无线环境监测范文

无线环境监测篇1

关键词：无线传感器网络，关键技术，传感器节点

 

1 前言

环境保护越来越受到重视，环境监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学的依据。目前无线传感器网络在环境监测中发挥着越来越重要的作用。与传统的环境监测手段相比，使用无线传感器网络进行环境监测有三个显著优势[1]：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对被检测环境的人为影响很小。二是传感器节点数量大，分布密度高，每个节点可以采集到某个局部环境的详细信息并汇总融合后传到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，探测精度高的特点。三是传感器节点本身具有一定得计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的检测，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。因为传感器网络节点对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，所以无线传感器网络适用于多种环境监测应用中。

2 环境监测应用中无线传感器网络节点的硬件设计

图1节点硬件组成

微处理器采用TI公司的超低功耗的MSP430系列处理器，功能完善、集成度高，而且根据存储容量的多少提供多种引脚兼容。

无线通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通过SPI接口与MSP430相连接。

电源用电池供电，使用AA电池。

传感器节点可以不在节点中包含模数转化器，而是使用数字换能器接口。

3 无线传感器网络用于环境监测中的关键技术

3.1 节点部署

好的无线传感器的节点部署必须同时考虑覆盖和连通两个问题。覆盖要求在感知中的每个地方都能至少被一个节点监视到，而连通要求在网络通信上不被分割。覆盖受节点的敏感度影响，而连通受到节点的通信距离影响。

因监测环境的复杂性和监测环境对于外来设备的敏感性、为了获得周围环境的确切参数和为了延长传感器网络部署的有效时间、增强传感器网络的实用性，所以用于环境监测的传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长的要求。

选择可替换、高精度的传感器对于环境监测来说至关重要。一般来说，同类的传感器测得数据之间误差应不超过3%，这样通过一定得补偿机制可以将误差控制在1%之内。选择传感器的另一个重要因素是传感器的启动时间。在启动时间内传感器需要一个持续的电流作用，因此需要采用启动时间较短的传感器以节省能量。

3.2 能量管理

目前的传感器节点大多使用两节AA电池供电，这样的电力在3V情况下大约是2200mAh。如果需要持续工作9个月，每个节点平均每天只有8.148mAh的电量。表列出了传感器节点常用操作消耗的能量。实际应用中需要仔细地在本地计算、数据采集和通信之间分配能量

 

无线环境监测篇2

关键词：无线传感器网络；设施农业；监测；低功耗

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2013）003008202

0 引言

近年来我国以大棚和温室为主体的设施农业正在迅速发展，但与国外相比，我国的设施农业普遍存在科技含量低、生产水平和效益低下等缺点，因此，迫切需要提高我国设施农业的整体水平。信息技术在农业领域中的应用是提高设施农业科技水平的重要环节。我国作为一个农业大国，农业分布呈“小而散”的特点，存在很多小型化的温室生产模式。因此，研制成本低廉、操作简单、可靠性高的设施农业环境监测控制系统是我国现代化设施农业的一个关键。

目前，传统的农业领域自动监测方法通常是通过有线方式将传感器采集的信号传到监测中心。由于农业生产环境分布范围广、地形复杂、环境温度变化大、空气潮湿等因素的影响，极易导致信号传输电缆的老化，从而降低监测系统的可靠性。随着无线通信技术的日趋多元化结合，ZigBee 作为一种近距离、低功耗、低传输速率、低成本、高可靠性的无线通信技术，特别适用于现代设施农业的无线环境数据采集与监测。

1 系统结构

结合设施农业环境监测应用需求，本文构建的基于Zigbee传感器网络的农业环境监测系统的结构如图1所示。

该系统整个监测网络由传感器节点、路由节点、协调器节点和监测平台四部分组成。监测平台是系统的管理中心和数据汇聚中心，协调器节点负责协调和管理网络通信，初始化和启动整个网络后控制路由节点的数据传输。传感器节点位于最前端，用于采集农业环境物理量信息，并通过网络把数据传输至路由节点；路由节点再将收到的各种数据传送给协调器节点。

2 监测传感器节点设计

2.1 节点硬件设计

传感器节点的主要功能是负责采集设施农业生产环境监测区温湿度、光照强度、土壤pH值等物理量信息，并将采集的数据传输给路由节点。整个传感器节点系由传感器模块、处理器模块、无线射频模块、电源管理模块等四部分组成。监测传感器节点结构框图如图2所示。

传感器节点各硬件模块功能简介如下：

（1）传感器模块。该模块主要集成了各种传感器，对温度、湿度、光照强度、土壤PH值等物理量进行采集，由 AD 转换器将模拟电信号转换成数字信号。其中温湿度传感器采用的是数字温湿度传感器DHT21，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器；本方案中选择TSL2561作为光强度传感器，它具备高速、低功耗、宽量程、可编程且可以根据用户灵活配置等优势；CO2浓度传感器采用超低功耗红外二氧化碳传感器COZIR-A，其他传感器接口已经留出，方便以后进行扩展。

（2）处理器模块。该模块负责控制整个传感器节点的操作、数据的存储和处理，是传感器节点的核心。在农业环境监测系统中根据低功耗和处理能力的需要，本系统采用TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149。它具有RISC CPU内核，内部集成了12Bit模数转换器、内部温度传感器、16位定时器A和定时器B、串行异步通信端口UART0和UART1（软件可选择UART/SPI模式）、硬件乘法器，多达48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空间和2kB的数据空间等诸多外设，可直接用JTAG仿真调试。MSP430F149具有多种模式可选，在设施农业环境监测系统中，可根据不同的需要，切换模式以降低系统功耗。

（3）无线射频模块。无线射频模块主要是控制信息的无线收发。无线通信模块消耗了整个传感器节点的绝大部分能量，故选择低功耗、高性能的射频模块是整个系统的关键之一。基于现代设施农业环境监测的实际情况，本系统无线射频模块采用CC2430无线射频芯片。无线射频模块采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430内部集成了RF收发模块，利用2.4GHz公共频率，应用于监视、控制网络时具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势；该芯片性能稳定，具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，正常工作时需要的外部元器件极少，与主控制器接口简单，特别适合低功耗的无线传感器网络的应用。

（4）电源管理模块。电源管理模块为系统其它各模块提供持续、稳定的能量供应，由于此监测终端为户外不间断工作，为降低功耗，电源管理模块加入低功耗的管理和控制，通过软件机制实现多种工作模式（包含正常模式和休眠模式），当节点不工作时系统即进入休眠模式。考虑到系统将长期使用，可以通过外接电源或外接蓄电池和太阳能电池板以保证系统的持续供电。

2.2 节点软件设计

基于环境监测系统长时间工作的需要，传感器节点软件系统设计的关键是在保证能有效实现必要功能的前提下最大限度地减小节点的能耗。无线传感器网络中监测节点的能耗主要集中在通信能耗和传感器模块的能耗，而通信能耗要远大于传感器模块能耗。因此，节点电源打开后，完成ZigBee模块和传感器模块的初始化，建立通信链路后，设置唤醒时钟并进入休眠模式。节点软件设计程序流程如图3 所示。

3 网络拓扑结构

一般设施农业监测的规模和范围不大，因此本系统的网络拓扑选择简单的星型网络结构，通过对多个监测节点发送的数据进行分析可以判断环境监测区域的状态。系统启动后，根据网络协议组建网络，为节点分配地址。当监控平台查询数据时，系统根据地址分配执行数据采集。

4 结语

将无线传感器网络应用于现代设施农业环境信息检测具有传统农业监测方式无法比拟的优势。本文提出了基于ZigBee传感器网络的设施农业环境信息实时监测系统的设计方案。介绍了系统的总体结构和传感器节点的硬件及软件系统设计。本文提出的这一无线传感器监测系统，具有低成本、低功耗、可靠性强等特点，为现代设施农业生产环境信息监测提供了一种有效的解决方案。

参考文献：

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无线环境监测篇3

关键词：农田环境参数；无线传感器网络；传感器节点；实时监控；ZigBee

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2012）15－3334-02

Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

YANG Fang

（School of Physics and Mechanical ＆ Electrical Engineering， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract： For farmland environmental conditions，monitoring was difficult，a farmland information monitoring system based on sensor wireless sensor networks was designed targeted the status of farmland environmental conditions． The system used sensor nodes to collect the farmland environmental parameters and send them to the control center for further analysis and processing by the ZigBee technology． Farm managers could precisely and intuitively control the key parameters in the process of crop planting and it has good practical value．

Key words： farmland environmental parameters； wireless sensor networks； sensor nodes； real－time monitoring； ZigBee

我国是农业大国，农业是国民经济的基础产业，农业生产受到温度、湿度、水分等多种农田环境因素的影响。因此，在农业生产过程中引入现代信息技术，可以准确、高效地收集农田信息，对提高农产品产量具有重要意义。

针对农田环境复杂、监测难度大等特点，充分利用无线传感器网络灵活而强大的组网功能，设计了基于ZigBee无线传感器网络的农田环境监测系统，该系统由传感器节点、汇聚节点、互联网和用户终端等组成［1］，利用安装在被监测区的传感器节点采集农田环境参数后，通过ZigBee技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的空气温度、相对湿度、CO2含量、水位等关键参数，对在农业生产过程中实现增产节能有着很好的实用价值［2］。

1 农田环境监测系统总体结构设计

ZigBee技术是一种短距离、低速率的无线通信技术，被广泛应用在无线传感网络的组建中。与其他无线通信技术相比，ZigBee具有网络容量大、工作频段灵活、架构简单、功耗低、成本低、可靠性高、组网能力强和安全等优点［3，4］；ZigBee由终端设备、协调器和路由器构成。终端设备是指传感器节点，将其按一定规律安装在农田里，配备低功耗的微处理器，监测空气温度、相对湿度、CO2含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量等参数。一定区域内的传感器节点构成一个簇，这些节点又分为簇首和普通节点。簇首主要进行数据的融合及转发，能把簇中普通节点采集到的信息发送到上级的协调器，也能把协调器接收的信息在簇内进行传播；普通节点只能与本簇的簇首交换信息。协调器把监测到的信息传输到网关，然后网关通过GPRS把数据传送到监控中心。ZigBee网络主要有网状和星状，星状拓扑结构简单，但是覆盖能力差，且只要簇首出现故障整个网络就瘫痪；网状拓扑覆盖能力强、可靠性好，但结构复杂［5］。农田区域环境复杂，存在很多不利因素，为提高ZigBee的精确性，该设计采用星状—簇首—路由拓扑结构［6］（图1）。

2 功能模块设计

2．1 硬件结构设计

1）传感器节点。ZigBee无线传感器网络由传感器节点组成，传感器节点一般由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块组成（图2）。

数据采集模块主要由空气温度、相对湿度、CO2含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量传感器以及A／D转换器组成，负责监测区域内以上参数的数据。数据处理模块对采集模块获得的数据进行处理和存储；无线通信模块主要是和簇首或协调器交换信息；电源模块向系统提供能量；传感器节点多选用低功耗器件，而且节点大多数时间处于休眠状态，所以电源模块可使用干电池。簇首节点因为频繁发送数据耗费能量多，可使用光电池供电。

2）网关。网关的任务是把传感器节点监测到的数据由ZigBee网络通过GPRS发送到监控中心及对数据进行处理和存储。网关由电源模块、存储模块、控制模块、射频模块以及相关I/O接口组成（图3）。

无线环境监测篇4

[关键词]环境监测无线传感器网络钨矿

中图分类号:TP301文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110055-01

本文通过对当前的钨矿环境监测系统现状的研究,结合无线传感器网络技术、嵌入式系统技术和网络通信技术,设计和实现了一套适用于钨矿环境的无线传感器网络环境参数监测系统。

一、矿山环境无线传感器网络总体设计

由于有线监测系统其自身的局限性以及生态环境的复杂性,特别是无法对危险环境进行监测,导致在某些场合有线监测系统已导致在某些场合有线监测系统已不能满足人们的需求[1]。针对钨矿复杂的环境,分析了系统的结构体系,设计了一种适用于钨矿环境参数监测的无线传感器网络系统结构。该结构为一个层次型网络结构,底层为部署在监测环境中的终端无线传感器节点,上层依次为无线传感器汇聚节点、传输网络、上位机(监控计算机),最终连接到Internet和公司局域网。系统总体架构如图1所示。

二、无线传感器网络节点硬件设计

(一)节点硬件结构设计

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块组成[2]。传感模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器采集的信号转变为数字信号并传送给处理器模块。处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理和实现网络安全可靠的通信协议[3]。无线通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发数据。能量供给模块负责为节点各个功能模块供电。

(二)各功能模块设计

1.微处理器模块

在选择微处理器时切忌一味追求性能,选择的原则[4]应该是“够用就好”。现在微处理器运行速度越来越快,但性能的提升往往带来功耗的增加。一个复杂的微处理器集成度高、功能强,但片内晶体管多,总漏电流大,即使进入休眠或空闲状态,漏电流也变得不可忽视;而低速的微处理器不仅功耗低,成本也低。另外,应优先选用具有休眠模式的微处理器,因为休眠模式下处理器功耗可以降低3～5个数量级。考虑实际需求,本设计中处理器模块选择ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L单片机。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最强大的单片机。该单片机具有体积小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、唤醒时间短、运行速度快、成本低和足够的外部接口等特点。

2.无线通信模块

无线通信模块选择Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18umCMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。该无线收发芯片具有集成度高,工作电压低、功耗低和灵敏度高等优点,易于得到厂商提供的协议栈和开发套件。

3.传感器模块

根据项目的应用背景和实际需要,选择传感器对监测区域内的温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行监测。在节点的硬件设计和研制中,充分考虑了传感器的能耗、精度、采样频率、与微处理器的接口特性等要求。为了提高节点的可扩展性,在节点中提供了可扩展不同传感器的接口。

设计中选用了温湿度传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、电化学传感器分别对温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行探测。选用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的数字温湿度传感器SHT10采集环境的温度和湿度。粉尘传感器选用日本神龙公司的粉尘传感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧气的探测分别选用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生产的电化学传感器6004二氧化碳传感器、O2/I-06氧气传感器、CF-1000一氧化碳传感器。

4.电源供给及管理模块

能量是无线传感器网络最宝贵的资源,它决定着传感器网络的寿命。为了满足降低节点能耗的目标,节省系统电源,传感器模块只有在工作时才启动,因此电源供应及管理模块中研究了采用TI公司TPS 79501传感器模块电源控制器。TPS 79501具有超低噪声、高PSRR、高电平启用等特点,输出为1.2V～5.5V电压可调的低压降稳压器,驱动能力达500mA～7.5A。

三、节点软件系统设计

无线传感器网络节点是个资源受限的嵌入式系统,包括硬件资源受限、带宽有限、能量受限及补给困难的特点,决定了现有的一些嵌入式操作系统(如Linux操作系统)不能很好适用于传感器网络节点。

TinyOS是目前传感器网络的主流操作系统,采用基于组件的体系结构,应用程序的各个功能都是由相应的组件实现的。当事件对应的硬件中断发生时,TinyOS的事件驱动机制能够快速地调用相关的事件处理程序,从而使CPU在事件发生时迅速执行相关任务,在处理完之后进入睡眠状态,从而有效的提高了CPU的使用效率,并且节省了能量。

四、结论

在钨矿环境监测中采用无线传感器网络,利用传感器节点功耗低、工作时间长、成本低、能自组织地通信以及在危险区域和大面积监测中容易布置等特点,能够实现钨矿环境参数低成本连续在线监测,较传统在线监测系统具有更大的优势,对于矿山安全具有重要意义。

基金项目:国家自然科学基金项目(No.50764005)

参考文献:

[1]黄布毅、常亚军、张海霞等,基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计,通信技术,2008,41(9):170～172.

[2]孙利民、李建中,无线传感器网络,北京:清华大学出版社,2005.

[3]姜连祥、汪小燕,无线传感器网络硬件设计综述,单片机与嵌入式系统应用,2006.11.

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[5]马潮,高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南(上),北京:北京航空航天大学出版社,2004.

作者简介:

无线环境监测篇5

关键词:RS485串口;ZigBee无线网络;监测;作物生长;环境因子

中图分类号:TP277;TN92文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)10-2421-03

Designing Wireless Network for Monitoring Environmental Factor of Crop

Growth Based on RS485

XIAO Qian-hu,WENG Shao-jie,HE Fang,XIA Ze-hao,ZHANG Wen-qing

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China)

Abstract:A circuit was designed to convent analog signal to Modbus RTU format digital signals with with RS485 serial port.Wireless network used ZigBee to transmit data. The communication distance of the ZigBee wireless network was studied theoretically and tested in production base. The estimated distance was 1 691.99 m. The tested distance was 1 680 m with 7.09% error in sunny day.Because of the influence of rain,the tested communication distance was 1 520 m with 10.16% error.

Key words: RS485 serial port;ZigBee wireless network;monitor;crop growth;environment factor

基金项目:国家星火计划项目(S2011E200025);2013年海南省研究生创新课题项目(s22)

作物生长环境因子如土壤温湿度、空气温湿度、光照度等,对作物生长有着重要的影响。近年来,国内外对作物生长环境因子的采集方式、数据传输方式及上位机监测有许多研究报道,采用无线传感器网络的采集和传输方式得到了快速的发展[1-3]。根据检测参数的不同,分为地上参数检测传感器网络和无线地下参数检测传感器网络。李莉等[4]开发出了基于无线传感器网络的温室环境监测系统,该系统采用GRPS与远程管理中心通信,实现了温室的温度、湿度和光照度等6个参数的监测。Akyildiz等[5]开发了一种检测高尔夫球场的近地表土壤水分的传感器网络系统,设计了采集节点、汇聚节点和网关节点。目前,采集方式多以电流或电压输出的传感器为主,导致连接模块过多,系统的扩展性和灵活性不足。针对此不足,采用RS485串口通信、标准Modbus RTU数据格式以及ZigBee无线网络,设计了监测作物生长环境因子的无线传感器网络,以供参考。

1网络结构

1.1 网络构成原理

网络主要由采集节点、路由节点和汇聚节点构成,结构如图1所示。传感器芯片和转换电路构成了采集模块,完成现场数据的采集。传感器芯片采集的数据以标准的4~20 mA电流或者0~5 V电压输出到转换电路。转换电路中的A/D模块,将电流或电压模拟信号转换成Modbus RTU数字信号,然后经RS485串口输出到ZigBee路由。ZigBee路由端口也是RS485串口,每个ZigBee路由节点携带多个采集模块,实现对作物生长环境因子监测,所有的ZigBee路由通过无线网络传输到ZigBee汇聚节点,然后通过GPRS/Internet传输到上位机。

1.2转换电路的设计

采集模块中的转换电路,将传感器芯片输出的模拟电流或者电压信号转换成标准Modbus RTU的数字信号,转换电路图如图2所示。在转换电路中,采用12位的A/D转换精度,并对信号和电源进行了隔离。每个RS485串口可携带255个采集传感器。所有的相关参数保存在非易失的存储器EEPROM中。数据采用Modbus RTU协议进行格式转换,将模拟信号转换为数字信号。

1.3网络的通信

整个网络的建立由ZigBee协调器发起,其余节点主动寻找网络号,并根据预设的网络号加入相应的网络,每个终端设备都有全网惟一的设备地址。设备地址和网络地址是区分采集设备和无线网络的ID。整个网络的数据包括查询指令和上传采集数据方向相反。上位机是局域网的IP地址,在交换机上采用端口映射的方式,实现数据的交换。ZigBee无线网络中,采用数据透传方式,进行数据传输。上位下达的查询指令以及下位机上传的采集数据。采集的数据是Modbus RTU格式,由设备地址、功能码、采集原始值和校验码构成。数据流通的环节依次为采集模块、RS485串口、ZigBee、GPRS、Internet、DriverForGprs、KVCom和KingView。

2网络测试与分析

2.1 通讯距离的理论估算

根据802.15.4a信道的特点,IEEE组织在环境中进行了实际测量,构建了基于802.15.4a信道,且适用于2~10 GHz(UWB),100~1 000 MHz的信道传输路径损耗模型,表达式如公式1。

Pr=PtAantGtGrPLo■■(1)

其中,Pr为接收机功率,单位为dBm;Pt为发射机功率,单位为dBm;d为发射机与接收机的距离,单位为m;d0为参考距离等于1 m;Gt为发送天线增益;Gr为接收天线增益;Aant为天线衰减因子,单位为dB;s为损耗计算的标准方差,单位为dB;PL0为参考距离下的损耗大小,单位为dB;fc为参考中心频率等于5 GHz;k为频率影响修正系数。

对公式(1)进行推导,可得通信最大距离,如下公式2。

dmax=10■

(2)

结合郭宏福等[6,7]研究、本系统的ZigBee路由和汇聚节点的硬件参数和测试结果,得出公式的修正参数(表1)。其中,Gt和Gr都等于1。

在ZigBee模块中,将信道分为11~26号通道,每个信道带宽2 MHz,信道间隔5 MHz。WiFi有11个信道,每个信道带宽22 MHz。其中,4个ZigBee信道,即第15、20、25和26信道处于WiFi信道的频带间距上,受到的干扰最少,其余信道落在WiFi信道上。为了减少ZigBee信道被WiFi的干扰,信道可选择上述4个信道之一,本系统采用第25信道。经计算第25信道的中心频率(f)为2.475 GHz,ZigBee路由与汇聚节点的通信距离是1 691.99 m。

2.2生产基地的测试

在实际作物生长环境中,同样也会受到地表地貌、植株密度与高度以及天气等的影响[8]。节点对地面的高度影响信号的强度和丢包率。越贴近地表,损耗越大。郭秀明等[9]在苹果园中测试表明2.4 GHz的无线信号衰减符合对数路径损耗模型,且在高度约为3 m时为最佳布置位置(3 m为苹果树的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李钰等[10]在小麦田中测试表明2.4 GHz无线信号衰减符合对数距离路径损耗模型,随着损耗指数与天线指数呈对数衰减,并且衰减指数随着小麦的长高而增大,建议安装高度略高于成熟植株,约1.2 m。根据研究成果表明,ZigBee发射和接收信号端,要避免植株的茎,尽量高于或者低于枝叶茂盛部位。本测试在种植甘蔗和其他作物的生产基地进行,安装高度高于普通农作物高度,即2 m,分别在晴天和雨天进行通信测试。

2.2.1 传输距离测试ZigBee无线网络通信距离的测试采用网络节点距离逐渐增大的方法进行测试,直到彼此间不能通信。测试结果表明,晴天网络的通信距离较长,相隔较长距离仍能通信,可视距离达1 680 m,与理论最大估算距离的误差为7.09%;雨天的通信距离有较大缩短,可视距离为1 520 m,与理论最大估算距离的误差为10.16%,有较大的误差,主要受到雨水的影响。

2.2.2丢包率分析采用物联网综合分析仪IOTA-1100对网络的丢码率进行测试,测试距离从100 m逐渐增大到1 700 m。数据包的发送采用每秒钟发送14个数据包,发送时长为5 min,然后计数接收到的数据包,计算丢包率。分别在晴天和雨天两种天气条件下试验,节点的信息传输情况晴天、雨天见表2。

3小结

采用传感器芯片和自主设计的转换电路及ZigBee无线网络,设计了基于RS485串口的无线传感器网络。该网络将传统的传感器电流或者电压输出方式变为标准的RS485输出,一个端口可携带255个采集传感器,提高了系统的扩展性和通用性,ZigBee无线网络采用数据透传的方式。采用信道损耗模型,对网络的最大通信距离进行了理论估算。在生产基地对通信距离和丢包率进行了测试,并得出了相应的误差和丢包率。

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无线环境监测篇6

随着市场经济的发展，原有的环保监测手段已经无法满足现实需求，特别是无法满足环保局的需求。环保局作为重要的环境监督场所，需要采用先进的技术，并对其进行更新，才能更好的满足环保需求。因此，必须对不能满足环保局需求的环境监测系统进行改进，以便更好的满足环境需求。环保局如何更好的应用环境监测系统，已经成为环保局工作的重点。

一、环保局环境监测系统实施中出现的问题

1.环境监测系统中压缩传输和处理问题

环保局环境监测系统是由大量相连的微型传感器节点构成的传感网络，不仅能对高精度数据进行搜集，同时也能克服人工监测效率低、不准确的缺点。但是随着传感器的逐渐增多，相应节点在采集、输送处理数据过程中常会出现一些故障，特别环保局环境监测系统在传送突发事件时，相应数据的存储、压缩、检索及实时反映等会给环保局检测系统带来无法避免的问题。传统数据的压缩方法是很难兼顾压缩效率和信号保真度的，再加上XML自身描述性对监测系统中大量的性能低，使得相应数据无法达到精确需求。从中可以看出，压缩传输和相应的处理是监测系统中的重点、难点。

2.环境监测系统无线监测、传输问题

随着环境的不断变化，环保局对监测手段提出了新的需求，不仅要求其能对数据进行动态监测、采集和预测，还要其能数据进行相应的分析管理。但是传统的环境监测手段是以固定电话的方式进行有线通讯，不能对远距离的监测点进行实时监测、数据采集及无线通讯传输。虽然现在环保局对数据监测、数据收集传输进行了研究，但却只限于对无线通讯技术、GIS的独立应用进行研究要想更好的实现环保局实时监测、数据采集和通讯传输，就应该对在此基础上发展更多的业务，以保证环保局工作的顺利进行。

3.环境系统远程监测问题

我国是多物种国家，生物具有多样性，其分布的地域不同，受环境因素的影响相对比较明显，这就需要对相关环境信息进行监测。传统的环保局环境监测系统一般都是以模拟传感采集数据为主的，其是通过A/D进行转化的，并将总线接入PC机，以实现现场监测。这种环境监测系统数据采集方式无法满足地点比较分散、布线比较困难的区域。再加上传统环境系统采用是多复用技术，其主要是用硬件实现传感器接入的，在实施的过程中，常会出现一些问题。其输出的准确度会因内部的阻抗而下降，也可能因为传感器接入时的交换，而出现相应问题。在这种情况下，就应该对远程环境监测进行相应的研究，以促进环保局工作的顺利进行。

二、改进环保局监测系统实施的措施

1.解决压缩处理问题，保证数据的准确性

要想解决压缩数据问题，就要对需要压缩的数据进行分析，就应该在系统中使用FAST协议，并对系统中的数据进行高效压缩处理，并实现实时传输处理。FAST协议与XML协议都是协议，都为数据流编码协议，其核心是一种数据压缩算法，主要功能是对相应的消息进行处理、存储和传输，再加上其容量较高，数据传输性能相比较稳定，能保证环保局环境监测系统数据传输的稳定性和准确性。在使用FAST协议的时候，可以对系统的域级进行操作，以减少数据流中较长的信息，并传输编码序列化数据，使域的长度和相应字段分隔流等结构进行自身描述，可以将环保局环境监测系统中压缩的数据以TCP进行相应的传输，并由控制层对会话、初始化、结束及相应错误报告进行控制，以减少数据压缩效率低和信号精确度低问题。

2.解决无线监测和传输问题，为环境决策提供依据

随着技术的发展，以SMS、CPRS为基础的无线通讯技术已经开始在环保局及环境监测系统中使用。在环境监测管理中，也采用了可视化管理分析预测GIS技术。但是这些并不能从根本上解决数据监测和传输问题，在此基础上，还应该发展一种基于GIS的短信业务、GPRS的环境系统方案，并建立无线通讯技术SMS及GPRS对相应监测数据进行无线传输，服务器的端会对无线传输数据进行处理，并将相应的内容显示在系统屏幕上，通过GIS空间数据功能对相应的数据进行可视化分析，再通过相应协议对远程数据进行实时控制，以实现对污染源的分析决策。

3.解决远程环境系统监测问题，实现远程控制

随着网络化的发展，特别是通讯技术的发展，我国利用公共网络已经实现的远程通讯。基于公共网络的的通讯技术在环境系统中应用，实现了远程通讯控制，其优势是投资少、成本低，可靠性高、免维护等特点，能够更好的解决环保局环境监测和数据传输问题。为了更好的解决复用技术和传感器问题，可以利用嵌入式系统进行管理，可以以管理任务多的特点，就应该将传感器作为一个新任务进行管理，以实现相应效果。这种传感器是一般是以温度、湿度及二氧化为基础的数字传感器，其可以实现远程，并在传输过程中将相应的数据打包，按照相应的定义格式进行分析处理，并将远程数据存在数据库中，为环保局研究相关数据提供依据。

四、结束语

环保局不仅要对空气、水体、土壤、生态进行监测，还要对噪声余振东、固体废弃物及核辐射进行监测。在这种情况下，环境监测系统必须具备数据采集、传输功能，特别是远程采集和传输功能。在此基础上，还要对相应的数据进行管理分析，一旦发现问题，可以及时解决，以保证环保局工作的顺利进行。

参考文献：

[1]段振华.吴宁, 朱吉.无线多媒体环境监测系统的设计与实现[J].计算机与数字工程.2011.(02).

[2]潘辉,刘靖,赵方园,袁昊.基于MMA7261的运输包装环境监测系统[J].微计算机信息.2011.(05).

无线环境监测篇7

关键词：110kV输变电；电场；磁场；强度；无线电干扰

中图分类号：X59 文献标识码：A

近年来，工业发展和社会用电的需求大大增加，为适应地区经济发展的需要，电网建设急速发展。越来越多的电力工程深入到城市、乡村，更接近人们的日常生活。但输变电、变电所等电力工程在给当今社会带来现代文明的同时，也伴随着产生一种特殊的、看不见的污染-电磁辐射污染。由于这种电力工程环境问题所引发的纠纷与争议也日益增多，一定程度上影响了社会主义和谐社会建设。为此，本文结合110kV输变电工程，分析了电磁辐射对环境的影响程度，对搞好输变电工程的环境保护工作至关重要。

1 输变电工程环境污染主要因素

1.1 工频电场和工频磁场

电磁辐射（Electromagnetic Radiation）是带净电荷的粒子被加速时，所发出的辐射，又称为电磁波。随时间作工频周期变化的电能量产生了工频电场（power frequency electric field），随时间作工频周期变化的磁能量产生了工频磁场（power frequency magnetic field）。电磁辐射对人体的危害，主要表现为热效应和非热效应两大方面。

1.2 无线电干扰

输电线路导线表面发生电晕及其他放电，电晕及其他放电的同时产生的效应之一就是无线电干扰（简称RI，Radio Interference缩写），无线电干扰的实质，就是在电晕和放电的过程中，出现一些有害的电磁波，且频带相当宽，从频率上说，从低频50Hz到高频上千兆赫兹的范围。这些频率会干扰周围无线电通信设施的正常运行。

2 监测方案

2.1 方案原则

依据相关国家标准和电力标准对变电站和输电线路的工频电磁场、无线电干扰场强以及噪声进行监测，根据现场考察和工程实际情况，以确定监测点位和选取敏感目标。

2.2 监测设备

本次监测采用设备见表1。

3 110kV输变电工程电磁辐射对环境的影响分析

本次所有监测时的天气均为天气晴朗，温度（8～19）℃，湿度52%～73%，天气状况符合DL/T988-2005《高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法 》“工频电场和磁场监测时的环境湿度应在80%以下”。对某110kV输变电工程的工频电磁场、无线电干扰场强和噪声进行了实地监测，监测数据如下。

3.1 变电站周围

表2监测数据显示，变电站四周距地面1.5m处工频电场强度和磁场强度均低于HJ/T24-1998中工频电场4kV/m、工频磁场强度0.1mT的推荐限值。0.5MHz频率无线电干扰场强低于GB15707-1995中的限值46dB（μV/m）。

图1监测数据显示，由于受围墙阻隔工频电场强度在0m处低于距围墙外5m处，变电站墙外工频电磁场随距离增大呈衰减趋势。

3.2 输电线路

输电线路断面选择在地势较平坦，远离建筑物和树木，没有其他电力线和通讯、广播线的地方。监测点位起始于在档距中央附近，远离线路交叉及转角。

图2监测数据显示，工频电场强度从距中相导线10m处开始衰减，工频磁场强度从中相导线0m处开始衰减，数值随监测点位距中相导线距离增加而衰减。

表3监测数据显示，距中相导线20m处频率为0.50MHz无线电干扰场强数值低于GB15707-1995中的限值46dB（μV/m），频率为（0.15～30）MHz无线电干扰场强数值差异较大。

3.3 敏感目标

通过现场勘测和评估需求，对变电站或输电线路距离较近、人口密集的居民区医院学校等、群众反映意见比较大、高架线路稠密区和跨越区进行布点。综合考虑变电站（线路）工程与环境敏感目标的距离和敏感目标的结构特征，选取有代表性的敏感目标进行监测。同一地点，当敏感目标结构基本相同时，可先监测距离变电站（线路）工程最近的敏感目标，如果不超标，其他敏感目标可不进行监测。

监测数据显示，变电站西侧35m村庄的工频电磁场强度远远低于国家限值，无线电干扰场强处于许可范围内；输电线路的3处敏感目标各项数据均达标，由于村庄距线路较近，工频电磁场强度较其他敏感目标大，应当注意做好防护工作。

4 对建设好110kV输变电工程的一些思考

目前，建设单位的环境保护意识逐步增强，能够认真执行包括环境影响评价、竣工环保验收等在内的环保制度，积极主动办理各项环保手续。然而在输变电环保验收中也有诸多问题，主要体现在周边群众与输变电工程的矛盾。现场监测往往需要向周边群众反复的解释，主要集中在以下几个方面。

4.1 无线电干扰限值

GB15707-1995《高压交流架空送电线路无线电干扰限值》明确规定了距导线投影20m处0.5MHz无线电干扰限值（80%的时间、具有80%置信度），（0.15～30）MHz频率中除0.5MHz外其它频率可按照相应公式予以修正。随着通讯工业的迅速发展，无线电各频段被逐步占用，致使无线电环境趋于复杂。在实际测量中出现某些频率超限值的情况，而这不仅仅是输变电工程的影响所致，这类情况就难以辨别。

4.2 “坏天气”环境影响

按照GB15707-1995中的“好天气”要求，现场监测避开了阴雨大雾冰雪等“坏天气”，然而“坏天气”中空气湿度增大会使电晕噪声和静电感应得到增强，这些影响比“好天气”更大，因此建议增加“坏天气”的监测。

4.3 房屋拆迁和占用土地纠纷

新建变电站站址和输电线路塔基占用新征土地，赔偿费用由建设单位与当地村委会协商后交付，群众无参与权无知情权于是会产生猜疑。群众猜疑产生抵触心理，一定程度上影响建设单位的施工。赔偿费用协商应该公开公正透明，杜绝此类弊端，此类纠纷以乡村居多。

4.4 公众参与问题和输变电对环境影响的无知

在监测中，群众最关心的是变电站和输电线路产生的工频电磁场对人的影响。群众匮乏电磁辐射方面知识，久而久之对输变电工程产生了恐惧心理。建议建设单位在施工之前对周边群众做好宣传，可以出告示、专人现场答疑和出具相关国家标准等各种方式；环保验收之后，建设单位可出示现场监测数据；协助周边群众正确认识输变电工程消除恐惧心理。

结语

综上所述，输变电工程的电磁辐射会对环境造成不利影响是个不争的事实。但根据上述分析，只要在输变电工程设计时，履行环境保护手续，保护好敏感目标，电磁辐射对环境是安全的。另一方面，国家应该制定并出台电磁辐射方面的有关法规，界定电磁辐射影响的范围和具体标准要求，加大宣传、普及电磁辐射及防护知识，引导公众对电磁辐射的影响的正确了解，加强自身的保护意识，对减少电磁辐射对环境的影响显然有着重要的意义。

参考文献

[1]邬雄.电场、磁场和电磁场的环境问题[J].电力环境保护，2007年第04期

无线环境监测篇8

关键词： 农场监控； 无线传感网络； ZigBee； 组态王

中D分类号： TN915?34； TP27 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）02?0137?04

Abstract： An intelligent monitoring system is studied， in which the ZigBee wireless sensor network is applied to the farm environment monitoring. The system structure， network topology structure and hardware structure of the ZigBee wireless sensor network in farm environment were designed. The minimum system of the main controller， radio frequency circuit， power supply circuit， humiture sensing and acquisition circuit， illumination intensity sensing and acquisition circuit， soil moisture sensing and acquisition circuit， and communication device hardware were designed. The KingView software is used to design the upper computer software interface for farm monitoring. The monitoring software interface is divided according to the functions， which contains the monitoring main interface， farm environment real?time data curve interface， farm environment history data curve interface， farm environment history data report interface and farm environment history alarm data report interface. The experimental results show that the design has reached the expected target.

Keywords： farm monitoring； wireless sensor network； ZigBee； KingView

0 引 言

农业从最初的原始农业发展到了传统农业，同时随着科学技术的发展现代农业已经逐渐开始替代了传统农业，成为农业未来的主要发展形式[1]。在农业生产技术逐渐发展的过程中需要实时、精确以及动态地获取田间信息。其中田间信息主要包含作物生长信息，光照强度、湿度以及空气温度等农田周围环境信息，地理位置信息以及土壤水分、电导率、pH值等土壤属性信息。应当通过无线处理、分析和传输所采集的数据，进而管理田间农业，这样对于农业生产以及农业管理有非常积极的作用[2]。

1 系统总体结构

为了对农作物生长的最佳条件进行确定，需要对二氧化碳浓度、光照强度、空气温湿度、降水量、土壤养分以及土壤水分等因素进行测量，这样在调控农业生产的过程中就能够通过参考这些数据来提升经济效益、调节生长周期以及改善农作物品质。通常情况下农田具有较广的覆盖面积，但是不具有较大的地势起伏，同时农田周围具有较为空旷的环境，高压电塔以及基站等不会造成相应的干扰，所以利用无线通信技术来对农作物环境信息进行获取具有较强的实用效果[3]。

监理网关以及采集区域是整个无线传感网络的农场智能监控系统的主要组成部分。农田中ZigBee节点组成了采集区域，能够对农田环境的相关信息进行采集，进而利用节点间路由关系有效地传输数据，这样网关节点就可以获取相关的信息[4]。

农场监控传感节点的硬件结构如图1所示。

单个无线传感采集节点主要由主控芯片和各个传感电路组成，实现对农场环境的温湿度、光强度、土壤水分及pH值进行实时监测。

接收无线网络传感器所采集的信息主要通过监测网关来实现，同时对这些信息进行处理。另外区域经纬度信息也能够通过GPS模块进行测量。这样就可以对采集区域的具置进行确定，另外还能够精确地定位农田中的传感器节点[5]。

ZigBee网络拓扑结构中，星型网络主要包含多个从属设备以及一个协调器。其中网络的控制和启动由协调器来负责，协调器能够直接实现与网络内设备的通信，同时还能够通过协调器进行数据的收发。但是这种网络受到通信范围的影响，在小范围无线通信系统中应用比较广泛。

树状网中，终端设备、协调器以及若干路由节点是树状网络的主要组成部分。网络初始参数的设定以及网络的建立由协调器来负责。通过数据的转发路由节点能够对网络通信范围进行扩展，因此网络通信具有较好的同步性，能够对网络内设备的休眠进行控制以达到节省功耗的目的。由于其具有扩展性好以及网络通信范围广的特点，因此在一些大范围无线系统中应用比较广泛[6]。网状网络能够实现完全的点对点通信。信标无法在网络中定期的发送，各个网络节点之间无法同步地进行通信，另外还需要应用同步机制来对网络进行维持。但是这种网络路由选择具有多样化的特点，同时具有较广的通信范围，因此在一些比较复杂的无线通信系统中应用比较广泛。

在距离较近以及圆形分散的无线传感器网络中星型网络比较适合。树状网络在多终端节点网络中比较适合应用。多跳式路由通信在网状网络中应用比较广泛，在一些比较分散以及距离较远的无线传感器网络中应用比较广泛。因此本文使用树状拓扑网络。

ZigBee无线网络中，路由节点、协调器、终端设备为主要设备。在整个 ZigBee网络中协调器发挥着非常关键的作用，是网络建立的基础。在完成初始化以后协调器就能够将网络设备中的网络地址进行分配，进而对物理通道进行确定。终端设备短地址的收回以及分配由路由节点来负责，另外还可以将网络中的数据进行转发。其中数据无法通过终端设备来转发 [7]。

2 ZigBee无线传感网络节点硬件系统

通信装置以及无线传感节点是系统的硬件M成部分。终端节点、路由节点以及协调器是ZigBee网络中节点的三种主要类型。采集控制模块、终端节点以及路由节点是无线传感节点的主要构成模块。GPRS 通信模块以及协调器是通信装置的主要组成部分。

无线传感网络中的网络节点能够对农场的环境状态进行检测。通过网络协议能够将每个农场区域的传感节点组合成ZigBee网络，网络的主控节点为通信装置，这种路由既能够对网络结构进行维持，又作为Internet和网络节点的接口，网络节点和后台服务器之间的数据传输能够通过该模块实现。

农场智能监控的无线传感网络系统硬件设计主要包括：对主控器最小系统、无线射频电路、供电电路以及传感采集电路进行设计。本文研究的农场智能监控的无线传感网络系统的节点中实验TI 公司2.4 GHz射频芯片 CC2530作为主控芯片。

（1） 主控器最小系统。CC2530最小系统的硬件电路如图2所示。最小系统电路是保证主控器正常运行最基本的电路[8]。

（2） 无线射频电路。在进行无线射频电路设计时，使用巴伦电路实现双端口转换单端口从而完成天线和馈线匹配最优。无线射频匹配电路如图3所示，当需要CC2530 模块向外发送数据时，差分射频端口 RF_P，RF_N将数据发送至巴伦电路转换为单端信号，再由天线发射。当需要CC2530 模块接收数据时，天线接收到的信号由巴伦电路进行转换并发送至RF_P，RF_N 端口，完成接收[9]。

（3） 供电电路。供电电路由220 V交流电源供电，通过变压器、桥堆和稳压芯片LM7812转换为供给控制器工作的12 V直流电源以及供给传感采集电路的5 V直流电源。5 V直流电源再经过LM1117?3.3芯片转换为供给CC2530芯片及电路工作的3.3 V直流电源。

（4） 温湿度传感采集。本文通过SHT10温湿度传感器采集农场环境的温湿度。如图4所示。

SHT10传感器的数据端口DATA和SCK与CC2530芯片的P1_4和P1_5端口连接[10]。

（5） 光照强度传感采集。本文使用光敏电阻MG45作为农场环境光强度的检测器件，光敏电阻能够将光能转换为电能，实现对光强度的检测。光强度对于农场作物生长具有重要作用，因此需要实时地对农场环境的光强度进行监测，为农作物叶面指数的监测提供数据支持。光敏电阻MG45传感器的数据端口与CC2530芯片的P0_0端口连接。如图5所示。

（6） 土壤水分传感采集。本文使用SWR?2型水分传感器对土壤中水分进行实时监测。水分传感器SWR?2与CC2530芯片连接如图6所示，传感器的数据端口与CC2530芯片的P0_6和P0_7端口连接[11]。

（7） 通信装置硬件。通信装置硬件的主控芯片使用LPC2368芯片，与CC2530实现数据的传输。通信装置使用华为 GTM900C 无线模块作为GPRS模块。通信装置硬件结构如图7所示。

3 农场监控上位机软件设计

本文使用组态王软件设计农场监控上位机软件的界面。通过功能划分监控软件界面，监控软件界面主要包括监控主界面、农场环境实时数据曲线界面、农场环境历史数据曲线界面、农场环境历史数据报表界面以及农场环境历史报警数据报表界面等[12]。监控主界面用于显示当前农场的总体概况和各个监测点的运行状况。监控主界面如图8所示。

农场环境实时数据曲线能够显示最近2 h内的农场环境数据，数据监测间隔为2 min。温度实时数据曲线如图9所示。光强度实时数据曲线如图10所示。

农场环境历史数据曲线界面通过调用组态王中的历史曲线控件实现，历史曲线控件能够记录农场环境历史数据并以数据曲线形式直观显示，并可对农场环境历史数据报表界面通过调用组态王中的历史报表控件实现，历史报表控件能够记录农场环境历史数据并以报表形式显示，并可对数据报表进行打印、保存以及按时间查询等。1号节点的农场环境历史数据报表如图11所示。

农场环境历史报警数据报表界面能够将组态王中的事件报警控件记录的异常报警事件以报表形式进行显示，异常报警事件通常包括无线节点信号丢失、传感节点数据超过设定的上下限值。

4 结 论

本文研究一种将ZigBee无线传感网络应用到农场环境监测的智能监控系统，对农场环境ZigBee无线传感网络的系统结构，网络拓扑结构以及硬件结构进行了设计。使用组态王软件设计农场监控上位机软件的界面。通过功能划分监控软件界面，监控软件界面主要包括监控主界面、农场环境实时数据曲线界面、农场环境历史数据曲线界面、农场环境历史数据报表界面以及农场环境历史报警数据报表界面等。

参考文献

[1] 孙玉文.基于无线传感器网络的农田环境监测系统研究与实现[D].南京：南京农业大学，2013.

[2] 刘志强.基于无线传感器网络的仓库环境监测系统设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2008.

[3] 代媛.基于ZigBee无线传感器网络的农田信息监测研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.

[4] 郭家.基于ZigBee网络的农田信息采集系统的设计[D].郑州：河南农业大学，2013.

[5] 杜元生.基于无线传感器网络的室内环境监测系统设计与实现[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[6] 何赛.基于ZigBee的城市照明监控系统的研制[D].苏州：苏州大学，2012.

[7] 郑煊，刘萌.基于ZigBee和GPRS的城市照明监控系统的设计[J].照明工程学报，2011（4）：21?25.

[8] 姜男澜，陈仙云，蔡明.基于ZigBee和LabVIEW的新型城市照明监控系统[J].中国科技信息，2014（7）：155?157.

[9] 刘民静.基于ZigBee无线传感器网络的作物生长环境监控系统[D].济南：济南大学，2014.

[10] 于江.基于无线传感器网络的农作物生长环境监测系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[11] 贺芳，翁绍捷，唐荣年，等.作物生长环境信息无线监测系统的设计与实现[J].江苏农业科学，2014（11）：435?437.