基于無線傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

程輝　張江洪

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測的方法也從原始的人工監(jiān)測發(fā)展為智能化的設(shè)備監(jiān)測。雖然環(huán)境監(jiān)測越來越受到人們的重視，但是目前大多數(shù)采用的還是人工及半自動方法采集環(huán)境因子，效率低精度差。本文主要提出一種基于無線傳輸技術(shù)的低功耗、智能化、低成本的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)的實時自動測量、自動傳輸、可視化展示等問題。

關(guān)鍵詞：無線傳輸；環(huán)境監(jiān)測；Zigbee

1 研究背景及意義

近年來新興了一種性能穩(wěn)定、傳輸效果較好的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，主要用于傳感器間近距離無線通信連接。基于這種無線的傳輸技術(shù)而開發(fā)的硬件模塊，具有低成本，低功耗，協(xié)議簡單，安全可靠，自動組網(wǎng)等特點。目前，此項技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并被應(yīng)用于多種行業(yè)。

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測的過程一般為接受任務(wù)，現(xiàn)場調(diào)查和收集資料，監(jiān)測計劃設(shè)計，優(yōu)化布點，樣品采集，樣品運輸和保存，樣品的預(yù)處理，分析測試，數(shù)據(jù)處理，綜合評價等。同時監(jiān)測地域的分散性，環(huán)境變化過程的緩慢性，監(jiān)測的時間跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的間斷監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，對突發(fā)狀態(tài)現(xiàn)象調(diào)查無法完成，而應(yīng)用這種無線傳輸技術(shù)的監(jiān)測平臺可以隨時不間斷的進行監(jiān)測。

2 基于無線傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

本文將無線傳輸技術(shù)用于環(huán)境監(jiān)測，搭建環(huán)境監(jiān)測平臺，該平臺將具備連續(xù)性、追蹤性的特點，對突發(fā)環(huán)境事件的研究提供幫助。將來隨著該平臺研究更加成熟，還將具備綜合性特點，非常符合環(huán)境監(jiān)測的要求。首先將開發(fā)的微傳感器節(jié)點模塊按照一定要求布置在監(jiān)測環(huán)境中，實時采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過中心節(jié)點（具有協(xié)調(diào)器和路由的功能）將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)，最后網(wǎng)關(guān)將收集到的整個子網(wǎng)絡(luò)的信息通過系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)傳給基站。基站與一個數(shù)據(jù)庫和 Internet 網(wǎng)聯(lián)接，將收集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。最后，終端用戶可以通過 Internet 網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)庫得到自己感興趣的信息，并且能夠根據(jù)需要作出下達指令，控制節(jié)點運行。實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測以及下達控制操作的目的。

1）無線技術(shù)綜述：Zigbee 技術(shù)是專門為了低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的通信協(xié)議，通過對比 Zigbee技術(shù)和其它無線通信技術(shù)的特點，總結(jié)出 Zigbee 技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)選擇。本文重點從整個構(gòu)架上闡述了基于 Zigbee 環(huán)境監(jiān)測平臺的系統(tǒng)研究。為了適合無線網(wǎng)絡(luò)中傳感和控制設(shè)備通信的特定的需求，傳感和控制設(shè)備的通信并不需要高的帶寬，但是他們要求快速的反應(yīng)時間，非常低的能量消耗，以及大范圍的設(shè)備分布。Zigbee 協(xié)議應(yīng)運而生，它繼承了以往協(xié)議的優(yōu)勢，為無線網(wǎng)絡(luò)中傳感和控制設(shè)備之間的通信提供了一個極好的解決標(biāo)準。

2）系統(tǒng)建設(shè)：通過 Zigbee 協(xié)議采用自組網(wǎng)和多跳的通信方式將環(huán)境的變化量傳送給了它的上一級網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將收集到的所有子網(wǎng)絡(luò)的信息，通過事先編譯好的系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)傳給更上一級的中心服務(wù)器。中心服務(wù)器有一個數(shù)據(jù)庫專門存放這些環(huán)境的變化量，將它和 Internet 網(wǎng)連接。這樣，用戶終端就可以通過手機或 PC 機通過相應(yīng)的服務(wù)程序直接訪問到 Internet 網(wǎng)數(shù)據(jù)庫得到用戶所需要的外界環(huán)境的信息。當(dāng)然，隨著這一技術(shù)的不斷深入發(fā)展，用戶終端只需按下鍵盤在千里之外的辦公室就可以實現(xiàn)對智能節(jié)點的控制。

3 智能節(jié)點硬件設(shè)計

智能節(jié)點的硬件設(shè)計包括主控制器模塊選擇，通信模塊選擇，各種環(huán)境監(jiān)測傳感器選擇等。通過比較選擇了環(huán)境監(jiān)測中用到的幾種傳感器，分析它們的型號、特點、輸出模式以及外部接口電路。

1）智能節(jié)點的設(shè)計：智能節(jié)點的設(shè)計是整個系統(tǒng)硬件設(shè)計最核心的部分，它直接放置在監(jiān)測環(huán)境內(nèi)部，負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)裙δ堋９?jié)點的設(shè)計必須滿足具體應(yīng)用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并為節(jié)點配備合適的傳感器、必要的計算功能、內(nèi)存資源以及適當(dāng)?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由四個模塊組成：傳感器模塊（A/D 轉(zhuǎn)換、傳感器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器）、電源供應(yīng)模塊（電池、AD-DC）。本設(shè)計在原有基礎(chǔ)上添加標(biāo)準化的接口平臺和控制平臺，實現(xiàn)更多應(yīng)用的傳感器的添加，以及用戶可以下達命令對開關(guān)量，模擬量和數(shù)字量執(zhí)行控制。

2）微控制器選擇：微控制器模塊是環(huán)境監(jiān)測平臺節(jié)點的核心部分，在微控制器的選擇上，需要綜合考慮其存儲、處理、外圍接口和功耗等多方面因素對硬件平臺實現(xiàn)功能的支持。我們選用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是專門為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，時鐘頻率較低（4MHz），可以適用于不同類型外圍設(shè)備的指令集。它以可變的片上 RAM（存儲范圍為 2～10KB）、幾個 12 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個實時時鐘為特征。它的功能很強大，可以執(zhí)行一個標(biāo)準無線傳感器節(jié)點的基本計算任務(wù)

3）通信模塊選擇：通信模塊是傳感器組網(wǎng)的必備條件，使得獨立的傳感器節(jié)點之間可以互相連接，并能借助多跳將數(shù)據(jù)回傳到節(jié)點，即數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。在環(huán)境監(jiān)測中，大量的節(jié)點被放置在被監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)，能量消耗以及外部對信號的干擾，選擇芯片時要充分考慮通信模塊抗干擾能力以及能量消耗問題，即在滿足信號處理要求的同時盡可能地抵抗干擾和降低系統(tǒng)能耗，延長平臺工作時間。

4）傳感器模塊：傳感器是環(huán)境監(jiān)測平臺中負責(zé)采集監(jiān)測對象相關(guān)信息的組件，與應(yīng)用緊密相關(guān)，不同的應(yīng)用對涉及的檢測量也不相同，有可能是一個模擬量（溫度、濕度、光強、氣體含量等），也有可能是一個數(shù)字量（信號鏈路質(zhì)量）或者是一個布爾值（閾門開關(guān)、電閘的開合和繼電器的位置等）。在環(huán)境監(jiān)測中，傳感器模塊主要添加的常用傳感器有全光譜光強度傳感器、可見光譜光強度傳感器、有毒氣體監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器等。

5）控制平臺：大多數(shù)的環(huán)境監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集和傳輸是系統(tǒng)的主要工作，盡量避免對環(huán)境監(jiān)測對象造成影響，以保證數(shù)據(jù)采集精度。但是，對于諸如農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控之類，用戶希望不僅可以了解農(nóng)田的各種環(huán)境參數(shù)變化，而且可以根據(jù)采集信息的變化情況對農(nóng)田環(huán)境進行相應(yīng)調(diào)整。例如，在蔬菜大棚內(nèi)，溫濕度是影響蔬菜生長的一些重要因素，當(dāng)監(jiān)測平臺監(jiān)測到溫濕度高于或低于適合蔬菜生長的范圍時需要采取一定的措施來改變大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度，比如控制噴淋開或關(guān)，這就需要引入執(zhí)行器進行控制。在不同應(yīng)用中，執(zhí)行器的功能與作用各不相同，可能是一個繼電器開關(guān)，也可能是一組運動裝置或數(shù)控設(shè)備，具體需要由系統(tǒng)應(yīng)用所針對的對象決定。

6）電源模塊：電源模塊是環(huán)境監(jiān)測平臺的能量來源，電源技術(shù)的好壞決定了網(wǎng)絡(luò)工作時間的長短和系統(tǒng)運行成本。目前還沒有找到更高效使用時間更長的高能量電池，我們使用的是兩節(jié)AA 電池，實驗效果顯示可以維持一個節(jié)點工作半個月時間。

7）其他硬件設(shè)計：節(jié)點模塊采用 USB 口作為其程序調(diào)試下載端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主機通訊，為了和節(jié)點通訊，必須在FTDI設(shè)備上安裝FTDI驅(qū)動。節(jié)點模塊將會在windows設(shè)備管理器中以串行口出現(xiàn)。并行的無線傳感器可以同時連接到一臺電腦的USB口，每個點，將會接收到不同的串行通信口標(biāo)識符。天線節(jié)點模塊的內(nèi)置天線是一個倒F型的微波傳輸帶，它從電路板底部伸出，遠離電池組。倒F型天線是有線單極子，它頂部的截面被折疊下來與地線平行。在讀出或?qū)懭腴W存中數(shù)據(jù)的時候必須要謹慎，因為它是和無線電通信交叉存取的。這是總線在微控制器上的典型軟件應(yīng)用。

4 平臺軟件設(shè)計

該環(huán)境監(jiān)測平臺的軟件設(shè)計主要通過操作系統(tǒng) TinyOS 和編程語言 NesC 來完成。本章通過典型應(yīng)用分析了模塊化、基于組件的編程案例。將模塊化的程序設(shè)計移植于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，列出了該平臺的軟件流程圖。最后通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用開發(fā)了一套可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。該平臺的軟件開發(fā)通過開源式 TinyOS 操作系統(tǒng)和基于組件的 NesC 編程語言來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，程序開發(fā)周期短，便于修改，對于各種環(huán)境監(jiān)測傳感器的添加也很方便。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用開發(fā)使人們在辦公室就可以直觀的看到各種傳感器采集的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，足不出戶就可以對數(shù)據(jù)進行提煉分析，觀測環(huán)境變化的一舉一動，實現(xiàn)了 24 小時不間斷監(jiān)測，對突發(fā)環(huán)境情況變化的研究提供了可能。

5 總結(jié)與展望

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線傳輸技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它通過使用由大量微型傳感器節(jié)點組成的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以對所監(jiān)測的環(huán)境進行不間斷的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基礎(chǔ)性研究和探討。搭建了基于無線傳輸技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測平臺，這個平臺具有數(shù)據(jù)采集和上傳、網(wǎng)絡(luò)可視化、遠程控制等功能。在過去智能節(jié)點的硬件設(shè)計上存在接口不容易擴展問題，主要是由于環(huán)境監(jiān)測中需要添加的傳感器類型不同導(dǎo)致輸出信號格式不同，另外還有主控芯片輸入接口不夠用等問題。針對這些展開研究，設(shè)計了標(biāo)準化接口電路，實現(xiàn)了接口擴展。最后需要利用該平臺進行了一系列的試驗和調(diào)試，對采集的數(shù)據(jù)進行了分析，將該平臺應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測是具有一定科研意義的。

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