基于无线传输的环境监测系统研究

摘 要：随着科学技术的迅速发展，环境监测的方法也从原始的人工监测发展为智能化的设备监测。虽然环境监测越来越受到人们的重视，但是目前大多数采用的还是人工及半自动方法采集环境因子，效率低精度差。本文主要提出一种基于无线传输技术的低功耗、智能化、低成本的环境监测系统，本系统可以实现环境监测指标的实时自动测量、自动传输、可视化展示等问题。

关键词：无线传输；环境监测；Zigbee

1 研究背景及意义

近年来新兴了一种性能稳定、传输效果较好的无线数传网络，主要用于传感器间近距离无线通信连接。基于这种无线的传输技术而开发的硬件模块，具有低成本，低功耗，协议简单，安全可靠，自动组网等特点。目前，此项技术已经日趋成熟，并被应用于多种行业。

传统的环境监测的过程一般为接受任务，现场调查和收集资料，监测计划设计，优化布点，样品采集，样品运输和保存，样品的预处理，分析测试，数据处理，综合评价等。同时监测地域的分散性，环境变化过程的缓慢性，监测的时间跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的间断监测。传统的监测方法，对突发状态现象调查无法完成，而应用这种无线传输技术的监测平台可以随时不间断的进行监测。

2 基于无线传输的环境监测系统

本文将无线传输技术用于环境监测，搭建环境监测平台，该平台将具备连续性、追踪性的特点，对突发环境事件的研究提供帮助。将来随着该平台研究更加成熟，还将具备综合性特点，非常符合环境监测的要求。首先将开发的微传感器节点模块按照一定要求布置在监测环境中，实时采集各类环境数据，然后通过中心节点（具有协调器和路由的功能）将数据传递给网关，最后网关将收集到的整个子网络的信息通过系统内网传给基站。基站与一个数据库和 Internet 网联接，将收集到的数据进行相应的处理。最后，终端用户可以通过 Internet 网访问数据库得到自己感兴趣的信息，并且能够根据需要作出下达指令，控制节点运行。实现对环境的实时监测以及下达控制操作的目的。

1）无线技术综述：Zigbee 技术是专门为了低功耗的无线传感器网络研发的通信协议，通过对比 Zigbee技术和其它无线通信技术的特点，总结出 Zigbee 技术是无线传感器网络的最优选择。本文重点从整个构架上阐述了基于 Zigbee 环境监测平台的系统研究。为了适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求，传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求快速的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。Zigbee 协议应运而生，它继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。

2）系统建设：通过 Zigbee 协议采用自组网和多跳的通信方式将环境的变化量传送给了它的上一级网关，网关将收集到的所有子网络的信息，通过事先编译好的系统内网传给更上一级的中心服务器。中心服务器有一个数据库专门存放这些环境的变化量，将它和 Internet 网连接。这样，用户终端就可以通过手机或 PC 机通过相应的服务程序直接访问到 Internet 网数据库得到用户所需要的外界环境的信息。当然，随着这一技术的不断深入发展，用户终端只需按下键盘在千里之外的办公室就可以实现对智能节点的控制。

3 智能节点硬件设计

智能节点的硬件设计包括主控制器模块选择，通信模块选择，各种环境监测传感器选择等。通过比较选择了环境监测中用到的几种传感器，分析它们的型号、特点、输出模式以及外部接口电路。

1）智能节点的设计：智能节点的设计是整个系统硬件设计最核心的部分，它直接放置在监测环境内部，负责数据的采集、处理和传输等功能。节点的设计必须满足具体应用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并为节点配备合适的传感器、必要的计算功能、内存资源以及适当的通信设备。传统的无线传感器网络节点由四个模块组成：传感器模块（A/D 转换、传感器）、处理器模块（微处理器、存储器）、无线通信模块（无线网络、MAC、收发器）、电源供应模块（电池、AD-DC）。本设计在原有基础上添加标准化的接口平台和控制平台，实现更多应用的传感器的添加，以及用户可以下达命令对开关量，模拟量和数字量执行控制。

2）微控制器选择：微控制器模块是环境监测平台节点的核心部分，在微控制器的选择上，需要综合考虑其存储、处理、接口和功耗等多方面因素对硬件平台实现功能的支持。我们选用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是专门为嵌入式应用而设计的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，时钟频率较低（4MHz），可以适用于不同类型设备的指令集。它以可变的片上 RAM（存储范围为 2～10KB）、几个 12 位模/数转换器和一个实时时钟为特征。它的功能很强大，可以执行一个标准无线传感器节点的基本计算任务

3）通信模块选择：通信模块是传感器组网的必备条件，使得独立的传感器节点之间可以互相连接，并能借助多跳将数据回传到节点，即数据汇聚节点。在环境监测中，大量的节点被放置在被监测领域内，能量消耗以及外部对信号的干扰，选择芯片时要充分考虑通信模块抗干扰能力以及能量消耗问题，即在满足信号处理要求的同时尽可能地抵抗干扰和降低系统能耗，延长平台工作时间。

4）传感器模块：传感器是环境监测平台中负责采集监测对象相关信息的组件，与应用紧密相关，不同的应用对涉及的检测量也不相同，有可能是一个模拟量（温度、湿度、光强、气体含量等），也有可能是一个数字量（信号链路质量）或者是一个布尔值（阈门开关、电闸的开合和继电器的位置等）。在环境监测中，传感器模块主要添加的常用传感器有全光谱光强度传感器、可见光谱光强度传感器、有毒气体监测传感器、温湿度传感器等。

5）控制平台：大多数的环境监测，数据采集和传输是系统的主要工作，尽量避免对环境监测对象造成影响，以保证数据采集精度。但是，对于诸如农业环境监控之类，用户希望不仅可以了解农田的各种环境参数变化，而且可以根据采集信息的变化情况对农田环境进行相应调整。例如，在蔬菜大棚内，温湿度是影响蔬菜生长的一些重要因素，当监测平台监测到温湿度高于或低于适合蔬菜生长的范围时需要采取一定的措施来改变大棚内环境温湿度，比如控制喷淋开或关，这就需要引入执行器进行控制。在不同应用中，执行器的功能与作用各不相同，可能是一个继电器开关，也可能是一组运动装置或数控设备，具体需要由系统应用所针对的对象决定。

6）电源模块：电源模块是环境监测平台的能量来源，电源技术的好坏决定了网络工作时间的长短和系统运行成本。目前还没有找到更高效使用时间更长的高能量电池，我们使用的是两节AA 电池，实验效果显示可以维持一个节点工作半个月时间。

7）其他硬件设计：节点模块采用 USB 口作为其程序调试下载端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主机通讯，为了和节点通讯，必须在FTDI设备上安装FTDI驱动。节点模块将会在windows设备管理器中以串行口出现。并行的无线传感器可以同时连接到一台电脑的USB口，每个点，将会接收到不同的串行通信口标识符。天线节点模块的内置天线是一个倒F型的微波传输带，它从电路板底部伸出，远离电池组。倒F型天线是有线单极子，它顶部的截面被折叠下来与地线平行。在读出或写入闪存中数据的时候必须要谨慎，因为它是和无线电通信交叉存取的。这是总线在微控制器上的典型软件应用。

4 平台软件设计

该环境监测平台的软件设计主要通过操作系统 TinyOS 和编程语言 NesC 来完成。本章通过典型应用分析了模块化、基于组件的编程案例。将模块化的程序设计移植于环境监测领域，列出了该平台的软件流程图。最后通过网络数据库的应用开发了一套可视化数据监测平台，实现了远程监测。该平台的软件开发通过开源式 TinyOS 操作系统和基于组件的 NesC 编程语言来实现环境监测数据的发送和接收功能，程序开发周期短，便于修改，对于各种环境监测传感器的添加也很方便。网络数据库的应用开发使人们在办公室就可以直观的看到各种传感器采集的环境监测数据，足不出户就可以对数据进行提炼分析，观测环境变化的一举一动，实现了 24 小时不间断监测，对突发环境情况变化的研究提供了可能。

5 总结与展望

本文设计并实现了一种基于无线传输技术的环境监测系统，它通过使用由大量微型传感器节点组成的环境监测网络，可以对所监测的环境进行不间断的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基础性研究和探讨。搭建了基于无线传输技术的环境监测平台，这个平台具有数据采集和上传、网络可视化、远程控制等功能。在过去智能节点的硬件设计上存在接口不容易扩展问题，主要是由于环境监测中需要添加的传感器类型不同导致输出信号格式不同，另外还有主控芯片输入接口不够用等问题。针对这些展开研究，设计了标准化接口电路，实现了接口扩展。最后需要利用该平台进行了一系列的试验和调试，对采集的数据进行了分析，将该平台应用于环境监测是具有一定科研意义的。

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