定程度的損傷(特別是對既有建筑而言)。如果采用無線傳感技術,則布線工作即可免去,工程的總成本將大幅降低。因此,通過無線傳感技術實現(xiàn)樓宇內的環(huán)境信息的采集和傳輸是成功建立監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵。
1 無線傳感網(wǎng)絡
1.1 網(wǎng)絡協(xié)議
無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量小型或微型的各類集成化傳感器節(jié)點協(xié)作地實時感知、監(jiān)測各種環(huán)境對象信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行智能處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。
節(jié)點間無線通信協(xié)議采用基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee協(xié)議[1](見圖1)。Zigbee協(xié)議支持支持星形和網(wǎng)狀拓撲結構,具有低功耗、網(wǎng)絡容量大、傳輸距離遠等特點,非常適合用于樓宇環(huán)境監(jiān)測。IEEE 802.15.4標準是針對無線個人局域網(wǎng)(Low-rate Wireless Personal Area Network),把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標,旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間的低速互連提供統(tǒng)一的標準。采用免執(zhí)照2.4 GHz和868/915 MHz的ISM頻段,能夠方便自由地構建無線局域網(wǎng)絡。
圖1 ZigBee協(xié)議結構
1.2 拓撲結構
網(wǎng)絡拓撲結構采用網(wǎng)狀結構網(wǎng)絡(Mesh Network)(見圖2)[2]。網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有很廣的的傳送范圍,而且通過鏈路冗余的方式使得網(wǎng)絡的可靠性進一步提高。只要是在通信距離范圍內的任意兩個節(jié)點都可以建立起一個通信鏈路。該鏈路建立后如果因干擾而中斷,節(jié)點會自動搜索其他相鄰的節(jié)點,重新建立一條新的鏈路。不僅如此,網(wǎng)絡中的任何兩個設備都可以相互通信,即使不在直接通信的范圍內,也可以通過多個中間設備中繼的方式進行傳輸,即多跳的傳輸方式。動態(tài)路由和多跳傳輸增強了網(wǎng)絡的健壯性,除了中心節(jié)點,任何一個節(jié)點的損壞對不會對整個網(wǎng)絡產(chǎn)生影響?；谶@些特性,網(wǎng)狀網(wǎng)絡非常適合在樓宇自動化和樓宇監(jiān)控方面的應用。
圖2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲圖
2 樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1 硬件平臺
數(shù)據(jù)采集裝置采用美國克爾斯博科技公司(Crossbow)MTS系列多功能傳感器板(見圖3(a))和基于TI CC2420的MicaZ射頻處理器(見圖3(b))為平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。與中心節(jié)點通信的網(wǎng)關采用Crossbow的MIB520(見圖3(c))作為網(wǎng)絡基站。MIB520網(wǎng)關通過USB接口實現(xiàn)對節(jié)點的在線編程和數(shù)據(jù)接收。
2.2 TinyOS微操作系統(tǒng)
TinyOS是UC Berkeley(加州大學伯克利分校)開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng),專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡設計,操作系統(tǒng)基于構件(Component-based)的架構使得快速的更新成為可能,而這又減小了受傳感網(wǎng)絡存儲器限制的代碼長度。TinyOS的構件包括網(wǎng)絡協(xié)議、分布式服務器、傳感器驅動及數(shù)據(jù)識別工具。其良好的電源管理源于事件驅動執(zhí)行模型,該模型也允許時序安排具有靈活性。TinyOS已被應用于多個平臺和感應板中。
圖3 硬件平臺
TinyOS的程序采用的是模塊化設計,所以它的程序核心往往都很小(一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400 B左右),能夠突破傳感器存儲資源少的限制,這能夠讓TinyOS很有效的運行在無線傳感器網(wǎng)絡上并去執(zhí)行相應的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的組件,可以很簡單方便的編制程序,用來獲取和處理傳感器的數(shù)據(jù)并通過無線電來傳輸信息。TinyOS在構建無線傳感器網(wǎng)絡時,它會有一個基地控制臺,主要是用來控制各個傳感器子節(jié)點,并聚集和處理它們所采集到的信息。TinyOS只要在控制臺發(fā)出管理信息,然后由各個節(jié)點通過無線網(wǎng)絡互相傳遞,最后達到協(xié)同一致的目的。
利用TinyOS微操作系統(tǒng)構建的無線傳感網(wǎng)絡具有以下特點:
(1) 基于組件的架構(Componented-based Architecture)
TinyOS提供一系列可重用的組件,一個應用程序可以通過連接配置文件(A Wiring Specification)將各種組件連接起來,以完成它所需要的功能。
(2) 事件驅動(Event-Driven Architecture)
TinyOS的應用程序都是基于事件驅動模式的,采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。
(3) 任務和時間并發(fā)(Tasks and Events Concurrency Model)
Tasks一般用在對于時間要求不是很高的應用中,且Tasks之間是平等的,即在執(zhí)行時是按順序先后來得,而不能互相占先執(zhí)行,一般為了減少Tasks的運行時間,要求每一個Task都很短小,能夠使系統(tǒng)的負擔較輕。
Events一般用在對于時間的要求很嚴格的應用中,而且它可以占先優(yōu)于Tasks和其他Events執(zhí)行,它可以被一個操作的完成或是來自外部環(huán)境的事件觸發(fā),在TinyOS中一般由硬件中斷處理來驅動事件。
(4) 裂相操作Split-Phase Operations
在TinyOS中由于Tasks 之間不能互相占先執(zhí)行,所以TinyOS沒有提供任何阻塞操作,為了讓一個耗時較長的操作盡快完成,一般來說都是將對這個操作的需求和這個操作的完成分開來實現(xiàn),以便獲得較高的執(zhí)行效率。
2.3 固件程序設計
無線節(jié)點采用了Crossbow的MicaZ收發(fā)處理器、MTS300溫度/光照集成傳感器以及MIB520網(wǎng)關,實現(xiàn)MESH網(wǎng)狀結構網(wǎng)絡。在節(jié)點端,利用XMesh提供的組件進行程序開發(fā),組件主要包括:Main,XMTS300M,QueueSend,TimerC,XmeshBinaryRouter,NoLeds,HPLPowerManagementM,Voltage,PhotoTemp,Sounder,GenericCommPromiscuous等。通過Main組件啟動時鐘組件TimerC、通信組件GenericCommPromiscuous、路由組件XMeshBinaryRouter以及傳感器組件XMTS300M等,實現(xiàn)了多跳結構的自組織網(wǎng)絡,并使用HPLPowerManagementM模塊對節(jié)點進行休眠控制以降低功耗。
在網(wǎng)關處,網(wǎng)絡中所有節(jié)點的信息都最終發(fā)送到網(wǎng)關的匯聚節(jié)點sink0,通過節(jié)點匯聚節(jié)點sink0由MIB520網(wǎng)關發(fā)送到上位機。組件采用XServer中間件的相關組件,包括調度組件Main、網(wǎng)管監(jiān)測組件Xheartbeat、基站組件XmeshBaseM、路由組件XmeshBinaryRouter、LED組件NoLeds、下行命令組件XcommandC,組件間的結構關系如圖4所示。
圖4 網(wǎng)關組件連接圖
3 監(jiān)測點位置選擇
由于樓宇構造和結構的特殊性,在無線傳感網(wǎng)絡的實際應用中需要注意以下問題。
3.1 節(jié)點位置
網(wǎng)絡節(jié)點位置和數(shù)量的選擇是構建無線通信網(wǎng)絡首先要考慮的問題。由于樓宇中結構復雜,合理地選取發(fā)射器、中繼器和接收器的位置是保證網(wǎng)絡健壯性的關鍵。從節(jié)點間相互通信的角度考慮,最佳位置要能使節(jié)點彼此間在可視直線距離范圍內,保證節(jié)點間通信和連接的穩(wěn)定。
3.2 傳輸距離
在樓宇內,信號的實際傳送距離與理想狀態(tài)有很大的差距,主要原因有三個:
(1) 傳輸距離引起的信號衰減;
(2) 傳輸過程中障礙物引起的信號衰減;
(3) 其他設備的電磁干擾。
當發(fā)送器和接收器之間具有一條暢通無阻的可視路徑時,在發(fā)射信號強度一定的情況下,接收信號強度的衰減與傳輸距離的平方成反比關系。在實際應用中,由于障礙物的存在和信號發(fā)射的干擾,距離的冪指數(shù)通常大于2,約在2~4之間[3]。因此,在樓宇中布置傳感器節(jié)點時,要根據(jù)環(huán)境正確評估傳輸距離,確保信息的有效傳輸。
3.3 信號強度檢測
信號強度檢測的目的是為了確認節(jié)點位置的選取是否正確,各節(jié)點之間的通信是否穩(wěn)定可靠。通過信號強度檢測,合理改變各節(jié)點的位置或適當添加中繼器來增強網(wǎng)絡的健壯性。目前,幾大知名的傳感器節(jié)點生產(chǎn)廠家如Crossbow等的節(jié)點都具有接收信號強度(RSSI)監(jiān)測功能,可及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中薄弱點,及時地予以調整。
3.4 電磁干擾
樓宇內手機、微波爐等電磁設備都會產(chǎn)生無線波,對無線通信網(wǎng)絡產(chǎn)生干擾。無線通信網(wǎng)絡采用擴頻技術(Spread Spectrum)實現(xiàn)信號的傳輸,抗干擾能力得到增強,但在布置無線節(jié)點時,仍要注意與電磁設備保持一定的距離,同時也避免無線節(jié)點的電磁場對其他設備的干擾。
4 結 語
隨著《節(jié)約能源法》和《公共建筑節(jié)能設計標準》等相關法律法規(guī)的出臺,以及人們節(jié)能意識的不斷提高,如何保證室內環(huán)境的舒適性,同時降低樓宇的能耗,將是樓宇節(jié)能研究的主要課題。無線傳感技術以其便利性和不斷降低的成本,在降低能源消耗、改善室內環(huán)境、延長能耗設備使用壽命、減少設備維護費用等方面被廣泛應用,為實現(xiàn)節(jié)能建筑、綠色建筑的目標提供了重要的技術支持。
參考文獻
[1]金純.Zigbee與藍牙的分析和比較[J].信息技術與標準化,2004(6):17-20.
[2]KINTER M M, BRAMBLEY M R. Pos &cons of wireless[J]. ASHRAE Journal, 2002, 44(11):54-61.
[3]KINTNER M M, CONANT R. Opportunities of wireless sensors and controls for building operation[J]. Energy Engineering Journal, 2005, 102(5): 27-48.
[4]張振昭,許錦標,萬頻.樓宇智能化技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[5]劉敢峰,吳光明.家庭自動化集中主流網(wǎng)絡協(xié)議[J].電子技術應用,2003(2):6-8.
[6]吳由平.網(wǎng)絡化智能樓宇管理與綜合監(jiān)控接入技術研究[D].南京:東南大學,2006.
[7]張金平.智能樓宇管理系統(tǒng)通用化與網(wǎng)絡化技術研究[D].南京:東南大學,2005.
[8]MENZEL Karsten, PESCH Dirk, FLYNN Brendan O, et al. Towards a wireless sensor platform for energy efficient building operation[J]. Tsinghua Science and Technology, 2008, 13(S1): 381-386.
關鍵詞：Zigbee;環(huán)境監(jiān)測;節(jié)點;多參數(shù)
中圖分類號：TP212
文獻標識碼：A文章編號：1005-3824（2014）05-0039-03
0 引 言
伴隨世界經(jīng)濟與工業(yè)的快速發(fā)展，世界環(huán)境問題日益突出，環(huán)境監(jiān)測逐步受到越來越多的重視[1]。當前，環(huán)境監(jiān)測發(fā)展過程中的一個亟待解決的問題是開發(fā)功能強大并且價格低廉的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，而環(huán)境監(jiān)測過程中的首要任務就是準確獲取監(jiān)測節(jié)點環(huán)境參數(shù)，以便進行后期的分析、整理和改進等工作。
物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things，IoT）技術的出現(xiàn)很好地促進了環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心在于感知地球，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺可以大范圍無線遠程監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，通過數(shù)據(jù)融合，可以為國家和企業(yè)進行環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境治理、環(huán)境規(guī)劃等工作提供理論依據(jù)[2]。
近年來，隨著傳感器技術和集成電路、嵌入式技術的發(fā)展，生產(chǎn)功耗低、體積小、具有感知及信息處理能力的傳感器已經(jīng)可以實現(xiàn)[3]。然而在實際運用中我們需要的不止一個環(huán)境參數(shù)，而是需要多個傳感器同時工作[4]，采集多個環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)[5]。基于這個目的，我們迫切地需要一種設備能夠連接多個傳感器同時進行準確、高效的數(shù)據(jù)采集、整理以及傳輸。故本文針對環(huán)境監(jiān)測過程中的多傳感器和多參數(shù)情況運用了Zigbee技術方案進行了解決，通過CC2530連接各個傳感器組建節(jié)點實時采集溫度、濕度、煙霧和RSSI值等數(shù)據(jù)。
一個功能完善的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點除了傳統(tǒng)意義上的環(huán)境參數(shù)采集之外，應該能夠提供一個測距定位功能。本文所提出的基于Zigbee的多參數(shù)無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點通過硬件自身系統(tǒng)在不添加任何額外硬件的情況下通過數(shù)據(jù)包發(fā)送RSSI值可以進行測距定位[6]。
監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示。
圖1 總體結構圖
1 Zigbee與CC2530
1.1 Zigbee簡介
Zigbee是基于IEEE802.15.4工作組制定的低功耗個域網(wǎng)標準協(xié)議，Zigbee技術正是由此而來的一種短距離、低功耗的雙向無線通信技術[7]。Zigbee技術的特點是低復雜度，自組織，低成本，低功耗，低數(shù)據(jù)速率和近距離。由一個協(xié)調器組織的大容量Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納65 535個網(wǎng)絡節(jié)點，從而擴展了單個節(jié)點間75 m的標準通信距離，達成了Zigbee網(wǎng)絡的遠距離通信，滿足了大多數(shù)通信網(wǎng)絡的需求。工作在2.4 GHz頻段的Zigbee擁有16個自主定義的獨立信道，通過切換信道，有效地提高了通信過程中的抗干擾性。與此同時，Zigbee使用了標準的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）方式，有效地避免了信道競爭和沖突，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
Zigbee的網(wǎng)絡結構如圖2所示，分為一個協(xié)調器負責組網(wǎng)以及和上位機通信，若干個路由器負責轉發(fā)以及拓展網(wǎng)絡容量，多個終端節(jié)點負責發(fā)送以及接收信息。
圖2 Zigbee網(wǎng)絡結構
1.2 CC2530簡介
CC2530是德州儀器公司根據(jù)Zigbee技術實際應用而開發(fā)的一個價格低廉并且功能強大的片上系統(tǒng)解決方案，因此它顯然是工作在2.4 GHz并且符合IEEE802.15.4的協(xié)議標準[8]。CC2530能夠通過自身I/O口連接多個傳感器建立功能完善的無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點。
CC2530 結合了增強型8位8051 CPU，最高256 KB的系統(tǒng)內可編程閃存，8 KB的RAM 和21個可編程數(shù)字I/O引腳。CC2530芯片采用7 mm×7 mm QLP（方型扁平式）封裝，共有 40個引腳。所有引腳可都分為21個I/O端口線引腳、13個電源線引腳和6個控制線引腳共3類。
通過同樣是德州儀器公司推出的目前應用最廣泛的Zigbee 協(xié)議棧（Z-StackTM），CC2530提供了功能強大且應用寬廣的Zigbee 解決方案。協(xié)議棧采用查詢操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)初始化完成后就進入操作系統(tǒng)并不停地輪轉查詢用戶自定義的任務來執(zhí)行。
2 傳感器
一個好的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)離不開多個好的傳感器，這些功耗低、體積小的傳感器能夠將溫度、濕度和煙霧等多個環(huán)境參數(shù)信息準確地采集至監(jiān)測節(jié)點。本節(jié)中所介紹的DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器正具備了這些優(yōu)點。
2.1 DHT11
DHT11溫濕度傳感器可以同時采集環(huán)境溫度和濕度，它輸出的是經(jīng)過內部校準的數(shù)字信號。它是應用程序先進的數(shù)字模塊采集技術和溫度、濕度傳感技術，在硬件電路簡單的同時保證了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。測量范圍：濕度20%90% RH，溫度050℃;測量精度：濕度±5% RH，溫度±2℃。DHT11溫濕度傳感器模塊的硬件電路如下圖3所示。
圖3 DHT11硬件電路圖
2.2 MQ-2
MQ-2半導體式煙霧傳感器擁有很寬的監(jiān)測范圍（30010 000 ppm），其優(yōu)點是穩(wěn)定性好，使用壽命長，靈敏度高，響應速度快，驅動電路簡單。它輸出的是模擬信號，提供一個煙霧報警信息，可用于各種液化氣，酒精，煙霧，煙塵等氣體監(jiān)測的環(huán)境。MQ-2煙霧傳感器模塊的硬件電路如下圖4所示。
圖4 MQ-2硬件電路圖
3 軟件設計與測試
3.1 軟件代碼編寫
在開發(fā)軟件上我們使用了德州儀器公司跟CC2530配套的IAR Embedded Workbench，利用Z-Stack 協(xié)議棧，添加自己的任務，使傳感器設備正常工作采集數(shù)據(jù)，節(jié)點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調器接收數(shù)據(jù)并上傳上位機。
CC2530節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼如下所示：
1）定義一個數(shù)組;
2）寫入溫濕度數(shù)據(jù);
3）根據(jù)有無煙霧報警信號寫入0或1;
4）調用Z-Stack發(fā)射函數(shù)進行發(fā)送。
{ uint8 T_H[5];
T_H[0]=wendu_shi+48;
T_H[1]=wendu_ge%10+48;
T_H[2]=shidu_shi+48;
T_H[3]=shidu_ge%10+48;
if（LIGHT==1）
{ T_H[4]=1;//有煙霧 }
else
{ T_H[4]=0;//沒煙霧 }
if （ AF_DataRequest（ &Point_To_Point_DstAddr，
&SampleApp_epDesc，
SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID，
5，
T_H，
&SampleApp_TransID，
AF_DISCV_ROUTE，
AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS ）。
CC2530協(xié)調器接收代碼如下所示：
1）驗證是否為自身網(wǎng)絡內節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù);
2）若是，則獲取數(shù)據(jù)，串口進行打印。
switch （ pkt->clusterId ）
{case SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID：
msgrssi=pkt->rssi;
msgrssi=0xff-msgrssi;
_ltoa（msgrssi，myrssi，10）;
HalUARTWrite（0，"RSSI is：-"，9）;
HalUARTWrite（0，myrssi，osal_strlen（myrssi））;
HalUARTWrite（0，" Temp is："，9）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，2）;
HalUARTWrite（0，" Humidity is："，13）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[2]，2）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，2）;
HalUARTWrite（0，" Humidity is："，13）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[2]，2）;
if（pkt->cmd.Data[4]）
HalUARTWrite（0，" Got bad Air＼n"，13）;
else
HalUARTWrite（0，" No bad Air＼n"，12）;
Break。
3.2 節(jié)點測試
節(jié)點采集到環(huán)境信息后發(fā)往協(xié)調器經(jīng)由串口傳輸至上位機，故我們只須監(jiān)測上位機串口即可測試整套系統(tǒng)的可行性及穩(wěn)定性。
圖5和圖6為實驗室內部無障礙情況下節(jié)點距離協(xié)調器1 m處和3 m處連續(xù)監(jiān)測5 min后的測試數(shù)據(jù)。
圖5 1 m處節(jié)點數(shù)據(jù)
圖6 3 m處節(jié)點數(shù)據(jù)
通過監(jiān)測可以看到節(jié)點在距離協(xié)調器1 m處和3 m處均能夠穩(wěn)定正常工作，采集所需的環(huán)境參數(shù)，并且能夠發(fā)送自身的RSSI值給協(xié)調器節(jié)點進行測距定位。
4 結束語
針對環(huán)境監(jiān)測過程中的無線環(huán)境、多傳感器、多參數(shù)的情況和對距離的需要，本文提出了一種基于Zigbee的多參數(shù)無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點。設計中采用了德州儀器公司CC2530作為節(jié)點通過多個傳感器對溫度、濕度、煙霧和RSSI值等多個參數(shù)進行了采集和無線傳輸，最后在上位機進行顯示和綜合分析整理。由于Zigbee技術具有成本低，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸可靠，大容量的網(wǎng)絡，良好的兼容性等特點，應用在環(huán)境監(jiān)測領域將具有極大的優(yōu)勢。
參考文獻：
[1]
趙燃，崔再斌.中國環(huán)境監(jiān)測技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2012，23（6）：20-21.
[2] KANG H，LEE J，HYOCHAN B，et al.A design of IoT based agricultural zone management system[M]//JAMES J，JONGSUNG K，ZOU Dengqi，et al.Information Technology Convergence，Secure and Trust Computing and Data herlands：Springer， 2012： 9-14.
[3] WANG L，AKILYDIZ I F.Survey on sensor networks[J].IEEE Communication Magazine，2002，40（8）： 102-114.
[4] 王殊，閻毓杰，胡富平.無線傳感器網(wǎng)絡的理論及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.
[5] 辛穎，謝光忠，蔣亞東.基于 ZigBee 協(xié)議的溫度濕度無線傳感器網(wǎng)絡[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（7）： 82-84.
（下轉第 頁）
[6] 朱明輝，張會清.基于 RSSI 的室內測距模型的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010 （8）： 19-22.
[7] TEXAS I.A true system-on-chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications[EB/OL].（2011-03-28）[2014-04-10].http：//.cn/cn/lit/ds/swrs081b/swrs081b.pdf.
[8] 王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學，2012.
作者簡介：
陳國平（1976），男，重慶合川人，博士，副教授，主要研究方向為電磁/聲學主被動原定位與成像。
基金項目：基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能環(huán)保系統(tǒng)研發(fā)項目（工信部2012-10號）。
Design of multi-parameter wireless monitoring node based on Zigbee
CHEN Guoping1， YANG Ningyu1， ZHU Wenchao1， Huang Zhihui2
（1. College of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065，P.R. China
摘要：設計了一種基于無線透傳傳感網(wǎng)絡的分布式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。設計采用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，說明該設計可以在400 m內同時實現(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：江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃資助項目（201413983005Y）；蘇州大學學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的廣泛應用，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技術能夠實時監(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 技術實現(xiàn)了對礦井內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)測技術克服了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方式網(wǎng)絡部署難，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，在實際應用時，ZigBee技術的穿透性較差，數(shù)據(jù)傳輸距離較近，其他主流無線傳感網(wǎng)絡（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]。
本文設計了一種無線透傳傳感網(wǎng)絡應用于分布式環(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換實現(xiàn)了RS 232通信的兼容轉換。本文設計的無線、透傳傳感網(wǎng)絡大大降低了射頻無線通信網(wǎng)絡的硬件和設計研發(fā)成本，保證了通信的距離和準確性。設計可以實現(xiàn)對400 m 范圍內有建筑物遮擋的環(huán)境狀況下進行實時監(jiān)測。
1 系統(tǒng)總體設計
該無線透傳環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)絡主要包括終端監(jiān)測部分，無線透傳網(wǎng)絡，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轉換，轉化為數(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。設計透傳算法，使用AT?mega128L將暫存在存儲器中的傳感器數(shù)據(jù)轉化為符合RS 232 有線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)，進一步轉換為無線協(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)硬件設計
2.1 終端監(jiān)測端硬件設計
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結構，豐富的內部資源可以更好地運行相對復雜的透傳算法。在指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結構，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（串行外設接口）控制器等與無線收發(fā)模塊相結合，能夠實現(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，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。如果在國標的允許范圍內，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。
2.2 透傳自組模塊硬件設計
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。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 透傳網(wǎng)絡控制算法設計
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)絡的通信匹配標志，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)送校檢結束標志碼0X88 和0XFE，表示校檢標志發(fā)送結束。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ATmega128L通過CC1100E收到上升沿校驗標準碼時，說明有數(shù)據(jù)傳來，立即喚醒轉入接收模式。
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)絡不匹配，本次通信結束，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，則表明校檢標志接收完畢，等待下面的信號，如果一直沒有接收到校驗標志碼0X88和0XFE，則表明本次通信失敗，通信結束。當接收到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 轉化寄存器中的輸入信號經(jīng)過A/D 轉換函數(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)生相應的改變。取值頻率設置為30 ms取一次值，由定時器中斷函數(shù)來實現(xiàn)控制。
3.3 上位機軟件設計
為了清晰地觀察室內各環(huán)境參數(shù)的變化情況，使用LabView設計了上位機。上位機部分程序如圖7所示。
4 實驗數(shù)據(jù)及分析
4.1 實驗結果及分析
在對終端機進行測試時，在400 m 距離范圍內，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為通風教室，0xf5為通風宿舍。測試結果如表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，遠超過國家室內甲醛濃度標準。教室、實驗室、宿舍等場所由于長時間不通風，室內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)，與標準溫度誤差范圍均在3%以下。
4.2 透傳傳感網(wǎng)絡性能分析
通過對透傳模塊的測試，系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，每5 s需通信轉發(fā)心跳幀一次，空中每幀數(shù)據(jù)都會轉發(fā)一次，最多支持240 字節(jié)長度數(shù)據(jù)包。當空中波特率固定為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)絡當作有線通信使用，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)絡結構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。可采用以下技術來提高通信可靠性[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)到達用戶應用層以后的可靠性。
注：本文通訊作者為吳迪。
參考文獻
[1] 夏新.淺談強化環(huán)境監(jiān)測質量管理體系建設[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2012（1）：1?4.
[2] 何曉峰，王建中，王再富.基于MAX6675的多路溫度采集與無線傳送系統(tǒng)[C]//浙江省信號處理學會2012學術年會論文集.杭州：浙江省信號處理學會，2012：4?6.
[3] 尹航，張奇松，程志林.基于ZigBee無線網(wǎng)絡的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].機電工程，2008（11）：20?23.
[4] 劉萍.基于多傳感器融合的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].礦山機械，2013（6）：110?113.
[5] 蒲泓全，賈軍營，張小嬌，等.ZigBee網(wǎng)絡技術研究綜述[J].計算機系統(tǒng)應用，2013（9）：6?11.
[6] 祥，牛江平.遠程無線抄表系統(tǒng)的研究[J].自動化儀表，2011（3）：4?7.
[7] 鄒麗新，翁桂榮.單片微型計算機原理[M].蘇州：蘇州大學出版社，2001.
[8] SUZUKI N，MITANI T，SHINOHARA N. Study and develop?ment of a microwave power receiving system for ZigBee device [C]// Proceedings of the 2010 IEEE Asia ? Pacific Microwave Conference. Kansas：IEEE，2010：45?48.
[9] ZHANG G，LIU S G. Study on electrical switching device junc?tion temperature monitoring system based on ZigBee technology [C]// Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Computer Application and System Modeling. Taiyuan，Chi?na：IEEE，2010：692?695.
[10] Dissanayake S D，Karunasekara P P C R， Lakmanaarachchi D D，et al. ZigBee wireless vehicular identification and au?thentication system [C]// Proceedings of the IEEE the 4th In?ternational Conference on Information and Automation for Sus?tainability. Colombo：IEEE，2008：257?260.
[11] 曹金山，張澤濱.無線傳感網(wǎng)絡安全改進方案研究[J].現(xiàn)代電子技術，2014，37（20）：38?40.
[12] 彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡研究[J].現(xiàn)代電子技術,2011，34（5）：49?51.
作者簡介：于洪濤（1993—），男，江蘇徐州人。主要研究方向為光電應用技術。
中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）12-0156-06
Abstract With the characteristics of low cost， low power consumption， high reliability and self-organization， wireless sensor networks （WSNs） play important roles in the agricultural production environment monitoring. Aiming at the problem of cluster head nodes consuming energy so fast to lead the network segmented into parts， we put forward an event driven and energy efficient clustering routing algorithm for agricultural production environment monitoring. All nodes go to sleep mode after the network deployment， when the monitored parameter’s value higher than the setting threshold， the nodes within the scope are awakened and start the incident response clustering mechanism. At the cluster set up phase， randomly select a node as elector to broadcast request clustering message， and accept the other sensor nodes’ response， according to each node energy situation， elector choose node with the maximum residual energy as a cluster head， and choose node with second highest energy for the next round elector. In data transmission phase， the relay nodes were selected on the basis of the residual energy of nodes and the distance to the base station （BS）. The simulation experimental results showed that the proposed protocol could reduce the communication overhead between the cluster members， effectively balance the energy consumption of each node in the network， and significantly prolong the survival time of the network.
Keywords Wireless sensor network； Routing protocol； Event driven； Clustering； OMNET++simulate software
農(nóng)業(yè)信息的精準獲取是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調控的基礎，面對復雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及龐大的數(shù)據(jù)監(jiān)測量，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息獲取方式已無法滿足現(xiàn)實需要。隨著微電子工藝和無線射頻技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的研究越來越受到人們的重視。傳感器網(wǎng)絡是由部署在觀測環(huán)境內的大量微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式組成的一種無線網(wǎng)絡[1]。由于無線傳感器網(wǎng)絡具有低成本、低功耗、高可靠、自組織等特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中有著重要的地位與廣泛的應用前景[2]。
相對傳統(tǒng)的有線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡具有無可比擬的優(yōu)勢，首先是方便布置，節(jié)省了有線安裝的費用；其次是易于拓展，在已有的監(jiān)測區(qū)域很容易擴展到相鄰區(qū)域；再次是容錯性好，網(wǎng)絡中單個節(jié)點的失效不影響整個網(wǎng)絡的操作；最后，無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織性，節(jié)點具有自我配置的能力，這也是其易于拓展的重要原因。然而它也具有無線傳輸媒介固有的限制，如傳輸帶寬低、傳輸過程容易出錯、信道沖突等；另外，很多節(jié)點部署在野外，甚至一些不容易到達的地方，僅靠有限的電池來供電，某些靠近基站（BS）的節(jié)點由于傳輸任務重很容易因能量消耗過快而失效，從而導致它所負責區(qū)域的無線監(jiān)控失效，因此，如何在節(jié)點初始能量一定的情況下，均衡網(wǎng)絡流量，節(jié)省能量消耗，盡可能地擴大網(wǎng)絡的生存時間，確保監(jiān)測系統(tǒng)長期有效工作，是無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計的首要目標，也是研究無線傳感器網(wǎng)絡應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控的核心問題之一。
現(xiàn)有的路由協(xié)議從網(wǎng)絡拓撲結構角度可以分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。平面型路由協(xié)議中所有節(jié)點具有相同的工作方式和地位，主要優(yōu)點是算法簡單、路由選擇靈活和容易實現(xiàn)；缺點是可擴充性和實時性較差，所有節(jié)點都具有路由功能，當距離匯聚節(jié)點較遠的節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，必然會通過其他節(jié)點進行轉發(fā)，最后到達匯聚點，這種路由方式稱為“多跳”，其匯聚點附近的節(jié)點因過于頻繁地參與數(shù)據(jù)轉發(fā)，能耗過快，易致失效。如MTE（minimum-transmission-energy）路由協(xié)議，所有節(jié)點數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點傳輸?shù)絽R聚點，導致中繼節(jié)點既要感知數(shù)據(jù)，又要轉發(fā)其他節(jié)點的感知數(shù)據(jù)，容易過早失效。
層次型路由也稱為基于分簇的路由協(xié)議，通常把整個監(jiān)控網(wǎng)絡劃分為多個簇區(qū)單元，每個單元由一個簇頭和若干個簇成員傳感節(jié)點構成，簇頭管理和控制簇成員節(jié)點，協(xié)調簇內節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸，同時將收到的簇內節(jié)點信息進行數(shù)據(jù)融合處理；普通節(jié)點只需要在其分配的時隙內將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭。傳感網(wǎng)絡的分簇彌補了可擴展性差的缺點，簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)融合工作在一定程度上減少了網(wǎng)絡中的冗余數(shù)據(jù)，降低了網(wǎng)絡通信量，因此基于分簇的路由協(xié)議得到了十分廣泛的應用。
低功耗自適應分簇分層型協(xié)議（low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH） 是WSNs中最早提出的基于多簇結構的層次型路由協(xié)議[3]，后期很多重要的路由協(xié)議都是基于它演變而來的。LEACH協(xié)議在每個數(shù)據(jù)收集周期（一個周期也稱為一輪）開始時隨機選擇一小部分節(jié)點成為簇頭，在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭以單跳通信的方式將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚點。該算法在簇頭選擇時采用了隨機方法，并未考慮所選節(jié)點的能量剩余情況。為了提高簇的生成質量，Heinzelman等[4]又進一步提出了集中式的簇構造算法LEACH-C。蔣建明等[5]在采用LEACH的基礎上，依據(jù)節(jié)點電池剩余能量的多少選擇簇頭，并將遠距離簇頭向基站傳輸數(shù)據(jù)的方式由單跳式改為雙跳式，以達到節(jié)約節(jié)點能耗和延長網(wǎng)絡生命周期的目的。李成法等[1]提出一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡多跳路由協(xié)議，該協(xié)議通過候選簇頭使用非均勻的競爭范圍來構造大小不等的簇，離匯聚點越近，所形成的簇規(guī)模越小，這使得靠近匯聚點的簇頭可以為簇間的數(shù)據(jù)轉發(fā)預留能量。為解決大面積水稻田無線傳感器網(wǎng)絡能量消耗過快和丟包率嚴重等問題，雷剛等[6，7]提出了基于能量異構雙簇頭分簇路由算法，并設計了不同天線模式下的3 種組網(wǎng)方案。歸奕紅[8]針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控需求，提出一種適用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控的動態(tài)WSN路由算法，該算法支持網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點和基站都是可移動的，采用移動式基站有利于實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的負載平衡，網(wǎng)絡基于簇結構并分層進行管理，能有效降低能量消耗，延長網(wǎng)絡的生命周期。朱勇等[2]在典型路由算法與蟻群算法的基礎上，基于溫室環(huán)境智能監(jiān)控的應用需求，從能量高效與節(jié)點可信度方面出發(fā)，提出了一種新的基于蟻群算法的同時考慮節(jié)點位置與能量的無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由算法（DEC-ACO）。趙春江等[9]提出了一種能量控制與動態(tài)路由相結合的路由算法ES-AODVjr，該算法通過平衡監(jiān)測設備功耗和數(shù)據(jù)包最短路徑路由策略，保證監(jiān)測網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)及時有效地傳遞。綜上所述，LEACH及其變異算法均基于以下兩個假設：傳感器節(jié)點持續(xù)地向簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；簇頭節(jié)點總是直接與匯聚點通信。但在大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測中，簇頭節(jié)點往往無法直接與匯聚節(jié)點通信，因此，LEACH并不能夠很好地平衡整個網(wǎng)絡的能量消耗。
基于事件驅動的路由算法由于只有當監(jiān)測到事件發(fā)生時才進行分簇并向匯聚點發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少了持續(xù)定時分簇的開銷以及數(shù)據(jù)發(fā)送的冗余，使得該方法對整個網(wǎng)絡的能量使用效率、能耗平衡及網(wǎng)絡壽命更加有效，OEDSR[10]、ARPEES[11]、HPEQ[12]的仿真實驗也證明了這一點。Manjeshwar等根據(jù)節(jié)點工作模式及目標應用的類型，將傳感器網(wǎng)絡分為主動上報型和應急響應型：主動上報型同LEACH中采用的一樣，周期性地啟動傳感器節(jié)點，感知環(huán)境信息并發(fā)送感興趣的數(shù)據(jù)；應急響應型則只有在所監(jiān)測的某個環(huán)境因子發(fā)生突然變化并超過預先設定的閾值時才會立刻做出反應，這比較適合實時性要求較高的應用。同時結合兩者優(yōu)點，提出了一種查詢式混合路由協(xié)議APTEEN[13]。Yupho等[14]分析了連續(xù)監(jiān)測模式、事件驅動模式及混合模式在醫(yī)療環(huán)境監(jiān)測方面的優(yōu)缺點，認為具有數(shù)據(jù)可靠交付保證的混合模式更加符合醫(yī)療環(huán)境監(jiān)測的需求。由于上述所有路由協(xié)議都是面向具體應用而提出的，因此在具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控方面并不能完全適用。本文以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境無線監(jiān)控為研究對象，提出了改進的基于事件驅動的能量高效分簇路由協(xié)議（event driven energy efficient clustering，EDEEC），在此協(xié)議下，當被檢測環(huán)境因子高于某個預先設定的閾值后，傳感器探測到該事件并自動進行分簇組網(wǎng)將此關鍵信息傳送給管理者。
1 傳感器網(wǎng)絡模型
1.1 網(wǎng)絡模型
為保證算法正常運行，本研究的無線傳感器網(wǎng)絡模型具有以下特征：
（1）N個傳感器節(jié)點隨機分布于M×M的正方形區(qū)域內，各節(jié)點在網(wǎng)絡中的地位平等，具有唯一ID，網(wǎng)絡部署后節(jié)點位置不再變化。
（2）所有節(jié)點均為同構節(jié)點，即具有相同的初始能量、數(shù)據(jù)處理和通信功能，包括存儲轉發(fā)、數(shù)據(jù)融合、自適應功率控制等。
（3）基站（BS）節(jié)點唯一，靜置于監(jiān)測區(qū)域外部且離監(jiān)測節(jié)點很遠，能量和功能不受限制。
1.2 信道模型
為了分析發(fā)送和接收廣播控制信息及發(fā)送和接收感知數(shù)據(jù)的能量消耗，及時確定網(wǎng)絡中各節(jié)點剩余能量及網(wǎng)絡的整體能量情況，本文使用文獻[3]中提出的無線信道模型：
（1）網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括廣播數(shù)據(jù)包和感知數(shù)據(jù)包兩種，假設k表示數(shù)據(jù)包的大小，k=25 byte表示廣播數(shù)據(jù)包的大小，k=500 byte表示感知數(shù)據(jù)包的大小。
（2）傳輸數(shù)據(jù)包所消耗的能量包括傳輸能耗ETx-elec=k×Eelec和功率放大能耗Eamp=k×Efs×d2兩部分，其中Eelec表示發(fā)射或接收每比特數(shù)據(jù)發(fā)射和接收電路功耗，Efs表示在自由信道模型中傳輸所需能量，d表示發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點間的距離。因此，將k比特數(shù)據(jù)傳輸d距離所消耗的能量表示為ETx （k，d）=ETx-elec+Eamp=k×Eelec+k×Efs×d2。
（3）接收數(shù)據(jù)包所消耗的能量表示為：
ERx（k）=ETx-elec=k×Eelec。
可以看出，在感知、處理、發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量最多，因此，在本研究提出的協(xié)議中，重點致力于減少控制信息數(shù)量、縮減信息長度及縮短數(shù)據(jù)傳輸距離來減少能量消耗，從而提高整個網(wǎng)絡的生存周期。
2 EDEEC路由協(xié)議
EDEEC路由協(xié)議可分解為若干輪，每輪包括簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，簇形成階段主要包括簇頭的選擇和簇建立兩部分，數(shù)據(jù)傳輸階段包括簇內數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)融合及簇頭與BS節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸三個階段。
2.1 網(wǎng)絡初始化
整個傳感器網(wǎng)絡在部署完畢后需要進行初始化配置工作，該工作僅在第一次部署完畢后進行。為了獲取各節(jié)點與BS節(jié)點之間的距離，BS節(jié)點利用洪泛機制廣播S_ADV消息，各節(jié)點根據(jù)文獻[15]中提出的接收信號強度指示器（RSSI）估算出自身與BS節(jié)點間的距離。在本協(xié)議中，節(jié)點間可以通過交換請求建立簇消息（REQ_CLUSTER）或者請求轉發(fā)節(jié)點消息（REQ_RELAY），獲取與其他節(jié)點的距離。
2.2 簇形成階段
2.2.1 簇頭選舉 為了節(jié)省能量，網(wǎng)絡初始化完成后，所有節(jié)點均進入休眠狀態(tài)。當監(jiān)測到事件發(fā)生時，該事件周圍的休眠節(jié)點被激活并獲取所監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體信息。如果所感知信息超過預先設定的閾值，則被激活的節(jié)點運行簇建立與簇頭選舉算法。文獻[16]和[11]中將所有激活的節(jié)點廣播REQ_CLUSTER數(shù)據(jù)包（包含節(jié)點ID、剩余能量和事件中所感知數(shù)據(jù)的描述性信息等字段內容）給其他被激活的節(jié)點，請求建立分簇網(wǎng)絡，假設有n個節(jié)點被激活，如果所有節(jié)點均發(fā)送廣播消息，則所發(fā)送廣播消息的數(shù)量為n（n-1）次；本協(xié)議隨機選擇一個被激活的節(jié)點elector發(fā)送廣播消息，并等待所有其他節(jié)點傳回應答信息RES_CLUSTER，則發(fā)送接收消息的總數(shù)量為2（n-1）。elector節(jié)點收到所有應答信息后，選舉所有節(jié)點中剩余能量最多的節(jié)點為簇頭（CH）節(jié)點，并將所有簇成員節(jié)點ID轉發(fā)給CH，選舉能量次之的節(jié)點為下一輪的elector，這樣如果一輪結束后elector比其他節(jié)點剩余的能量多，則該elector成為下一輪簇頭節(jié)點的概率將進一步增大，減少更多應答消息的傳遞。
2.2.2 簇構建過程 選舉出簇頭節(jié)點后，簇頭根據(jù)本次事件中簇成員的多少分配TDMA調度計劃，同時廣播TDMA_MSG數(shù)據(jù)包給簇內成員節(jié)點來確保各節(jié)點有序地向簇頭節(jié)點傳輸感知數(shù)據(jù)；各等待傳輸感知數(shù)據(jù)的非簇頭節(jié)點進入休眠狀態(tài)直到分配給它的時隙的到來。簇建立階段的流程如圖1所示。
2.3 數(shù)據(jù)傳輸階段
在前面的網(wǎng)絡模型中，我們假設BS節(jié)點遠離各傳感器節(jié)點，因此簇頭節(jié)點必須經(jīng)過轉發(fā)節(jié)點（也稱中繼節(jié)點）將融合后的數(shù)據(jù)傳送給BS節(jié)點，因此在該階段，應該尋找一條更加節(jié)省能量的路由路徑將融合后的數(shù)據(jù)傳送到BS節(jié)點。
2.3.1 簇內數(shù)據(jù)收集 使用TDMA調度計劃，各節(jié)點在其分配的時隙內向簇頭節(jié)點傳送感知數(shù)據(jù)。為了節(jié)約能量，當為各節(jié)點分配的時隙到來之前，各節(jié)點處于休眠狀態(tài)，只有在其分配的時隙內才處于激活狀態(tài)并傳送數(shù)據(jù)。
2.3.2 簇頭數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理相比于數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量少很多，因此簇內數(shù)據(jù)融合對于減少數(shù)據(jù)冗余、節(jié)約發(fā)送能耗至關重要。簇頭節(jié)點收集完所有簇內成員的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行相應數(shù)據(jù)融合算法，從而減少發(fā)送到BS節(jié)點的數(shù)據(jù)量。
2.3.3 選擇轉發(fā)節(jié)點創(chuàng)建路由 要發(fā)送數(shù)據(jù)的簇頭節(jié)點首先檢查BS是否在其通信范圍內，如果在則直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給BS，如果不在則簇頭給其通信范圍內的節(jié)點廣播請求轉發(fā)REQ_RELAY數(shù)據(jù)包并請求所有收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點返回其自身信息。REQ_RELAY數(shù)據(jù)包包含節(jié)點ID、剩余能量、離BS的距離信息。收到REQ_RELAY的節(jié)點將根據(jù)自身與BS的距離與REQ_RELAY中請求節(jié)點與BS的距離決定是否返回響應轉發(fā)RESPON_RELAY數(shù)據(jù)包，只需距離BS更近的候選節(jié)點做出該響應，該響應數(shù)據(jù)包包含節(jié)點ID、剩余能量、端到端平均延時及離匯聚節(jié)點的距離等信息。簇頭節(jié)點從鄰居節(jié)點收到響應數(shù)據(jù)包后，根據(jù)式（1）所示的轉發(fā)代價函數(shù)從候選節(jié)點中選擇下一跳轉發(fā)節(jié)點。
FRN（j）=Eres（j）Delay（CH，j） ×d（CH，j）d（j，BS）（1）
式中Eres是節(jié)點的剩余能量，d（j，BS）是候選節(jié)點j到基站BS的距離，d（CH，j）是簇頭節(jié)點與候選節(jié)點j之間的距離，Delay（CH，j）表示簇頭節(jié)點CH與候選節(jié)點j之間的平均延時。該轉發(fā)代價函數(shù)是基于以下條件建立的：
①轉發(fā)節(jié)點應具有最大的剩余能量Eres（j）。
②轉發(fā)節(jié)點距離BS即d（j，BS）越近越好，距離CH即d（CH，j）越遠越好。
③簇頭CH與轉發(fā)節(jié)點之間的延時Delay（CH，j）越小，實時性越好。
所有候選節(jié)點中FRN（j）值最大的節(jié)點將被選為轉發(fā)節(jié)點。在下一跳中，轉發(fā)節(jié)點作為簇頭尋找下一個轉發(fā)節(jié)點，一直重復這個過程，直到下一跳為BS節(jié)點。最終，建立起一條從簇頭節(jié)點到BS節(jié)點的最優(yōu)傳輸路徑。圖2描述了數(shù)據(jù)傳輸階段的流程圖。
3 仿真實驗
為了驗證本文提出的EDEEC路由算法的可行性和有效性，對EDEEC及LEACH、ARPEES協(xié)議在OMNET++仿真軟件中進行了仿真實現(xiàn)。在仿真實驗中，各節(jié)點均勻分布在500 m×500 m的方形區(qū)域內，基站設置在（250，500）的位置，并且能量不受限制，設置所有節(jié)點初始化能量為2 J，其他仿真參數(shù)設置如表1所示。
三種算法的網(wǎng)絡生命周期如圖3所示，橫坐標為網(wǎng)絡進行的輪數(shù)，縱坐標為網(wǎng)絡中剩余的存活節(jié)點數(shù)?？梢钥闯觯琇EACH、ARPEES、EDEEC三種算法的網(wǎng)絡生命周期分別為246、635、691輪，EDEEC算法有效延長了整個網(wǎng)絡的存活時間，是LEACH協(xié)議算法的兩倍多，相較ARPEES提高了8.8%。
4 小結
針對無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境過程中，網(wǎng)絡內各節(jié)點能量消耗不均勻導致部分節(jié)點失效過快，提出了一種基于事件驅動的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控無線路由算法――EDEEC算法。該算法通過減少簇內控制信息的發(fā)送數(shù)量，根據(jù)轉發(fā)代價函數(shù)從候選節(jié)點中選擇下一跳轉發(fā)節(jié)點來縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，減少能量消耗，從而提高整個網(wǎng)絡的生命周期。仿真實驗結果表明，EDEEC算法更好地解決了網(wǎng)絡能量消耗不均衡問題，其網(wǎng)絡生命周期相較ARPEES提高了8.8%，是LEACH的2.8倍。
本研究算法在分簇過程中簇頭節(jié)點選擇時elector節(jié)點是隨機指定的，未考慮節(jié)點剩余能量，后續(xù)研究中應進一步限定elector節(jié)點指定時的最低剩余能量閾值，并通過KeilMDK開發(fā)平臺將算法程序移植到硬件感知節(jié)點，以更好地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實時在線監(jiān)測。
參 考 文 獻：
[1] 李成法，陳貴海，葉懋，等. 一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議[J]. 計算機學報， 2007， 30（1）： 29-38.
[2] 朱勇，卿培. 基于新分簇路由算法的溫室監(jiān)控網(wǎng)絡節(jié)能研究[J]. 儀器儀表學報， 2012， 33（6）： 1420-1426.
[3] Heinzelman W R， Chandrakasan A， Balakrishnan H. Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]// Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences， 2000：1-10.
[4] Heinzelman W B， Chandrakasan A P， Balakrishnan H. An application-specific protocol architecture for wireless networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2002， 1（4）： 660-670.
[5] 蔣建明，史國棟，趙德安，等. 水產(chǎn)養(yǎng)殖參數(shù)無線測量網(wǎng)絡的長生命周期研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2014， 30（7）： 147-154.
[6] 雷剛，王衛(wèi)星，孫寶霞，等. 大面積水稻田無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)設計與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2014， 30（11）： 180-187.
[7] 雷剛，王衛(wèi)星，孫寶霞，等. 基于能量異構雙簇頭路由算法的水稻田無線傳感器網(wǎng)絡[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2013， 29（24）： 139-146.
[8] 歸奕紅. 面向農(nóng)業(yè)監(jiān)控的動態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡路由算法[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學， 2012， 51（11）： 2345-2347.
[9] 趙春江，吳華瑞，朱麗. 一種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡能量控制與動態(tài)路由算法[J]. 傳感技術學報， 2011， 24（6）： 909-914.
[10]Ratnaraj S， Jagannathan S， Rao V. OEDSR：optimized energy-delay sub-network routing in wireless sensor network[C]//Proceedings of the IEEE International Conference onNetworking， Sensing and Control， 2006： 330-335.
[11]Vinh T Q， Takumi M. Adaptive routing protocol with energy efficiency and event clustering for wireless sensor networks[J]. IEICE Transactions on Communications， 2010， E91.B（9）： 2795-2805.
[12]Boukerche A， Pazzi R W N， Araujo R B. HPEQahierarchical periodic， event-driven and query-based wireless sensor network protocol[C]// Proceedings ofthe IEEE Conference onLocal Computer Networks， 30th Anniversary， 2005： 560-567.
[13]Manjeshwar A，Agrawal D P. APTEEN： ahybrid protocol for efficient routing and comprehensive information retrieval in wireless sensor networks[C]//Proceedings of the International Parallel and Distributed Processing Symposium， 2002： 195-202.
關鍵詞：嵌入式單片機；無線智能溫室；ZigBee技術
一、緒論
溫室智能化控制系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的設施節(jié)約型農(nóng)業(yè)技術，在充分利用自然資源的基礎上，通過計算機綜合控制，調節(jié)環(huán)境中的濕度、溫度、光照強度等因子來獲得作物生長的最佳條件，從而達到作物增產(chǎn)、調節(jié)生長周期、改善品質、提高經(jīng)濟效益的目的。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)由簡單的單片機控制，系統(tǒng)運算能力低，難以完成復雜的控制算法。嵌入式單片微機系統(tǒng)不僅增加了溫室系統(tǒng)的網(wǎng)絡支持、并且其出發(fā)能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有很大的提高。同時降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度、成本和消耗、滿足溫室計算機控制系統(tǒng)日益復雜化的需要。嵌入式單片微機在農(nóng)田設施的發(fā)展以及網(wǎng)絡傳輸技術的發(fā)展使得農(nóng)田信息得到精準的判斷和實施的控制。
二、嵌入式系統(tǒng)單片機的發(fā)展
（一）嵌入式系統(tǒng)和單片機的發(fā)展。
嵌入式系統(tǒng)和單片機都起源于20世紀70年代，以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價廉、高可靠性的特點，以及表現(xiàn)出的智能化水平使得微型機被引入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。21世紀初，嵌入式計算機系統(tǒng)進入了單芯化的道路，即嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機的時代。其模式設計是完全按照嵌入式應用要求全新設計，滿足嵌入式應用要求的體系結構、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式等。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)過很長一段時間單片機發(fā)展的道路，不僅能夠實現(xiàn)最底層的嵌入式系統(tǒng)的應用，網(wǎng)絡、通信、多媒體的高端應用也可以通過嵌入式單片機系統(tǒng)實現(xiàn)。
（二）嵌入式單片微機在智能化溫室中的發(fā)展和應用。
溫室智能化控制系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的節(jié)約型農(nóng)業(yè)技術，通過計算機綜合控制，調節(jié)環(huán)境中的濕度、溫度、光照強度等因子來獲得作物生長的最佳條件，從而達到作物增產(chǎn)、調節(jié)生長周期、改善品質、提高經(jīng)濟效益的目的。嵌入式單片微機系統(tǒng)實現(xiàn)對溫室環(huán)境的精準控制和檢測，是智能化溫室環(huán)境的核心。承載無線網(wǎng)絡模塊的單片機的開發(fā)為溫室智能控制系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡技術支持，并且其使用成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點確定了其成為未來農(nóng)田信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
三、網(wǎng)絡化智能溫室系統(tǒng)的構成
（一）網(wǎng)絡智能溫室的分類。
智能化溫室系統(tǒng)根據(jù)信息傳輸方式可分為有線通信方式和無線通信方式兩種。有線通信方式主要有兩種形式，CAN總線通信方式和基于掌上電腦的通信方式，這兩種形式已被廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械多傳感器集成和農(nóng)田信息采集；無線通信方式可分類為長距離通信和短距離通信。長距離通信主要借助于移動通訊網(wǎng)絡如GSM，GPRS等，用于設備遠程監(jiān)控與農(nóng)業(yè)信息遠程采集。短距離通信方式如藍牙、ZIGBEE、RFID等，兩種溫室各有其優(yōu)缺點，應根據(jù)具體的設施環(huán)境和要求選擇和合適的信息傳輸方式。
（二）網(wǎng)絡化智能溫室系統(tǒng)的結構。
網(wǎng)絡型溫室環(huán)境采集控制系統(tǒng)由智能模塊為核心的采集控制系統(tǒng)和處理系統(tǒng)構成，兩者通過局域網(wǎng)交換機連接。處理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收、顯示處理、參數(shù)設置、查詢與分析功能，采集控制系統(tǒng)主要完成空氣濕度、葉面濕度、土壤溫度、空氣溫度、光照強度、營養(yǎng)液液位、CO2濃度、EC值與PH值等溫室傳感器信息的實時采集、顯示、和存儲。
（1）采用CAN總線技術的有線智能化溫室系統(tǒng)。
控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，簡稱CAN)總線是目前國外大型農(nóng)機設備普遍采用的一種標準總線，已被國際標準化組織認證，其控制芯片已經(jīng)商品化，而且性價比高，因此基于CAN總線技術的控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息傳輸系統(tǒng)向智能化發(fā)展的理想系統(tǒng)。
（2）無線溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。
在一些特殊環(huán)境采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)是很困難的，甚至不可能的，此時采用無線方式能實現(xiàn)農(nóng)田信息的自動測量和自動傳輸。ZigBee技術是一種最近發(fā)展起來的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，是一種短距離通信傳播技術，廣泛應用在溫室系統(tǒng)中，其工作頻帶范圍在21400---214835 GHz之間，采用IEEE80211514規(guī)范要求的直接序列擴頻方式，數(shù)據(jù)速率達250kB／s。此外，短距離傳輸技術還有RFID技術，RFID即無線射頻識別。一個RFID系統(tǒng)都是由3部分組成：閱讀器、標簽和天線。其原理是標簽進入磁場后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行相關數(shù)據(jù)處理。這種技術開始應用于濕度、光照、溫度和振動等無線標簽式傳感器之中。
四、基于ZigBee技術的溫室檢測系統(tǒng)
ZigBee技術是近年來才興起的無線網(wǎng)絡通信技術。這種嶄新無線網(wǎng)絡通信技術具備低功耗、低成本、短時延、高容量等特點使ZigBee技術非常適合在無線數(shù)據(jù)傳輸、無線傳感器網(wǎng)絡等方面的應用，為農(nóng)業(yè)設施遠程測控系統(tǒng)從示范到實用的研究搭建了一個不可多得的技術平臺。
IEEE 802.15．4標準支持多種網(wǎng)絡拓撲結構，包括具有層次發(fā)散鏈式結構、主從工作模式的測控系統(tǒng)的結構，根據(jù)農(nóng)業(yè)設施測控系統(tǒng)的特點，所設計的具有層次發(fā)散鏈式結構的系統(tǒng)框。
其中工控機完成命令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的接收、綜合分析處理、顯示和報警。協(xié)調器處在工控機的第一層，以有線通信的方式與工控機通信，負責將其下位機上傳的數(shù)據(jù)與自身的數(shù)據(jù)捆綁在一起以一定的格式存儲在自身的存儲空間，再以約定的方式上傳給工控機。處在末梢的傳感器只負責采集上傳數(shù)據(jù)。。
上述基于ZigBee技術的系統(tǒng)實現(xiàn)了溫室環(huán)境檢測中的中主要參數(shù)(如土壤濕度、溫度、空氣濕度、土光照強度等)檢測與控制系統(tǒng)的內部無線自組網(wǎng)。
五、基于嵌入式單片微機的無線智能溫室的發(fā)展趨勢
ZigBee技術應用在智能化溫室測控系統(tǒng)中是嵌入式單片微機應用在農(nóng)業(yè)工程中的一個具體實例。其表現(xiàn)了初期建設周期短、投資小、易于升級、易于重組，尤其是承載ZigBee技術的片上系統(tǒng)的―無線單片機CC2430的應用，使得系統(tǒng)可以靈活便捷地組成適應不同規(guī)模、不同情況、不同要求的溫室設施測控系統(tǒng)，并且所構建的系統(tǒng)成本次、功耗低、穩(wěn)定可靠、具有低復雜度。
有線傳輸和無線傳輸各有其優(yōu)勢和劣勢，不同的無線通信網(wǎng)絡技術適用場合、環(huán)境各異。實踐證明一無線信息傳輸為技術的農(nóng)田信息傳輸方式具有開發(fā)周期短，維護方便，成本低?？煽啃愿叩葍?yōu)點，有很好的開發(fā)和應用前景，為未來實現(xiàn)溫室測控系統(tǒng)中的信息傳輸?shù)那度胧?、自動化、智能化與網(wǎng)絡化奠定了基礎。
參考文獻:
[1]包長春，石瑞珍，馬玉泉.基于ZigBee技術的農(nóng)業(yè)設施測控系統(tǒng)的設計【J】農(nóng)業(yè)工程學報 2007年.
[2]李棟，張林，徐保。無線溫室信息監(jiān)測系統(tǒng)設計【J】微計算機信息（嵌入式與SOC）2009年25卷.
關鍵詞：井場環(huán)境監(jiān)測；無線通信技術；ZigBee；數(shù)據(jù)采集
項目資助：本研究受油氣消防四川省重點實驗室開放基金項目（No. YQXF201602），2016國家級級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 （項目號：201610615030）資助。
1引言
隨著能源危機的到來，對石油資源的長期、安全、高效開采，已成為大家研究的話題。井場環(huán)境條件惡劣，危險性高，需要監(jiān)控參數(shù)多。由于對相關參數(shù)的控制不及時而造成的一些或大或小的事故，造成這些事故的原因除了所處地質的本身條件外，很多時候都是由于對采油參數(shù)的控制不及時而造成的。進入21世紀，他們不僅使用無線通信技術來對井場環(huán)境進行監(jiān)測，而且在鉆井技術方面也實現(xiàn)了自動化。但是在井場環(huán)境中有線方式在一些應用中存在一定局限性，如需經(jīng)過強腐蝕地段等。因此無線通信技術得到高度重視。無線通信技術具有低功耗、低成本和動態(tài)性等優(yōu)點[1]。它們能夠很好的應用到環(huán)境無線監(jiān)測，因此，研究基于無線傳感網(wǎng)的井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的作用和意義。
2 井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計
2.1 系統(tǒng)硬件的設計框架
本系統(tǒng)采用固定端采集模式，分為終端、路由器、協(xié)調器、上位機四部分。在網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點分布在井場內的各個地方，根據(jù)網(wǎng)絡的覆蓋性以及實際井場的面積，計算出總共需要多少個傳感器節(jié)點。[2]這些傳感器節(jié)點對井場環(huán)境的溫濕度、光照強度以及各種有害氣體進行實時采集。當協(xié)調器上電時，開始對網(wǎng)絡進行建立，然后通過ZigBee的方式與傳感器節(jié)點進行無線連接。系統(tǒng)組成如圖1所示：
2.2 網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計
2.2.1 網(wǎng)絡節(jié)點整體設計
該設計針對的是井場環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，井場環(huán)境一般較惡劣，需要采集的環(huán)境參數(shù)包括可燃氣體（甲烷）、溫濕度、光強、有毒氣體硫化氫以及煙霧等等。在該設計中，整個網(wǎng)絡的主控芯片采用CC2530，它能很好地適應井場環(huán)境的監(jiān)測。除此之外，網(wǎng)絡還應具有傳感器模塊、射頻模塊、電源模塊、通信串口以及天線等來滿足整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的無線通信功能[3]。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、光電傳感器和硫化氫傳感器。傳感器與CC2530芯片都集成在同一塊PCB板子上。通信串口使用RS232。
2.2.2 傳感器電路設計
本設計研究的井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，主要是對井場的環(huán)境參數(shù)進行采集、監(jiān)測，需要對網(wǎng)絡節(jié)點配置相應的傳感器電路。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、CH4傳感器、光電傳感器和硫化氫傳感器。
2.2.3 串口通信電路
本設計的串口通信采用串行通信。這種通信方式可以節(jié)約通信成本，但是傳輸速度比并行慢。串口通信電路就是為了使協(xié)調器與上位機相連，通過上位機對數(shù)據(jù)進行顯示。
2.2.4 其他電路
天線線路使通訊信號能從一節(jié)點通過無線方式發(fā)送至另一節(jié)點；電源轉換電路使9V直流電壓轉換電路轉換成5V直流電壓與3.3V直流電壓。
3 井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計
3.1 單片機端軟件設計框架
單片機端軟件的基本思想是：首先對整個系統(tǒng)上電復位初始化，然后啟動A/D轉換，該A/D轉換器是利用CC2530的電路來實現(xiàn)的，利用相應的傳感器對環(huán)境參數(shù)進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)送給CC2530進行存儲、數(shù)據(jù)處理，最后利用CC2530的RF收發(fā)器對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，然后另外的CC2530進行接收。
3.2 上位機端軟件設計框架
計算機端軟件就是對數(shù)據(jù)進行無線接收，然后通過串口助手對其進行顯示，再利用上位機對數(shù)據(jù)進行處理、保存、報警等功能。
3.3 上位機實現(xiàn)
在該設計中，利用的是LabVIEW來實現(xiàn)的，該界面包括用戶登陸界面，串口配置界面，數(shù)據(jù)與波形顯示界面，同時還具有數(shù)據(jù)保存功能。
4系統(tǒng)測試
4.1 模塊測試
（1）數(shù)據(jù)采集模塊測試
由于實驗限制，本設計在測試的時候僅僅只選用了溫濕度傳感器SHT11和光電傳感器。
（2）通信模塊測試
利用兩塊CC2530模板，一個下載終端節(jié)點程序，一個下載協(xié)調器程序，并將協(xié)調器與上位機通過串口線連接。給協(xié)調器與終端節(jié)點上電，觀察兩個模塊LED顯示情況以及串口助手顯示情況。通過模塊測試，系統(tǒng)能夠正常工作運行。
4.2 整體測試
此時點擊文件路徑處，選擇文件保存的位置，當停止運行時，可以查看歷史數(shù)據(jù)。該圖顯示每隔1秒采集一次參數(shù)，且節(jié)點1和節(jié)點2的參數(shù)能夠很直觀的顯示，通^對歷史參數(shù)的保存，就能對其進行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)故障。
4.3環(huán)境實測
為了驗證系統(tǒng)的可靠性，利用它在實驗室外進行了測試。我們先完成終端、協(xié)調器與路由器的程序下載。之后，我們布置各終端節(jié)點、協(xié)調器、路由器。再對各節(jié)點進行供電，上位機采用電腦進行代替。隨即，我們進行環(huán)境參數(shù)的采集。
測試結果表明，該系統(tǒng)能夠對戶外環(huán)境進行實時監(jiān)測，當環(huán)境參數(shù)超過設定的值時，LabVIEW界面相應的位置就會進行報警。
5結論
本文介紹的基于ZigBee技術的井場環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)。采用無線ZigBee技術作為傳輸方式，同時結合了虛擬儀器技術，對上位機界面進行了設計。經(jīng)過現(xiàn)場實驗表明，該套系統(tǒng)測試過程穩(wěn)定，結果可靠，同時抗干擾能力較強。不僅如此，本系統(tǒng)還可以應用于多種戶外環(huán)境參數(shù)的采集與監(jiān)測。
參考文獻
