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無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)范文第1篇

關(guān)鍵詞：無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置設(shè)計(jì)

0 引言

在很多情況下，監(jiān)控中心都需要對(duì)周邊及關(guān)鍵位置的環(huán)境信息（如溫度、照度、濕度等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理。各探測(cè)點(diǎn)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(shí)，使用無(wú)線方式傳輸無(wú)疑是一種經(jīng)濟(jì)適用的選擇。本裝置要求能在5秒鐘內(nèi)完成對(duì)255個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境溫度和光照信息的無(wú)線探測(cè)，并自動(dòng)巡回或手動(dòng)選擇顯示相關(guān)環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為便于對(duì)周邊多點(diǎn)環(huán)信息進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與各探測(cè)節(jié)點(diǎn)之間信息的無(wú)線傳輸，本裝置由探測(cè)節(jié)點(diǎn)分機(jī)和監(jiān)測(cè)終端兩大部分組成。探測(cè)節(jié)點(diǎn)分機(jī)由單片機(jī)、溫度檢測(cè)電路、照度檢測(cè)電路、無(wú)線發(fā)射電路和接收電路等組成；監(jiān)測(cè)終端由單片機(jī)、無(wú)線發(fā)射電路、無(wú)線接收電路和顯示電路等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各探測(cè)節(jié)點(diǎn)分機(jī)完成對(duì)環(huán)境溫度和照度信息的采集與處理，并適時(shí)向監(jiān)測(cè)終端和鄰近檢測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；監(jiān)測(cè)終端完成探測(cè)命令的、探測(cè)信息的處理、存儲(chǔ)與顯示。

1.1 信息傳送與轉(zhuǎn)發(fā)方案 為防止某個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)在上傳信息時(shí)發(fā)生碰撞，系統(tǒng)采用“時(shí)分復(fù)用”信道的通信方式。約定每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須在規(guī)定的時(shí)隙ΔT內(nèi)完成信息發(fā)送。某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到監(jiān)測(cè)終端發(fā)來(lái)的“探測(cè)命令”時(shí)，或接收到鄰近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)來(lái)的第一個(gè)“探測(cè)命令”時(shí)。啟動(dòng)定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到便開(kāi)始發(fā)送信息。定時(shí)時(shí)長(zhǎng)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)地址不同或是否能直接接收終端“探測(cè)命令”為依據(jù)決定。

當(dāng)監(jiān)測(cè)終端需要探測(cè)環(huán)境溫度和照度信息時(shí)，便以廣播通信方式向各個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)“探測(cè)命令”。能直接接收終端“探測(cè)命令”的節(jié)點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)，某個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)時(shí)間到，便開(kāi)始向終端和鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息（含地址、溫度和照度信息）。終端將信息接收下來(lái)送單片機(jī)存儲(chǔ)、處理；不能直接接收“探測(cè)命令”的節(jié)點(diǎn)（如地址序號(hào)為j的節(jié)點(diǎn)），在接到第一個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)（如地址序號(hào)為i的節(jié)點(diǎn)）發(fā)出的信息時(shí)，便認(rèn)為收到了“間接探測(cè)命令”，于是開(kāi)始啟動(dòng)定時(shí)。由于每轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息需要兩個(gè)ΔT，因此轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)j的定時(shí)時(shí)長(zhǎng)

T=（256-i+2j）ΔT。

定時(shí)時(shí)間到，便發(fā)送含有i節(jié)點(diǎn)地址、j節(jié)點(diǎn)地址與環(huán)境數(shù)據(jù)的信息。此時(shí)，若i節(jié)點(diǎn)收到j(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的含有本節(jié)點(diǎn)（i節(jié)點(diǎn)）地址的信息，表明j節(jié)點(diǎn)需要本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息；若i節(jié)點(diǎn)收到的j節(jié)點(diǎn)信息中不含有本節(jié)點(diǎn)（i節(jié)點(diǎn)）地址的信息，表明j節(jié)點(diǎn)不需要本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息。

1.2 信息處理與顯示方案 由于要求在5秒內(nèi)完成對(duì)255個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息的探測(cè)，考慮到最多可能有254個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息需要轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，監(jiān)測(cè)終端對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的探測(cè)時(shí)間只有幾十毫秒，這么短的時(shí)間無(wú)法實(shí)現(xiàn)“即時(shí)檢測(cè)即時(shí)顯示”，只能將地址信息和環(huán)境信息全部接收下來(lái)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(dòng)巡回顯示，二是手動(dòng)設(shè)定/選擇顯示，三是報(bào)警節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度碼SIG、數(shù)據(jù)包內(nèi)容DIGI和校驗(yàn)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(jī)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(shí)，將進(jìn)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(guò)程，是由單片機(jī)的通用接收端串行接收的，當(dāng)單片機(jī)串行接收到WS后，即著手接收已經(jīng)過(guò)SPL編碼的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011，100的原則進(jìn)行SPL解碼，若出現(xiàn)00或11的情況，認(rèn)為接收端出錯(cuò)，若出錯(cuò)兩次，則信令無(wú)效，若只有一次，則暫時(shí)按000，111處理，留待下一步校驗(yàn)碼糾錯(cuò)。③差錯(cuò)控制編碼檢錯(cuò)與糾錯(cuò)。差錯(cuò)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(lái)不相干的變?yōu)橄喔傻臄?shù)據(jù)，即編碼。傳輸時(shí)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(jìn)行檢驗(yàn)，即譯碼。根據(jù)譯碼結(jié)果進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，由譯碼器自動(dòng)將錯(cuò)誤糾正。這種多余碼元就是校驗(yàn)碼。

2 電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路 各探測(cè)節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)終端的發(fā)射電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。電路一般由脈沖產(chǎn)生電路、脈沖整形電路、調(diào)制與發(fā)射電路構(gòu)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(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用振晶與高速與非門(mén)構(gòu)成的振蕩器來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的載波信號(hào)。

信號(hào)的發(fā)射是通過(guò)線圈耦合的方式實(shí)現(xiàn)的，因而射頻功放應(yīng)選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類，綜合考慮電路的復(fù)雜程度及效率問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選用三極管構(gòu)成的C類放大器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行射頻功率放大和發(fā)射。

常用的數(shù)字調(diào)制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，F(xiàn)SK、PSK電路比較復(fù)雜，本設(shè)計(jì)選擇100%ASK調(diào)制。100%ASK以100%的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證了信號(hào)的較高抗干擾性，解調(diào)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(cè)節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)終端的接收電路可采用相同的電路結(jié)構(gòu)。電路主要由混頻器、本機(jī)振蕩器、中頻放大器、檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路構(gòu)成。

混頻器的作用是提高接收電路的靈敏度、選擇性。如果沒(méi)有混頻電路，接收電路將直接放大接收到的高頻信號(hào)，將會(huì)出現(xiàn)靈敏度低、選擇性差的問(wèn)題。采用混頻器后，將高頻信號(hào)變?yōu)楣潭ǖ闹蓄l，故在混頻器后設(shè)置中頻放大器，中頻放大器在固定中頻上放大信號(hào)，放大電路可以設(shè)計(jì)得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本設(shè)計(jì)中頻放大器中設(shè)置了一個(gè)藕合諧振電路和一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)一步提高接收電路的選擇性和抗干擾能力。由于檢波出來(lái)的信號(hào)較弱，須經(jīng)低頻放大以后才能進(jìn)行比較判決。因此解調(diào)電路部分應(yīng)包括由檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)送單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì) 終端單片機(jī)節(jié)點(diǎn)完成探測(cè)命令、探測(cè)到的節(jié)點(diǎn)信息的處理和顯示。當(dāng)需要探測(cè)節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，終端以廣播方式發(fā)出探測(cè)命令，并啟動(dòng)定時(shí)，定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為512ΔT（ΔT為一個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳信息所需時(shí)間），確保255節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)況下都能可靠探測(cè)。當(dāng)探測(cè)到節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、處理。全部節(jié)點(diǎn)的信息都接收下來(lái)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(jìn)行下一循環(huán)的探測(cè)。主要程序流程如圖2所示。

2.3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 探測(cè)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)完成對(duì)環(huán)境溫度、照度信息和電池電壓的采集與處理，適時(shí)向終端和鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，并根據(jù)臨近節(jié)點(diǎn)的需要及時(shí)向終端轉(zhuǎn)發(fā)信息。主要程序流程如圖3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本裝置為一模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由于各探測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠接收和轉(zhuǎn)發(fā)鄰近節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息，不僅數(shù)據(jù)傳送可靠，而且通信距離遠(yuǎn)比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大。測(cè)試結(jié)果表明：該裝置能夠準(zhǔn)確完整地監(jiān)測(cè)和處理各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息。只要適當(dāng)增加發(fā)射電路的載波頻率和發(fā)射功率就能增加探測(cè)距離和范圍，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝自美.電子線路綜合設(shè)計(jì)[M].華中科技大學(xué)出版社.

無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)范文第2篇

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 數(shù)據(jù)融合

近年來(lái)，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來(lái)越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)都致力于在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布署大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)，它在當(dāng)前我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力是巨大的。

一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器結(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人們可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)、控制，從而極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)和仿生人體器官又被稱為全球未來(lái)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(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

二、IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議

1、IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無(wú)線通信技術(shù)為低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)ZigBee聯(lián)盟也開(kāi)始推出與之相配套的網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的協(xié)議，目的是為了給傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)推出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。該標(biāo)準(zhǔn)一出現(xiàn)短短一年多的時(shí)間內(nèi)便有上百家集成電路、運(yùn)營(yíng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)議棧中物理層與MAC層由IEEE定義，網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用程序框架由ZigBee聯(lián)盟定義，上層應(yīng)用程序由用戶自行定義。

2、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)

ZigBee這個(gè)字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈，來(lái)通知其他蜜蜂有關(guān)花粉位置等資訊，以達(dá)到彼此溝通訊息之目的，故以此作為新一代無(wú)線通訊技術(shù)之電磁干擾。因此，經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期努力，zigbee協(xié)議在2003年中通過(guò)后，于2004正式問(wèn)世了。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是自組織的，并能實(shí)現(xiàn)自我功能恢復(fù)，動(dòng)態(tài)路由，自動(dòng)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻的方式故非常具有吸引力。節(jié)點(diǎn)搜索其它節(jié)點(diǎn)，并利用軟件“選中”某個(gè)節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行自動(dòng)鏈接。它指定地址，提供路由表以識(shí)別已經(jīng)證實(shí)的通信伙伴。

三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域中分散的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集周?chē)南嚓P(guān)信息，并采用多跳方式將這些信息通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)端的監(jiān)控設(shè)備。

四、系統(tǒng)概述

環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層為部署在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)，基站，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)。基站是能夠和Internet

相連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)（或衛(wèi)星通信站），它將傳感數(shù)據(jù)通過(guò)Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時(shí)它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)護(hù)人員（或用戶）可以通過(guò)任意一臺(tái)連入Internet的終端訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測(cè)，溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)保部門(mén)的大氣監(jiān)測(cè)、突發(fā)性環(huán)境事故的預(yù)測(cè)及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測(cè)，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及家庭、辦公室及商場(chǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用。

五、系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)及架構(gòu)

1、系統(tǒng)特點(diǎn)

利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域一般具有以下特點(diǎn)：

（1）無(wú)人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠(yuǎn)距離情況下信息的采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級(jí)品質(zhì)安全可靠。（2）生物群種對(duì)于外來(lái)因素非常敏感，人類直接進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會(huì)破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習(xí)性和分布等。（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相對(duì)比較多，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制。（4）系統(tǒng)實(shí)施、運(yùn)行費(fèi)用要低，無(wú)需鋪設(shè)大量電纜，支持臨時(shí)性安裝，系統(tǒng)易于擴(kuò)展和更新。（5）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，并能夠進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中非常重要的一個(gè)方面。

2、系統(tǒng)架構(gòu)

（1）礦井安全監(jiān)控

礦井利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)井下多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風(fēng)速和氣壓等參數(shù)，通過(guò)井場(chǎng)監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺(tái)監(jiān)控中心。后臺(tái)監(jiān)護(hù)人員通過(guò)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實(shí)施指揮調(diào)度、安全監(jiān)測(cè)，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(cè)

傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用非常典型。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系3Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院（The College of the Atlantic，COA）聯(lián)合開(kāi)展了一個(gè)名為“in—situ”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目。該研究組在大鴨島（Great Ducklsland）上部署了由43個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)上安裝有多種傳感器以監(jiān)測(cè)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(cè)海燕地下巢穴的微觀環(huán)境；使用低能耗的被動(dòng)紅外傳感器監(jiān)測(cè)巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所不。

（3）智能家居

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于家居中，其家用遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。通過(guò)在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時(shí)打開(kāi)空調(diào)，這樣回家的時(shí)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(guān)鍵技術(shù)研究

1、數(shù)據(jù)融合技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的最終目標(biāo)是對(duì)監(jiān)測(cè)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(yīng)用確定，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(diǎn)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(duì)較少，而靠近基站的節(jié)點(diǎn)由于同時(shí)還需要為邊緣節(jié)點(diǎn)路由數(shù)據(jù)，消耗的能量要多2個(gè)數(shù)量級(jí)左右。因此，邊緣節(jié)點(diǎn)必須對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的壓縮和融合處理后再發(fā)送給基站。Intel實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的Huffman算法和Lempel—Ziv算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，使得數(shù)據(jù)通信量減少了2～4個(gè)數(shù)量級(jí)。如果使用類似于GSM語(yǔ)音壓縮機(jī)制的有損算法進(jìn)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(luò)中的許多安全策略和機(jī)制不再適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)缺乏基礎(chǔ)設(shè)施支持，沒(méi)有中心授權(quán)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力很低，這些都使得傳統(tǒng)的加密和認(rèn)證機(jī)制在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)，并且節(jié)點(diǎn)之間難以建立起信任關(guān)系；（2）有限的計(jì)算和能源資源往往需要系統(tǒng)對(duì)各種技術(shù)綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術(shù)等；（3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點(diǎn)之間存在安全耦合，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全泄露必然威脅網(wǎng)絡(luò)的安全，所以在考慮安全算法的時(shí)候要盡量減小這種耦合性；（4）在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和無(wú)線信道的時(shí)變特性，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)成員及其各成員之間的信任關(guān)系處于動(dòng)態(tài)變化之中。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS安全框架在機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播方面已經(jīng)定義了完整有效的機(jī)制和算法，安全管理方面目前以密鑰預(yù)分布模型作為安全初始化和維護(hù)的主要機(jī)制，其中隨機(jī)密鑰對(duì)模型、基于多項(xiàng)式的密鑰對(duì)模型等是目前最有代表性的算法。

七、展望

環(huán)境監(jiān)測(cè)是一類典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在實(shí)際的應(yīng)用中還有很多關(guān)鍵技術(shù)，包括節(jié)點(diǎn)部署、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采樣和通信機(jī)制等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，在環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的研究。并且隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和完善，我們還可以在各個(gè)方面開(kāi)展許多新的應(yīng)用，比如軍用傳感網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)；交通傳感網(wǎng)絡(luò)可以配置在交通要道用于監(jiān)測(cè)交通的流量，包括車(chē)輛的數(shù)量、種類、速度和方向等相關(guān)參數(shù)；監(jiān)視傳感網(wǎng)絡(luò)可以用于商場(chǎng)、銀行等場(chǎng)合來(lái)提高安全性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著無(wú)線傳感設(shè)備性價(jià)比的提高以及相關(guān)研究的不斷深入和傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷普及，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將給人們的工作和生活帶來(lái)更多的方便。

參考文獻(xiàn)

[1]馬祖長(zhǎng)，孫怡寧，梅濤，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述.通信學(xué)報(bào)

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[3]酈亮.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用

無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)范文第3篇

（1.蘇州大學(xué)文正學(xué)院，江蘇蘇州215104；2.蘇州大學(xué)物理與光電·能源學(xué)部，江蘇蘇州215006）

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線透?jìng)鱾鞲芯W(wǎng)絡(luò)的分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用1100E射頻芯片作為無(wú)線收發(fā)芯片，通過(guò)在ATmega128L微處理器中編寫(xiě)透?jìng)魉惴ǔ绦?，?shí)現(xiàn)對(duì)各環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)透?jìng)?，使用RS 232C串口與PC機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域各環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。給出實(shí)驗(yàn)測(cè)試采集到的多組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，說(shuō)明該設(shè)計(jì)可以在400 m內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)254個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量誤差約為±0.1%～±3%。

關(guān)鍵詞 ：無(wú)線透?jìng)?；透?jìng)魉惴ǎ画h(huán)境監(jiān)測(cè)；ATmega128L

中圖分類號(hào)：TN911?34；TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004?373X（2015）18?0128?05

收稿日期：2015?03?10

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201413983005Y）；蘇州大學(xué)學(xué)生科研基金資助項(xiàng)目（2014）

0 引言

環(huán)境信息影響著人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的判定，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了不小的影響[1]。隨著射頻無(wú)線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的多點(diǎn)遠(yuǎn)距離智能化實(shí)時(shí)采集[2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)ZigBee技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)價(jià)值[3]。在工業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)GPRS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井內(nèi)瓦斯等易燃易爆危險(xiǎn)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，極大地保證了工業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程中的安全[4]。這些無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)克服了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式網(wǎng)絡(luò)部署難，維護(hù)成本高，節(jié)點(diǎn)智能化程度低等缺點(diǎn)，極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，ZigBee技術(shù)的穿透性較差，數(shù)據(jù)傳輸距離較近，其他主流無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WiFi，藍(lán)牙，nRF等）對(duì)其同頻干擾較大，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)誤碼率較高[5]。GPRS在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要消耗大量流量，終端芯片資源配置較大[6]。

本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)線透?jìng)鱾鞲芯W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)無(wú)需考慮射頻無(wú)線芯片的收發(fā)協(xié)議和配置方法，可以透過(guò)無(wú)線芯片直接將其當(dāng)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(guò)鉗位電路和電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了RS 232通信的兼容轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線、透?jìng)鱾鞲芯W(wǎng)絡(luò)大大降低了射頻無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件和設(shè)計(jì)研發(fā)成本，保證了通信的距離和準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)400 m 范圍內(nèi)有建筑物遮擋的環(huán)境狀況下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該無(wú)線透?jìng)鳝h(huán)境監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括終端監(jiān)測(cè)部分，無(wú)線透?jìng)骶W(wǎng)絡(luò)，PC監(jiān)測(cè)端。

（1）終端監(jiān)測(cè)部分。微處理器ATmega128L將各傳感器采集來(lái)的環(huán)境參數(shù)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并在LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示各環(huán)境參數(shù)，并與報(bào)警閾值比較。

（2） 無(wú)線透?jìng)骶W(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)透?jìng)魉惴ǎ褂肁T?mega128L將暫存在存儲(chǔ)器中的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合RS 232 有線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為無(wú)線協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端，并與PC監(jiān)測(cè)端的無(wú)線透?jìng)骶W(wǎng)絡(luò)相連接，使無(wú)線通信等效為有線通信。該透?jìng)鞯刃D如圖1所示。

（3）PC監(jiān)測(cè)端部分。PC機(jī)將各個(gè)透?jìng)鳠o(wú)線節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集來(lái)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并將各時(shí)刻的參數(shù)以圖像的形式顯示出來(lái)，并且用戶可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)的需要，通過(guò)PC機(jī)對(duì)系統(tǒng)報(bào)警閾值進(jìn)行修改。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端監(jiān)測(cè)端硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的微處理器均采用AT?mega128L單片機(jī)[7]。它采用獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的內(nèi)部資源可以更好地運(yùn)行相對(duì)復(fù)雜的透?jìng)魉惴?。在指令?zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結(jié)構(gòu)，指令大多為單周期，透?jìng)魉惴ㄔ诠ぷ鲿r(shí)，可以嚴(yán)格的控制時(shí)序，保證通信的準(zhǔn)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(diǎn)能量，保證了各節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。在可擴(kuò)展方面，提供了多個(gè)I/O口，有助于終端機(jī)各傳感器模塊的選擇和擴(kuò)展，防止了各傳感器信號(hào)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(shè)接口）控制器等與無(wú)線收發(fā)模塊相結(jié)合，能夠?qū)崿F(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(cè)終端機(jī)工作時(shí)，電化學(xué)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(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后被放大，然后對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等一系列的加工后再由ATmega128L對(duì)其進(jìn)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(guó)標(biāo)，那么蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)各環(huán)境參數(shù)濃度值會(huì)被輸送到LCD 上顯示出來(lái)。如果在國(guó)標(biāo)的允許范圍內(nèi)，那么只顯示濃度值而不發(fā)出警報(bào)。此外，ATmega128L將各環(huán)境參數(shù)經(jīng)射頻芯片CC1100E傳送到透?jìng)骶W(wǎng)絡(luò)。

2.2 透?jìng)髯越M模塊硬件設(shè)計(jì)

CC1100E芯片在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用UART0通信協(xié)議，ATmega128L可以嚴(yán)格按照時(shí)序讀寫(xiě)用以控制芯片內(nèi)部的32個(gè)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(shè)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(shí)鐘信號(hào)；RF_CS作為片選信號(hào)，僅當(dāng)片選信號(hào)為低電平時(shí)，ATmega128L對(duì)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?jìng)鞯墓?，CC1100E在數(shù)據(jù)接收或收發(fā)狀態(tài)聲明時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)需要巴倫電路和匹配網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 透?jìng)骶W(wǎng)絡(luò)控制算法設(shè)計(jì)

微處理器ATmega128L 通過(guò)射頻無(wú)線收發(fā)芯片CC1100E，把暫存的各參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端，如圖4所示。首先微處理器ATmega128L通過(guò)透?jìng)魉惴刂粕漕l發(fā)射芯片CC1100E發(fā)送信號(hào)校檢標(biāo)志碼。這個(gè)過(guò)程的目的是給遠(yuǎn)程端射頻無(wú)線收發(fā)芯片發(fā)送符合該透?jìng)髯越M傳感網(wǎng)絡(luò)的通信匹配標(biāo)志，以判斷是否為本通信所需的無(wú)線數(shù)據(jù)包。

ATmega128L 通過(guò)CC1100E 連續(xù)發(fā)送校檢標(biāo)志碼0X55 和0XAA 共2 個(gè)字節(jié)，供遠(yuǎn)端芯片查詢確認(rèn)。其次，ATmega128L 通過(guò)CC1100E 發(fā)送校檢結(jié)束標(biāo)志碼0X88 和0XFE，表示校檢標(biāo)志發(fā)送結(jié)束。然后，發(fā)送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度信息Length，告訴接收端芯片本次數(shù)據(jù)包發(fā)送的長(zhǎng)度。最后，ATmega128L從發(fā)送端的緩存中發(fā)送長(zhǎng)度為L(zhǎng)ength的數(shù)據(jù)包。

微處理器ATmega128L 通過(guò)射頻無(wú)線收發(fā)芯片CC1100E，把遠(yuǎn)程端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)接收到本地芯片緩存。如圖5所示。當(dāng)ATmega128L通過(guò)CC1100E收到上升沿校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)碼時(shí)，說(shuō)明有數(shù)據(jù)傳來(lái)，立即喚醒轉(zhuǎn)入接收模式。

接收模式時(shí)，如果接收到的0X55 和0XAA 字節(jié)數(shù)小于6，則說(shuō)明此時(shí)通信與該自組傳感網(wǎng)絡(luò)不匹配，本次通信結(jié)束，進(jìn)入待機(jī)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(shuō)明通信與該自組傳感網(wǎng)絡(luò)匹配，隨后的信號(hào)將是本地芯片所需要的無(wú)線信號(hào)。如果接收到0X88和0XFE，則表明校檢標(biāo)志接收完畢，等待下面的信號(hào)，如果一直沒(méi)有接收到校驗(yàn)標(biāo)志碼0X88和0XFE，則表明本次通信失敗，通信結(jié)束。當(dāng)接收到0X88和0XFE之后緊接著接收到的為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度信息Length，由此判定數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。最后一步，接收緊接著的長(zhǎng)度為L(zhǎng)ength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(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示，首先對(duì)液晶屏和單片機(jī)中的寄存器初始化，寄存器包括A/D 轉(zhuǎn)換寄存器，定時(shí)器0 中斷寄存器和定時(shí)器2寄存器。

將A/D 轉(zhuǎn)化寄存器中的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換函數(shù)后再經(jīng)過(guò)定時(shí)器中斷函數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來(lái)判斷所測(cè)區(qū)域各環(huán)境參數(shù)的濃度和是否發(fā)出警報(bào)，如果發(fā)出警報(bào)，那么ATmega128L的PWM端口決定了蜂鳴器的頻率，如果不發(fā)出警報(bào)，那么各參數(shù)濃度數(shù)據(jù)就直接顯示在LCD 屏上。整個(gè)系統(tǒng)是一直運(yùn)行的，當(dāng)輸入的信號(hào)發(fā)生改變，那么LCD 上的環(huán)境參數(shù)濃度值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。取值頻率設(shè)置為30 ms取一次值，由定時(shí)器中斷函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了清晰地觀察室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的變化情況，使用LabView設(shè)計(jì)了上位機(jī)。上位機(jī)部分程序如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在對(duì)終端機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在400 m 距離范圍內(nèi)，對(duì)5 間不同房間的溫度和甲醛含量進(jìn)行了測(cè)試，其中0xf1為封閉的實(shí)驗(yàn)室，0xf2為封閉的教室，0xf3為封閉宿舍，0xf4為通風(fēng)教室，0xf5為通風(fēng)宿舍。測(cè)試結(jié)果如表1所示。如表1 所示，在密閉狀態(tài)下，所監(jiān)測(cè)房屋0xf1 一天的甲醛濃度都維持在0.06~0.08 ppm，遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家室內(nèi)甲醛濃度標(biāo)準(zhǔn)。教室、實(shí)驗(yàn)室、宿舍等場(chǎng)所由于長(zhǎng)時(shí)間不通風(fēng)，室內(nèi)甲醛的濃度會(huì)比較高，人們長(zhǎng)期生活在這種環(huán)境下，會(huì)對(duì)身體造成嚴(yán)重的傷害。系統(tǒng)采集到的溫度數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)溫度誤差范圍均在3%以下。

4.2 透?jìng)鱾鞲芯W(wǎng)絡(luò)性能分析

通過(guò)對(duì)透?jìng)髂K的測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，每5 s需通信轉(zhuǎn)發(fā)心跳幀一次，空中每幀數(shù)據(jù)都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)一次，最多支持240 字節(jié)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包。當(dāng)空中波特率固定為9 600 b/s通信距離為400 m平原條件時(shí)，通信誤碼率為10-3~10-4。透?jìng)鲾?shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中會(huì)存在一定延時(shí)，適用于傳輸距離遠(yuǎn)且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。

系統(tǒng)模塊在正常工作模式下，通過(guò)控制SLP管腳電平，可以使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)SLP管腳接收到下降沿信號(hào)時(shí)，模塊進(jìn)入休眠模式。處于休眠模式時(shí)，模塊的工作電流小于5 μA。模塊進(jìn)入休眠模式后，RST腳輸入一個(gè)低電平信號(hào)（>1 ms）可以使模塊退出休眠模式，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的無(wú)線通信透?jìng)魉惴?，透過(guò)無(wú)線通信把傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作有線通信使用，工作時(shí)無(wú)需任何用戶協(xié)議，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，自動(dòng)路由?？梢宰詣?dòng)跳頻抗干擾，自動(dòng)路由數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不需單獨(dú)的路由器或中繼器，穿透障礙物能力強(qiáng)，極大地降低了終端芯片的資源利用率和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件成本。環(huán)境采集終端機(jī)，續(xù)航能力強(qiáng)，各傳感器靈敏度高，采集到的各參數(shù)與實(shí)際誤差相差極小。樣品機(jī)實(shí)物圖如圖8所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)速率提高時(shí)，系統(tǒng)通信的誤碼率會(huì)增加，如需進(jìn)一步提高透?jìng)髂K的性能。可采用以下技術(shù)來(lái)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(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而保證通信中的同步問(wèn)題。

在數(shù)據(jù)鏈路層，使用循環(huán)冗余編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)，用以保證數(shù)據(jù)到達(dá)用戶應(yīng)用層以后的可靠性。

注：本文通訊作者為吳迪。

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作者簡(jiǎn)介：于洪濤（1993—），男，江蘇徐州人。主要研究方向?yàn)楣怆姂?yīng)用技術(shù)。

吳迪（1980—），男，江蘇徐州人，博士，講師。主要研究方向?yàn)閮x器儀表與自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)。

無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)范文第4篇

摘 要：根據(jù)無(wú)線通信技術(shù)低功耗、低成本和動(dòng)態(tài)性的優(yōu)點(diǎn)，研究基于無(wú)線傳感網(wǎng)的井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)井場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止井下事故的發(fā)生。系統(tǒng)的硬件由終端、路由器、協(xié)調(diào)器、上位機(jī)四部分組成，主要針對(duì)井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控困難、環(huán)境復(fù)雜、事故易發(fā)的情況。該系統(tǒng)軟件的基本思想是：先初始化系統(tǒng)，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)送給CC2530進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，最后利用CC2530的RF收發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。該系統(tǒng)采用無(wú)線ZigBee技術(shù)作為傳輸方式，同時(shí)結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)，對(duì)上位機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程穩(wěn)定，結(jié)果可靠，同時(shí)抗干擾能力較強(qiáng)且可以應(yīng)用于多種戶外環(huán)境參數(shù)的采集與監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)；無(wú)線通信技術(shù)；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

項(xiàng)目資助：本研究受油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（No. YQXF201602），2016國(guó)家級(jí)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 （項(xiàng)目號(hào)：201610615030）資助。

1引言

隨著能源危機(jī)的到來(lái)，對(duì)石油資源的長(zhǎng)期、安全、高效開(kāi)采，已成為大家研究的話題。井場(chǎng)環(huán)境條件惡劣，危險(xiǎn)性高，需要監(jiān)控參數(shù)多。由于對(duì)相關(guān)參數(shù)的控制不及時(shí)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(zhì)的本身?xiàng)l件外，很多時(shí)候都是由于對(duì)采油參數(shù)的控制不及時(shí)而造成的。進(jìn)入21世紀(jì)，他們不僅使用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)對(duì)井場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且在鉆井技術(shù)方面也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。但是在井場(chǎng)環(huán)境中有線方式在一些應(yīng)用中存在一定局限性，如需經(jīng)過(guò)強(qiáng)腐蝕地段等。因此無(wú)線通信技術(shù)得到高度重視。無(wú)線通信技術(shù)具有低功耗、低成本和動(dòng)態(tài)性等優(yōu)點(diǎn)[1]。它們能夠很好的應(yīng)用到環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)，因此，研究基于無(wú)線傳感網(wǎng)的井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的作用和意義。

2 井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)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(diào)器、上位機(jī)四部分。在網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在井場(chǎng)內(nèi)的各個(gè)地方，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性以及實(shí)際井場(chǎng)的面積，計(jì)算出總共需要多少個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。[2]這些傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)井場(chǎng)環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度以及各種有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。當(dāng)協(xié)調(diào)器上電時(shí)，開(kāi)始對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，然后通過(guò)ZigBee的方式與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線連接。系統(tǒng)組成如圖1所示：

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)針對(duì)的是井場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，井場(chǎng)環(huán)境一般較惡劣，需要采集的環(huán)境參數(shù)包括可燃?xì)怏w（甲烷）、溫濕度、光強(qiáng)、有毒氣體硫化氫以及煙霧等等。在該設(shè)計(jì)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控芯片采用CC2530，它能很好地適應(yīng)井場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。除此之外，網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)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(lái)滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的無(wú)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)研究的井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是對(duì)井場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置相應(yīng)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(shè)計(jì)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(diào)器與上位機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

2.2.4 其他電路

天線線路使通訊信號(hào)能從一節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至另一節(jié)點(diǎn)；電源轉(zhuǎn)換電路使9V直流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成5V直流電壓與3.3V直流電壓。

3 井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)端軟件設(shè)計(jì)框架

單片機(jī)端軟件的基本思想是：首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)上電復(fù)位初始化，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，該A/D轉(zhuǎn)換器是利用CC2530的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，利用相應(yīng)的傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)送給CC2530進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，最后利用CC2530的RF收發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，然后另外的CC2530進(jìn)行接收。

3.2 上位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)框架

計(jì)算機(jī)端軟件就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線接收，然后通過(guò)串口助手對(duì)其進(jìn)行顯示，再利用上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存、報(bào)警等功能。

3.3 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)

在該設(shè)計(jì)中，利用的是LabVIEW來(lái)實(shí)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(shí)還具有數(shù)據(jù)保存功能。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1 模塊測(cè)試

（1）數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)試

由于實(shí)驗(yàn)限制，本設(shè)計(jì)在測(cè)試的時(shí)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(cè)試

利用兩塊CC2530模板，一個(gè)下載終端節(jié)點(diǎn)程序，一個(gè)下載協(xié)調(diào)器程序，并將協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過(guò)串口線連接。給協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)上電，觀察兩個(gè)模塊LED顯示情況以及串口助手顯示情況。通過(guò)模塊測(cè)試，系統(tǒng)能夠正常工作運(yùn)行。

4.2 整體測(cè)試

此時(shí)點(diǎn)擊文件路徑處，選擇文件保存的位置，當(dāng)停止運(yùn)行時(shí)，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(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的參數(shù)能夠很直觀的顯示，通^對(duì)歷史參數(shù)的保存，就能對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)故障。

4.3環(huán)境實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，利用它在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行了測(cè)試。我們先完成終端、協(xié)調(diào)器與路由器的程序下載。之后，我們布置各終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、路由器。再對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，上位機(jī)采用電腦進(jìn)行代替。隨即，我們進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)敉猸h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定的值時(shí)，LabVIEW界面相應(yīng)的位置就會(huì)進(jìn)行報(bào)警。

5結(jié)論

本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用無(wú)線ZigBee技術(shù)作為傳輸方式，同時(shí)結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)，對(duì)上位機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該套系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程穩(wěn)定，結(jié)果可靠，同時(shí)抗干擾能力較強(qiáng)。不僅如此，本系統(tǒng)還可以應(yīng)用于多種戶外環(huán)境參數(shù)的采集與監(jiān)測(cè)。

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無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)范文第5篇

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；沿海濕地；環(huán)境監(jiān)測(cè)；安卓；無(wú)線傳感網(wǎng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171433

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0089-03

0 引言

濕地[1]是地球上具有多種獨(dú)特功能的生態(tài)系統(tǒng)，它不僅為人類提供大量食物、原料和水資源，而且在維持生態(tài)平衡、保持生物多樣性和珍稀物種資源，以及涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候、補(bǔ)充地下水、控制土壤侵蝕等方面起到重要作用。

鹽城工學(xué)院地處沿海城市江蘇鹽城。鹽城因濕地遼闊被譽(yù)為“東方濕地之都”，其市域東部擁有太平洋西海岸、亞洲大陸邊緣最大的海岸型濕地[1]，面積680多萬(wàn)畝，占江蘇省灘涂總面積的7/10，全國(guó)的1/7，被列入世界重點(diǎn)濕地名錄。但隨著氣候變化和人類活動(dòng)的影響，鹽城濕地面積不斷減少，濕地環(huán)境面臨人類活動(dòng)、環(huán)境污染等多方面威脅，濕地保護(hù)和濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)刻不容緩。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)[2]技術(shù)作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人們對(duì)物理世界更加透徹和深入的感知，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有物品與網(wǎng)絡(luò)連接，方便識(shí)別、管理和控制[4]。

作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的無(wú)線傳感網(wǎng)，可以通過(guò)無(wú)線方式自組織組網(wǎng)，并將感知數(shù)據(jù)上傳或下發(fā)，非常適合遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[5]。本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)題[6]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)[7]，實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積濕地環(huán)境的感知覆蓋[8]。感知的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)[9]實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，用戶可通過(guò)PC客戶端、手機(jī)APP[10]等方式實(shí)時(shí)查看濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。發(fā)生異常時(shí)，可通過(guò)短信等方式向用戶報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、自動(dòng)化的沿海濕地環(huán)境智能監(jiān)測(cè)，提高濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)效率，促進(jìn)沿海濕地環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)路線

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分：即面向濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、面向濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的后臺(tái)服務(wù)器。

面向濕地監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在沿海濕地范圍內(nèi)全面部署無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線鏈路，并遵循Zigbee協(xié)議，自組織形成無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地環(huán)境的多參數(shù)、大范圍數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node），匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

面向濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的后臺(tái)服務(wù)器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集得到的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。在濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。用戶可通過(guò)PC或移動(dòng)終端以有線、無(wú)線等方式訪問(wèn)后臺(tái)服務(wù)器，查看濕地環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一邊連接濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，另一邊連接因特網(wǎng)，作為濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)服務(wù)器之間的橋梁，負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺(tái)服務(wù)器。

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

從任務(wù)需求出發(fā)，分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題，有針對(duì)性地提出解決方案。具體來(lái)說(shuō)，在感知環(huán)境數(shù)據(jù)選擇方面，將選擇濕地環(huán)境中的空氣和水體數(shù)據(jù)，如溫濕度、光照、PM2.5、水體PH、水體濁度等參數(shù)進(jìn)行采集和感知。在傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方面，選用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack協(xié)議棧開(kāi)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序。在服務(wù)器后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)方面，選用MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)采集的各種濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。后臺(tái)服務(wù)器使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)后臺(tái)管理件界面，并與移動(dòng)端通信?；贏ndroid平臺(tái)開(kāi)發(fā)移動(dòng)客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)采用自頂向下、逐步細(xì)化的模塊化方式進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。首先進(jìn)行項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)和模塊劃分，然后針對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。模塊開(kāi)發(fā)總是在前期完成模塊的基礎(chǔ)上，不斷將新模塊加入系統(tǒng)，以便于發(fā)現(xiàn)模塊之間的問(wèn)題以及模塊設(shè)計(jì)中的缺陷，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)速度。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

面向沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖3所示。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括9種傳感器節(jié)點(diǎn)，分別是溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、光照傳感器節(jié)點(diǎn)、PH傳感器節(jié)點(diǎn)、水體濁度傳感器節(jié)點(diǎn)、PM2.5傳感器節(jié)點(diǎn)、結(jié)露傳感器節(jié)點(diǎn)、氣壓傳感器節(jié)點(diǎn)、煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)。

這9種類型的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀組網(wǎng)，并將感知的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接Internet。

2.2 后臺(tái)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。后臺(tái)服務(wù)器軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上報(bào)的沿海濕地環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理：一方面利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，另一方面按照移動(dòng)端需求，通過(guò)Socket向移動(dòng)端發(fā)送歷史或?qū)崟r(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.3 移動(dòng)APP設(shè)計(jì)

Android客戶端系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。Android客戶端一方面接收PC端通過(guò)Socket發(fā)來(lái)的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)曲線實(shí)時(shí)展現(xiàn)當(dāng)前濕地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；另一方面，可以查詢PC端存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)并展現(xiàn)。Android客戶端還可設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)某項(xiàng)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，通過(guò)短信主動(dòng)報(bào)警。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)部署了6個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，共連接9種傳感器。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee協(xié)議自組織連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一方面通過(guò)Zigbee協(xié)議接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，另一方面通過(guò)串口連接到服務(wù)器，將接收到的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。在服務(wù)器上部署后臺(tái)服務(wù)器軟件，負(fù)責(zé)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及與Android終端的通信。服務(wù)器和Android終端連接到同一局域網(wǎng)，通過(guò)Socket方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.2 后臺(tái)服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)

后臺(tái)服務(wù)器軟件界面如圖6所示。后臺(tái)服務(wù)器軟件使用Java Swing開(kāi)發(fā)，可通過(guò)串口讀取協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)通過(guò) “啟動(dòng)服務(wù)”按鈕，為Android終端提供Socket服務(wù)，允許Android終端訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

3.3 Android終端軟件實(shí)現(xiàn)

Android終端軟件基于Android Studio開(kāi)發(fā)，可運(yùn)行于主流版本的Android終端上。Android終端軟件主要負(fù)責(zé)濕地環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)異常時(shí)的報(bào)警。

Android終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展現(xiàn)界面如圖7所示。在該界面，點(diǎn)擊“連接”按鈕，軟件將通過(guò)Socket與后臺(tái)服務(wù)器建立連接，接收后臺(tái)服務(wù)器發(fā)來(lái)的濕地環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。濕地環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在二維坐標(biāo)中以動(dòng)態(tài)曲線方式向用戶展現(xiàn)。在二維圖像下有濕地環(huán)境參數(shù)相關(guān)按鈕，用戶可以點(diǎn)擊選擇想要查看的濕地環(huán)境參數(shù)。不同的環(huán)境數(shù)據(jù)以不同顏色的動(dòng)態(tài)曲線實(shí)時(shí)展現(xiàn)。

Android終端歷史數(shù)據(jù)查詢界面如D8所示。在該界面上，用戶可選擇所要查詢的環(huán)境數(shù)據(jù)類型，并通過(guò)文本框輸入查詢數(shù)據(jù)的起始和終止時(shí)刻，點(diǎn)擊“開(kāi)始查詢”按鈕后，以曲線方式展現(xiàn)某項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)在指定時(shí)間段內(nèi)的變化情況。

Android終端環(huán)境數(shù)據(jù)超限閾值設(shè)置界面如圖9所示。在該界面，用戶可為每種濕地環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)置上限和下限值，并設(shè)定報(bào)警短信發(fā)送的目標(biāo)號(hào)碼。當(dāng)某項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)值超出設(shè)定的上限或下限后，指定手機(jī)將接收到報(bào)警短信。

4 結(jié)語(yǔ)

沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沿海濕地環(huán)境9種參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。用戶可通過(guò)Android移動(dòng)端APP實(shí)時(shí)查看濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，查詢指定時(shí)間段內(nèi)的濕地環(huán)境歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)相關(guān)濕地環(huán)境參數(shù)超過(guò)用戶設(shè)定的上限或下限時(shí)將收到報(bào)警短信提醒。應(yīng)用該系統(tǒng)可提升沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和智能化水平，提高沿海濕地資源保護(hù)效率。

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