無線環境監測大全11篇

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篇（1）

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、家庭防盜系統、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、單片無線收發芯片XE1209，其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統，可以實現2次連續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。可以工作在4種不同的狀態下：待機狀態、發送狀態、接收狀態和空閑狀態。（2）方案確定：綜合分析以上三種方案的優缺點，方案三具有更大的優越性、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

由于本系統中的兩個探測點采用兩節1.5V干電池供電，并要求盡量降低各探測節點的功耗，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，其集成了許多系統級的功能，大大減少了元件的數目并降低系統的成本。

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。由于無線收發芯片已經確定使用了單片射頻收發芯片TH7122，其在發射模式下產生載波頻率，可以采用FSK/ASK/FM三種調制方式，但是在本系統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的方案。（4）總體方案根據以上分析與論證，我們確定了總體設計方案：監測終端硬件以P89LPC922為主控制器，以液晶5110、無線收發模塊為受控模塊。探測點也以P89LPC922為主控制器，以無線收發模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。（如圖1）

2 系統測試及數據分析

2.1 測試儀器及設備

（1）UT30D數字萬用表。（2）SS-7802 20M數字示波器。

2.2 測試方法及數據

（1）測試方法。1）分模塊進行測試：對探測節點的光照檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對探測節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）數據記錄。直接對單個光敏電阻進行光照變化時的阻值測量，記錄數據如下：（如表1）

2.3 數據分析

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，所記錄的數據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

本系統主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發芯片TH7122、低耗電數字溫度傳感器TMP102等構成，很好地實現了外部環境的監測：光照與溫度，并且性能比較好。很有市場前途。

參考文獻

篇（2）

目前，信息化、網絡化的技術不斷提高，無線傳感器網絡將多種網絡技術進行融合，使其功能更加完備，同時讓其優點更加突出。文中將對無線傳感器網絡在井下環境監測應用的概況進行闡述，并對無線傳感器網絡在井下環境監測中的應用進行具體的研究，旨在提高無線傳感器網絡的工作效率。

1 無線傳感器網絡在井下環境監測應用的概況

1.1 無線傳感器網絡在井下環境監測應用的優點

在井下環境監測應用無線傳感器網絡主要有以下幾方面的優點：其一，無線傳感器網絡的成本低，其網絡具有自組性，成本較低，能夠實現快速的網絡布置。其二，無線傳感器網絡的性能更高，無線傳感器網絡在井下環境監測應用過程中，現場的數據可以通過中間節點進行傳送，在保證其成本的同時，還能夠保證其功耗，進而實現了其性能的提升。其三，無線傳感器網絡的穩定性、抗毀性增強，無線傳感器網絡在井下環境監測應用過程中，將面對各種復雜的情況，其網絡將滿足不同的需求。

1.2 無線傳感器網絡在井下環境監測應用的現狀

目前，隨著網絡技術的發展，無線傳感器網絡的技術也在不斷提高，通過對其研究，發現其發展速度是驚人的，其技術不斷應用到實際工作中，無線傳感器網絡在井下環境監測應用中的作用愈加顯著。但在我國的許多部門還未能對無線傳感器網絡進行有效的應用，主要是由于無線傳感器網絡作為新鮮事物被人們接受需要一定的時間，無線傳感器網絡的優點還沒有被及時的發現，且對其學習、掌握的程度普遍偏低；同時無線傳感器網絡的技術還有待進一步提高，對其網絡結構、節點設計等方面的技術還需要深入研究。

2 無線傳感器網絡在井下環境監測中的應用

2.1 無線傳感器網絡的構成

無線傳感器網絡融合了各種網絡技術，如：微電子技術、現代網絡技術、無線通信技術等，對這些技術的綜合應用，實現了對環境監測的實時性、準確定、真實性，通過監測、感知、采集各種環境中的信息，并對其進行處理，再通過無線方式進行傳送。無線傳感器網絡的構成主要有以下幾方面：傳感器節點、匯聚節點、外部網絡與用戶界面。無線傳感器的節點設置在感知區域范圍內，通過自組方式構成網絡，并將采取的數據進行傳遞，在傳遞過程中其數據將被節點處理，經過匯聚節點，通過外部網絡對其進行統一處理。

傳感器網絡作為一種新型的網絡系統，有著特殊的特點，主要表現在以下幾方面：第一，網絡規模大。在監測范圍內將設置大量的節點，對其環境能夠進行全面的監測，并且傳感器節點的設置十分密集，實現了對監測范圍信息的準確獲取，提高了系統的容錯性能。第二，網絡的自組織。傳感器網絡在應用過程中，其節點將設置在不固定的地方，讓其進行自組，具有較強的自組織能力，同時將形成對監測數據的多跳無線網絡。第三，網絡的動態性、可靠性。傳感器網絡將實現網絡的動態性、可靠性，對變化的環境具有良好的適應力，其傳感器網絡具有移動性，能夠適時加入新的節點。

在井下環境監測中無線傳感器網絡由大量節點與匯聚節點構成，節點傳感器感知監測環境的信息，對其信息進行處理，無線收發模塊將信息通過節點進行傳遞，轉發到基站交換機，通過串口轉給主機，進而實現對井下環境的監測。其中節點的設置要根據井下監測環境進行科學、合理的安排，才能實現對井下環境全面的、系統的監測，才能掌握井下的環境信息。節點通過自組織形式構成網絡，可以采用平面結構與分層結構。

2.2 無線傳感器網絡的節點設計

傳感器的節點普遍是微型嵌入式系統，它是無線傳感器網絡的保證，其質量直接影響網絡的穩定，同時節點具備兼顧傳統網絡節點終端與路由器的功能，不僅可以對本地信息及數據進行處理，還可以對其他節點的信息及數據進行處理。匯聚節點的功能相對較弱，對信息處理、存儲與通信，要通過外部網絡才能實現，并將數據傳遞到外部網絡。

在井下環境監測過程中，其傳感器的節點的設計，要考慮其溫濕度傳感器、光傳感器、瓦斯傳感器及無線數據傳輸模塊，才能適應井下環境監測。

2.3 網關設計

網關設計是重要的，網關是連接無線傳感器與外部網絡的通道，將傳感器節點收集的數據通過網絡傳遞到遠程服務器，同時網關也可以通過無線網絡對傳感器節點傳遞控制指令，進而實現傳感器節點收集數據的任務。對于井下環境監控，其網關的設計可以考慮采用三星的處理器，其電源供應可以考慮外部電力。

2.4 系統軟件設計

系統軟件設計主要涉及兩方面，即節點應用程序與上位機程序的設計。井下環境監測可以采用多任務實時操作系統，這一系統的使用將提高模塊的效率，并支持多跳通信的傳感器應用程序組件機構；傳感器節點的工作流程是睡眠、被喚醒、正常工作的模式，軟件控制傳感器的節點處于睡眠狀態，當被喚醒后，將進行信息的采集、傳遞等任務。當傳感器節點處于睡眠狀態下時，無線模塊將處于低電流的接受狀態，實現了傳感器節點自動定時傳遞數據的功能。

3 總結

無線傳感器網絡作為新興的技術，其發展是迅速的，并具備一定的優勢，通過對其應用，將提高對環境的監測。文中對無線傳感器網絡在井下監測應用的概況進行了分析，并闡述了無線傳感器網絡在井下監測的具體應用。

參考文獻

[1]鞏傳捷，李玉良，金巍.無線傳感器網絡在井下環境監測中的應用[J].煤礦機電，2012，12（03）：50-51.

[2]馬德新，徐鵬民，許金普等.無線傳感器網絡在環境監測中的應用[J].行業資訊，2013（12）：81-82.

[3]劉佳，薛文，何堅強等.無線傳感器網絡在環境監測中的應用[J].后勤工程學院學報，2011，5（03）：63-65.

作者簡介

篇（3）

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

隨著國家對煤礦安全生產日益重視，研究新型技術保證煤礦安全生產成為關注熱點。礦井監測系統在采掘巷道采用有線傳輸方式存在的局限性一是采掘過程中巷道結構不斷變化導致線纜同步延伸麻煩、成本高[1]，二是對移動機械設備和一些特殊角落難以布置監測節點實現礦井全方位監測[2]。由于ZigBee無線通信技術具有低功耗、低成本、應用簡單等特點，本文設計了基于ZigBee技術的礦井環境監測系統。

2 礦井監測系統總體設計

礦井監測系統的系統結構及在井下布置情況如（圖1）所示，它分為井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485總線。因為礦井主巷道服務年限長，環境較好，采用有線方式不易損壞且長期不用移動。

采掘巷道采用zigbee無線通信方式，Zigbee采用網型組網方式，里面有三種類型節點。

（1）協調節點。協調節點連接到主巷道的RS-485總線接口上，它負責上位機和ZigBee網絡中未掛接到RS-485總線上的節點之間的數據轉發。

（2）路由節點。路由節點必須依次在巷道里面較為固定位置布置從而保證巷道里面任何位置都有路由節點對無線信號進行路由中轉。

（3）終端節點。終端節點可布置在移動機械設備上，或布置在一些會隨時移動布置位置的特殊位置。

Zigbee節點間傳輸距離可達10-100m，如果增大發射功率后可達1-3km以上，由于zigbee網絡采用網型結構可通過路由節點實現信息的多級跳轉，因而能夠達到采掘巷道一般網絡傳輸距離不小于10km的要求。

根據現場實際需要，沿坑道每隔一定距離（50-500米）在坑道頂部設置一個ZigBee節點（采用電池或其他電源供電），環境條件比較好的地方可以距離放得遠一點環境條件比較惡劣的地方可以距離放得近一點，同時在其他需要定位的地方也設置一個ZigBee節點，比如巷道拐彎處或者危險區域，巷道分支處應設置節點。注意保證每個節點在它前面和后面都至少能與兩個以上的節點進行通信，這樣當任意1個節點發生故障時，可跳過這個節點與下1個節點直接通信，即避免單線聯系從而保證ZigBee網絡通信的可靠性。

采掘巷道本身是一個回路，可以將zigbee網絡的兩端都連接到RS-485總線上形成一個環形結構，這樣當采掘巷道內某個地方出現塌方等事故時后面的zigbee節點可從另一端將采集數據傳輸給RS-485總線。

2.2 井上部分

上位機通過RS-485/RS-232轉換器掛接到RS-485總線上，采用LabView軟件進行數據接收、存儲和顯示。

3 監測節點硬件設計

掛接在RS-485總線上的監測節點結構框圖如（圖2）所示，其它監測節點沒有RS-485驅動器模塊。

4 礦井監測系統軟件設計

4.1 ZigBee模塊設計

本系統所有節點網絡類型都設為網狀網，發送模式都設為主從模式，數據源址輸出都設為不輸出。

4.2 Modbus協議格式

由于礦井環境監測系統數據傳輸量較大，因而本系統通信協議采用Modbus協議的RTU模式。主機發送的查詢指令、從機返回的正常響應數據幀和異常響應數據幀格式分別如（表1、2）和（表3）所示。

查詢指令的功能代碼為在用戶定義區域中自定義的一個，這里設置為0x60，表示查詢監測節點各端口的監測數據。數據指的是欲查詢監測節點的地址。

正常響應數據幀的數據為5路監測數據。

異常響應數據幀的功能代碼為在查詢指令里的功能代碼基礎上，對其最高位置1，即將0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示異常響應，因而不需要帶監測數據。

4.3 系統通信實現過程

根據監測系統中各節點的功能實現過程可以把這些節點分為三類：第一類是通過RS-485/RS-232轉換器掛接到RS-485總線上的上位機，作為主機；第二類是各采掘巷道ZigBee網絡里掛接到RS-485總線上的節點，作為從機；第三類是各采掘巷道ZigBee網絡里未掛接到RS-485總線上的節點，作為監測節點，監測節點包括路由節點和終端節點，路由節點在進行信息路由時是由ZigBee模塊自動完成的，不需要STM32參與數據轉發，因而這兩種節點的STM32功能實現過程相同。下面是這三類節點的功能實現過程。

（1）主機。主機采用輪詢的方式依次發送查詢指令給各監測節點并接收、存儲、顯示監測數據（如圖3）。

（2）從機。從機主要起兩個功能，一個是轉發主機的查詢指令給對應地址的監測節點，另一個是轉發監測節點的返回數據幀給主機。數據幀的起始和結束為3.5個字符時間，波特率設為9600，計算確定該時間可取5ms。從機設定一個變量值time_5ms為定時時間是否到標志，如果定時5ms到則置1，否則為0。當定時器定時5ms到了表示一個數據幀接收完成然后執行查詢指令，基于中斷處理要短的原則，在中斷處理里將time_5ms置1并停止定時器定時，將接收數據幀數組指針指到最前面，將監測環境信息或轉發查詢指令標志置1，然后在主程序里循環判斷標志位執行相應操作。

（3）監測節點。監測節點與從機通信不需進行Modbus協議CRC校驗（ZigBee協議內部已經進行CRC校驗了），但仍采用其數據幀格式使得從機轉發時不需對數據幀處理（如圖4、圖5）。

5 實驗測試

實驗測試時，LabView顯示界面如（圖6）所示，能準確可靠顯示監測節點的五路監測數據和歷史變化曲線，證實了該方案可行。

參考文獻

[1]張嘉怡，劉建文，伍川輝.ZigBee技術在煤礦安全監測中的應用[J].中國測試技術，2008.

[2]覃磊，張杰.基于ZigBee技術的煤礦瓦斯監測系統[J].計量與測試技術，2007.

[3]趙鐵錘.煤礦井下安全避險“六大系統”建設指南[M]北京：煤炭工業出版社，2012.

篇（4）

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0383-01

一、無線傳感器網絡的涵義

無線傳感器網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。它可以對監控對象進行實時監測，采集監控區域內的相關數據，并加以處理后得到準確詳實信息，最終將這些信息發給有需要的人。無線傳感器網絡由大量靜止或移動的節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，協作地實時監測、感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋區域內感知對象的監測信息并報告給用戶。由于它成本低，采用無線通信，不需要固定網絡協助，所以其研究成果應用十分廣泛。

二、無線傳感器網絡體系結構

無線傳感器網絡是由非常多的微型傳感器節點組成，它們的功能并不完全相同，但是構造大體相同，大都是由數據收集、處理、發送和電源四部分構成，網絡中節點的作用是收集數據，數據中轉，或者是類頭節點。收據收集，即收集監測到的數據（如濕度、溫度等），并將其傳送至遠方基站或者是匯節點；數據周轉，即將其他節點發送過來的數據信息，在不經過任何處理的情況直接傳送出去；類頭節點，收集屬于同一類型節點的數據信息，匯總后傳送給上一層級。

系統基本由下面幾部分構成：

（1）傳感器節點。對所監控區域的環境指標進行測量，比如溫度、濕度等，將所監測到的數據傳遞給監控中心。

（2）網關。連接無線傳感器網絡與外網，實現傳感器網絡與外網通信協議的轉換，將傳感器網絡收集到的數據發送至外網，并給下級節點布置監測任務。

（3）遠程客戶端和PDA用戶。通過外網查詢監控中心的數據。

（4）監控中心。布置任務，下達監測命令，以及管理監測數據，主要是匯總分析，統計數據。

三、無線傳感器網絡在環境監測中的應用優勢與現狀

用無線傳感網絡進行環境監測，具有三個比較明顯的優勢。

（1）成本低廉，網絡安裝速度快；

（2）在不增加其他設備的情況下就可以完成數據的傳輸工作，這使得系統性能提高了一個數量級；

（3）網絡堅實，不易被毀壞，能夠滿足某些特殊需求。

關于將無線傳感網絡應用于環境監測中，國內的學者已經做得很多研究，并獲得了一些研究成果。在美國是研究人員將其用于監測島嶼的生態狀況；在我國，杭州將其用于監測杭州西溪濕地水環境，國防科技大學將其用于環境監測并得到了重要的研究成果。

在我國，無線傳感器網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，它的優勢在哪里；第二無線傳感器網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不同的問題，對網絡結構和傳感器節點等也有不同的要求。

四、無線傳感器網絡在環境監測中的應用

（一）礦井環境監測

對于煤礦企業而言，安全探測是十分重要的，特別是在需求量持續增長的前提下，在長期的開發與使用中，煤礦探測的安全問題愈發的引起了人們的重視。在無線傳感器網絡的支持下，可以很好的實現低成本的探測需求，并且可以在一定程度上提高礦井作業的安全屬性。特別是Zig Bee技術的應用與推廣，可以滿足人們對于井下監控、數據分析、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情況，這對于安全、高效作業目標的實現提供了較大的支持。

（二）軍事環境監測

無線傳感器網絡具有可快速部署、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、監視、偵察與目標捕獲系統的重要組成部分。利用無線傳感器網絡能夠實現對敵軍兵力和裝備的監控，戰場實時監視，目標定位，戰場評估，核攻擊和生物化學攻擊的監測和搜索等功能，目前國際許多機構的課題都是以戰場需求為背景展開的。信息技術必然是未來戰爭取勝的關鍵，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，從而及時的進行戰略的調整。

（三）自然環境監測

1、大氣環境監測

將無線傳感網絡用于監測大氣環境，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點，主要是用于大氣技術參數的監測和收集，還有相配套的放大電路；二是Sink節點，用來匯總數據及向基站傳輸數據；三是服務器，這其中需要兩個服務，一個進行數據處理，一個用于數據傳輸。相應程序也就軟件主要是由用于數據收集、處理和傳輸的相關模塊組成，通常有串口通信、數據轉換、數據統計等功能模塊。它的優點是安裝簡單方便、布局靈活、維護容易、成本低。

2、水環境監測

無線傳感器網絡的水環境監測系統的結構從功能上可以將水環境監測系統分成三級。第一級是以無線傳感器網絡為核心構造的數據采集網絡系統，主要由數據采集節點和協調器節點以及測試儀構成；第二級是Zig Bee/GPRS網關系統，主要負責數據采集網絡中的數據并遠程發送，遠程數據處理中心對數據采集網絡控制命令的發送；第三級是遠程數據處理中心系統，主要負責數據的處理分析和控制命令決策。在整個水環境監測系統中，無線傳感器網絡專注于探測和收集水環境的信息；而復雜的數據處理和存儲等則交給遠程數據處理中心來完成。主要包括以動態曲線的方式實現傳感器信息的在線監測和大量水質數據的存儲。

3、地質監測

無線傳感器網絡在地質監測方面也有很廣泛的應用。對于部分地質較為特殊的區域而言，有效的地質檢測可以很好的促進該區域基礎設施建設，如凍土環境下的交通設施建設，在人力無法實現的前提下，無線傳感器網絡則可以很好的實現。尤著宏等基于無線傳感器網絡的青藏鐵路溫度監測系統，采用多跳的方式將數據從傳感節點傳輸至轉發基站上的匯聚節點，再由匯聚節點利用 GPRS 網絡發送至監控中心。

4、其他應用

無線傳感器網絡在其他領域也同樣具有重要的應用價值，例如在農業信息監測方面，崔光照等針對當前農業環境監測面臨的監測點分散、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絡，對溫度、土地濕度和土壤pH值等環境變量進行在線監測的方法。該方法采用了對等式網絡體系結構，低功耗微小網絡節點以及基于拓撲樹的網絡初始化配置算法。實驗測試表明，節點能夠有效地采集和處理數據，并可以在節點間成功地進行通信。另外，無線傳感器網絡系統在水產養殖、森林監測、家庭環境監測以及管道輸送監測等方面都得到了廣泛應用。

綜上所述，無線傳感器網絡在眾多領域都有著應用，并發揮著極為重要的作用。因此，為使無線傳感器網絡擁有更為廣泛的應用領域，還需要更進一步的深入研究，為社會發展營造更良好的環境。

參考文獻

篇（5）

中圖分類號:TP301文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110055-01

本文通過對當前的鎢礦環境監測系統現狀的研究,結合無線傳感器網絡技術、嵌入式系統技術和網絡通信技術,設計和實現了一套適用于鎢礦環境的無線傳感器網絡環境參數監測系統。

一、礦山環境無線傳感器網絡總體設計

由于有線監測系統其自身的局限性以及生態環境的復雜性,特別是無法對危險環境進行監測,導致在某些場合有線監測系統已導致在某些場合有線監測系統已不能滿足人們的需求[1]。針對鎢礦復雜的環境,分析了系統的結構體系,設計了一種適用于鎢礦環境參數監測的無線傳感器網絡系統結構。該結構為一個層次型網絡結構,底層為部署在監測環境中的終端無線傳感器節點,上層依次為無線傳感器匯聚節點、傳輸網絡、上位機(監控計算機),最終連接到Internet和公司局域網。系統總體架構如圖1所示。

二、無線傳感器網絡節點硬件設計

(一)節點硬件結構設計

傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供給模塊組成[2]。傳感模塊主要負責監測區域內信息的采集并將各種傳感器采集的信號轉變為數字信號并傳送給處理器模塊。處理器模塊負責控制整個節點的數據處理操作、路由協議、功耗管理、任務管理和實現網絡安全可靠的通信協議[3]。無線通信模塊負責與其他節點進行無線通信,交換控制消息和收發數據。能量供給模塊負責為節點各個功能模塊供電。

(二)各功能模塊設計

1.微處理器模塊

在選擇微處理器時切忌一味追求性能,選擇的原則[4]應該是“夠用就好”。現在微處理器運行速度越來越快,但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個復雜的微處理器集成度高、功能強,但片內晶體管多,總漏電流大,即使進入休眠或空閑狀態,漏電流也變得不可忽視;而低速的微處理器不僅功耗低,成本也低。另外,應優先選用具有休眠模式的微處理器,因為休眠模式下處理器功耗可以降低3～5個數量級。考慮實際需求,本設計中處理器模塊選擇ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L單片機。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最強大的單片機。該單片機具有體積小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、喚醒時間短、運行速度快、成本低和足夠的外部接口等特點。

2.無線通信模塊

無線通信模塊選擇Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的無線收發器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術,以0.18umCMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩定且功耗極低。該無線收發芯片具有集成度高,工作電壓低、功耗低和靈敏度高等優點,易于得到廠商提供的協議棧和開發套件。

3.傳感器模塊

根據項目的應用背景和實際需要,選擇傳感器對監測區域內的溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數進行監測。在節點的硬件設計和研制中,充分考慮了傳感器的能耗、精度、采樣頻率、與微處理器的接口特性等要求。為了提高節點的可擴展性,在節點中提供了可擴展不同傳感器的接口。

設計中選用了溫濕度傳感器、粉塵傳感器、二氧化碳傳感器、電化學傳感器分別對溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數進行探測。選用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的數字溫濕度傳感器SHT10采集環境的溫度和濕度。粉塵傳感器選用日本神龍公司的粉塵傳感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧氣的探測分別選用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生產的電化學傳感器6004二氧化碳傳感器、O2/I-06氧氣傳感器、CF-1000一氧化碳傳感器。

4.電源供給及管理模塊

能量是無線傳感器網絡最寶貴的資源,它決定著傳感器網絡的壽命。為了滿足降低節點能耗的目標,節省系統電源,傳感器模塊只有在工作時才啟動,因此電源供應及管理模塊中研究了采用TI公司TPS 79501傳感器模塊電源控制器。TPS 79501具有超低噪聲、高PSRR、高電平啟用等特點,輸出為1.2V～5.5V電壓可調的低壓降穩壓器,驅動能力達500mA～7.5A。

三、節點軟件系統設計

無線傳感器網絡節點是個資源受限的嵌入式系統,包括硬件資源受限、帶寬有限、能量受限及補給困難的特點,決定了現有的一些嵌入式操作系統(如Linux操作系統)不能很好適用于傳感器網絡節點。

TinyOS是目前傳感器網絡的主流操作系統,采用基于組件的體系結構,應用程序的各個功能都是由相應的組件實現的。當事件對應的硬件中斷發生時,TinyOS的事件驅動機制能夠快速地調用相關的事件處理程序,從而使CPU在事件發生時迅速執行相關任務,在處理完之后進入睡眠狀態,從而有效的提高了CPU的使用效率,并且節省了能量。

四、結論

在鎢礦環境監測中采用無線傳感器網絡,利用傳感器節點功耗低、工作時間長、成本低、能自組織地通信以及在危險區域和大面積監測中容易布置等特點,能夠實現鎢礦環境參數低成本連續在線監測,較傳統在線監測系統具有更大的優勢,對于礦山安全具有重要意義。

基金項目:國家自然科學基金項目(No.50764005)

參考文獻:

[1]黃布毅、常亞軍、張海霞等,基于無線傳感器網絡的煤礦安全監測系統設計,通信技術,2008,41(9):170～172.

[2]孫利民、李建中,無線傳感器網絡,北京:清華大學出版社,2005.

[3]姜連祥、汪小燕,無線傳感器網絡硬件設計綜述,單片機與嵌入式系統應用,2006.11.

[4]王殊、胡富平、屈曉旭等,無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

篇（6）

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：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

我國是農業大國，農業是國民經濟的基礎產業，農業生產受到溫度、濕度、水分等多種農田環境因素的影響。因此，在農業生產過程中引入現代信息技術，可以準確、高效地收集農田信息，對提高農產品產量具有重要意義。

針對農田環境復雜、監測難度大等特點，充分利用無線傳感器網絡靈活而強大的組網功能，設計了基于ZigBee無線傳感器網絡的農田環境監測系統，該系統由傳感器節點、匯聚節點、互聯網和用戶終端等組成［1］，利用安裝在被監測區的傳感器節點采集農田環境參數后，通過ZigBee技術發送到控制中心，再對數據進行分析和處理，使農田管理者能精確直觀地控制農作物種植過程中的空氣溫度、相對濕度、CO2含量、水位等關鍵參數，對在農業生產過程中實現增產節能有著很好的實用價值［2］。

1 農田環境監測系統總體結構設計

ZigBee技術是一種短距離、低速率的無線通信技術，被廣泛應用在無線傳感網絡的組建中。與其他無線通信技術相比，ZigBee具有網絡容量大、工作頻段靈活、架構簡單、功耗低、成本低、可靠性高、組網能力強和安全等優點［3，4］；ZigBee由終端設備、協調器和路由器構成。終端設備是指傳感器節點，將其按一定規律安裝在農田里，配備低功耗的微處理器，監測空氣溫度、相對濕度、CO2含量、水位、雨量、風向、光照強度、土壤含水量等參數。一定區域內的傳感器節點構成一個簇，這些節點又分為簇首和普通節點。簇首主要進行數據的融合及轉發，能把簇中普通節點采集到的信息發送到上級的協調器，也能把協調器接收的信息在簇內進行傳播；普通節點只能與本簇的簇首交換信息。協調器把監測到的信息傳輸到網關，然后網關通過GPRS把數據傳送到監控中心。ZigBee網絡主要有網狀和星狀，星狀拓撲結構簡單，但是覆蓋能力差，且只要簇首出現故障整個網絡就癱瘓；網狀拓撲覆蓋能力強、可靠性好，但結構復雜［5］。農田區域環境復雜，存在很多不利因素，為提高ZigBee的精確性，該設計采用星狀—簇首—路由拓撲結構［6］（圖1）。

2 功能模塊設計

2．1 硬件結構設計

1）傳感器節點。ZigBee無線傳感器網絡由傳感器節點組成，傳感器節點一般由電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和無線通信模塊組成（圖2）。

篇（7）

關鍵詞：Zigbee;環境監測;節點;多參數

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

伴隨世界經濟與工業的快速發展，世界環境問題日益突出，環境監測逐步受到越來越多的重視[1]。當前，環境監測發展過程中的一個亟待解決的問題是開發功能強大并且價格低廉的無線遠程監測系統，而環境監測過程中的首要任務就是準確獲取監測節點環境參數，以便進行后期的分析、整理和改進等工作。

物聯網（the internet of things，IoT）技術的出現很好地促進了環境監測的發展。簡而言之，物聯網就是物物相連的互聯網。物聯網的核心在于感知地球，通過物聯網平臺可以大范圍無線遠程監控環境參數，通過數據融合，可以為國家和企業進行環境監測、環境治理、環境規劃等工作提供理論依據[2]。

近年來，隨著傳感器技術和集成電路、嵌入式技術的發展，生產功耗低、體積小、具有感知及信息處理能力的傳感器已經可以實現[3]。然而在實際運用中我們需要的不止一個環境參數，而是需要多個傳感器同時工作[4]，采集多個環境參數的數據[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、高效的數據采集、整理以及傳輸。故本文針對環境監測過程中的多傳感器和多參數情況運用了Zigbee技術方案進行了解決，通過CC2530連接各個傳感器組建節點實時采集溫度、濕度、煙霧和RSSI值等數據。

一個功能完善的無線環境監測節點除了傳統意義上的環境參數采集之外，應該能夠提供一個測距定位功能。本文所提出的基于Zigbee的多參數無線環境監測節點通過硬件自身系統在不添加任何額外硬件的情況下通過數據包發送RSSI值可以進行測距定位[6]。

監測系統總體結構如圖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標準協議，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，低數據速率和近距離。由一個協調器組織的大容量Zigbee網絡最多可以容納65 535個網絡節點，從而擴展了單個節點間75 m的標準通信距離，達成了Zigbee網絡的遠距離通信，滿足了大多數通信網絡的需求。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，以保證數據傳輸的可靠性。

Zigbee的網絡結構如圖2所示，分為一個協調器負責組網以及和上位機通信，若干個路由器負責轉發以及拓展網絡容量，多個終端節點負責發送以及接收信息。

圖2 Zigbee網絡結構

1.2 CC2530簡介

CC2530是德州儀器公司根據Zigbee技術實際應用而開發的一個價格低廉并且功能強大的片上系統解決方案，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境監測節點。

CC2530 結合了增強型8位8051 CPU，最高256 KB的系統內可編程閃存，8 KB的RAM 和21個可編程數字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 協議棧（Z-StackTM），CC2530提供了功能強大且應用寬廣的Zigbee 解決方案。協議棧采用查詢操作系統，在系統初始化完成后就進入操作系統并不停地輪轉查詢用戶自定義的任務來執行。

2 傳感器

一個好的環境監測系統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境參數信息準確地采集至監測節點。本節中所介紹的DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器正具備了這些優點。

2.1 DHT11

DHT11溫濕度傳感器可以同時采集環境溫度和濕度，它輸出的是經過內部校準的數字信號。它是應用程序先進的數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測范圍（30010 000 ppm），其優點是穩定性好，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，煙塵等氣體監測的環境。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 協議棧，添加自己的任務，使傳感器設備正常工作采集數據，節點接收和發送數據，協調器接收數據并上傳上位機。

CC2530節點發送數據的代碼如下所示：

1）定義一個數組;

2）寫入溫濕度數據;

3）根據有無煙霧報警信號寫入0或1;

4）調用Z-Stack發射函數進行發送。

{ 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協調器接收代碼如下所示：

1）驗證是否為自身網絡內節點發送來的數據;

2）若是，則獲取數據，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 節點測試

節點采集到環境信息后發往協調器經由串口傳輸至上位機，故我們只須監測上位機串口即可測試整套系統的可行性及穩定性。

圖5和圖6為實驗室內部無障礙情況下節點距離協調器1 m處和3 m處連續監測5 min后的測試數據。

圖5 1 m處節點數據

圖6 3 m處節點數據

通過監測可以看到節點在距離協調器1 m處和3 m處均能夠穩定正常工作，采集所需的環境參數，并且能夠發送自身的RSSI值給協調器節點進行測距定位。

4 結束語

針對環境監測過程中的無線環境、多傳感器、多參數的情況和對距離的需要，本文提出了一種基于Zigbee的多參數無線環境監測節點。設計中采用了德州儀器公司CC2530作為節點通過多個傳感器對溫度、濕度、煙霧和RSSI值等多個參數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，數據傳輸可靠，大容量的網絡，良好的兼容性等特點，應用在環境監測領域將具有極大的優勢。

參考文獻：

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（下轉第 頁）

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[8] 王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現[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：基于物聯網技術的智能環保系統研發項目（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

篇（8）

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0012-02

目前，環境日趨惡劣，越來越多的人開始關注周圍的環境，因為這直接關系到每個人的切身利益，但是由于我國人口密度較大、污染物空間分布非均勻性較強、污染監控點布設不合理、經濟技術條件比較落后等客觀因素，造成以現有方式獲取的數據不具有代表性。為解決以上問題，本文決定研究和開發具有高性價比的智能環境監測系統，以實現監測系統的小型化、個人化、智能化的目標，滿足每個人對周圍環境的知情權與監督權。

隨著科技日新月異的變化，環境檢測由經典的化學分析逐漸發展為傳感器檢測，無線傳輸技術也以其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性得到了各行各業的廣泛接受。這些都為環境的無線智能監測提供了極大的可能。

1 總體方案設計

整個環境監測系統分為兩個子系統——監測終端子系統和探測節點子系統，這兩個子系統各需要一個主控芯片進行數據處理，該系統統一選用TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集的MSP430F5xx系列單片機，該款單片機的超低功耗的特點對于本設計很重要。在信號調制方面，鑒于低功耗、方便易行的考慮，采用了OOK調制方案。為了實現友好的人機交互，采用了電容式觸摸液晶屏，以充分發揮其操作新奇、不易誤讀、耐用度高的優勢。無線通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，與四雙向模擬開關IC——CD4066，由MSP430單片機進行控制。最后確定通信協議方案，設計思想是由終端發出一個同步傳輸的信號，節點接收并與自己的“身份”進行校對，驗證完畢后，探測節點將檢測到的環境信息以數據幀的形式向監測終端發送。通過相關的選擇與設計，整個系統的結構設計如圖1所示。

2 系統的硬件設計

2.1 無線通信模塊

該系統設計主要包括監測終端信息處理和探測節點信息采集，兩者之間信息的交互采用無線通信的方式。該無線通信模塊使得探測節點將環境信息以數據幀的形式傳送給監測終端，以便將其顯示在觸摸液晶屏上，同時也可以使監測終端對探測節點進行身份校驗。

無線通信模塊的載波信號由基于DDS數字頻率載波的AD9854芯片產生，其輸出頻率范圍為0-120 MHz，綜合各方面因素，只需使其產生穩定的30 MHz正弦波信號即可。此載波信號進入四雙向模擬開關CD4066，再通過天線發射出去。該模擬開關可作為模擬或數字信號的多路傳輸，待傳輸的模擬信號的上限頻率應為40 MHz，各開關間的串擾很小，典型值為-50dB。

2.2 環境檢測模塊

為滿足環境監測系統實時、便捷、高性價比的要求，應充分利用目前發展較為成熟的傳感器技術。對于SO2濃度的檢測，本系統采用3SF CiTicel傳感器，它是一種新型的定電位電解化學氣體傳感器，通過氧化或還原反應將濃度轉化為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應氣體的濃度。而對于灰塵粉塵的檢測采用DSM501傳感器，它的特點是采用粒子計數原理，PWM脈寬調制輸出，便于進行數字信號處理。溫濕度的檢測采用SHT15傳感器，SHT15是基于CMOSens技術的單片全校準數字式溫濕度傳感器，具有高精度、高集成度、反應迅速、低功耗等特點。檢測太陽光紫外線強度總量用到UVM-30傳感器模塊，它響應極快、全互換性好，實現了測量紫外線指數（UVI）的高可靠性和精確性。對于風速的檢測，本系統采用WS-01傳感器。WS-01風速傳感器采用傳統三風杯結構，風杯選用碳纖維材料，強度高，啟動好；精密信號處理單元可根據場合需要輸出各種信號。

2.3 人機交互模塊

該系統中人機交互模塊包括微控制器部分（MSP430F5xx單片機）、觸摸顯示部分（觸摸液晶屏）、上限報警部分。MSP430F5xx作為人機交互模塊的主控芯片，與觸摸液晶顯示子模塊、上限報警子模塊連接，負責實現觸摸液晶屏的讀入與顯示、上限報警功能。當MSP430F5xx接收到來自探測節點的環境信息時，對其進行數據處理后，驅動觸摸液晶屏進行相應的字符及圖形顯示操作，同時當用戶完成相應的菜單選擇后，也可以接收到相應的觸摸信號，對需要顯示的信息以及是否開啟上限報警功能進行切換。

3 系統的軟件設計

本系統采用層次化、模塊化結構設計，主要包括基于MSP430F5xx的無線收發模塊子程序、環境參數采集模塊子程序、觸摸液晶屏硬件驅動模塊子程序以及上限報警模塊子程序等。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

4 理論分析

4.1 低功耗分析

在本系統中，MSP430F5xx單片機的供電電壓為3.3 V，并提供32.768 kHz和14.7456 MHz無源晶振各自產生的兩組時鐘，以及DCO數字振蕩器產生的時鐘。當MSP430F5xx單片機在3.3 V供電電壓下，以1 MHz的速度運行時，典型的電流值約為210 μA。此外，MSP430單片機還具有5種低功耗模式LPM0～LPM 4，節電方式下的最低電流可達0.1μA。硬件上的設計確定之后，在不同的情況下將通過軟件控制系統的工作時鐘和工作模式，并且大多數情況下，單片機在執行完相關操作后立即進入低功耗模式，以便于控制總體功耗。

要想降低功耗，一方面在于微處理器的設計，另一方面也要關注電源的管理和功耗電路的接口設計。例如，無線通信模塊采用9600bit/s的波特率， 傳輸速度快， 完成數據通信后立即進入睡眠模式，以盡可能地保證系統的低功耗。

4.2 通信協議

由于待傳輸的數據信息比較長，而已有的通信協議又無法完全滿足要求，因此本文將另行設計一套通信協議，以滿足該系統的通信要求。在發送信息時，首先發送一個中斷使能脈沖，隨后發送一個16位的地址碼，接收的數據為若干幀16位的數據碼。地址碼與數據碼格式分別如表1、表2、表3、表4所示。

表1 16位地址碼

表4 16位數據碼3

4.3 載波信號

為得到相應的載波信號，應通過單片機對AD9854芯片的頻率控制字（FSW）進行控制。其中，AD9854產生所需要的輸出信號頻率fout的計算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32為AD9854相位全加器位數。

5 結束語

本文設計了基于MSP430F5xx單片機的無線低功耗智能環境監測系統。在該系統中，監測終端既負責完成人機交互又需要控制探測節點，探測節點主要是將環境檢測模塊所測得的環境信息通過無線方式傳輸給監測終端，從而實現高效、實時地對周圍環境進行智能監測，具有廣闊的發展前景。該系統很容易實現探測節點與監測參數的拓展，以滿足更大范圍、更多參數的監測要求。

基金項目

天津市高等學校國家級大學生創新創業訓練計劃（201310065037）；天津市自然科學基金（13JCYBJC15800）。

參考文獻

篇（9）

（Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，China）

摘要： 本文針對當前溫室環境監測系統的不足，將無線傳感器網絡技術[1]、ZigBee技術和嵌入式技術相結合，探索出實現低成本、高效率的溫室監測系統，為降低溫室監測系統的造價，為提高設施農業發展水平提供必要的支持。

Abstract： Aimed at the shortage of the greenhouse environment monitoring system at present, this paper combines the wireless sensor network, ZigBee technology and embedded technology to explore the implementation of the greenhouse environment monitoring system with low cost and high efficiency, which provides the necessary support for reducing the cost of the greenhouse monitoring system and improving the development level of facility agriculture.

關鍵詞 ： 無線傳感器；溫室環境監控系統；方法

Key words： wireless sensor；greenhouse environment monitoring system；method

中圖分類號：TN919.72 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0242-03

作者簡介：杜振寧（1976-），男，陜西咸陽人，講師，碩士，研究方向為計算機應用技術。

0 引言

目前，我國溫室生產存在著結構簡陋、綜合環境調控能力差以及管理技術水平落后等缺點。同時，由于我國溫室農業種類多，分布地域廣，測控設施安裝和維護工作量大，采用有線通信方式傳輸信號存在諸多不便。基于以上背景，本文將無線傳感器網絡技術、ZigBee技術和嵌入式技術相結合， 設計一種低功耗、低成本、組網靈活、人機界面友好、可方便進行現場和遠程管理的溫室環境監測系統。

1 系統設計

1.1 系統框架分析 本文設計框架基本分為三個部分相互連接而成。具備完整測量功能的測量點+具備多跳式路由的無線通訊網絡+遠程上位計算機組成。遠程上位計算機通過無線網絡獲取測量點的溫、濕度監測參數，并根據類別進行分析、統計、處理及報表、打印、輸出。

1.2 測量點的無線溫濕度傳感器 傳感器節點是溫室監測系統的基本組成單元，需要具備環境因子采集、數據處理、無線通信等功能。

1.2.1 無線溫濕度傳感器 采用ST公司生產的單片機upsd3234A-40U6。該芯片是一個典型的SOC型的單芯片微處理器系統，片內包含構成單片機最大系統的一切必要的存儲器（RAM、flash ROM）、譯碼器、鎖存器、I/O擴展、定時器等。只要在外圍硬件上提供電源和時鐘源就可以執行程序，設計框圖如圖1所示。

由微處理器負責控制、讀取溫度、濕度傳感器的采樣結果，并進行必要的校準后，存儲于SRAM存儲區，這個過程處理時間相當短，作為全速運行的微處理器而言幾乎無事情可干。所以在不采樣時，微處理器設計為休眠狀態。使用實時時鐘芯片各一個固定時間進行喚醒工作，這樣可以保證以后的采集器節約能源消耗，方便更改為電池供電。喚醒微處理器后，首先采樣溫、濕度值、然后將這個值通過自定義的協議打包，通過無線通訊模塊（Zigbee）發送到網絡中，此時，微處理器又主動進入休眠狀態（試驗系統目前采用直接供電方式，而上述設計保證了可以使用電池供電），采集器里的ZigBee模塊發送數據的目的地址直接指向一個固定的地址，所以，這個協議包不論經過幾個中間傳遞，最終傳遞到聯接在計算機上的特定模塊上，并輸入到計算機。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。

1.2.2 無線通訊網絡 網絡結構采用MESH網狀網絡結構，這種網絡系統采用多跳式路由通信；網絡容量很大；可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠比較分散的結構[4]。網絡的所有實體只要在通信范圍之內，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；除此之外，網絡還具備自組織、自愈功能。網絡結構如圖2所示。

圖2中的測量點是獨立設備，是用單片機為核心配以數字化溫濕度傳感器和實時時鐘，通過程序控制采樣，定時將采集的溫濕度數據通過ZigBee信號構成的網絡傳遞給計算機。該系統是以單片機為核心，利用溫濕度傳感器作為采集溫、濕度數據的測量點、利用無線傳輸方式將測量數據傳遞到遠端上位機顯示。從而構成組網靈活的純粹的無線溫濕度監測系統。若是利用互聯網絡/2G/3G則可以無視距離的傳遞數據信息。

2 硬件設計與實現

2.1 ZigBee網絡模塊：XBee DigiMesh 2.4是可全球部署的嵌入式無線射頻模塊，可選低功耗的XBee和長通訊距離的Bee-PRO封裝。它結合了快速的2.4 GHz收發器和創新的DigiMesh對等網狀網網絡協議。

XBee OEM RF模塊是與ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解決方案，滿足低成本、低功耗無線傳感網絡的特殊需求。該模塊易于使用，功耗極低，并且可以提供設備間關鍵數據的可靠傳輸。而且它小巧的外形條件有效節省了板卡空間。建立簡單的點-點、點-多點應用，該模塊不需要任何配置，該模塊的默認配置支持廣泛的數據系統應用。但是作為Mesh網絡拓撲關系，則需要重新配置。

首先是用于測量的所有節點模塊，模塊的DH、DL地址必須寫入連接計算機的那一個模塊的物理地址。而連接計算機的那個模塊的DH、DL地址必須設置為廣播方式，即DH設置為0x0000，DL設置為0xFFFF。其次，所有的模塊都得使用同一個無線頻道，同一個PAND編號。

2.2 DHT11傳感器和單片機的硬件連接方式：第2引腳上拉后與微處理器的 I/O端口相連。該器件采用簡化的單總線通信方式，控制中的數據交換、控制均由單總線完成。單片機應當通過一個標準I/O口線通過5.1K電阻上拉連接，當總線閑置時，其狀態為高電平。如圖3所示。

微處理器與DHT11之間的通信和同步的串行雙向接口，采用單總線數據格式。每次通信都是以高位先出的順序傳輸40位數據。

數據格式為：8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗和數據。數據傳送正確時，校驗和數據等于“8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據”所得結果的末8位。微處理器發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40位的測量數據，并觸發一次信號采集，用戶可選擇讀取部分數據。DHT11接收到開始信號觸發一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。采集數據后轉換到低速模式。

3 上位機監測

上位機監測屬于被動接收采集點的無線網絡傳遞過來的溫濕度數據[5]。經過通訊協議校驗后，將對應編號的采集點溫、濕度數據顯示到監視界面。切換采集點編號，可以監測到每一個采集點。軟件監測運行結果如圖4所示。

通訊相關的軟件設計：

由于選用的MCU本身具有雙路通訊接口，在硬件設計上衍生為一個RS485接口，一個ZigBee通訊接口。ZigBee模塊接收到的數據需要單片機進一步判斷和執行。則需要相關的判斷和執行程序來完成。下面一段是為實現ZigBee數據接收部分的源程序代碼。

此段利用MCU中斷方式接收、發送數據，RBUF_SIZE、tbuf_datasize1分別是接收、發送緩沖區大小。PACKET_HEADER0是通訊協議當中的幀頭。以上3個常數均在頭文件里定義。

遠程上位機監控軟件設計采用 LabV IEW9.0 ( Laboratory Virtual Eng- ineering Workbench)設計監控界面。它是一個使用圖形符號來編寫程序的編程環境，數據采集是 LabVIEW的核心技術之一。VISA是虛擬儀器軟件體系結構的縮寫。采用VISA函數庫可以方便的開發基于各種數字接口的驅動程序而無需關心連接方式，例如USB、1394、串口、并口等。

4 結束語

本系統選用ZigBee技術作為監測系統通信方式，并利用Mesh網絡拓撲結構，確保了可靠通信；數據采集和傳輸采用周期采集上報和基于中斷的超限立即上報工作方式，降低了系統功耗；在實驗室搭建了模擬運行環境，就網絡拓撲建立、數據采集和傳輸進行了實際測試，實驗結果表明，基于ZigBee協議和Mesh網絡拓撲結構的無線傳感器網絡溫室監測系統可以實時、準確、可靠地完成溫室環境溫濕度監測。

參考文獻：

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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是近年來發展起來的設施節約型農業技術，在充分利用自然資源的基礎上，通過計算機綜合控制，調節環境中的濕度、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、調節生長周期、改善品質、提高經濟效益的目的。傳統的溫室環境測控系統由簡單的單片機控制，系統運算能力低，難以完成復雜的控制算法。嵌入式單片微機系統不僅增加了溫室系統的網絡支持、并且其出發能力和系統的穩定性也有很大的提高。同時降低了系統開發的難度、成本和消耗、滿足溫室計算機控制系統日益復雜化的需要。嵌入式單片微機在農田設施的發展以及網絡傳輸技術的發展使得農田信息得到精準的判斷和實施的控制。

二、嵌入式系統單片機的發展

（一）嵌入式系統和單片機的發展。

嵌入式系統和單片機都起源于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，實現對象體系的智能化控制。21世紀初，嵌入式計算機系統進入了單芯化的道路，即嵌入式系統獨立發展的單片機的時代。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、總線方式等。嵌入式系統經過很長一段時間單片機發展的道路，不僅能夠實現最底層的嵌入式系統的應用，網絡、通信、多媒體的高端應用也可以通過嵌入式單片機系統實現。

（二）嵌入式單片微機在智能化溫室中的發展和應用。

溫室智能化控制系統是近年來發展起來的節約型農業技術，通過計算機綜合控制，調節環境中的濕度、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、調節生長周期、改善品質、提高經濟效益的目的。嵌入式單片微機系統實現對溫室環境的精準控制和檢測，是智能化溫室環境的核心。承載無線網絡模塊的單片機的開發為溫室智能控制系統提供了網絡技術支持，并且其使用成本低，系統穩定可靠等優點確定了其成為未來農田信息系統的發展趨勢。

三、網絡化智能溫室系統的構成

（一）網絡智能溫室的分類。

智能化溫室系統根據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業機械多傳感器集成和農田信息采集；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絡如GSM，GPRS等，用于設備遠程監控與農業信息遠程采集。短距離通信方式如藍牙、ZIGBEE、RFID等，兩種溫室各有其優缺點，應根據具體的設施環境和要求選擇和合適的信息傳輸方式。

（二）網絡化智能溫室系統的結構。

網絡型溫室環境采集控制系統由智能模塊為核心的采集控制系統和處理系統構成，兩者通過局域網交換機連接。處理系統主要完成數據數據接收、顯示處理、參數設置、查詢與分析功能，采集控制系統主要完成空氣濕度、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。

控制器局域網(Controller Area Network，簡稱CAN)總線是目前國外大型農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，其控制芯片已經商品化，而且性價比高，因此基于CAN總線技術的控制系統是農業信息傳輸系統向智能化發展的理想系統。

（2）無線溫室環境控制系統。

在一些特殊環境采用有線方式傳輸數據是很困難的，甚至不可能的，此時采用無線方式能實現農田信息的自動測量和自動傳輸。ZigBee技術是一種最近發展起來的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、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中，其工作頻帶范圍在21400---214835 GHz之間，采用IEEE80211514規范要求的直接序列擴頻方式，數據速率達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，接收閱讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息，或者主動發送某一頻率的信號；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行相關數據處理。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

ZigBee技術是近年來才興起的無線網絡通信技術。這種嶄新無線網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據傳輸、無線傳感器網絡等方面的應用，為農業設施遠程測控系統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標準支持多種網絡拓撲結構，包括具有層次發散鏈式結構、主從工作模式的測控系統的結構，根據農業設施測控系統的特點，所設計的具有層次發散鏈式結構的系統框。

其中工控機完成命令的發送、數據的接收、綜合分析處理、顯示和報警。協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據與自身的數據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據。。

上述基于ZigBee技術的系統實現了溫室環境檢測中的中主要參數(如土壤濕度、溫度、空氣濕度、土光照強度等)檢測與控制系統的內部無線自組網。

五、基于嵌入式單片微機的無線智能溫室的發展趨勢

ZigBee技術應用在智能化溫室測控系統中是嵌入式單片微機應用在農業工程中的一個具體實例。其表現了初期建設周期短、投資小、易于升級、易于重組，尤其是承載ZigBee技術的片上系統的―無線單片機CC2430的應用，使得系統可以靈活便捷地組成適應不同規模、不同情況、不同要求的溫室設施測控系統，并且所構建的系統成本次、功耗低、穩定可靠、具有低復雜度。

有線傳輸和無線傳輸各有其優勢和劣勢，不同的無線通信網絡技術適用場合、環境各異。實踐證明一無線信息傳輸為技術的農田信息傳輸方式具有開發周期短，維護方便，成本低。可靠性高等優點，有很好的開發和應用前景，為未來實現溫室測控系統中的信息傳輸的嵌入式、自動化、智能化與網絡化奠定了基礎。

參考文獻:

[1]包長春，石瑞珍，馬玉泉.基于ZigBee技術的農業設施測控系統的設計【J】農業工程學報 2007年.

[2]李棟，張林，徐保。無線溫室信息監測系統設計【J】微計算機信息（嵌入式與SOC）2009年25卷.

篇（11）

2數據采集功能

無線傳感器模塊是養殖環境監測系統的基礎，在養殖池適當的區域安放溫度、溶解氧、pH值及光照數據的無線傳感器網絡節點，準確采集水產養殖環境的數據信息。無線傳感器模塊的設計框圖如圖2所示。圖中包括傳感器、處理器、通信功能以及電源4個子模塊。由于實際要求的差異，無線傳感器模塊4個子模塊的硬件構成不盡相同，然而各子模塊的功能基本相同。傳感器子模塊實現養殖環境的數據采集功能，并將采集到的信息轉換成處理器可以識別的信息；處理器子模塊調節整個無線傳感器模塊的工作狀態，完成對自身采集信息和來自其他模塊數據的處理，并實現與其他模塊間的信息交流；通信功能子模塊完成與其他模塊間的信息通信以及收發采集到的數據；電源子模塊主要負責提供模塊正常工作需要的能量，一般使用微型電池。本文選用Ateml公司生產的AVR系列高性能、低功耗8位單片機ATmega128L，該芯片是一顆真正的系統芯片；在芯片內部集成了128KB的可編程閃存，具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區進而通過片內的啟動程序實現系統內編程，同時，其電壓工作范圍為2．7～5．5V。傳感器采集到的數據信息通過AT－mega128L進行AD轉換為數字信號，由無線通信模塊負責將得到的數字信號輸出。

3信息通信功能

3．1無線傳感器網絡

無線傳感器網絡的拓撲結構采用星網結合，各個采集點單獨形成局部的無線傳感器網絡，通過中繼節點將局部網絡傳出的數據匯聚傳送到信息中心。各個采集點的無線傳感器網絡中都布置了傳感器，這些傳感器負責完成養殖環境的信息檢測，即對池水溫度、溶解氧濃度、pH值以及光照強度的信息采集。傳感器采集到原始信號后，只有將模擬信號轉換為數字信號才能通過無線網絡進行傳輸，轉換過程需要模擬信號放大器、A／D轉換器、信號處理器等。傳感器節點通過自組織功能將采集到的數據以單跳或者多跳的形式發送給中繼節點。

3．2Wi－Fi傳輸

通常架設無線網絡的基本配備是無線網卡及一臺AP，足以實現無線模式，架設費用和復雜程度遠遠低于傳統的有線網絡。中繼節點匯集到信息后通過Wi－Fi無線網絡傳輸到信息處理中心，通過Wi－Fi接入點實現無線傳感網之間的信息通信以及數據處理功能，Wi－Fi接入點既有普通站點的特點，同時可以實現接入到分配系統的功能。

4信息處理中心

4．1數據庫管理

應用軟件使用ADO設計連接ORACLE，具有采集信息的存檔、當前或者歷史信息的檢索功能，實現對采集點采集到的數據的處理與存儲。ADO設計開發中采用了較多的Command對象，同時采用ANSISQL語句實現對數據庫的控制。鑒于實際操作中數據庫中需要存檔的數據量較大，因此數據的訪問能力非常重要。而Command類的重復應用性比較好，可以把數據庫的細節封入SQL里，當數據鏈表的內容改變時，可以只改正SQL語句就可以保證應用程序架構的穩定性。

4．2監控系統

為提高養殖人員對養殖環境的監視效率，本系統提供了良好的人機交互模塊，含有信息實時顯示、數據的歷史查詢模塊、巡檢人員的路徑顯示模塊等功能。