環境監測 無線傳感器：基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計與應用

環境監測 無線傳感器：基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計與應用

摘要：

目前,信息化技術在推動生產力發展上越來越受到重視,尤其是在環境監測領域。無線傳感器網絡是實現農業信息化的重要手段,它是多學科交叉的新興研究領域,綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、網絡及無線通信技術和分布式信息處理等技術,能夠通過各類微型傳感器節點間的協作,實時感知和采集被監測對象的信息。與傳統的數據采集系統相比,無線傳感器網絡具有監測范圍大、監測數據準確的優勢。本論文針對農業環境監測中傳感節點低成本、微型化的需求設計了一種基于無線傳感器網絡的環境溫濕度信息采集系統。 論文首先詳細介紹無線傳感器網絡的研究背景和國內外研究的現狀,闡述了選題的意義。其次,在深入分析農業環境監測的特點和需求的基礎上,提出了監測系統需解決的關鍵技術,設計了一種基于無線傳感器網絡的環境監測系統。重點研究了該系統的體系結構和傳感節點硬件結構,提出了節點的處理器模塊、無線通信模塊和傳感模塊的設計要求,并提出了由ATmegal28+CC1000+SHT10和JN5139+SHT10兩種不同芯片組合構成的節點解決方案。第三,分析了系統使用的無線協議和組網技術。確定系統應采用樹型拓撲結構、靜態確定性部署方式以及區域覆蓋方式工作。第四,利用常見的無線電波路徑損耗模型估計了無線模塊的有效傳輸距離,并與不同地區的實測數據進行了對比,分析了系統的傳輸性能。結果表明系統的有效通信距離為300米左右。同時,在JN5139+SHT10節點方案的基礎上,使用開源軟件Code∷Blocks建立了系統的測試環境,并將系統投入到農田、羊舍以及高原草地環境下進行了溫濕度數據采集測試。測試結果表明該系統在環境信息采集方面有較高的準確性和可靠性,具有較強的應用價值。最后,對所做工作進行了總結并對下一步工作提出展望。

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環境監測 無線傳感器：無線傳感器網絡在環境監測中的應用

原標題：無線傳感器網絡在環境監測中的應用

近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展，人們對于環境保護和環境監督提出了更高要求，越來越多的企業和機構都致力于在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術。通過無線傳感器網絡的實際效果來看，無線傳感器網絡技術無疑在推動經濟社會發展、促進國家治理體系和治理能力現代化、滿足人民日益增長的美好生活需要等方面發揮著越來越重要的作用。

一、無線傳感器網絡是什么？

無線傳感器網絡是一項通過無線通信技術把數以萬計的傳感器節點以自由式進行組織與結合進而形成的網絡形式。構成傳感器節點的單元分別為：數據采集單元、數據傳輸單元、數據處理單元以及能量供應單元。

數據采集單元通常都是采集監測區域內的信息并加以轉換，比如光強度跟大氣壓力與濕度等；

數據傳輸單元則主要以無線通信和交流信息以及發送接收那些采集進來的數據信息為主；

數據處理單元通常處理的是全部節點的路由協議和管理任務以及定位裝置等；

能量供應單元為縮減傳感器節點占據的面積，會選擇微型電池的構成形式。

無線傳感器網絡當中的節點分為兩種，一個是匯聚節點，一個是傳感器節點。匯聚節點主要指的是網關能夠在傳感器節點當中將錯誤的報告數據剔除，并與相關的報告相結合將數據加以融合，對發生的事件進行判斷。匯聚節點與用戶節點連接可借助廣域網絡或者衛星直接通信，并對收集到的數據進行處理。

二、無線傳感器網絡的實際應用

無線傳感器網絡技術應用于環境監測，改變了以往單一傳感器定點、定時測量的模式。實現了對觀測對象多角度（多種類傳感器）、同步、連續測量。因此獲得的數據更全面，更有代表性，便于描述觀測對象空間與時間變化規律，發現其內在聯系。

三、環境監測對無線傳感器節點的要求

環境監測傳感器通常安裝在室外無人值守的地區，例如揚塵監測儀、自動氣象站等傳感器設備，這類設備在室外傳輸數據時，容易受到干擾和其他信號的攻擊，從而造成系統故障，導致影響傳輸效率。因此，為了保證傳感器網絡之間的通信就需要根據檢測環境，對傳感器網絡節點提出一定的要求。

1、體積小

傳感器網絡節點應該在體積上足夠小，保證對目標系統本身不會造成影響，在某些場合甚至需要節點能小到不被覺察的程度，以完成特殊任務。因此各節點的能源提供模塊體積也要小。

2、環境適應性強

作為環境監測的傳感器節點經常安放于環境較為惡劣，人跡罕至的區域。因此，節點能源提供模塊需要具備較強的環境適應能力，主要是工作溫度，水密性等指標應滿足使用需要。

3、放電特性穩定

隨著芯片制造技術和傳感器技術的發展，節點傳感器、處理器和無線收發模塊的功耗大大降低。因此，節點對供電系統瞬時放電能力的要求不是很高，但持續放電穩定性對系統使用及壽命影響較大。

4、成本低

低成本是傳感器節點的基本要求。只有成本低，才能大量布置，因此供電模塊不能使用價格昂貴的技術方案。

5、無污染

應用于環境監測的節點由于使用環境艱險且數量巨大，因而能源模塊必須采用無污染或低污染的技術方案。返回搜狐，查看更多

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環境監測 無線傳感器：無線傳感器網絡在環境監測系統中的應用

【摘要】本文介紹了在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術的幾點優勢，分析了基于無線傳感器網絡技術的環境監測系統的體系結構，給出了三個典型應用領域中該系統的創新性構建方案，并對該類系統中的幾種關鍵技術進行了研究，最后對無線傳感器網絡技術的應用前景進行了展望。
【關鍵詞】無線傳感器網絡 ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 數據融合
近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展，以及人們對于環境保護和環境監督提出的更高要求，越來越多的企業和機構都致力于在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術的研究。通過在監測區域內布署大量的廉價微型傳感器節點，經由無線通信方式形成一個多跳的網絡系統，從而實現網絡覆蓋區域內感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。無線傳感器網絡技術是應用性非常強的技術，它在當前我國環境監測系統中的應用潛力是巨大的。
一、無線傳感器網絡和ZigBee
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器結點通過無線通信技術自組織構成的網絡系統。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界，在工業自動化領域，利用無線傳感器網絡技術實現遠程檢測、控制，從而極大地擴展現有網絡的功能。傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產業。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee協議
1、IEEE 802.15.4標準
IEEE標準化協會針對無線傳感器網絡需要低功耗短距離的無線通信技術為低速無線個人區域網絡（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速互連提供統一標準。同時ZigBee聯盟也開始推出與之相配套的網絡層及應用層的協議，目的是為了給傳感器網絡和控制系統推出一個標準的解決方案。該標準一出現短短一年多的時間內便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發成立了若干聯盟。IEEE 802.15.4/ZigBee協議棧結構如圖1所示。協議棧中物理層與MAC層由IEEE定義，網絡層與應用程序框架由ZigBee聯盟定義，上層應用程序由用戶自行定義。
2、ZigBee標準
ZigBee這個字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈，來通知其他蜜蜂有關花粉位置等資訊，以達到彼此溝通訊息之目的，故以此作為新一代無線通訊技術之電磁干擾。因此，經過人們長期努力，zigbee協議在2003年中通過后，于2004正式問世了。
ZigBee網絡是自組織的，并能實現自我功能恢復，動態路由，自動組網，直序擴頻的方式故非常具有吸引力。節點搜索其它節點，并利用軟件“選中”某個節點后進行自動鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經證實的通信伙伴。
三、無線傳感器網絡技術特點
無線傳感器網絡由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節點組成，節點通過自我組織、自我愈合的方式組成網絡。區域中分散的無線傳感器節點通過自組織方式形成傳感器網絡。節點負責采集周圍的相關信息，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網絡傳遞到遠端的監控設備。
四、系統概述
環境監測應用中無線傳感器網絡屬于層次型的異構網絡結構，最底層為部署在實際監測環境中的傳感器節點。向上層依次為傳輸網絡，基站，最終連接到Internet。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應模塊組成，傳感器節點的體系結構如圖2所示。為獲得準確的數據，傳感器節點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監控區域內，從而形成多個傳感器網絡。傳感器節點將感應到的數據傳送到一個網關節點，網關節點負責將傳感器節點傳來的數據經由一個傳輸網絡發送到基站上。傳輸網絡是負責協同各個傳感器網絡網關節點、綜合網關節點信息的局部網絡?；臼悄軌蚝虸nternet
相連的一臺計算機（或衛星通信站），它將傳感數據通過Internet發送到數據處理中心，同時它還具有一個本地數據庫副本以緩存最新的傳感數據。監護人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數據中心，或者向基站發出命令?；跓o線傳感器網絡的環境監測系統適合于在煤礦、油田安全監測，溫室環境監測、環保部門的大氣監測、突發性環境事故的預測及分析、特殊污染企業的監測，生物群種的生態環境監測以及家庭、辦公室及商場空氣質量監測等領域應用。
五、系統應用特點及架構
1、系統特點
利用無線傳感器網絡實現環境監測的應用領域一般具有以下特點：
（1）無人環境、環境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統工業級品質安全可靠。（2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態環境監控可能反而會破壞環境的完整性，包括影響生態環境中種群的習性和分布等。（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備相對比較多，但僅僅用于監測或控制。（4）系統實施、運行費用要低，無需鋪設大量電纜，支持臨時性安裝，系統易于擴展和更新。（5）具有數據存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數據存儲到后臺或遠程數據庫，并能夠進行離線的數據挖掘，數據分析也是系統實現中非常重要的一個方面。
2、系統架構
（1）礦井安全監控
礦井利用無線傳感器網絡實現井下安全監控的系統結構框圖如圖3所示。傳感器節點負責井下多點數據采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風速和氣壓等參數，通過井場監控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監控中心。后臺監護人員通過該監測系統可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調度、安全監測，從而可以有效的防止礦井事故的發生。
（2）生態環境監測
傳感器網絡在生態環境監測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系3Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic，COA）聯合開展了一個名為“in—situ”的利用傳感器網絡監控海島生態環境的項目。該研究組在大鴨島（Great Ducklsland）上部署了由43個傳感器節點組成的傳感器網絡，節點上安裝有多種傳感器以監測海島上不同類型的數據。如使用光敏傳感器、數字溫濕度傳感器和壓力傳感器監測海燕地下巢穴的微觀環境；使用低能耗的被動紅外傳感器監測巢穴的使用情況，系統的結構框圖如圖4所不。
（3）智能家居
無線傳感器網絡還可以應用于家居中，其家用遠程環境監控系統的結構框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監控系統完成對家電的遠程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時打開空調，這樣回家的時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境。
六、關鍵技術研究
1、數據融合技術
環境監測應用的最終目標是對監測環境的數據采樣和數據收集。采樣頻率和精度由具體應用確定，并由控制中心向傳感器網絡發出指令。對于傳感器節點來說，需要考慮采樣數據量和能量消耗之間的折中。處于監控區域邊緣的節點由于只需要將收集的數據發送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節點由于同時還需要為邊緣節點路由數據，消耗的能量要多2個數量級左右。因此，邊緣節點必須對采集到的數據進行一定的壓縮和融合處理后再發送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel—Ziv算法對原始數據進行壓縮，使得數據通信量減少了2～4個數量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經典壓縮算法的壓縮效果。
2、安全管理
傳統網絡中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網絡，主要表現在以下四個方面：（1）無線傳感器網絡缺乏基礎設施支持，沒有中心授權和認證機構，節點的計算能力很低，這些都使得傳統的加密和認證機制在無線傳感器網絡中難以實現，并且節點之間難以建立起信任關系；（2）有限的計算和能源資源往往需要系統對各種技術綜合考慮，以減少系統代碼的數量，如安全路由技術等；（3）無線傳感器網絡任務的協作特性和路由的局部特性使節點之間存在安全耦合，單個節點的安全泄露必然威脅網絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性；（4）在無線傳感器網絡中，由于節點的移動性和無線信道的時變特性，使得網絡拓撲結構、網絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態變化之中。目前無線傳感器網絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面已經定義了完整有效的機制和算法，安全管理方面目前以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。
七、展望
環境監測是一類典型的傳感器網絡應用，在實際的應用中還有很多關鍵技術，包括節點部署、遠程控制、數據采樣和通信機制等。由于傳感器網絡具有很強的應用相關性，在環境監測應用中的關鍵技術需要根據實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網絡技術的日益成熟和完善，我們還可以在各個方面開展許多新的應用，比如軍用傳感網絡可以監測戰場的態勢；交通傳感網絡可以配置在交通要道用于監測交通的流量，包括車輛的數量、種類、速度和方向等相關參數；監視傳感網絡可以用于商場、銀行等場合來提高安全性?？梢灶A見，隨著無線傳感設備性價比的提高以及相關研究的不斷深入和傳感網絡應用的不斷普及，無線傳感器網絡將給人們的工作和生活帶來更多的方便。
參考文獻
[1]馬祖長，孫怡寧，梅濤，無線傳感器網絡綜述.通信學報
[2]豐原.無線傳感器網絡
[3]酈亮.802.15.4標準及其應用.電子設計應用
[4]Jack W.Embedded Internet technology in processcontrol devices.IEEE Internet Computing
[5]孫利民，李建中，陳渝，朱紅松.無線傳感器網絡[M]

環境監測 無線傳感器：無線傳感器網絡在環境監測系統中的應用介紹

描述
一、項目概述
1.1 引言
本文介紹了基于無線傳感器網絡的對環境監測的系統。該系統主要包含了對溫度、濕度、光照、降水量、風速、沙塵的檢測、信號的無線傳輸與接收、信號的分析處理。
該系統通過無線傳感器節點對新疆一定范圍內的環境進行監測，多個無線傳感器節點利用無線路由節點與基站組成無線傳感器網絡，將數據上傳至中央監控系統的上位機，進行數據的分析與顯示，實現了對具體環境的實時監測，及時對資源做出合理的配置。
1.2 項目背景/選題動機
新疆屬溫帶大陸性氣候。冬季長、嚴寒，夏季短、炎熱，春季秋季節變化劇烈。年平均氣溫南疆為10℃，北疆準葛爾盆地為5－7℃，阿爾泰，塔城地區為2.5－5.0℃。1月份南疆平均氣溫比北疆平均氣溫高出10－12℃，7月份高出2－3℃。氣溫日差平均可達12－15℃，最大可達20－30℃。新疆夏季相對濕度、冬季絕對濕度都不大，形成夏季干熱，冬季干冷的特點。全區多年平均降水量為145毫米，只有全國平均年降水量630毫米的23％，而蒸發量約200毫米，南疆不足100毫米。北疆地區和山區的降雪量約占全年降水量的1／3。
新疆風多風大，并呈現北疆大于南疆，戈壁大于山區，盆地邊緣大于盆地腹地的特征。大風（即大于等于8級的風）是新疆農業氣象主要災害。北疆西北部、東疆和南疆東部是大風高值區，起風沙日數塔里木盆地一般在30天以上，北疆和東疆部分地區則在20天以下。近年來，南疆地區浮塵天氣較過去出現的更加頻繁。
新疆日照豐富，太陽輻射總量全年為542。10－646。35焦／平方厘米，僅次于青藏高原。
總的來說新疆自然生態環境具有以下特點：地域遼闊但綠洲面積不大氣候干旱氣溫變化大，水資源總量豐富，但時空分布不均；土地面積大，但林地面積??；土壤質量差且沙化，鹽堿足在全國占有重要地位。以上自然生態環境特征決定了新疆在開發建設中，一旦被污染和破壞，將產生難以恢復和永久性的后果。因此在人為的經濟活動中，必須尊守自然規律，重視新疆自然生態環境的基本特征。
從上面的概況我們得知，在實際的生產生活過程中，對新疆進行一定程度的環境的檢測的難度和必要，采用無線網絡保證了數據傳輸的實時與有效性，這對生活和生產活動有一定的積極意義。
2.1 功能要求
采用mega128芯片設計的節點不但可以實時監測到的對溫度、濕度、光照、降水量、風速、沙塵數據，而且可以將采集到的數據通過cc1000無線協議將采集到的數據通過路由節點上傳到嵌有tinyos操作系統的EVK1105主機，EVK1105主機將信號簡單的處理分析，一方面可以直觀的將收集到的數據在液晶屏上做出顯示，另一方面如果有必要則將數據實時反饋到上位機上，由上位機做出更加詳細的判斷進而再采取積極的措施。
圖1 功能實現
2.2 性能要求
1 、由mega128組成的數據采集節點和路由節點可以實現實現數據采集、路由查找、無線發送功能
2、。由EVK1105實現的主機在其中嵌入的tinyos操作系統需對接收到的數據做出處理分析并實時的在液晶屏上顯示和向上位機反饋。
3、無論是數據采集節點還是路由節點應滿足：功耗低、快速組網、數據采集快速準確、實時傳輸的數據有效性和安全性良好。
三、方案設計
3.1 系統功能實現原理
圖2 系統硬件結構框圖
3.1.1 數據傳輸：
以mega128作為數據采集的節點和路由節點，將實現如下的功能
圖3數據采集和發送
3.1.2：數據傳輸網絡：
比較有代表性的MAC協議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由協議有Gossiping、SPIN協議、LEACH協議、TEEN協議等。我們選擇普通的射頻芯片，可以自定義通信協議。從性能、成本、功耗方面考慮，RFM公司的TR1000和 Chipcon公司的CC1000是理想的選擇。這兩種芯片各有所長，TR1000功耗低一些，CC1000靈敏度高一些，傳輸距離更遠。常見的無線芯片還有Nordic公司的 nRF905、nRF2401等系列芯片，因為功耗較高，接收靈敏度比較低，開發難度較大，在實際的無線傳感器網絡中應用較少。
圖4數據傳送示意圖
3.1.3：數據分析和處理：
TinyOS是UC Berkeley（加州大學伯克利分校）開發的開放源代碼操作系統，專為嵌入式無線傳感網絡設計，操作系統基于構件（component-based）的架構使得快速的更新成為可能，而這又減小了受傳感網絡存儲器限制的代碼長度。
3.2 硬件平臺選用及資源配置
3.2.1使用mega128單片機實現路由和采集節點模塊。
3.2.2 使用EVK1105作為此項目中節點處理主機。
3.3系統軟件架構
圖5系統軟件構架
3.4 系統軟件流程
數據采集節點軟件流程圖 主機軟件流程圖
M為指定檢測次數；N為已執行次數
無線數據傳 電源管理
3.5 系統預計實現結果
能夠對一定區域范圍內的溫度、濕度、光照、降水量、風速、沙塵同時做出實時監測，能夠實現快組網、低功耗的數據測量和數據的分析處理。
來源：EEFOCUS
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