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篇1

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）07-0192-01

1 方案設(shè)計(jì)與論證

1.1 無(wú)線收發(fā)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(diǎn)，應(yīng)用于車輛防盜系統(tǒng)、家庭防盜系統(tǒng)、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(wú)線收發(fā)芯片XE1209，其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)2次連續(xù)相位頻率位移鍵控調(diào)制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的單片射頻收發(fā)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(diào)諧范圍。可以工作在4種不同的狀態(tài)下：待機(jī)狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)。（2）方案確定：綜合分析以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案三具有更大的優(yōu)越性、靈活性，因此我們采用方案三作為具體實(shí)施的方案。

1.2 處理器比較與選擇

由于本系統(tǒng)中的兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)采用兩節(jié)1.5V干電池供電，并要求盡量降低各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗，因此采用一般的C51單片機(jī)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(qiáng)大的功能與低功耗等特點(diǎn)，但是其性價(jià)比相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高，整機(jī)電路也比較復(fù)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(tǒng)級(jí)的功能，大大減少了元件的數(shù)目并降低系統(tǒng)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(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、裝配容易等特點(diǎn)，但是其界面比較小，不能達(dá)到比較好顯示的效果。方案二：采用漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊RT12864M，可顯示的內(nèi)容非常豐富，但是其功耗相對(duì)高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手機(jī)液晶，其驅(qū)動(dòng)采用低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動(dòng)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(jià)比的角度來(lái)考慮，我們選擇方案三作為顯示模塊。（3）信道調(diào)制方式。由于無(wú)線收發(fā)芯片已經(jīng)確定使用了單片射頻收發(fā)芯片TH7122，其在發(fā)射模式下產(chǎn)生載波頻率，可以采用FSK/ASK/FM三種調(diào)制方式，但是在本系統(tǒng)中我們固定了載波頻率為27MHz，再綜合這三種調(diào)制方式的特點(diǎn)，另外FSK對(duì)鑒頻器的參數(shù)非常高，對(duì)調(diào)試不是很方便，因此在這里采用ASK調(diào)制方式作為具體實(shí)現(xiàn)的方案。（4）總體方案根據(jù)以上分析與論證，我們確定了總體設(shè)計(jì)方案：監(jiān)測(cè)終端硬件以P89LPC922為主控制器，以液晶5110、無(wú)線收發(fā)模塊為受控模塊。探測(cè)點(diǎn)也以P89LPC922為主控制器，以無(wú)線收發(fā)模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。（如圖1）

2 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)試儀器及設(shè)備

（1）UT30D數(shù)字萬(wàn)用表。（2）SS-7802 20M數(shù)字示波器。

2.2 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)

（1）測(cè)試方法。1）分模塊進(jìn)行測(cè)試：對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的光照檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證它是否能正常工作；對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證它是否能正常工作；對(duì)無(wú)線通信模塊進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證是否能正常通信。2）保證各模塊正常工作之后，再進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。（2）數(shù)據(jù)記錄。直接對(duì)單個(gè)光敏電阻進(jìn)行光照變化時(shí)的阻值測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)如下：（如表1）

2.3 數(shù)據(jù)分析

以上對(duì)光敏電阻阻值的測(cè)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(shù)據(jù)只是針對(duì)于某個(gè)特定情況之下，其實(shí)光敏電阻的阻值是隨光照強(qiáng)度的變化而變化的。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發(fā)芯片TH7122、低耗電數(shù)字溫度傳感器TMP102等構(gòu)成，很好地實(shí)現(xiàn)了外部環(huán)境的監(jiān)測(cè)：光照與溫度，并且性能比較好。很有市場(chǎng)前途。

參考文獻(xiàn)

篇2

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)：

篇3

中圖分類號(hào)：TN711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

引言

現(xiàn)代溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)車間，溫室環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化最為關(guān)鍵的環(huán)。傳統(tǒng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于有線通信方式。有線通信系統(tǒng)在溫室生產(chǎn)實(shí)踐中存在諸如布線復(fù)雜、維護(hù)困難、傳感器節(jié)點(diǎn)不能隨作物變更而靈活部署等問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor network，WSN)作為一種全新的信息獲取技術(shù)和處理技術(shù)，具有節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、體積小、成本低、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在溫室測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集溫室內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)，是溫室控制系統(tǒng)的核心部分；各匯聚負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)是溫室監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的管理者，也是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集者，并承擔(dān)感知區(qū)域與服務(wù)器端之間的通信工作；服務(wù)器是整個(gè)溫室控制系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)管理和控制Sink節(jié)點(diǎn)，根據(jù)Sink節(jié)點(diǎn)提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)決定進(jìn)一步采取的策略，并對(duì)終端用戶提供訪問(wèn)控制接口；客戶端使用PC或者移動(dòng)設(shè)備通過(guò)Web服務(wù)隨時(shí)查看當(dāng)前溫室環(huán)境狀態(tài)以及歷史數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)向溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)一步的指令，由服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成單元，需要具備環(huán)境因子采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信等功能。在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用背景下，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了低成本、低功耗、穩(wěn)定、可靠等因素。

(1)CC2430。 CC2430是由Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)如下：采用了增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051MCU，具有較高性能。集成了符合2．4 GHz IEEE802．15．4的RF收發(fā)器CC2420。具有4種電源管理模式，可靈活配置系統(tǒng)工作模式以降低系統(tǒng)功耗。在休眠模式時(shí)電流消耗僅有0.9μA，在待機(jī)模式時(shí)電流消耗小于0．6μA?；贑C2430設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)僅需較少的電路即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性并降低了系統(tǒng)功耗。

(2)傳感器選擇。傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成各種與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)的環(huán)境因子的采集，這些信息采集是由傳感器完成的，要求傳感器具備較高的精度及較低的功耗。本設(shè)計(jì)所采用各種傳感器及其技術(shù)參數(shù)為：SHT71數(shù)字型大氣溫濕度傳感器，工作電流為550μA，待機(jī)時(shí)僅0．3μA，測(cè)量溫濕度的精度分別為±0．3℃和小于等于1．8％，接口為12C總線。ISL29010數(shù)字型光照強(qiáng)度傳感器，工作電流為0．25μA，待機(jī)電流0．1μA，測(cè)量精度±50 lux，接口為12C。SLSTl—5數(shù)字型土壤溫度傳感器，測(cè)量電流1．5 mA，待機(jī)電流1μA，測(cè)量精度±0．5℃，接口為單總線。H550數(shù)字型CO2傳感器，工作電流15μA，精度為±30 ppm，接口為12C。FDSl00模擬型土壤濕度傳感器，工作電流15μA，精度小于等于3％，輸出為模擬信號(hào)。

由上述技術(shù)參數(shù)可以看出，數(shù)字型傳感器的功耗較低，與CPU以單總線或雙總線連接，除了FDSl00模擬型土壤濕度傳感器外，其余均可掛接在12C數(shù)據(jù)總線上。在本設(shè)計(jì)中由CC2430的兩個(gè)I／O口分別模擬12C總線的時(shí)鐘線和數(shù)字線，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，節(jié)省了CPU的I／0端口。FDSl00輸出模擬信號(hào)，可直接與CC2430的P0口相連，利用CC2430內(nèi)部的ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2.2、ZigBee通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ZigBee協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟制定的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率和低成本。此外，ZigBee設(shè)備具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示功能，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備可自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的前提下，最小地消耗設(shè)備能量。

在節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)用ZigBee協(xié)議棧提供的API函數(shù)完成網(wǎng)絡(luò)管理層的設(shè)備初始化、配置網(wǎng)絡(luò)、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布在多個(gè)溫室中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)絡(luò)。為了進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)功耗，設(shè)計(jì)了靈活、可動(dòng)態(tài)配置的定時(shí)采集數(shù)據(jù)、定時(shí)休眠及喚醒功能。

3 網(wǎng)關(guān)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，作者以S3C2410A為核心構(gòu)建了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)，主要硬件結(jié)構(gòu)有：

(1)ZigBee協(xié)調(diào)器。在本設(shè)計(jì)中，ZigBee協(xié)議將整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)最終匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上，因此本文中將ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)嵌入到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

(2)MC39i。采用Siemens公司GSM／GPRS雙頻模塊MC39i完成網(wǎng)關(guān)的無(wú)線遠(yuǎn)程通信。MC39i支持GSM900和GSMl800雙頻網(wǎng)絡(luò)，接收速率可達(dá)86．20 kb／s，發(fā)送速率可達(dá)21．5 kb／s，完全滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)較小的數(shù)據(jù)傳輸量的需求。

(3)存儲(chǔ)器接口。S3C2410A內(nèi)置了外部存儲(chǔ)器控制器，本系統(tǒng)拓展了64MB SDRAM和64MBNandFlash。

(4)通用接口。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力：帶觸摸屏的LCD是網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)信息交互的界面；USB接口可用來(lái)外接標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)；SD卡可作為拓展存儲(chǔ)器使用；RJ45接口可將網(wǎng)關(guān)接人以太網(wǎng)。

(5)電源。穩(wěn)定的電源對(duì)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。通過(guò)變壓器將220 V市電降為穩(wěn)定的12 V直流電作為網(wǎng)關(guān)的主電源，同時(shí)采用12 V的蓄電池作為系統(tǒng)的備用電源，以構(gòu)成不問(wèn)斷電源，保證系統(tǒng)在斷電情況下能正常運(yùn)行。

3．2基于WinCE的軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

WinCE5．0是一個(gè)32位、多任務(wù)、多線程的嵌入式操作系統(tǒng)，具有模塊化、易于裁剪等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用Platform Builder定制了適合網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的WinCE5．0操作系統(tǒng)，為溫室管理人員提供了直觀、圖形化的人機(jī)界面，便于用戶的操作；同時(shí)為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)提供了豐富的API接口。本系統(tǒng)在Embedded Visual C++4．0開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了如下通信程序：串口通信，管理系統(tǒng)通過(guò)串口與ZigBee協(xié)調(diào)器和MC39i進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。GSM通信，通過(guò)GSM短消息來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程預(yù)警。Socket網(wǎng)絡(luò)通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心需要一臺(tái)具有公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)／GPRS雙重通信信道與遠(yuǎn)程管理中心進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)中，采用可靠的流式套接字實(shí)現(xiàn)了基于TCP／IP協(xié)議Socket網(wǎng)絡(luò)通信。

3．3 網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

作為溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的本地管理平臺(tái)，網(wǎng)關(guān)需要完成眾多數(shù)據(jù)管理工作。本設(shè)計(jì)基于SQLite3實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理軟件，用以完成傳感器節(jié)點(diǎn)管理和環(huán)境數(shù)據(jù)管理。

(1)節(jié)點(diǎn)管理。監(jiān)測(cè)區(qū)域分布有大量不同類型的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，因此需要對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。具有同一ZigBee信道的節(jié)點(diǎn)都可以加到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。節(jié)點(diǎn)的管理包括節(jié)點(diǎn)電量、節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)位置、傳感器類型、采樣周期、運(yùn)行狀態(tài)、更新時(shí)間等屬性的配置。

(2)數(shù)據(jù)管理與預(yù)警。網(wǎng)關(guān)周期性收到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)匯聚的大量環(huán)境信息，采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢等管理。此外，需要對(duì)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的每一個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過(guò)溫室管理人員設(shè)置的安全范圍時(shí)，啟動(dòng)警報(bào)器、閃光燈、GSM短信等多種預(yù)警方式。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，并只需要部署一次就可以進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)工作 同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力，可以將大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到基站進(jìn)行處理，具有傳統(tǒng)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不具有的優(yōu)勢(shì)，非常適用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用。本文作者基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)快速自組網(wǎng)以及對(duì)各種溫室環(huán)境因子的實(shí)時(shí)采集、傳輸、顯示。該系統(tǒng)很好地克服了傳統(tǒng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在溫室監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用做了有益探索。

參考文獻(xiàn)

篇4

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）09-0383-01

一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的涵義

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合運(yùn)用了多項(xiàng)技術(shù)，它是多種技術(shù)的集合體，主要包括無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及分布式信息處理技術(shù)。它可以對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并加以處理后得到準(zhǔn)確詳實(shí)信息，最終將這些信息發(fā)給有需要的人。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量靜止或移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式構(gòu)成，集傳感與驅(qū)動(dòng)控制、計(jì)算、通信能力于一身，協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息并報(bào)告給用戶。由于它成本低，采用無(wú)線通信，不需要固定網(wǎng)絡(luò)協(xié)助，所以其研究成果應(yīng)用十分廣泛。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由非常多的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們的功能并不完全相同，但是構(gòu)造大體相同，大都是由數(shù)據(jù)收集、處理、發(fā)送和電源四部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的作用是收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，或者是類頭節(jié)點(diǎn)。收據(jù)收集，即收集監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)（如濕度、溫度等），并將其傳送至遠(yuǎn)方基站或者是匯節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)，即將其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，在不經(jīng)過(guò)任何處理的情況直接傳送出去；類頭節(jié)點(diǎn)，收集屬于同一類型節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，匯總后傳送給上一層級(jí)。

系統(tǒng)基本由下面幾部分構(gòu)成：

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)。對(duì)所監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，比如溫度、濕度等，將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心。

（2）網(wǎng)關(guān)。連接無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至外網(wǎng)，并給下級(jí)節(jié)點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)任務(wù)。

（3）遠(yuǎn)程客戶端和PDA用戶。通過(guò)外網(wǎng)查詢監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)。

（4）監(jiān)控中心。布置任務(wù)，下達(dá)監(jiān)測(cè)命令，以及管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要是匯總分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)狀

用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，具有三個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）成本低廉，網(wǎng)絡(luò)安裝速度快；

（2）在不增加其他設(shè)備的情況下就可以完成數(shù)據(jù)的傳輸工作，這使得系統(tǒng)性能提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；

（3）網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)實(shí)，不易被毀壞，能夠滿足某些特殊需求。

關(guān)于將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，國(guó)內(nèi)的學(xué)者已經(jīng)做得很多研究，并獲得了一些研究成果。在美國(guó)是研究人員將其用于監(jiān)測(cè)島嶼的生態(tài)狀況；在我國(guó)，杭州將其用于監(jiān)測(cè)杭州西溪濕地水環(huán)境，國(guó)防科技大學(xué)將其用于環(huán)境監(jiān)測(cè)并得到了重要的研究成果。

在我國(guó)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還未得到廣泛的應(yīng)用，主要原因是，第一大部分人對(duì)其還不熟悉，不知道任何使用，它的優(yōu)勢(shì)在哪里；第二無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用中還存在一些重要問(wèn)題沒(méi)有得到徹底解決，國(guó)內(nèi)關(guān)于它的研究還比較淺，加之其應(yīng)用不同地方會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點(diǎn)等也有不同的要求。

四、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

（一）礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)

對(duì)于煤礦企業(yè)而言，安全探測(cè)是十分重要的，特別是在需求量持續(xù)增長(zhǎng)的前提下，在長(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)與使用中，煤礦探測(cè)的安全問(wèn)題愈發(fā)的引起了人們的重視。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持下，可以很好的實(shí)現(xiàn)低成本的探測(cè)需求，并且可以在一定程度上提高礦井作業(yè)的安全屬性。特別是Zig Bee技術(shù)的應(yīng)用與推廣，可以滿足人們對(duì)于井下監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、安全分析等綜合需求。在近年來(lái)，技術(shù)人員將Zig Bee技術(shù)進(jìn)行了細(xì)化和拓展，可以幫助人們直觀的了解到井下的作業(yè)情況，這對(duì)于安全、高效作業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了較大的支持。

（二）軍事環(huán)境監(jiān)測(cè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和容錯(cuò)性高的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事領(lǐng)域應(yīng)用，也是軍事指揮、控制、通信、計(jì)算、情報(bào)、監(jiān)視、偵察與目標(biāo)捕獲系統(tǒng)的重要組成部分。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視，目標(biāo)定位，戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估，核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能，目前國(guó)際許多機(jī)構(gòu)的課題都是以戰(zhàn)場(chǎng)需求為背景展開(kāi)的。信息技術(shù)必然是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)取勝的關(guān)鍵，目前已然有許多國(guó)家將該技術(shù)與軍事研究相結(jié)合，幫助己方及時(shí)的獲取對(duì)方的各項(xiàng)信息，從而及時(shí)的進(jìn)行戰(zhàn)略的調(diào)整。

（三）自然環(huán)境監(jiān)測(cè)

1、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境，主要需要兩部分的支持，分別是設(shè)備和相應(yīng)的程序支持。設(shè)備包括一是傳感器節(jié)點(diǎn)，主要是用于大氣技術(shù)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和收集，還有相配套的放大電路；二是Sink節(jié)點(diǎn)，用來(lái)匯總數(shù)據(jù)及向基站傳輸數(shù)據(jù)；三是服務(wù)器，這其中需要兩個(gè)服務(wù)，一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸。相應(yīng)程序也就軟件主要是由用于數(shù)據(jù)收集、處理和傳輸?shù)南嚓P(guān)模塊組成，通常有串口通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能模塊。它的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單方便、布局靈活、維護(hù)容易、成本低。

2、水環(huán)境監(jiān)測(cè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從功能上可以將水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分成三級(jí)。第一級(jí)是以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心構(gòu)造的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及測(cè)試儀構(gòu)成；第二級(jí)是Zig Bee/GPRS網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程發(fā)送，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心對(duì)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)控制命令的發(fā)送；第三級(jí)是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理分析和控制命令決策。在整個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專注于探測(cè)和收集水環(huán)境的信息；而復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等則交給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心來(lái)完成。主要包括以動(dòng)態(tài)曲線的方式實(shí)現(xiàn)傳感器信息的在線監(jiān)測(cè)和大量水質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3、地質(zhì)監(jiān)測(cè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地質(zhì)監(jiān)測(cè)方面也有很廣泛的應(yīng)用。對(duì)于部分地質(zhì)較為特殊的區(qū)域而言，有效的地質(zhì)檢測(cè)可以很好的促進(jìn)該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如凍土環(huán)境下的交通設(shè)施建設(shè)，在人力無(wú)法實(shí)現(xiàn)的前提下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)則可以很好的實(shí)現(xiàn)。尤著宏等基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的青藏鐵路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用多跳的方式將數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點(diǎn)傳輸至轉(zhuǎn)發(fā)基站上的匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。

4、其他應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在其他領(lǐng)域也同樣具有重要的應(yīng)用價(jià)值，例如在農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)方面，崔光照等針對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，提出了利用具有自組織特性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)溫度、土地濕度和土壤pH值等環(huán)境變量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法。該方法采用了對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，低功耗微小網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及基于拓?fù)錁?shù)的網(wǎng)絡(luò)初始化配置算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，節(jié)點(diǎn)能夠有效地采集和處理數(shù)據(jù)，并可以在節(jié)點(diǎn)間成功地進(jìn)行通信。另外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖、森林監(jiān)測(cè)、家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)以及管道輸送監(jiān)測(cè)等方面都得到了廣泛應(yīng)用。

綜上所述，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在眾多領(lǐng)域都有著應(yīng)用，并發(fā)揮著極為重要的作用。因此，為使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，還需要更進(jìn)一步的深入研究，為社會(huì)發(fā)展?fàn)I造更良好的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

篇5

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)采集周圍的相關(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?；跓o(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。可以預(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)

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[2]豐原.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

篇6

中圖分類號(hào):TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0053-03

Design of Building Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Technology

CUI Ran1, MA Xu-dong1, PENG Chang-hai2

(1. School of Automation, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: The building energy management system is introduced, and the importance of environment monitoring for energy saving is analysed. The wireless sensor moni-toring scheme building environment is put forward. The enviroment monitoring system based on wireless sensor network is designed and realized. The issues on how to select monitoring points in engineering application was solved by means of summarization.

Keywords: building energy management system; wireless sensor network; building; environment monitoring system; energy-saving

0 引 言

20世紀(jì)80年代的能源危機(jī)讓世界意識(shí)到節(jié)約能源的重要性,在樓宇電力節(jié)能方面出現(xiàn)了很多實(shí)際有效的技術(shù)和方法。新的空調(diào)控制理論、DDC控制器、最優(yōu)化的控制思想不斷應(yīng)用到樓宇能耗設(shè)備上。傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)BAS從對(duì)設(shè)備的控制逐漸發(fā)展成為包含了對(duì)能源的管理和控制的樓宇能源管理系統(tǒng)BEMS。

樓宇中能耗設(shè)備眾多,其中空調(diào)和照明系統(tǒng)的能耗占樓宇總能耗的70%以上。由于樓宇特殊的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),如何在樓宇中建立統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái),診斷樓宇的節(jié)能水平,是樓宇能源管理系統(tǒng)中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

國(guó)際能源組織IEA認(rèn)為BEMS是在提供愉快舒適的室內(nèi)環(huán)境和保證使用者安全的前提下實(shí)現(xiàn)建筑物的節(jié)能效果和人力的節(jié)約。因此,以室內(nèi)環(huán)境為監(jiān)測(cè)對(duì)象,通過(guò)對(duì)室內(nèi)溫度和光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè),能反映空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)消耗能源所產(chǎn)生的效果,從而可以在此基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能的目的。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè),需要在樓宇內(nèi)的不同區(qū)域布置大量傳感裝置。而在樓宇中采用傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生巨大的安裝成本且對(duì)樓宇本身存在一定程度的損傷(特別是對(duì)既有建筑而言)。如果采用無(wú)線傳感技術(shù),則布線工作即可免去,工程的總成本將大幅降低。因此,通過(guò)無(wú)線傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)的環(huán)境信息的采集和傳輸是成功建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量小型或微型的各類集成化傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)各種環(huán)境對(duì)象信息,通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行智能處理,并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。

節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信協(xié)議采用基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議[1](見(jiàn)圖1)。Zigbee協(xié)議支持支持星形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),非常適合用于樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(Low-rate Wireless Personal Area Network),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)備之間的低速互連提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。采用免執(zhí)照2.4 GHz和868/915 MHz的ISM頻段,能夠方便自由地構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。

圖1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Mesh Network)(見(jiàn)圖2)[2]。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有很廣的的傳送范圍,而且通過(guò)鏈路冗余的方式使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)一步提高。只要是在通信距離范圍內(nèi)的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以建立起一個(gè)通信鏈路。該鏈路建立后如果因干擾而中斷,節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)搜索其他相鄰的節(jié)點(diǎn),重新建立一條新的鏈路。不僅如此,網(wǎng)絡(luò)中的任何兩個(gè)設(shè)備都可以相互通信,即使不在直接通信的范圍內(nèi),也可以通過(guò)多個(gè)中間設(shè)備中繼的方式進(jìn)行傳輸,即多跳的傳輸方式。動(dòng)態(tài)路由和多跳傳輸增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性,除了中心節(jié)點(diǎn),任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞對(duì)不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。基于這些特性,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)非常適合在樓宇自動(dòng)化和樓宇監(jiān)控方面的應(yīng)用。

圖2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集裝置采用美國(guó)克爾斯博科技公司(Crossbow)MTS系列多功能傳感器板(見(jiàn)圖3(a))和基于TI CC2420的MicaZ射頻處理器(見(jiàn)圖3(b))為平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。與中心節(jié)點(diǎn)通信的網(wǎng)關(guān)采用Crossbow的MIB520(見(jiàn)圖3(c))作為網(wǎng)絡(luò)基站。MIB520網(wǎng)關(guān)通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的在線編程和數(shù)據(jù)接收。

2.2 TinyOS微操作系統(tǒng)

TinyOS是UC Berkeley(加州大學(xué)伯克利分校)開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼操作系統(tǒng),專為嵌入式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),操作系統(tǒng)基于構(gòu)件(Component-based)的架構(gòu)使得快速的更新成為可能,而這又減小了受傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器限制的代碼長(zhǎng)度。TinyOS的構(gòu)件包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)器、傳感器驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)識(shí)別工具。其良好的電源管理源于事件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模型,該模型也允許時(shí)序安排具有靈活性。TinyOS已被應(yīng)用于多個(gè)平臺(tái)和感應(yīng)板中。

圖3 硬件平臺(tái)

TinyOS的程序采用的是模塊化設(shè)計(jì),所以它的程序核心往往都很小(一般來(lái)說(shuō)核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400 B左右),能夠突破傳感器存儲(chǔ)資源少的限制,這能夠讓TinyOS很有效的運(yùn)行在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上并去執(zhí)行相應(yīng)的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的組件,可以很簡(jiǎn)單方便的編制程序,用來(lái)獲取和處理傳感器的數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線電來(lái)傳輸信息。TinyOS在構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí),它會(huì)有一個(gè)基地控制臺(tái),主要是用來(lái)控制各個(gè)傳感器子節(jié)點(diǎn),并聚集和處理它們所采集到的信息。TinyOS只要在控制臺(tái)發(fā)出管理信息,然后由各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互相傳遞,最后達(dá)到協(xié)同一致的目的。

利用TinyOS微操作系統(tǒng)構(gòu)建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn):

(1) 基于組件的架構(gòu)(Componented-based Architecture)

TinyOS提供一系列可重用的組件,一個(gè)應(yīng)用程序可以通過(guò)連接配置文件(A Wiring Specification)將各種組件連接起來(lái),以完成它所需要的功能。

(2) 事件驅(qū)動(dòng)(Event-Driven Architecture)

TinyOS的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動(dòng)模式的,采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。

(3) 任務(wù)和時(shí)間并發(fā)(Tasks and Events Concurrency Model)

Tasks一般用在對(duì)于時(shí)間要求不是很高的應(yīng)用中,且Tasks之間是平等的,即在執(zhí)行時(shí)是按順序先后來(lái)得,而不能互相占先執(zhí)行,一般為了減少Tasks的運(yùn)行時(shí)間,要求每一個(gè)Task都很短小,能夠使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較輕。

Events一般用在對(duì)于時(shí)間的要求很嚴(yán)格的應(yīng)用中,而且它可以占先優(yōu)于Tasks和其他Events執(zhí)行,它可以被一個(gè)操作的完成或是來(lái)自外部環(huán)境的事件觸發(fā),在TinyOS中一般由硬件中斷處理來(lái)驅(qū)動(dòng)事件。

(4) 裂相操作Split-Phase Operations

在TinyOS中由于Tasks 之間不能互相占先執(zhí)行,所以TinyOS沒(méi)有提供任何阻塞操作,為了讓一個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)的操作盡快完成,一般來(lái)說(shuō)都是將對(duì)這個(gè)操作的需求和這個(gè)操作的完成分開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn),以便獲得較高的執(zhí)行效率。

2.3 固件程序設(shè)計(jì)

無(wú)線節(jié)點(diǎn)采用了Crossbow的MicaZ收發(fā)處理器、MTS300溫度/光照集成傳感器以及MIB520網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)MESH網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在節(jié)點(diǎn)端,利用XMesh提供的組件進(jìn)行程序開(kāi)發(fā),組件主要包括:Main,XMTS300M,QueueSend,TimerC,XmeshBinaryRouter,NoLeds,HPLPowerManagementM,Voltage,PhotoTemp,Sounder,GenericCommPromiscuous等。通過(guò)Main組件啟動(dòng)時(shí)鐘組件TimerC、通信組件GenericCommPromiscuous、路由組件XMeshBinaryRouter以及傳感器組件XMTS300M等,實(shí)現(xiàn)了多跳結(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò),并使用HPLPowerManagementM模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠控制以降低功耗。

在網(wǎng)關(guān)處,網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息都最終發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的匯聚節(jié)點(diǎn)sink0,通過(guò)節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)sink0由MIB520網(wǎng)關(guān)發(fā)送到上位機(jī)。組件采用XServer中間件的相關(guān)組件,包括調(diào)度組件Main、網(wǎng)管監(jiān)測(cè)組件Xheartbeat、基站組件XmeshBaseM、路由組件XmeshBinaryRouter、LED組件NoLeds、下行命令組件XcommandC,組件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)組件連接圖

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置選擇

由于樓宇構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的特殊性,在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下問(wèn)題。

3.1 節(jié)點(diǎn)位置

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置和數(shù)量的選擇是構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)首先要考慮的問(wèn)題。由于樓宇中結(jié)構(gòu)復(fù)雜,合理地選取發(fā)射器、中繼器和接收器的位置是保證網(wǎng)絡(luò)健壯性的關(guān)鍵。從節(jié)點(diǎn)間相互通信的角度考慮,最佳位置要能使節(jié)點(diǎn)彼此間在可視直線距離范圍內(nèi),保證節(jié)點(diǎn)間通信和連接的穩(wěn)定。

3.2 傳輸距離

在樓宇內(nèi),信號(hào)的實(shí)際傳送距離與理想狀態(tài)有很大的差距,主要原因有三個(gè):

(1) 傳輸距離引起的信號(hào)衰減;

(2) 傳輸過(guò)程中障礙物引起的信號(hào)衰減;

(3) 其他設(shè)備的電磁干擾。

當(dāng)發(fā)送器和接收器之間具有一條暢通無(wú)阻的可視路徑時(shí),在發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度一定的情況下,接收信號(hào)強(qiáng)度的衰減與傳輸距離的平方成反比關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中,由于障礙物的存在和信號(hào)發(fā)射的干擾,距離的冪指數(shù)通常大于2,約在2~4之間[3]。因此,在樓宇中布置傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí),要根據(jù)環(huán)境正確評(píng)估傳輸距離,確保信息的有效傳輸。

3.3 信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)

信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)的目的是為了確認(rèn)節(jié)點(diǎn)位置的選取是否正確,各節(jié)點(diǎn)之間的通信是否穩(wěn)定可靠。通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè),合理改變各節(jié)點(diǎn)的位置或適當(dāng)添加中繼器來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性。目前,幾大知名的傳感器節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)廠家如Crossbow等的節(jié)點(diǎn)都具有接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)監(jiān)測(cè)功能,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中薄弱點(diǎn),及時(shí)地予以調(diào)整。

3.4 電磁干擾

樓宇內(nèi)手機(jī)、微波爐等電磁設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生無(wú)線波,對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用擴(kuò)頻技術(shù)(Spread Spectrum)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸,抗干擾能力得到增強(qiáng),但在布置無(wú)線節(jié)點(diǎn)時(shí),仍要注意與電磁設(shè)備保持一定的距離,同時(shí)也避免無(wú)線節(jié)點(diǎn)的電磁場(chǎng)對(duì)其他設(shè)備的干擾。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著《節(jié)約能源法》和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)法律法規(guī)的出臺(tái),以及人們節(jié)能意識(shí)的不斷提高,如何保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性,同時(shí)降低樓宇的能耗,將是樓宇節(jié)能研究的主要課題。無(wú)線傳感技術(shù)以其便利性和不斷降低的成本,在降低能源消耗、改善室內(nèi)環(huán)境、延長(zhǎng)能耗設(shè)備使用壽命、減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等方面被廣泛應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)節(jié)能建筑、綠色建筑的目標(biāo)提供了重要的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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篇7

關(guān)鍵詞：Zigbee;環(huán)境監(jiān)測(cè);節(jié)點(diǎn);多參數(shù)

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-3824（2014）05-0039-03

0 引 言

伴隨世界經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的快速發(fā)展，世界環(huán)境問(wèn)題日益突出，環(huán)境監(jiān)測(cè)逐步受到越來(lái)越多的重視[1]。當(dāng)前，環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大并且價(jià)格低廉的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中的首要任務(wù)就是準(zhǔn)確獲取監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)，以便進(jìn)行后期的分析、整理和改進(jìn)等工作。

物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things，IoT）技術(shù)的出現(xiàn)很好地促進(jìn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展。簡(jiǎn)而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心在于感知地球，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以大范圍無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合，可以為國(guó)家和企業(yè)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境治理、環(huán)境規(guī)劃等工作提供理論依據(jù)[2]。

近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)和集成電路、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)功耗低、體積小、具有感知及信息處理能力的傳感器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)[3]。然而在實(shí)際運(yùn)用中我們需要的不止一個(gè)環(huán)境參數(shù)，而是需要多個(gè)傳感器同時(shí)工作[4]，采集多個(gè)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)[5]。基于這個(gè)目的，我們迫切地需要一種設(shè)備能夠連接多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)采集、整理以及傳輸。故本文針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中的多傳感器和多參數(shù)情況運(yùn)用了Zigbee技術(shù)方案進(jìn)行了解決，通過(guò)CC2530連接各個(gè)傳感器組建節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、煙霧和RSSI值等數(shù)據(jù)。

一個(gè)功能完善的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)除了傳統(tǒng)意義上的環(huán)境參數(shù)采集之外，應(yīng)該能夠提供一個(gè)測(cè)距定位功能。本文所提出的基于Zigbee的多參數(shù)無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)硬件自身系統(tǒng)在不添加任何額外硬件的情況下通過(guò)數(shù)據(jù)包發(fā)送RSSI值可以進(jìn)行測(cè)距定位[6]。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1 Zigbee與CC2530

1.1 Zigbee簡(jiǎn)介

Zigbee是基于IEEE802.15.4工作組制定的低功耗個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，Zigbee技術(shù)正是由此而來(lái)的一種短距離、低功耗的雙向無(wú)線通信技術(shù)[7]。Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)是低復(fù)雜度，自組織，低成本，低功耗，低數(shù)據(jù)速率和近距離。由一個(gè)協(xié)調(diào)器組織的大容量Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納65 535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而擴(kuò)展了單個(gè)節(jié)點(diǎn)間75 m的標(biāo)準(zhǔn)通信距離，達(dá)成了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離通信，滿足了大多數(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的需求。工作在2.4 GHz頻段的Zigbee擁有16個(gè)自主定義的獨(dú)立信道，通過(guò)切換信道，有效地提高了通信過(guò)程中的抗干擾性。與此同時(shí)，Zigbee使用了標(biāo)準(zhǔn)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突防止（CSMA/CA）方式，有效地避免了信道競(jìng)爭(zhēng)和沖突，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

Zigbee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為一個(gè)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組網(wǎng)以及和上位機(jī)通信，若干個(gè)路由器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)以及拓展網(wǎng)絡(luò)容量，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送以及接收信息。

圖2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 CC2530簡(jiǎn)介

CC2530是德州儀器公司根據(jù)Zigbee技術(shù)實(shí)際應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的一個(gè)價(jià)格低廉并且功能強(qiáng)大的片上系統(tǒng)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[8]。CC2530能夠通過(guò)自身I/O口連接多個(gè)傳感器建立功能完善的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

CC2530 結(jié)合了增強(qiáng)型8位8051 CPU，最高256 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB的RAM 和21個(gè)可編程數(shù)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(gè)引腳。所有引腳可都分為21個(gè)I/O端口線引腳、13個(gè)電源線引腳和6個(gè)控制線引腳共3類。

通過(guò)同樣是德州儀器公司推出的目前應(yīng)用最廣泛的Zigbee 協(xié)議棧（Z-StackTM），CC2530提供了功能強(qiáng)大且應(yīng)用寬廣的Zigbee 解決方案。協(xié)議棧采用查詢操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)初始化完成后就進(jìn)入操作系統(tǒng)并不停地輪轉(zhuǎn)查詢用戶自定義的任務(wù)來(lái)執(zhí)行。

2 傳感器

一個(gè)好的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)離不開(kāi)多個(gè)好的傳感器，這些功耗低、體積小的傳感器能夠?qū)囟?、濕度和煙霧等多個(gè)環(huán)境參數(shù)信息準(zhǔn)確地采集至監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。本節(jié)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(yōu)點(diǎn)。

2.1 DHT11

DHT11溫濕度傳感器可以同時(shí)采集環(huán)境溫度和濕度，它輸出的是經(jīng)過(guò)內(nèi)部校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。它是應(yīng)用程序先進(jìn)的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度、濕度傳感技術(shù)，在硬件電路簡(jiǎn)單的同時(shí)保證了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。測(cè)量范圍：濕度20%90% RH，溫度050℃;測(cè)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(dǎo)體式煙霧傳感器擁有很寬的監(jiān)測(cè)范圍（30010 000 ppm），其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高，響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。它輸出的是模擬信號(hào)，提供一個(gè)煙霧報(bào)警信息，可用于各種液化氣，酒精，煙霧，煙塵等氣體監(jiān)測(cè)的環(huán)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(shè)計(jì)與測(cè)試

3.1 軟件代碼編寫(xiě)

在開(kāi)發(fā)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(xié)議棧，添加自己的任務(wù)，使傳感器設(shè)備正常工作采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)并上傳上位機(jī)。

CC2530節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼如下所示：

1）定義一個(gè)數(shù)組;

2）寫(xiě)入溫濕度數(shù)據(jù);

3）根據(jù)有無(wú)煙霧報(bào)警信號(hào)寫(xiě)入0或1;

4）調(diào)用Z-Stack發(fā)射函數(shù)進(jìn)行發(fā)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(méi)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(xié)調(diào)器接收代碼如下所示：

1）驗(yàn)證是否為自身網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù);

2）若是，則獲取數(shù)據(jù)，串口進(jìn)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(jié)點(diǎn)測(cè)試

節(jié)點(diǎn)采集到環(huán)境信息后發(fā)往協(xié)調(diào)器經(jīng)由串口傳輸至上位機(jī)，故我們只須監(jiān)測(cè)上位機(jī)串口即可測(cè)試整套系統(tǒng)的可行性及穩(wěn)定性。

圖5和圖6為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部無(wú)障礙情況下節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器1 m處和3 m處連續(xù)監(jiān)測(cè)5 min后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖5 1 m處節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖6 3 m處節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

通過(guò)監(jiān)測(cè)可以看到節(jié)點(diǎn)在距離協(xié)調(diào)器1 m處和3 m處均能夠穩(wěn)定正常工作，采集所需的環(huán)境參數(shù)，并且能夠發(fā)送自身的RSSI值給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中的無(wú)線環(huán)境、多傳感器、多參數(shù)的情況和對(duì)距離的需要，本文提出了一種基于Zigbee的多參數(shù)無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用了德州儀器公司CC2530作為節(jié)點(diǎn)通過(guò)多個(gè)傳感器對(duì)溫度、濕度、煙霧和RSSI值等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了采集和無(wú)線傳輸，最后在上位機(jī)進(jìn)行顯示和綜合分析整理。由于Zigbee技術(shù)具有成本低，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸可靠，大容量的網(wǎng)絡(luò)，良好的兼容性等特點(diǎn)，應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O大的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

陳國(guó)平（1976），男，重慶合川人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶?聲學(xué)主被動(dòng)原定位與成像。

基金項(xiàng)目：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能環(huán)保系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目（工信部2012-10號(hào)）。

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

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绦颍瑢?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?，使用AT?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āＴ谥噶顖?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ǎ高^(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?？刹捎靡韵录夹g(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)。

篇9

中圖分類號(hào)：S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2016）12-0156-06

Abstract With the characteristics of low cost， low power consumption， high reliability and self-organization， wireless sensor networks （WSNs） play important roles in the agricultural production environment monitoring. Aiming at the problem of cluster head nodes consuming energy so fast to lead the network segmented into parts， we put forward an event driven and energy efficient clustering routing algorithm for agricultural production environment monitoring. All nodes go to sleep mode after the network deployment， when the monitored parameter’s value higher than the setting threshold， the nodes within the scope are awakened and start the incident response clustering mechanism. At the cluster set up phase， randomly select a node as elector to broadcast request clustering message， and accept the other sensor nodes’ response， according to each node energy situation， elector choose node with the maximum residual energy as a cluster head， and choose node with second highest energy for the next round elector. In data transmission phase， the relay nodes were selected on the basis of the residual energy of nodes and the distance to the base station （BS）. The simulation experimental results showed that the proposed protocol could reduce the communication overhead between the cluster members， effectively balance the energy consumption of each node in the network， and significantly prolong the survival time of the network.

Keywords Wireless sensor network； Routing protocol； Event driven； Clustering； OMNET++simulate software

農(nóng)業(yè)信息的精準(zhǔn)獲取是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控的基礎(chǔ)，面對(duì)復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及龐大的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)量，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息獲取方式已無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)需要。隨著微電子工藝和無(wú)線射頻技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究越來(lái)越受到人們的重視。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在觀測(cè)環(huán)境內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式組成的一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[1]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、高可靠、自組織等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中有著重要的地位與廣泛的應(yīng)用前景[2]。

相對(duì)傳統(tǒng)的有線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，首先是方便布置，節(jié)省了有線安裝的費(fèi)用；其次是易于拓展，在已有的監(jiān)測(cè)區(qū)域很容易擴(kuò)展到相鄰區(qū)域；再次是容錯(cuò)性好，網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的操作；最后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，節(jié)點(diǎn)具有自我配置的能力，這也是其易于拓展的重要原因。然而它也具有無(wú)線傳輸媒介固有的限制，如傳輸帶寬低、傳輸過(guò)程容易出錯(cuò)、信道沖突等；另外，很多節(jié)點(diǎn)部署在野外，甚至一些不容易到達(dá)的地方，僅靠有限的電池來(lái)供電，某些靠近基站（BS）的節(jié)點(diǎn)由于傳輸任務(wù)重很容易因能量消耗過(guò)快而失效，從而導(dǎo)致它所負(fù)責(zé)區(qū)域的無(wú)線監(jiān)控失效，因此，如何在節(jié)點(diǎn)初始能量一定的情況下，均衡網(wǎng)絡(luò)流量，節(jié)省能量消耗，盡可能地?cái)U(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期有效工作，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，也是研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控的核心問(wèn)題之一。

現(xiàn)有的路由協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度可以分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。平面型路由協(xié)議中所有節(jié)點(diǎn)具有相同的工作方式和地位，主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、路由選擇靈活和容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性和實(shí)時(shí)性較差，所有節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，當(dāng)距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必然會(huì)通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最后到達(dá)匯聚點(diǎn)，這種路由方式稱為“多跳”，其匯聚點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)因過(guò)于頻繁地參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，能耗過(guò)快，易致失效。如MTE（minimum-transmission-energy）路由協(xié)議，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽R聚點(diǎn)，導(dǎo)致中繼節(jié)點(diǎn)既要感知數(shù)據(jù)，又要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，容易過(guò)早失效。

層次型路由也稱為基于分簇的路由協(xié)議，通常把整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇區(qū)單元，每個(gè)單元由一個(gè)簇頭和若干個(gè)簇成員傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，簇頭管理和控制簇成員節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)將收到的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理；普通節(jié)點(diǎn)只需要在其分配的時(shí)隙內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭。傳感網(wǎng)絡(luò)的分簇彌補(bǔ)了可擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合工作在一定程度上減少了網(wǎng)絡(luò)中的冗余數(shù)據(jù)，降低了網(wǎng)絡(luò)通信量，因此基于分簇的路由協(xié)議得到了十分廣泛的應(yīng)用。

低功耗自適應(yīng)分簇分層型協(xié)議（low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH） 是WSNs中最早提出的基于多簇結(jié)構(gòu)的層次型路由協(xié)議[3]，后期很多重要的路由協(xié)議都是基于它演變而來(lái)的。LEACH協(xié)議在每個(gè)數(shù)據(jù)收集周期（一個(gè)周期也稱為一輪）開(kāi)始時(shí)隨機(jī)選擇一小部分節(jié)點(diǎn)成為簇頭，在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭以單跳通信的方式將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚點(diǎn)。該算法在簇頭選擇時(shí)采用了隨機(jī)方法，并未考慮所選節(jié)點(diǎn)的能量剩余情況。為了提高簇的生成質(zhì)量，Heinzelman等[4]又進(jìn)一步提出了集中式的簇構(gòu)造算法LEACH-C。蔣建明等[5]在采用LEACH的基礎(chǔ)上，依據(jù)節(jié)點(diǎn)電池剩余能量的多少選擇簇頭，并將遠(yuǎn)距離簇頭向基站傳輸數(shù)據(jù)的方式由單跳式改為雙跳式，以達(dá)到節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。李成法等[1]提出一種基于非均勻分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由協(xié)議，該協(xié)議通過(guò)候選簇頭使用非均勻的競(jìng)爭(zhēng)范圍來(lái)構(gòu)造大小不等的簇，離匯聚點(diǎn)越近，所形成的簇規(guī)模越小，這使得靠近匯聚點(diǎn)的簇頭可以為簇間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)留能量。為解決大面積水稻田無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗過(guò)快和丟包率嚴(yán)重等問(wèn)題，雷剛等[6，7]提出了基于能量異構(gòu)雙簇頭分簇路由算法，并設(shè)計(jì)了不同天線模式下的3 種組網(wǎng)方案。歸奕紅[8]針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控需求，提出一種適用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控的動(dòng)態(tài)WSN路由算法，該算法支持網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)和基站都是可移動(dòng)的，采用移動(dòng)式基站有利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡，網(wǎng)絡(luò)基于簇結(jié)構(gòu)并分層進(jìn)行管理，能有效降低能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。朱勇等[2]在典型路由算法與蟻群算法的基礎(chǔ)上，基于溫室環(huán)境智能監(jiān)控的應(yīng)用需求，從能量高效與節(jié)點(diǎn)可信度方面出發(fā)，提出了一種新的基于蟻群算法的同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)位置與能量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法（DEC-ACO）。趙春江等[9]提出了一種能量控制與動(dòng)態(tài)路由相結(jié)合的路由算法ES-AODVjr，該算法通過(guò)平衡監(jiān)測(cè)設(shè)備功耗和數(shù)據(jù)包最短路徑路由策略，保證監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)及時(shí)有效地傳遞。綜上所述，LEACH及其變異算法均基于以下兩個(gè)假設(shè)：傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)地向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；簇頭節(jié)點(diǎn)總是直接與匯聚點(diǎn)通信。但在大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，簇頭節(jié)點(diǎn)往往無(wú)法直接與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，因此，LEACH并不能夠很好地平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

基于事件驅(qū)動(dòng)的路由算法由于只有當(dāng)監(jiān)測(cè)到事件發(fā)生時(shí)才進(jìn)行分簇并向匯聚點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少了持續(xù)定時(shí)分簇的開(kāi)銷以及數(shù)據(jù)發(fā)送的冗余，使得該方法對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量使用效率、能耗平衡及網(wǎng)絡(luò)壽命更加有效，OEDSR[10]、ARPEES[11]、HPEQ[12]的仿真實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。Manjeshwar等根據(jù)節(jié)點(diǎn)工作模式及目標(biāo)應(yīng)用的類型，將傳感器網(wǎng)絡(luò)分為主動(dòng)上報(bào)型和應(yīng)急響應(yīng)型：主動(dòng)上報(bào)型同LEACH中采用的一樣，周期性地啟動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，感知環(huán)境信息并發(fā)送感興趣的數(shù)據(jù)；應(yīng)急響應(yīng)型則只有在所監(jiān)測(cè)的某個(gè)環(huán)境因子發(fā)生突然變化并超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)才會(huì)立刻做出反應(yīng)，這比較適合實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。同時(shí)結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，提出了一種查詢式混合路由協(xié)議APTEEN[13]。Yupho等[14]分析了連續(xù)監(jiān)測(cè)模式、事件驅(qū)動(dòng)模式及混合模式在醫(yī)療環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為具有數(shù)據(jù)可靠交付保證的混合模式更加符合醫(yī)療環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。由于上述所有路由協(xié)議都是面向具體應(yīng)用而提出的，因此在具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控方面并不能完全適用。本文以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境無(wú)線監(jiān)控為研究對(duì)象，提出了改進(jìn)的基于事件驅(qū)動(dòng)的能量高效分簇路由協(xié)議（event driven energy efficient clustering，EDEEC），在此協(xié)議下，當(dāng)被檢測(cè)環(huán)境因子高于某個(gè)預(yù)先設(shè)定的閾值后，傳感器探測(cè)到該事件并自動(dòng)進(jìn)行分簇組網(wǎng)將此關(guān)鍵信息傳送給管理者。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

為保證算法正常運(yùn)行，本研究的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型具有以下特征：

（1）N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于M×M的正方形區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位平等，具有唯一ID，網(wǎng)絡(luò)部署后節(jié)點(diǎn)位置不再變化。

（2）所有節(jié)點(diǎn)均為同構(gòu)節(jié)點(diǎn)，即具有相同的初始能量、數(shù)據(jù)處理和通信功能，包括存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)融合、自適應(yīng)功率控制等。

（3）基站（BS）節(jié)點(diǎn)唯一，靜置于監(jiān)測(cè)區(qū)域外部且離監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)很遠(yuǎn)，能量和功能不受限制。

1.2 信道模型

為了分析發(fā)送和接收廣播控制信息及發(fā)送和接收感知數(shù)據(jù)的能量消耗，及時(shí)確定網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)剩余能量及網(wǎng)絡(luò)的整體能量情況，本文使用文獻(xiàn)[3]中提出的無(wú)線信道模型：

（1）網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括廣播數(shù)據(jù)包和感知數(shù)據(jù)包兩種，假設(shè)k表示數(shù)據(jù)包的大小，k=25 byte表示廣播數(shù)據(jù)包的大小，k=500 byte表示感知數(shù)據(jù)包的大小。

（2）傳輸數(shù)據(jù)包所消耗的能量包括傳輸能耗ETx-elec=k×Eelec和功率放大能耗Eamp=k×Efs×d2兩部分，其中Eelec表示發(fā)射或接收每比特?cái)?shù)據(jù)發(fā)射和接收電路功耗，Efs表示在自由信道模型中傳輸所需能量，d表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間的距離。因此，將k比特?cái)?shù)據(jù)傳輸d距離所消耗的能量表示為ETx （k，d）=ETx-elec+Eamp=k×Eelec+k×Efs×d2。

（3）接收數(shù)據(jù)包所消耗的能量表示為：

ERx（k）=ETx-elec=k×Eelec。

可以看出，在感知、處理、發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量最多，因此，在本研究提出的協(xié)議中，重點(diǎn)致力于減少控制信息數(shù)量、縮減信息長(zhǎng)度及縮短數(shù)據(jù)傳輸距離來(lái)減少能量消耗，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

2 EDEEC路由協(xié)議

EDEEC路由協(xié)議可分解為若干輪，每輪包括簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，簇形成階段主要包括簇頭的選擇和簇建立兩部分，數(shù)據(jù)傳輸階段包括簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)融合及簇頭與BS節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)階段。

2.1 網(wǎng)絡(luò)初始化

整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)在部署完畢后需要進(jìn)行初始化配置工作，該工作僅在第一次部署完畢后進(jìn)行。為了獲取各節(jié)點(diǎn)與BS節(jié)點(diǎn)之間的距離，BS節(jié)點(diǎn)利用洪泛機(jī)制廣播S_ADV消息，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)文獻(xiàn)[15]中提出的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）估算出自身與BS節(jié)點(diǎn)間的距離。在本協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)間可以通過(guò)交換請(qǐng)求建立簇消息（REQ_CLUSTER）或者請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)消息（REQ_RELAY），獲取與其他節(jié)點(diǎn)的距離。

2.2 簇形成階段

2.2.1 簇頭選舉 為了節(jié)省能量，網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，所有節(jié)點(diǎn)均進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到事件發(fā)生時(shí)，該事件周圍的休眠節(jié)點(diǎn)被激活并獲取所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的具體信息。如果所感知信息超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則被激活的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行簇建立與簇頭選舉算法。文獻(xiàn)[16]和[11]中將所有激活的節(jié)點(diǎn)廣播REQ_CLUSTER數(shù)據(jù)包（包含節(jié)點(diǎn)ID、剩余能量和事件中所感知數(shù)據(jù)的描述性信息等字段內(nèi)容）給其他被激活的節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)求建立分簇網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)被激活，如果所有節(jié)點(diǎn)均發(fā)送廣播消息，則所發(fā)送廣播消息的數(shù)量為n（n-1）次；本協(xié)議隨機(jī)選擇一個(gè)被激活的節(jié)點(diǎn)elector發(fā)送廣播消息，并等待所有其他節(jié)點(diǎn)傳回應(yīng)答信息RES_CLUSTER，則發(fā)送接收消息的總數(shù)量為2（n-1）。elector節(jié)點(diǎn)收到所有應(yīng)答信息后，選舉所有節(jié)點(diǎn)中剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)為簇頭（CH）節(jié)點(diǎn)，并將所有簇成員節(jié)點(diǎn)ID轉(zhuǎn)發(fā)給CH，選舉能量次之的節(jié)點(diǎn)為下一輪的elector，這樣如果一輪結(jié)束后elector比其他節(jié)點(diǎn)剩余的能量多，則該elector成為下一輪簇頭節(jié)點(diǎn)的概率將進(jìn)一步增大，減少更多應(yīng)答消息的傳遞。

2.2.2 簇構(gòu)建過(guò)程 選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)后，簇頭根據(jù)本次事件中簇成員的多少分配TDMA調(diào)度計(jì)劃，同時(shí)廣播TDMA_MSG數(shù)據(jù)包給簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)來(lái)確保各節(jié)點(diǎn)有序地向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸感知數(shù)據(jù)；各等待傳輸感知數(shù)據(jù)的非簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)直到分配給它的時(shí)隙的到來(lái)。簇建立階段的流程如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸階段

在前面的網(wǎng)絡(luò)模型中，我們假設(shè)BS節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離各傳感器節(jié)點(diǎn)，因此簇頭節(jié)點(diǎn)必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（也稱中繼節(jié)點(diǎn)）將融合后的數(shù)據(jù)傳送給BS節(jié)點(diǎn)，因此在該階段，應(yīng)該尋找一條更加節(jié)省能量的路由路徑將融合后的數(shù)據(jù)傳送到BS節(jié)點(diǎn)。

2.3.1 簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集 使用TDMA調(diào)度計(jì)劃，各節(jié)點(diǎn)在其分配的時(shí)隙內(nèi)向簇頭節(jié)點(diǎn)傳送感知數(shù)據(jù)。為了節(jié)約能量，當(dāng)為各節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙到來(lái)之前，各節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，只有在其分配的時(shí)隙內(nèi)才處于激活狀態(tài)并傳送數(shù)據(jù)。

2.3.2 簇頭數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理相比于數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量少很多，因此簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合對(duì)于減少數(shù)據(jù)冗余、節(jié)約發(fā)送能耗至關(guān)重要。簇頭節(jié)點(diǎn)收集完所有簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行相應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法，從而減少發(fā)送到BS節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量。

2.3.3 選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建路由 要發(fā)送數(shù)據(jù)的簇頭節(jié)點(diǎn)首先檢查BS是否在其通信范圍內(nèi)，如果在則直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給BS，如果不在則簇頭給其通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)REQ_RELAY數(shù)據(jù)包并請(qǐng)求所有收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)返回其自身信息。REQ_RELAY數(shù)據(jù)包包含節(jié)點(diǎn)ID、剩余能量、離BS的距離信息。收到REQ_RELAY的節(jié)點(diǎn)將根據(jù)自身與BS的距離與REQ_RELAY中請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)與BS的距離決定是否返回響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)RESPON_RELAY數(shù)據(jù)包，只需距離BS更近的候選節(jié)點(diǎn)做出該響應(yīng)，該響應(yīng)數(shù)據(jù)包包含節(jié)點(diǎn)ID、剩余能量、端到端平均延時(shí)及離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離等信息。簇頭節(jié)點(diǎn)從鄰居節(jié)點(diǎn)收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包后，根據(jù)式（1）所示的轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)函數(shù)從候選節(jié)點(diǎn)中選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

FRN（j）=Eres（j）Delay（CH，j） ×d（CH，j）d（j，BS）（1）

式中Eres是節(jié)點(diǎn)的剩余能量，d（j，BS）是候選節(jié)點(diǎn)j到基站BS的距離，d（CH，j）是簇頭節(jié)點(diǎn)與候選節(jié)點(diǎn)j之間的距離，Delay（CH，j）表示簇頭節(jié)點(diǎn)CH與候選節(jié)點(diǎn)j之間的平均延時(shí)。該轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)函數(shù)是基于以下條件建立的：

①轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有最大的剩余能量Eres（j）。

②轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)距離BS即d（j，BS）越近越好，距離CH即d（CH，j）越遠(yuǎn)越好。

③簇頭CH與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的延時(shí)Delay（CH，j）越小，實(shí)時(shí)性越好。

所有候選節(jié)點(diǎn)中FRN（j）值最大的節(jié)點(diǎn)將被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。在下一跳中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)作為簇頭尋找下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，一直重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到下一跳為BS節(jié)點(diǎn)。最終，建立起一條從簇頭節(jié)點(diǎn)到BS節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸路徑。圖2描述了數(shù)據(jù)傳輸階段的流程圖。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的EDEEC路由算法的可行性和有效性，對(duì)EDEEC及LEACH、ARPEES協(xié)議在OMNET++仿真軟件中進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，各節(jié)點(diǎn)均勻分布在500 m×500 m的方形區(qū)域內(nèi)，基站設(shè)置在（250，500）的位置，并且能量不受限制，設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)初始化能量為2 J，其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

三種算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期如圖3所示，橫坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的輪數(shù)，縱坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)中剩余的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)?？梢钥闯?，LEACH、ARPEES、EDEEC三種算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期分別為246、635、691輪，EDEEC算法有效延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間，是LEACH協(xié)議算法的兩倍多，相較ARPEES提高了8.8%。

4 小結(jié)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能量消耗不均勻?qū)е虏糠止?jié)點(diǎn)失效過(guò)快，提出了一種基于事件驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控?zé)o線路由算法――EDEEC算法。該算法通過(guò)減少簇內(nèi)控制信息的發(fā)送數(shù)量，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)函數(shù)從候選節(jié)點(diǎn)中選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)來(lái)縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，減少能量消耗，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EDEEC算法更好地解決了網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡問(wèn)題，其網(wǎng)絡(luò)生命周期相較ARPEES提高了8.8%，是LEACH的2.8倍。

本研究算法在分簇過(guò)程中簇頭節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)elector節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)指定的，未考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步限定elector節(jié)點(diǎn)指定時(shí)的最低剩余能量閾值，并通過(guò)KeilMDK開(kāi)發(fā)平臺(tái)將算法程序移植到硬件感知節(jié)點(diǎn)，以更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

參 考 文 獻(xiàn)：

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篇10

關(guān)鍵詞：嵌入式單片機(jī)；無(wú)線智能溫室；ZigBee技術(shù)

一、緒論

溫室智能化控制系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的設(shè)施節(jié)約型農(nóng)業(yè)技術(shù)，在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)綜合控制，調(diào)節(jié)環(huán)境中的濕度、溫度、光照強(qiáng)度等因子來(lái)獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到作物增產(chǎn)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、改善品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的單片機(jī)控制，系統(tǒng)運(yùn)算能力低，難以完成復(fù)雜的控制算法。嵌入式單片微機(jī)系統(tǒng)不僅增加了溫室系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)支持、并且其出發(fā)能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有很大的提高。同時(shí)降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度、成本和消耗、滿足溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)日益復(fù)雜化的需要。嵌入式單片微機(jī)在農(nóng)田設(shè)施的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)田信息得到精準(zhǔn)的判斷和實(shí)施的控制。

二、嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)的發(fā)展

（一）嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)的發(fā)展。

嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)都起源于20世紀(jì)70年代，以微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)以其小型、價(jià)廉、高可靠性的特點(diǎn)，以及表現(xiàn)出的智能化水平使得微型機(jī)被引入到一個(gè)對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。21世紀(jì)初，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入了單芯化的道路，即嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)的時(shí)代。其模式設(shè)計(jì)是完全按照嵌入式應(yīng)用要求全新設(shè)計(jì)，滿足嵌入式應(yīng)用要求的體系結(jié)構(gòu)、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式等。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間單片機(jī)發(fā)展的道路，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)最底層的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體的高端應(yīng)用也可以通過(guò)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

（二）嵌入式單片微機(jī)在智能化溫室中的發(fā)展和應(yīng)用。

溫室智能化控制系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的節(jié)約型農(nóng)業(yè)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)綜合控制，調(diào)節(jié)環(huán)境中的濕度、溫度、光照強(qiáng)度等因子來(lái)獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到作物增產(chǎn)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、改善品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。嵌入式單片微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的精準(zhǔn)控制和檢測(cè)，是智能化溫室環(huán)境的核心。承載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的單片機(jī)的開(kāi)發(fā)為溫室智能控制系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，并且其使用成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)確定了其成為未來(lái)農(nóng)田信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

三、網(wǎng)絡(luò)化智能溫室系統(tǒng)的構(gòu)成

（一）網(wǎng)絡(luò)智能溫室的分類。

智能化溫室系統(tǒng)根據(jù)信息傳輸方式可分為有線通信方式和無(wú)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械多傳感器集成和農(nóng)田信息采集；無(wú)線通信方式可分類為長(zhǎng)距離通信和短距離通信。長(zhǎng)距離通信主要借助于移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)如GSM，GPRS等，用于設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與農(nóng)業(yè)信息遠(yuǎn)程采集。短距離通信方式如藍(lán)牙、ZIGBEE、RFID等，兩種溫室各有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)施環(huán)境和要求選擇和合適的信息傳輸方式。

（二）網(wǎng)絡(luò)化智能溫室系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)型溫室環(huán)境采集控制系統(tǒng)由智能模塊為核心的采集控制系統(tǒng)和處理系統(tǒng)構(gòu)成，兩者通過(guò)局域網(wǎng)交換機(jī)連接。處理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收、顯示處理、參數(shù)設(shè)置、查詢與分析功能，采集控制系統(tǒng)主要完成空氣濕度、葉面濕度、土壤溫度、空氣溫度、光照強(qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)液液位、CO2濃度、EC值與PH值等溫室傳感器信息的實(shí)時(shí)采集、顯示、和存儲(chǔ)。

（1）采用CAN總線技術(shù)的有線智能化溫室系統(tǒng)。

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，簡(jiǎn)稱CAN)總線是目前國(guó)外大型農(nóng)機(jī)設(shè)備普遍采用的一種標(biāo)準(zhǔn)總線，已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，其控制芯片已經(jīng)商品化，而且性價(jià)比高，因此基于CAN總線技術(shù)的控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息傳輸系統(tǒng)向智能化發(fā)展的理想系統(tǒng)。

（2）無(wú)線溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。

在一些特殊環(huán)境采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)是很困難的，甚至不可能的，此時(shí)采用無(wú)線方式能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)傳輸。ZigBee技術(shù)是一種最近發(fā)展起來(lái)的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，是一種短距離通信傳播技術(shù)，廣泛應(yīng)用在溫室系統(tǒng)中，其工作頻帶范圍在21400---214835 GHz之間，采用IEEE80211514規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式，數(shù)據(jù)速率達(dá)250kB／s。此外，短距離傳輸技術(shù)還有RFID技術(shù)，RFID即無(wú)線射頻識(shí)別。一個(gè)RFID系統(tǒng)都是由3部分組成：閱讀器、標(biāo)簽和天線。其原理是標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。這種技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于濕度、光照、溫度和振動(dòng)等無(wú)線標(biāo)簽式傳感器之中。

四、基于ZigBee技術(shù)的溫室檢測(cè)系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)是近年來(lái)才興起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。這種嶄新無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具備低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量等特點(diǎn)使ZigBee技術(shù)非常適合在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)設(shè)施遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)從示范到實(shí)用的研究搭建了一個(gè)不可多得的技術(shù)平臺(tái)。

IEEE 802.15．4標(biāo)準(zhǔn)支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括具有層次發(fā)散鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、主從工作模式的測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)農(nóng)業(yè)設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的具有層次發(fā)散鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框。

其中工控機(jī)完成命令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的接收、綜合分析處理、顯示和報(bào)警。協(xié)調(diào)器處在工控機(jī)的第一層，以有線通信的方式與工控機(jī)通信，負(fù)責(zé)將其下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)與自身的數(shù)據(jù)捆綁在一起以一定的格式存儲(chǔ)在自身的存儲(chǔ)空間，再以約定的方式上傳給工控機(jī)。處在末梢的傳感器只負(fù)責(zé)采集上傳數(shù)據(jù)。。

上述基于ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境檢測(cè)中的中主要參數(shù)(如土壤濕度、溫度、空氣濕度、土光照強(qiáng)度等)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的內(nèi)部無(wú)線自組網(wǎng)。

五、基于嵌入式單片微機(jī)的無(wú)線智能溫室的發(fā)展趨勢(shì)

ZigBee技術(shù)應(yīng)用在智能化溫室測(cè)控系統(tǒng)中是嵌入式單片微機(jī)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)工程中的一個(gè)具體實(shí)例。其表現(xiàn)了初期建設(shè)周期短、投資小、易于升級(jí)、易于重組，尤其是承載ZigBee技術(shù)的片上系統(tǒng)的―無(wú)線單片機(jī)CC2430的應(yīng)用，使得系統(tǒng)可以靈活便捷地組成適應(yīng)不同規(guī)模、不同情況、不同要求的溫室設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)，并且所構(gòu)建的系統(tǒng)成本次、功耗低、穩(wěn)定可靠、具有低復(fù)雜度。

有線傳輸和無(wú)線傳輸各有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，不同的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用場(chǎng)合、環(huán)境各異。實(shí)踐證明一無(wú)線信息傳輸為技術(shù)的農(nóng)田信息傳輸方式具有開(kāi)發(fā)周期短，維護(hù)方便，成本低。可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有很好的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室測(cè)控系統(tǒng)中的信息傳輸?shù)那度胧?、自?dòng)化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。

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篇11

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)。

參考文獻(xiàn)