基于无线传感网络的环境监测系统

基于无线传感网络的环境监测系统

盛芹

济宁市生态环境局微山县分局 山东济宁 277600

摘要：当今环境污染问题已经严重制约了全球经济的发展和人类的健康。加强环境监测，建立环保系统意义重大。基于 ZigBee 双向无线通讯技术的环境在线监测系统，系统 ZigBee 的通信模块选用的芯片型号为 CC2530，系统网关的通信模式选用 GPRS模式，并利用数据分析模型对采集的数据进行了在线实时处理． 经测试，设计环境实时采集监测系统能够稳定运行，能够实时获取数据并通过系统的网管在系统的服务器端实时更新，实现环境参数的实时监视。

关键词：ZigBee；无线传感网络；传感器

随着经济和科技的发展，农业种植也有了长足的发展，从之前的小面积种植演变为了如今的大规模，为了提高生产效率，减少劳动力，必须引进先进的技术配合人工劳作进行种植。传统的环境监测系统布线成本高，抗干扰性差，增加新监测点时必须改变物理线路，工序复杂，维护难度大。当今环境污染问题已经严重制约了全球经济的发展和人类的健康。每年因环境问题造成全球的经济损失达数千亿美元，酸雨造成了大量植物的坏死、污水的排放造成了人员伤亡及海水负营养化、许多岛国因温室效应造成的海平面上涨而面临着消失的危险。增强环保意识，保护环境势在必行。

一、无线传感网络的环境监测系统技术特点

1、多传感器数据融合技术。每个节点采集到两种数据，是某一段区域的数据。因为传感器采集到的数据大部分是静态数据，对于环境感知而言，动态数据才是最重要的。这就要求节点自身能对先前采集到的数据进行过滤筛选，分离出有用的数据再传输给相邻的网关节点。主机进行决策需要融合传感器节点的数据。

2、数据发送模式。每个节点都有要具备接收和发射功能，实现数据的传输通信。因为实际环境复杂，多数情况时比较恶劣的，要保证稳定可靠地无线收发数据，需要对天线、发射功率、灵敏度、收发距离设计。多种数据发送模式的配合使用。数据异常时的实时跟踪发送、数据稳定时的定时发送、工作人员发指令进行查询时的数据及时发送，不仅能使处理器得到休眠，降低了功耗，提高了使用寿命，还有效避免了大量无用数据的产生，有效提高了处理器的运行速度。

3、基于zigt脱通信协议的技术。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：数据传输速率低、功耗低、网络容量大、延时短、安全、工作段灵活等。

二、基于无线传感网络ZigBee环境监测

在无线传感网络WSN技术的基础上实现了环境的实时监测系统，环境无线通讯能力的传感器构成，布置在各处的传感器能够实时的采集各种环境参数，以确保数据能够实时、准确地通过无线网络传送到服务器端以供使用和分析。

1、系统结构设计。基于 ZigBee 技术的无线传感网络技术通常具有成本低、体积小、能耗低等特点，通常能够嵌入到其他设备作为子系统使用，在通信领域应用广泛。系统整体结构由嵌入了 ZigBee 模块的传感器节点、路由器节点、协调器节点和服务器构成，具体结构如图所示．

从图的网络架构图可以看出，环境数据通过传感器节点 1、2、3 等进行数据采集，采集的数据可以通过传感器节点 1 和 3 转发至路由器，也可以直接将数据发送至路由器，并通过路由器传送至协调器，最后协调器通过网络传送至服务器端，传感器的数量、布置位置可以根据检测区域的大小、布局等因素进行修改，如果检测区域偏大则可以增加传感器数量，服务器端能够实时显示检测环境的数据，并通过服务器可以对路由器、协调器、传感器节点进行配置。

2、协调器的设计。系统的协调器节点由电源模块、时钟模块、按键模块、天线等部件构成，系统首先需要完成网络整体的初始化和网络组网，并通过RS232 通讯接口实现与上位机的通信需求和接收通信数据．系统的协调器采用 3V 普通电池供电，具有单体功能模块能耗低的突出特点，系统中各节点所需电压在 2．0 V ～ 3．3 V 之间，所以采用两节普通电池即可满足系统的需求． 系统的部分电路需要的电压为1．8 V，通过电压转换能够实现电池输出电压为 1．8 V． 通过实现对 CC2530的 1．8 V 供电，对应的最大输出电流为 1 A．时钟模块能够为 CC2530 芯片提供两种不同频率的时钟激励，两种时钟频率分别为: 32 MHz，此频率主要供给 CC2530芯片保障正常工作所用; 32．768 kHz，此频率在 CC2530 芯片于低功耗模式下使用，能大幅降低 CC2530 芯片的能耗． 系统的天线采用 Whip 天线，该天线具有高可靠性和全向性等突出优点．基于 CC2530 芯片的协调器在工作时分为发射态和接收态两种模式，发射态的协调器的工作流程为: 对协调器进行初始化; 判断所需的信道是否为空闲状态; 清空协调器所需的缓存器，为发数据做准备; 将发送请求加入到队列中; (开始数据发送，接收态的协调器的工作流程为: 通过触发中断机制，使协调器占用资源;对数据包的完整性进行验证;判断数据的合法性等内容，如果无问题则将数据打包并准备送出; 将数据请求加入到请求队列中;通过网络信道将数据发送到服务器端。

3、传感器的设计。传感器在系统中处于基础位置，负责室内数据的采集工作，并将采集的数据通过网络发送到系统的服务器端以供后续使用，传感器工作的流程如下。系统启动，并初始化系统的各传感器节点; 系统对初始化后的传感器的运行状态进行判断; 传感器节点开始工作，在时钟激励下采集数据，对采集的数据进行 A/D 转换; 数据 A/D 转换后将数据通过网络传递到系统的服务器端。系统的传感器节点由两部分构成: 传感器模块; 信号动态调节模块。传感器节点的传感器模块负责光照、温度等数据的采集，信号动态调节模块负责动态调整信号强弱，为了避免一级放大时导致噪声也会大幅放大的问题，信号动态调节模块采取两级放大的模式，电流通过 C1 后数值被过滤为 μF，电路的第一级放大器由 LM324 和两个电阻 R1、R3 构成，放大的倍数如式：

4、实验测试。为了通过实践全面掌握系统的性能等各方面指标，对系统进行仿真测试，测试内容主要为数据包数量与网络传递延时的关系，仿真实验的平台选取为 NS-2 软件系统，该系统能够模拟生成终端节点、拓扑网络、通信模型等内容．实时室内监测系统网络包的传递延时实验，为实时室内监测系统数据包在网络中的传递延时与数据包数量的关系，当网络数据包数量在 50 时网络的延时最小，当网络数据包的数量在 400 时网络的延时最高，且网络数据包数量从 50 增加至 100 时网络延时变化幅度最大．从数据包数量与网络延时图中可以看出，随着数据包数量的增加，网络延时有所增加，但增加幅度在可以接受的范围内，引脚 2 能够实现温度数据的采集，为通过 CC2530 芯片采集的室内的温度数据从图中可以看出，同一个传感器在不同时刻采集的温度会变化，同一时刻不同传感器部署在不同的位置，采集的温度数据也会有所区别。如图所示。

为了实现室内环境的实时在线监测，设计了基于 ZigBee 无线传感网络的室内实时在线监测系统，能够实现通过传感器节点实时采集室内的温度、湿度、甲醛浓度、光强等数据并通过网络传送到服务器端以供使用。该系统具有监测的实时性强、系统能耗低、可通过网络远距离操作等优点，通过这些特点能够实现实时监测室内的环境数据，确保人们所居住的环境的可靠与健康，降低受到不良环境感染的危险。

参考文献：

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[2] 史久根，韩江洪．基于无线通信技术的总线型矿井机车运输监控系统[J]．合肥工业大学学报(自然科学版)，2018，(2)：16．

[3] 郭文川，程寒杰，李瑞明．基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统口]．农业机械学报，2018，(7)：15．