无线环境监测大全11篇

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篇（1）

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0192-01

1 方案设计与论证

1.1 无线收发模块

（1）方案比较：方案一：采用编解码集成电路PT2262/2272，其为CMOS工艺制造，具有低功耗、外部元器件少，工作电压范围宽：2.6～15v等特点，应用于车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率传输器、单片无线收发芯片XE1209，其适用于小范围低频、音频资料传输系统，可以实现2次连续相位频率位移键控调制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的单片射频收发芯片TH7122作为主要芯片，其工作频率范围在27MHz～930MHz，具有很宽的调谐范围。可以工作在4种不同的状态下：待机状态、发送状态、接收状态和空闲状态。（2）方案确定：综合分析以上三种方案的优缺点，方案三具有更大的优越性、灵活性，因此我们采用方案三作为具体实施的方案。

1.2 处理器比较与选择

由于本系统中的两个探测点采用两节1.5V干电池供电，并要求尽量降低各探测节点的功耗，因此采用一般的C51单片机并不满足要求。而ARM微控制器STM32系列虽然具有丰富的资源、强大的功能与低功耗等特点，但是其性价比相对来说比较高，整机电路也比较复杂，故也不选取。因此在保证满足要求的前提下，我们选择了适合于许多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了许多系统级的功能，大大减少了元件的数目并降低系统的成本。

1.3 显示器比较与选择

（1）方案比较。方案一：采用DM-162液晶显示模块，具有低功耗、模块结构紧凑、轻巧、装配容易等特点，但是其界面比较小，不能达到比较好显示的效果。方案二：采用汉字图形点阵液晶显示模块RT12864M，可显示的内容非常丰富，但是其功耗相对高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手机液晶，其驱动采用低功耗的CMOS LCD控制驱动器PCD8544，所有的显示功能集成在一块芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案确定。综合以上分析，从功耗与性价比的角度来考虑，我们选择方案三作为显示模块。（3）信道调制方式。由于无线收发芯片已经确定使用了单片射频收发芯片TH7122，其在发射模式下产生载波频率，可以采用FSK/ASK/FM三种调制方式，但是在本系统中我们固定了载波频率为27MHz，再综合这三种调制方式的特点，另外FSK对鉴频器的参数非常高，对调试不是很方便，因此在这里采用ASK调制方式作为具体实现的方案。（4）总体方案根据以上分析与论证，我们确定了总体设计方案：监测终端硬件以P89LPC922为主控制器，以液晶5110、无线收发模块为受控模块。探测点也以P89LPC922为主控制器，以无线收发模块、光电传感器与温度传感器为受控模块。（如图1）

2 系统测试及数据分析

2.1 测试仪器及设备

（1）UT30D数字万用表。（2）SS-7802 20M数字示波器。

2.2 测试方法及数据

（1）测试方法。1）分模块进行测试：对探测节点的光照检测进行测试，验证它是否能正常工作；对探测节点的温度检测进行测试，验证它是否能正常工作；对无线通信模块进行测试，验证是否能正常通信。2）保证各模块正常工作之后，再进行整机测试。（2）数据记录。直接对单个光敏电阻进行光照变化时的阻值测量，记录数据如下：（如表1）

2.3 数据分析

以上对光敏电阻阻值的测量，由于光敏电阻本身的特性与操作方法的原因，所记录的数据只是针对于某个特定情况之下，其实光敏电阻的阻值是随光照强度的变化而变化的。

3 结语

本系统主要由P89LPC922微控制器、单片射频收发芯片TH7122、低耗电数字温度传感器TMP102等构成，很好地实现了外部环境的监测：光照与温度，并且性能比较好。很有市场前途。

参考文献

篇（2）

目前，信息化、网络化的技术不断提高，无线传感器网络将多种网络技术进行融合，使其功能更加完备，同时让其优点更加突出。文中将对无线传感器网络在井下环境监测应用的概况进行阐述，并对无线传感器网络在井下环境监测中的应用进行具体的研究，旨在提高无线传感器网络的工作效率。

1 无线传感器网络在井下环境监测应用的概况

1.1 无线传感器网络在井下环境监测应用的优点

在井下环境监测应用无线传感器网络主要有以下几方面的优点：其一，无线传感器网络的成本低，其网络具有自组性，成本较低，能够实现快速的网络布置。其二，无线传感器网络的性能更高，无线传感器网络在井下环境监测应用过程中，现场的数据可以通过中间节点进行传送，在保证其成本的同时，还能够保证其功耗，进而实现了其性能的提升。其三，无线传感器网络的稳定性、抗毁性增强，无线传感器网络在井下环境监测应用过程中，将面对各种复杂的情况，其网络将满足不同的需求。

1.2 无线传感器网络在井下环境监测应用的现状

目前，随着网络技术的发展，无线传感器网络的技术也在不断提高，通过对其研究，发现其发展速度是惊人的，其技术不断应用到实际工作中，无线传感器网络在井下环境监测应用中的作用愈加显著。但在我国的许多部门还未能对无线传感器网络进行有效的应用，主要是由于无线传感器网络作为新鲜事物被人们接受需要一定的时间，无线传感器网络的优点还没有被及时的发现，且对其学习、掌握的程度普遍偏低；同时无线传感器网络的技术还有待进一步提高，对其网络结构、节点设计等方面的技术还需要深入研究。

2 无线传感器网络在井下环境监测中的应用

2.1 无线传感器网络的构成

无线传感器网络融合了各种网络技术，如：微电子技术、现代网络技术、无线通信技术等，对这些技术的综合应用，实现了对环境监测的实时性、准确定、真实性，通过监测、感知、采集各种环境中的信息，并对其进行处理，再通过无线方式进行传送。无线传感器网络的构成主要有以下几方面：传感器节点、汇聚节点、外部网络与用户界面。无线传感器的节点设置在感知区域范围内，通过自组方式构成网络，并将采取的数据进行传递，在传递过程中其数据将被节点处理，经过汇聚节点，通过外部网络对其进行统一处理。

传感器网络作为一种新型的网络系统，有着特殊的特点，主要表现在以下几方面：第一，网络规模大。在监测范围内将设置大量的节点，对其环境能够进行全面的监测，并且传感器节点的设置十分密集，实现了对监测范围信息的准确获取，提高了系统的容错性能。第二，网络的自组织。传感器网络在应用过程中，其节点将设置在不固定的地方，让其进行自组，具有较强的自组织能力，同时将形成对监测数据的多跳无线网络。第三，网络的动态性、可靠性。传感器网络将实现网络的动态性、可靠性，对变化的环境具有良好的适应力，其传感器网络具有移动性，能够适时加入新的节点。

在井下环境监测中无线传感器网络由大量节点与汇聚节点构成，节点传感器感知监测环境的信息，对其信息进行处理，无线收发模块将信息通过节点进行传递，转发到基站交换机，通过串口转给主机，进而实现对井下环境的监测。其中节点的设置要根据井下监测环境进行科学、合理的安排，才能实现对井下环境全面的、系统的监测，才能掌握井下的环境信息。节点通过自组织形式构成网络，可以采用平面结构与分层结构。

2.2 无线传感器网络的节点设计

传感器的节点普遍是微型嵌入式系统，它是无线传感器网络的保证，其质量直接影响网络的稳定，同时节点具备兼顾传统网络节点终端与路由器的功能，不仅可以对本地信息及数据进行处理，还可以对其他节点的信息及数据进行处理。汇聚节点的功能相对较弱，对信息处理、存储与通信，要通过外部网络才能实现，并将数据传递到外部网络。

在井下环境监测过程中，其传感器的节点的设计，要考虑其温湿度传感器、光传感器、瓦斯传感器及无线数据传输模块，才能适应井下环境监测。

2.3 网关设计

网关设计是重要的，网关是连接无线传感器与外部网络的通道，将传感器节点收集的数据通过网络传递到远程服务器，同时网关也可以通过无线网络对传感器节点传递控制指令，进而实现传感器节点收集数据的任务。对于井下环境监控，其网关的设计可以考虑采用三星的处理器，其电源供应可以考虑外部电力。

2.4 系统软件设计

系统软件设计主要涉及两方面，即节点应用程序与上位机程序的设计。井下环境监测可以采用多任务实时操作系统，这一系统的使用将提高模块的效率，并支持多跳通信的传感器应用程序组件机构；传感器节点的工作流程是睡眠、被唤醒、正常工作的模式，软件控制传感器的节点处于睡眠状态，当被唤醒后，将进行信息的采集、传递等任务。当传感器节点处于睡眠状态下时，无线模块将处于低电流的接受状态，实现了传感器节点自动定时传递数据的功能。

3 总结

无线传感器网络作为新兴的技术，其发展是迅速的，并具备一定的优势，通过对其应用，将提高对环境的监测。文中对无线传感器网络在井下监测应用的概况进行了分析，并阐述了无线传感器网络在井下监测的具体应用。

参考文献

[1]巩传捷，李玉良，金巍.无线传感器网络在井下环境监测中的应用[J].煤矿机电，2012，12（03）：50-51.

[2]马德新，徐鹏民，许金普等.无线传感器网络在环境监测中的应用[J].行业资讯，2013（12）：81-82.

[3]刘佳，薛文，何坚强等.无线传感器网络在环境监测中的应用[J].后勤工程学院学报，2011，5（03）：63-65.

作者简介

篇（3）

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

随着国家对煤矿安全生产日益重视，研究新型技术保证煤矿安全生产成为关注热点。矿井监测系统在采掘巷道采用有线传输方式存在的局限性一是采掘过程中巷道结构不断变化导致线缆同步延伸麻烦、成本高[1]，二是对移动机械设备和一些特殊角落难以布置监测节点实现矿井全方位监测[2]。由于ZigBee无线通信技术具有低功耗、低成本、应用简单等特点，本文设计了基于ZigBee技术的矿井环境监测系统。

2 矿井监测系统总体设计

矿井监测系统的系统结构及在井下布置情况如（图1）所示，它分为井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485总线。因为矿井主巷道服务年限长，环境较好，采用有线方式不易损坏且长期不用移动。

采掘巷道采用zigbee无线通信方式，Zigbee采用网型组网方式，里面有三种类型节点。

（1）协调节点。协调节点连接到主巷道的RS-485总线接口上，它负责上位机和ZigBee网络中未挂接到RS-485总线上的节点之间的数据转发。

（2）路由节点。路由节点必须依次在巷道里面较为固定位置布置从而保证巷道里面任何位置都有路由节点对无线信号进行路由中转。

（3）终端节点。终端节点可布置在移动机械设备上，或布置在一些会随时移动布置位置的特殊位置。

Zigbee节点间传输距离可达10-100m，如果增大发射功率后可达1-3km以上，由于zigbee网络采用网型结构可通过路由节点实现信息的多级跳转，因而能够达到采掘巷道一般网络传输距离不小于10km的要求。

根据现场实际需要，沿坑道每隔一定距离（50-500米）在坑道顶部设置一个ZigBee节点（采用电池或其他电源供电），环境条件比较好的地方可以距离放得远一点环境条件比较恶劣的地方可以距离放得近一点，同时在其他需要定位的地方也设置一个ZigBee节点，比如巷道拐弯处或者危险区域，巷道分支处应设置节点。注意保证每个节点在它前面和后面都至少能与两个以上的节点进行通信，这样当任意1个节点发生故障时，可跳过这个节点与下1个节点直接通信，即避免单线联系从而保证ZigBee网络通信的可靠性。

采掘巷道本身是一个回路，可以将zigbee网络的两端都连接到RS-485总线上形成一个环形结构，这样当采掘巷道内某个地方出现塌方等事故时后面的zigbee节点可从另一端将采集数据传输给RS-485总线。

2.2 井上部分

上位机通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上，采用LabView软件进行数据接收、存储和显示。

3 监测节点硬件设计

挂接在RS-485总线上的监测节点结构框图如（图2）所示，其它监测节点没有RS-485驱动器模块。

4 矿井监测系统软件设计

4.1 ZigBee模块设计

本系统所有节点网络类型都设为网状网，发送模式都设为主从模式，数据源址输出都设为不输出。

4.2 Modbus协议格式

由于矿井环境监测系统数据传输量较大，因而本系统通信协议采用Modbus协议的RTU模式。主机发送的查询指令、从机返回的正常响应数据帧和异常响应数据帧格式分别如（表1、2）和（表3）所示。

查询指令的功能代码为在用户定义区域中自定义的一个，这里设置为0x60，表示查询监测节点各端口的监测数据。数据指的是欲查询监测节点的地址。

正常响应数据帧的数据为5路监测数据。

异常响应数据帧的功能代码为在查询指令里的功能代码基础上，对其最高位置1，即将0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示异常响应，因而不需要带监测数据。

4.3 系统通信实现过程

根据监测系统中各节点的功能实现过程可以把这些节点分为三类：第一类是通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上的上位机，作为主机；第二类是各采掘巷道ZigBee网络里挂接到RS-485总线上的节点，作为从机；第三类是各采掘巷道ZigBee网络里未挂接到RS-485总线上的节点，作为监测节点，监测节点包括路由节点和终端节点，路由节点在进行信息路由时是由ZigBee模块自动完成的，不需要STM32参与数据转发，因而这两种节点的STM32功能实现过程相同。下面是这三类节点的功能实现过程。

（1）主机。主机采用轮询的方式依次发送查询指令给各监测节点并接收、存储、显示监测数据（如图3）。

（2）从机。从机主要起两个功能，一个是转发主机的查询指令给对应地址的监测节点，另一个是转发监测节点的返回数据帧给主机。数据帧的起始和结束为3.5个字符时间，波特率设为9600，计算确定该时间可取5ms。从机设定一个变量值time_5ms为定时时间是否到标志，如果定时5ms到则置1，否则为0。当定时器定时5ms到了表示一个数据帧接收完成然后执行查询指令，基于中断处理要短的原则，在中断处理里将time_5ms置1并停止定时器定时，将接收数据帧数组指针指到最前面，将监测环境信息或转发查询指令标志置1，然后在主程序里循环判断标志位执行相应操作。

（3）监测节点。监测节点与从机通信不需进行Modbus协议CRC校验（ZigBee协议内部已经进行CRC校验了），但仍采用其数据帧格式使得从机转发时不需对数据帧处理（如图4、图5）。

5 实验测试

实验测试时，LabView显示界面如（图6）所示，能准确可靠显示监测节点的五路监测数据和历史变化曲线，证实了该方案可行。

参考文献

[1]张嘉怡，刘建文，伍川辉.ZigBee技术在煤矿安全监测中的应用[J].中国测试技术，2008.

[2]覃磊，张杰.基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测系统[J].计量与测试技术，2007.

[3]赵铁锤.煤矿井下安全避险“六大系统”建设指南[M]北京：煤炭工业出版社，2012.

篇（4）

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0383-01

一、无线传感器网络的涵义

无线传感器网络综合运用了多项技术，它是多种技术的集合体，主要包括无线通信技术、嵌入式计算机技术、传感器技术以及分布式信息处理技术。它可以对监控对象进行实时监测，采集监控区域内的相关数据，并加以处理后得到准确详实信息，最终将这些信息发给有需要的人。无线传感器网络由大量静止或移动的节点以自组织和多跳的方式构成，集传感与驱动控制、计算、通信能力于一身，协作地实时监测、感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息并报告给用户。由于它成本低，采用无线通信，不需要固定网络协助，所以其研究成果应用十分广泛。

二、无线传感器网络体系结构

无线传感器网络是由非常多的微型传感器节点组成，它们的功能并不完全相同，但是构造大体相同，大都是由数据收集、处理、发送和电源四部分构成，网络中节点的作用是收集数据，数据中转，或者是类头节点。收据收集，即收集监测到的数据（如湿度、温度等），并将其传送至远方基站或者是汇节点；数据周转，即将其他节点发送过来的数据信息，在不经过任何处理的情况直接传送出去；类头节点，收集属于同一类型节点的数据信息，汇总后传送给上一层级。

系统基本由下面几部分构成：

（1）传感器节点。对所监控区域的环境指标进行测量，比如温度、湿度等，将所监测到的数据传递给监控中心。

（2）网关。连接无线传感器网络与外网，实现传感器网络与外网通信协议的转换，将传感器网络收集到的数据发送至外网，并给下级节点布置监测任务。

（3）远程客户端和PDA用户。通过外网查询监控中心的数据。

（4）监控中心。布置任务，下达监测命令，以及管理监测数据，主要是汇总分析，统计数据。

三、无线传感器网络在环境监测中的应用优势与现状

用无线传感网络进行环境监测，具有三个比较明显的优势。

（1）成本低廉，网络安装速度快；

（2）在不增加其他设备的情况下就可以完成数据的传输工作，这使得系统性能提高了一个数量级；

（3）网络坚实，不易被毁坏，能够满足某些特殊需求。

关于将无线传感网络应用于环境监测中，国内的学者已经做得很多研究，并获得了一些研究成果。在美国是研究人员将其用于监测岛屿的生态状况；在我国，杭州将其用于监测杭州西溪湿地水环境，国防科技大学将其用于环境监测并得到了重要的研究成果。

在我国，无线传感器网络还未得到广泛的应用，主要原因是，第一大部分人对其还不熟悉，不知道任何使用，它的优势在哪里；第二无线传感器网络在使用中还存在一些重要问题没有得到彻底解决，国内关于它的研究还比较浅，加之其应用不同地方会出现不同的问题，对网络结构和传感器节点等也有不同的要求。

四、无线传感器网络在环境监测中的应用

（一）矿井环境监测

对于煤矿企业而言，安全探测是十分重要的，特别是在需求量持续增长的前提下，在长期的开发与使用中，煤矿探测的安全问题愈发的引起了人们的重视。在无线传感器网络的支持下，可以很好的实现低成本的探测需求，并且可以在一定程度上提高矿井作业的安全属性。特别是Zig Bee技术的应用与推广，可以满足人们对于井下监控、数据分析、安全分析等综合需求。在近年来，技术人员将Zig Bee技术进行了细化和拓展，可以帮助人们直观的了解到井下的作业情况，这对于安全、高效作业目标的实现提供了较大的支持。

（二）军事环境监测

无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和容错性高的特点，因此非常适合在军事领域应用，也是军事指挥、控制、通信、计算、情报、监视、侦察与目标捕获系统的重要组成部分。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场实时监视，目标定位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能，目前国际许多机构的课题都是以战场需求为背景展开的。信息技术必然是未来战争取胜的关键，目前已然有许多国家将该技术与军事研究相结合，帮助己方及时的获取对方的各项信息，从而及时的进行战略的调整。

（三）自然环境监测

1、大气环境监测

将无线传感网络用于监测大气环境，主要需要两部分的支持，分别是设备和相应的程序支持。设备包括一是传感器节点，主要是用于大气技术参数的监测和收集，还有相配套的放大电路；二是Sink节点，用来汇总数据及向基站传输数据；三是服务器，这其中需要两个服务，一个进行数据处理，一个用于数据传输。相应程序也就软件主要是由用于数据收集、处理和传输的相关模块组成，通常有串口通信、数据转换、数据统计等功能模块。它的优点是安装简单方便、布局灵活、维护容易、成本低。

2、水环境监测

无线传感器网络的水环境监测系统的结构从功能上可以将水环境监测系统分成三级。第一级是以无线传感器网络为核心构造的数据采集网络系统，主要由数据采集节点和协调器节点以及测试仪构成；第二级是Zig Bee/GPRS网关系统，主要负责数据采集网络中的数据并远程发送，远程数据处理中心对数据采集网络控制命令的发送；第三级是远程数据处理中心系统，主要负责数据的处理分析和控制命令决策。在整个水环境监测系统中，无线传感器网络专注于探测和收集水环境的信息；而复杂的数据处理和存储等则交给远程数据处理中心来完成。主要包括以动态曲线的方式实现传感器信息的在线监测和大量水质数据的存储。

3、地质监测

无线传感器网络在地质监测方面也有很广泛的应用。对于部分地质较为特殊的区域而言，有效的地质检测可以很好的促进该区域基础设施建设，如冻土环境下的交通设施建设，在人力无法实现的前提下，无线传感器网络则可以很好的实现。尤著宏等基于无线传感器网络的青藏铁路温度监测系统，采用多跳的方式将数据从传感节点传输至转发基站上的汇聚节点，再由汇聚节点利用 GPRS 网络发送至监控中心。

4、其他应用

无线传感器网络在其他领域也同样具有重要的应用价值，例如在农业信息监测方面，崔光照等针对当前农业环境监测面临的监测点分散、布线困难和实时性差等问题，提出了利用具有自组织特性的无线传感器网络，对温度、土地湿度和土壤pH值等环境变量进行在线监测的方法。该方法采用了对等式网络体系结构，低功耗微小网络节点以及基于拓扑树的网络初始化配置算法。实验测试表明，节点能够有效地采集和处理数据，并可以在节点间成功地进行通信。另外，无线传感器网络系统在水产养殖、森林监测、家庭环境监测以及管道输送监测等方面都得到了广泛应用。

综上所述，无线传感器网络在众多领域都有着应用，并发挥着极为重要的作用。因此，为使无线传感器网络拥有更为广泛的应用领域，还需要更进一步的深入研究，为社会发展营造更良好的环境。

参考文献

篇（5）

中图分类号:TP301文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110055-01

本文通过对当前的钨矿环境监测系统现状的研究,结合无线传感器网络技术、嵌入式系统技术和网络通信技术,设计和实现了一套适用于钨矿环境的无线传感器网络环境参数监测系统。

一、矿山环境无线传感器网络总体设计

由于有线监测系统其自身的局限性以及生态环境的复杂性,特别是无法对危险环境进行监测,导致在某些场合有线监测系统已导致在某些场合有线监测系统已不能满足人们的需求[1]。针对钨矿复杂的环境,分析了系统的结构体系,设计了一种适用于钨矿环境参数监测的无线传感器网络系统结构。该结构为一个层次型网络结构,底层为部署在监测环境中的终端无线传感器节点,上层依次为无线传感器汇聚节点、传输网络、上位机(监控计算机),最终连接到Internet和公司局域网。系统总体架构如图1所示。

二、无线传感器网络节点硬件设计

(一)节点硬件结构设计

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块组成[2]。传感模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器采集的信号转变为数字信号并传送给处理器模块。处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理和实现网络安全可靠的通信协议[3]。无线通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发数据。能量供给模块负责为节点各个功能模块供电。

(二)各功能模块设计

1.微处理器模块

在选择微处理器时切忌一味追求性能,选择的原则[4]应该是“够用就好”。现在微处理器运行速度越来越快,但性能的提升往往带来功耗的增加。一个复杂的微处理器集成度高、功能强,但片内晶体管多,总漏电流大,即使进入休眠或空闲状态,漏电流也变得不可忽视;而低速的微处理器不仅功耗低,成本也低。另外,应优先选用具有休眠模式的微处理器,因为休眠模式下处理器功耗可以降低3～5个数量级。考虑实际需求,本设计中处理器模块选择ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L单片机。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最强大的单片机。该单片机具有体积小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、唤醒时间短、运行速度快、成本低和足够的外部接口等特点。

2.无线通信模块

无线通信模块选择Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18umCMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。该无线收发芯片具有集成度高,工作电压低、功耗低和灵敏度高等优点,易于得到厂商提供的协议栈和开发套件。

3.传感器模块

根据项目的应用背景和实际需要,选择传感器对监测区域内的温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行监测。在节点的硬件设计和研制中,充分考虑了传感器的能耗、精度、采样频率、与微处理器的接口特性等要求。为了提高节点的可扩展性,在节点中提供了可扩展不同传感器的接口。

设计中选用了温湿度传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、电化学传感器分别对温度、湿度、粉尘、二氧化碳、一氧化碳和氧气等参数进行探测。选用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的数字温湿度传感器SHT10采集环境的温度和湿度。粉尘传感器选用日本神龙公司的粉尘传感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧气的探测分别选用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生产的电化学传感器6004二氧化碳传感器、O2/I-06氧气传感器、CF-1000一氧化碳传感器。

4.电源供给及管理模块

能量是无线传感器网络最宝贵的资源,它决定着传感器网络的寿命。为了满足降低节点能耗的目标,节省系统电源,传感器模块只有在工作时才启动,因此电源供应及管理模块中研究了采用TI公司TPS 79501传感器模块电源控制器。TPS 79501具有超低噪声、高PSRR、高电平启用等特点,输出为1.2V～5.5V电压可调的低压降稳压器,驱动能力达500mA～7.5A。

三、节点软件系统设计

无线传感器网络节点是个资源受限的嵌入式系统,包括硬件资源受限、带宽有限、能量受限及补给困难的特点,决定了现有的一些嵌入式操作系统(如Linux操作系统)不能很好适用于传感器网络节点。

TinyOS是目前传感器网络的主流操作系统,采用基于组件的体系结构,应用程序的各个功能都是由相应的组件实现的。当事件对应的硬件中断发生时,TinyOS的事件驱动机制能够快速地调用相关的事件处理程序,从而使CPU在事件发生时迅速执行相关任务,在处理完之后进入睡眠状态,从而有效的提高了CPU的使用效率,并且节省了能量。

四、结论

在钨矿环境监测中采用无线传感器网络,利用传感器节点功耗低、工作时间长、成本低、能自组织地通信以及在危险区域和大面积监测中容易布置等特点,能够实现钨矿环境参数低成本连续在线监测,较传统在线监测系统具有更大的优势,对于矿山安全具有重要意义。

基金项目:国家自然科学基金项目(No.50764005)

参考文献:

[1]黄布毅、常亚军、张海霞等,基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计,通信技术,2008,41(9):170～172.

[2]孙利民、李建中,无线传感器网络,北京:清华大学出版社,2005.

[3]姜连祥、汪小燕,无线传感器网络硬件设计综述,单片机与嵌入式系统应用,2006.11.

[4]王殊、胡富平、屈晓旭等,无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

篇（6）

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2012）15－3334-02

Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

YANG Fang

（School of Physics and Mechanical ＆ Electrical Engineering， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract： For farmland environmental conditions，monitoring was difficult，a farmland information monitoring system based on sensor wireless sensor networks was designed targeted the status of farmland environmental conditions． The system used sensor nodes to collect the farmland environmental parameters and send them to the control center for further analysis and processing by the ZigBee technology． Farm managers could precisely and intuitively control the key parameters in the process of crop planting and it has good practical value．

Key words： farmland environmental parameters； wireless sensor networks； sensor nodes； real－time monitoring； ZigBee

我国是农业大国，农业是国民经济的基础产业，农业生产受到温度、湿度、水分等多种农田环境因素的影响。因此，在农业生产过程中引入现代信息技术，可以准确、高效地收集农田信息，对提高农产品产量具有重要意义。

针对农田环境复杂、监测难度大等特点，充分利用无线传感器网络灵活而强大的组网功能，设计了基于ZigBee无线传感器网络的农田环境监测系统，该系统由传感器节点、汇聚节点、互联网和用户终端等组成［1］，利用安装在被监测区的传感器节点采集农田环境参数后，通过ZigBee技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的空气温度、相对湿度、CO2含量、水位等关键参数，对在农业生产过程中实现增产节能有着很好的实用价值［2］。

1 农田环境监测系统总体结构设计

ZigBee技术是一种短距离、低速率的无线通信技术，被广泛应用在无线传感网络的组建中。与其他无线通信技术相比，ZigBee具有网络容量大、工作频段灵活、架构简单、功耗低、成本低、可靠性高、组网能力强和安全等优点［3，4］；ZigBee由终端设备、协调器和路由器构成。终端设备是指传感器节点，将其按一定规律安装在农田里，配备低功耗的微处理器，监测空气温度、相对湿度、CO2含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量等参数。一定区域内的传感器节点构成一个簇，这些节点又分为簇首和普通节点。簇首主要进行数据的融合及转发，能把簇中普通节点采集到的信息发送到上级的协调器，也能把协调器接收的信息在簇内进行传播；普通节点只能与本簇的簇首交换信息。协调器把监测到的信息传输到网关，然后网关通过GPRS把数据传送到监控中心。ZigBee网络主要有网状和星状，星状拓扑结构简单，但是覆盖能力差，且只要簇首出现故障整个网络就瘫痪；网状拓扑覆盖能力强、可靠性好，但结构复杂［5］。农田区域环境复杂，存在很多不利因素，为提高ZigBee的精确性，该设计采用星状—簇首—路由拓扑结构［6］（图1）。

2 功能模块设计

2．1 硬件结构设计

1）传感器节点。ZigBee无线传感器网络由传感器节点组成，传感器节点一般由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块组成（图2）。

篇（7）

关键词：Zigbee;环境监测;节点;多参数

中图分类号：TP212

文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0039-03

0 引 言

伴随世界经济与工业的快速发展，世界环境问题日益突出，环境监测逐步受到越来越多的重视[1]。当前，环境监测发展过程中的一个亟待解决的问题是开发功能强大并且价格低廉的无线远程监测系统，而环境监测过程中的首要任务就是准确获取监测节点环境参数，以便进行后期的分析、整理和改进等工作。

物联网（the internet of things，IoT）技术的出现很好地促进了环境监测的发展。简而言之，物联网就是物物相连的互联网。物联网的核心在于感知地球，通过物联网平台可以大范围无线远程监控环境参数，通过数据融合，可以为国家和企业进行环境监测、环境治理、环境规划等工作提供理论依据[2]。

近年来，随着传感器技术和集成电路、嵌入式技术的发展，生产功耗低、体积小、具有感知及信息处理能力的传感器已经可以实现[3]。然而在实际运用中我们需要的不止一个环境参数，而是需要多个传感器同时工作[4]，采集多个环境参数的数据[5]。基于这个目的，我们迫切地需要一种设备能够连接多个传感器同时进行准确、高效的数据采集、整理以及传输。故本文针对环境监测过程中的多传感器和多参数情况运用了Zigbee技术方案进行了解决，通过CC2530连接各个传感器组建节点实时采集温度、湿度、烟雾和RSSI值等数据。

一个功能完善的无线环境监测节点除了传统意义上的环境参数采集之外，应该能够提供一个测距定位功能。本文所提出的基于Zigbee的多参数无线环境监测节点通过硬件自身系统在不添加任何额外硬件的情况下通过数据包发送RSSI值可以进行测距定位[6]。

监测系统总体结构如图1所示。

图1 总体结构图

1 Zigbee与CC2530

1.1 Zigbee简介

Zigbee是基于IEEE802.15.4工作组制定的低功耗个域网标准协议，Zigbee技术正是由此而来的一种短距离、低功耗的双向无线通信技术[7]。Zigbee技术的特点是低复杂度，自组织，低成本，低功耗，低数据速率和近距离。由一个协调器组织的大容量Zigbee网络最多可以容纳65 535个网络节点，从而扩展了单个节点间75 m的标准通信距离，达成了Zigbee网络的远距离通信，满足了大多数通信网络的需求。工作在2.4 GHz频段的Zigbee拥有16个自主定义的独立信道，通过切换信道，有效地提高了通信过程中的抗干扰性。与此同时，Zigbee使用了标准的载波监听多路访问/冲突防止（CSMA/CA）方式，有效地避免了信道竞争和冲突，以保证数据传输的可靠性。

Zigbee的网络结构如图2所示，分为一个协调器负责组网以及和上位机通信，若干个路由器负责转发以及拓展网络容量，多个终端节点负责发送以及接收信息。

图2 Zigbee网络结构

1.2 CC2530简介

CC2530是德州仪器公司根据Zigbee技术实际应用而开发的一个价格低廉并且功能强大的片上系统解决方案，因此它显然是工作在2.4 GHz并且符合IEEE802.15.4的协议标准[8]。CC2530能够通过自身I/O口连接多个传感器建立功能完善的无线环境监测节点。

CC2530 结合了增强型8位8051 CPU，最高256 KB的系统内可编程闪存，8 KB的RAM 和21个可编程数字I/O引脚。CC2530芯片采用7 mm×7 mm QLP（方型扁平式）封装，共有 40个引脚。所有引脚可都分为21个I/O端口线引脚、13个电源线引脚和6个控制线引脚共3类。

通过同样是德州仪器公司推出的目前应用最广泛的Zigbee 协议栈（Z-StackTM），CC2530提供了功能强大且应用宽广的Zigbee 解决方案。协议栈采用查询操作系统，在系统初始化完成后就进入操作系统并不停地轮转查询用户自定义的任务来执行。

2 传感器

一个好的环境监测系统离不开多个好的传感器，这些功耗低、体积小的传感器能够将温度、湿度和烟雾等多个环境参数信息准确地采集至监测节点。本节中所介绍的DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器正具备了这些优点。

2.1 DHT11

DHT11温湿度传感器可以同时采集环境温度和湿度，它输出的是经过内部校准的数字信号。它是应用程序先进的数字模块采集技术和温度、湿度传感技术，在硬件电路简单的同时保证了传感器的可靠性和稳定性。测量范围：湿度20%90% RH，温度050℃;测量精度：湿度±5% RH，温度±2℃。DHT11温湿度传感器模块的硬件电路如下图3所示。

图3 DHT11硬件电路图

2.2 MQ-2

MQ-2半导体式烟雾传感器拥有很宽的监测范围（30010 000 ppm），其优点是稳定性好，使用寿命长，灵敏度高，响应速度快，驱动电路简单。它输出的是模拟信号，提供一个烟雾报警信息，可用于各种液化气，酒精，烟雾，烟尘等气体监测的环境。MQ-2烟雾传感器模块的硬件电路如下图4所示。

图4 MQ-2硬件电路图

3 软件设计与测试

3.1 软件代码编写

在开发软件上我们使用了德州仪器公司跟CC2530配套的IAR Embedded Workbench，利用Z-Stack 协议栈，添加自己的任务，使传感器设备正常工作采集数据，节点接收和发送数据，协调器接收数据并上传上位机。

CC2530节点发送数据的代码如下所示：

1）定义一个数组;

2）写入温湿度数据;

3）根据有无烟雾报警信号写入0或1;

4）调用Z-Stack发射函数进行发送。

{ 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;//有烟雾 }

else

{ T_H[4]=0;//没烟雾 }

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协调器接收代码如下所示：

1）验证是否为自身网络内节点发送来的数据;

2）若是，则获取数据，串口进行打印。

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 节点测试

节点采集到环境信息后发往协调器经由串口传输至上位机，故我们只须监测上位机串口即可测试整套系统的可行性及稳定性。

图5和图6为实验室内部无障碍情况下节点距离协调器1 m处和3 m处连续监测5 min后的测试数据。

图5 1 m处节点数据

图6 3 m处节点数据

通过监测可以看到节点在距离协调器1 m处和3 m处均能够稳定正常工作，采集所需的环境参数，并且能够发送自身的RSSI值给协调器节点进行测距定位。

4 结束语

针对环境监测过程中的无线环境、多传感器、多参数的情况和对距离的需要，本文提出了一种基于Zigbee的多参数无线环境监测节点。设计中采用了德州仪器公司CC2530作为节点通过多个传感器对温度、湿度、烟雾和RSSI值等多个参数进行了采集和无线传输，最后在上位机进行显示和综合分析整理。由于Zigbee技术具有成本低，功耗低，数据传输可靠，大容量的网络，良好的兼容性等特点，应用在环境监测领域将具有极大的优势。

参考文献：

[1]

赵燃，崔再斌.中国环境监测技术的现状及其发展[J].农村经济与科技，2012，23（6）：20-21.

[2] KANG H，LEE J，HYOCHAN B，et al.A design of IoT based agricultural zone management system[M]//JAMES J，JONGSUNG K，ZOU Dengqi，et al.Information Technology Convergence，Secure and Trust Computing and Data herlands：Springer， 2012： 9-14.

[3] WANG L，AKILYDIZ I F.Survey on sensor networks[J].IEEE Communication Magazine，2002，40（8）： 102-114.

[4] 王殊，阎毓杰，胡富平.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[5] 辛颖，谢光忠，蒋亚东.基于 ZigBee 协议的温度湿度无线传感器网络[J].传感器与微系统，2006，25（7）： 82-84.

（下转第 页）

[6] 朱明辉，张会清.基于 RSSI 的室内测距模型的研究[J].传感器与微系统，2010 （8）： 19-22.

[7] TEXAS I.A true system-on-chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications[EB/OL].（2011-03-28）[2014-04-10].http：//.cn/cn/lit/ds/swrs081b/swrs081b.pdf.

[8] 王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.

作者简介：

陈国平（1976），男，重庆合川人，博士，副教授，主要研究方向为电磁/声学主被动原定位与成像。

基金项目：基于物联网技术的智能环保系统研发项目（工信部2012-10号）。

Design of multi-parameter wireless monitoring node based on Zigbee

CHEN Guoping1， YANG Ningyu1， ZHU Wenchao1， Huang Zhihui2

（1. College of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065，P.R. China

篇（8）

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0012-02

目前，环境日趋恶劣，越来越多的人开始关注周围的环境，因为这直接关系到每个人的切身利益，但是由于我国人口密度较大、污染物空间分布非均匀性较强、污染监控点布设不合理、经济技术条件比较落后等客观因素，造成以现有方式获取的数据不具有代表性。为解决以上问题，本文决定研究和开发具有高性价比的智能环境监测系统，以实现监测系统的小型化、个人化、智能化的目标，满足每个人对周围环境的知情权与监督权。

随着科技日新月异的变化，环境检测由经典的化学分析逐渐发展为传感器检测，无线传输技术也以其安装方便、灵活性强、性价比高等特性得到了各行各业的广泛接受。这些都为环境的无线智能监测提供了极大的可能。

1 总体方案设计

整个环境监测系统分为两个子系统——监测终端子系统和探测节点子系统，这两个子系统各需要一个主控芯片进行数据处理，该系统统一选用TI公司推出的16位超低功耗、具有精简指令集的MSP430F5xx系列单片机，该款单片机的超低功耗的特点对于本设计很重要。在信号调制方面，鉴于低功耗、方便易行的考虑，采用了OOK调制方案。为了实现友好的人机交互，采用了电容式触摸液晶屏，以充分发挥其操作新奇、不易误读、耐用度高的优势。无线通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，与四双向模拟开关IC——CD4066，由MSP430单片机进行控制。最后确定通信协议方案，设计思想是由终端发出一个同步传输的信号，节点接收并与自己的“身份”进行校对，验证完毕后，探测节点将检测到的环境信息以数据帧的形式向监测终端发送。通过相关的选择与设计，整个系统的结构设计如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 无线通信模块

该系统设计主要包括监测终端信息处理和探测节点信息采集，两者之间信息的交互采用无线通信的方式。该无线通信模块使得探测节点将环境信息以数据帧的形式传送给监测终端，以便将其显示在触摸液晶屏上，同时也可以使监测终端对探测节点进行身份校验。

无线通信模块的载波信号由基于DDS数字频率载波的AD9854芯片产生，其输出频率范围为0-120 MHz，综合各方面因素，只需使其产生稳定的30 MHz正弦波信号即可。此载波信号进入四双向模拟开关CD4066，再通过天线发射出去。该模拟开关可作为模拟或数字信号的多路传输，待传输的模拟信号的上限频率应为40 MHz，各开关间的串扰很小，典型值为-50dB。

2.2 环境检测模块

为满足环境监测系统实时、便捷、高性价比的要求，应充分利用目前发展较为成熟的传感器技术。对于SO2浓度的检测，本系统采用3SF CiTicel传感器，它是一种新型的定电位电解化学气体传感器，通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度。而对于灰尘粉尘的检测采用DSM501传感器，它的特点是采用粒子计数原理，PWM脉宽调制输出，便于进行数字信号处理。温湿度的检测采用SHT15传感器，SHT15是基于CMOSens技术的单片全校准数字式温湿度传感器，具有高精度、高集成度、反应迅速、低功耗等特点。检测太阳光紫外线强度总量用到UVM-30传感器模块，它响应极快、全互换性好，实现了测量紫外线指数（UVI）的高可靠性和精确性。对于风速的检测，本系统采用WS-01传感器。WS-01风速传感器采用传统三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动好；精密信号处理单元可根据场合需要输出各种信号。

2.3 人机交互模块

该系统中人机交互模块包括微控制器部分（MSP430F5xx单片机）、触摸显示部分（触摸液晶屏）、上限报警部分。MSP430F5xx作为人机交互模块的主控芯片，与触摸液晶显示子模块、上限报警子模块连接，负责实现触摸液晶屏的读入与显示、上限报警功能。当MSP430F5xx接收到来自探测节点的环境信息时，对其进行数据处理后，驱动触摸液晶屏进行相应的字符及图形显示操作，同时当用户完成相应的菜单选择后，也可以接收到相应的触摸信号，对需要显示的信息以及是否开启上限报警功能进行切换。

3 系统的软件设计

本系统采用层次化、模块化结构设计，主要包括基于MSP430F5xx的无线收发模块子程序、环境参数采集模块子程序、触摸液晶屏硬件驱动模块子程序以及上限报警模块子程序等。软件流程图如图2所示。

图2 软件流程图

4 理论分析

4.1 低功耗分析

在本系统中，MSP430F5xx单片机的供电电压为3.3 V，并提供32.768 kHz和14.7456 MHz无源晶振各自产生的两组时钟，以及DCO数字振荡器产生的时钟。当MSP430F5xx单片机在3.3 V供电电压下，以1 MHz的速度运行时，典型的电流值约为210 μA。此外，MSP430单片机还具有5种低功耗模式LPM0～LPM 4，节电方式下的最低电流可达0.1μA。硬件上的设计确定之后，在不同的情况下将通过软件控制系统的工作时钟和工作模式，并且大多数情况下，单片机在执行完相关操作后立即进入低功耗模式，以便于控制总体功耗。

要想降低功耗，一方面在于微处理器的设计，另一方面也要关注电源的管理和功耗电路的接口设计。例如，无线通信模块采用9600bit/s的波特率， 传输速度快， 完成数据通信后立即进入睡眠模式，以尽可能地保证系统的低功耗。

4.2 通信协议

由于待传输的数据信息比较长，而已有的通信协议又无法完全满足要求，因此本文将另行设计一套通信协议，以满足该系统的通信要求。在发送信息时，首先发送一个中断使能脉冲，随后发送一个16位的地址码，接收的数据为若干帧16位的数据码。地址码与数据码格式分别如表1、表2、表3、表4所示。

表1 16位地址码

表4 16位数据码3

4.3 载波信号

为得到相应的载波信号，应通过单片机对AD9854芯片的频率控制字（FSW）进行控制。其中，AD9854产生所需要的输出信号频率fout的计算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32为AD9854相位全加器位数。

5 结束语

本文设计了基于MSP430F5xx单片机的无线低功耗智能环境监测系统。在该系统中，监测终端既负责完成人机交互又需要控制探测节点，探测节点主要是将环境检测模块所测得的环境信息通过无线方式传输给监测终端，从而实现高效、实时地对周围环境进行智能监测，具有广阔的发展前景。该系统很容易实现探测节点与监测参数的拓展，以满足更大范围、更多参数的监测要求。

基金项目

天津市高等学校国家级大学生创新创业训练计划（201310065037）；天津市自然科学基金（13JCYBJC15800）。

参考文献

篇（9）

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

摘要： 本文针对当前温室环境监测系统的不足，将无线传感器网络技术[1]、ZigBee技术和嵌入式技术相结合，探索出实现低成本、高效率的温室监测系统，为降低温室监测系统的造价，为提高设施农业发展水平提供必要的支持。

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

关键词 ： 无线传感器；温室环境监控系统；方法

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

中图分类号：TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0242-03

作者简介：杜振宁（1976-），男，陕西咸阳人，讲师，硕士，研究方向为计算机应用技术。

0 引言

目前，我国温室生产存在着结构简陋、综合环境调控能力差以及管理技术水平落后等缺点。同时，由于我国温室农业种类多，分布地域广，测控设施安装和维护工作量大，采用有线通信方式传输信号存在诸多不便。基于以上背景，本文将无线传感器网络技术、ZigBee技术和嵌入式技术相结合， 设计一种低功耗、低成本、组网灵活、人机界面友好、可方便进行现场和远程管理的温室环境监测系统。

1 系统设计

1.1 系统框架分析 本文设计框架基本分为三个部分相互连接而成。具备完整测量功能的测量点+具备多跳式路由的无线通讯网络+远程上位计算机组成。远程上位计算机通过无线网络获取测量点的温、湿度监测参数，并根据类别进行分析、统计、处理及报表、打印、输出。

1.2 测量点的无线温湿度传感器 传感器节点是温室监测系统的基本组成单元，需要具备环境因子采集、数据处理、无线通信等功能。

1.2.1 无线温湿度传感器 采用ST公司生产的单片机upsd3234A-40U6。该芯片是一个典型的SOC型的单芯片微处理器系统，片内包含构成单片机最大系统的一切必要的存储器（RAM、flash ROM）、译码器、锁存器、I/O扩展、定时器等。只要在外围硬件上提供电源和时钟源就可以执行程序，设计框图如图1所示。

由微处理器负责控制、读取温度、湿度传感器的采样结果，并进行必要的校准后，存储于SRAM存储区，这个过程处理时间相当短，作为全速运行的微处理器而言几乎无事情可干。所以在不采样时，微处理器设计为休眠状态。使用实时时钟芯片各一个固定时间进行唤醒工作，这样可以保证以后的采集器节约能源消耗，方便更改为电池供电。唤醒微处理器后，首先采样温、湿度值、然后将这个值通过自定义的协议打包，通过无线通讯模块（Zigbee）发送到网络中，此时，微处理器又主动进入休眠状态（试验系统目前采用直接供电方式，而上述设计保证了可以使用电池供电），采集器里的ZigBee模块发送数据的目的地址直接指向一个固定的地址，所以，这个协议包不论经过几个中间传递，最终传递到联接在计算机上的特定模块上，并输入到计算机。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

1.2.2 无线通讯网络 网络结构采用MESH网状网络结构，这种网络系统采用多跳式路由通信；网络容量很大；可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构[4]。网络的所有实体只要在通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。网络结构如图2所示。

图2中的测量点是独立设备，是用单片机为核心配以数字化温湿度传感器和实时时钟，通过程序控制采样，定时将采集的温湿度数据通过ZigBee信号构成的网络传递给计算机。该系统是以单片机为核心，利用温湿度传感器作为采集温、湿度数据的测量点、利用无线传输方式将测量数据传递到远端上位机显示。从而构成组网灵活的纯粹的无线温湿度监测系统。若是利用互联网络/2G/3G则可以无视距离的传递数据信息。

2 硬件设计与实现

2.1 ZigBee网络模块：XBee DigiMesh 2.4是可全球部署的嵌入式无线射频模块，可选低功耗的XBee和长通讯距离的Bee-PRO封装。它结合了快速的2.4 GHz收发器和创新的DigiMesh对等网状网网络协议。

XBee OEM RF模块是与ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解决方案，满足低成本、低功耗无线传感网络的特殊需求。该模块易于使用，功耗极低，并且可以提供设备间关键数据的可靠传输。而且它小巧的外形条件有效节省了板卡空间。建立简单的点-点、点-多点应用，该模块不需要任何配置，该模块的默认配置支持广泛的数据系统应用。但是作为Mesh网络拓扑关系，则需要重新配置。

首先是用于测量的所有节点模块，模块的DH、DL地址必须写入连接计算机的那一个模块的物理地址。而连接计算机的那个模块的DH、DL地址必须设置为广播方式，即DH设置为0x0000，DL设置为0xFFFF。其次，所有的模块都得使用同一个无线频道，同一个PAND编号。

2.2 DHT11传感器和单片机的硬件连接方式：第2引脚上拉后与微处理器的 I/O端口相连。该器件采用简化的单总线通信方式，控制中的数据交换、控制均由单总线完成。单片机应当通过一个标准I/O口线通过5.1K电阻上拉连接，当总线闲置时，其状态为高电平。如图3所示。

微处理器与DHT11之间的通信和同步的串行双向接口，采用单总线数据格式。每次通信都是以高位先出的顺序传输40位数据。

数据格式为：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和数据。数据传送正确时，校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。微处理器发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40位的测量数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。

3 上位机监测

上位机监测属于被动接收采集点的无线网络传递过来的温湿度数据[5]。经过通讯协议校验后，将对应编号的采集点温、湿度数据显示到监视界面。切换采集点编号，可以监测到每一个采集点。软件监测运行结果如图4所示。

通讯相关的软件设计：

由于选用的MCU本身具有双路通讯接口，在硬件设计上衍生为一个RS485接口，一个ZigBee通讯接口。ZigBee模块接收到的数据需要单片机进一步判断和执行。则需要相关的判断和执行程序来完成。下面一段是为实现ZigBee数据接收部分的源程序代码。

此段利用MCU中断方式接收、发送数据，RBUF_SIZE、tbuf_datasize1分别是接收、发送缓冲区大小。PACKET_HEADER0是通讯协议当中的帧头。以上3个常数均在头文件里定义。

远程上位机监控软件设计采用 LabV IEW9.0 ( Laboratory Virtual Eng- ineering Workbench)设计监控界面。它是一个使用图形符号来编写程序的编程环境，数据采集是 LabVIEW的核心技术之一。VISA是虚拟仪器软件体系结构的缩写。采用VISA函数库可以方便的开发基于各种数字接口的驱动程序而无需关心连接方式，例如USB、1394、串口、并口等。

4 结束语

本系统选用ZigBee技术作为监测系统通信方式，并利用Mesh网络拓扑结构，确保了可靠通信；数据采集和传输采用周期采集上报和基于中断的超限立即上报工作方式，降低了系统功耗；在实验室搭建了模拟运行环境，就网络拓扑建立、数据采集和传输进行了实际测试，实验结果表明，基于ZigBee协议和Mesh网络拓扑结构的无线传感器网络温室监测系统可以实时、准确、可靠地完成温室环境温湿度监测。

参考文献：

篇（10）

关键词：嵌入式单片机；无线智能温室；ZigBee技术

一、绪论

温室智能化控制系统是近年来发展起来的设施节约型农业技术，在充分利用自然资源的基础上，通过计算机综合控制，调节环境中的湿度、温度、光照强度等因子来获得作物生长的最佳条件，从而达到作物增产、调节生长周期、改善品质、提高经济效益的目的。传统的温室环境测控系统由简单的单片机控制，系统运算能力低，难以完成复杂的控制算法。嵌入式单片微机系统不仅增加了温室系统的网络支持、并且其出发能力和系统的稳定性也有很大的提高。同时降低了系统开发的难度、成本和消耗、满足温室计算机控制系统日益复杂化的需要。嵌入式单片微机在农田设施的发展以及网络传输技术的发展使得农田信息得到精准的判断和实施的控制。

二、嵌入式系统单片机的发展

（一）嵌入式系统和单片机的发展。

嵌入式系统和单片机都起源于20世纪70年代，以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性的特点，以及表现出的智能化水平使得微型机被引入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。21世纪初，嵌入式计算机系统进入了单芯化的道路，即嵌入式系统独立发展的单片机的时代。其模式设计是完全按照嵌入式应用要求全新设计，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式等。嵌入式系统经过很长一段时间单片机发展的道路，不仅能够实现最底层的嵌入式系统的应用，网络、通信、多媒体的高端应用也可以通过嵌入式单片机系统实现。

（二）嵌入式单片微机在智能化温室中的发展和应用。

温室智能化控制系统是近年来发展起来的节约型农业技术，通过计算机综合控制，调节环境中的湿度、温度、光照强度等因子来获得作物生长的最佳条件，从而达到作物增产、调节生长周期、改善品质、提高经济效益的目的。嵌入式单片微机系统实现对温室环境的精准控制和检测，是智能化温室环境的核心。承载无线网络模块的单片机的开发为温室智能控制系统提供了网络技术支持，并且其使用成本低，系统稳定可靠等优点确定了其成为未来农田信息系统的发展趋势。

三、网络化智能温室系统的构成

（一）网络智能温室的分类。

智能化温室系统根据信息传输方式可分为有线通信方式和无线通信方式两种。有线通信方式主要有两种形式，CAN总线通信方式和基于掌上电脑的通信方式，这两种形式已被广泛应用于农业机械多传感器集成和农田信息采集；无线通信方式可分类为长距离通信和短距离通信。长距离通信主要借助于移动通讯网络如GSM，GPRS等，用于设备远程监控与农业信息远程采集。短距离通信方式如蓝牙、ZIGBEE、RFID等，两种温室各有其优缺点，应根据具体的设施环境和要求选择和合适的信息传输方式。

（二）网络化智能温室系统的结构。

网络型温室环境采集控制系统由智能模块为核心的采集控制系统和处理系统构成，两者通过局域网交换机连接。处理系统主要完成数据数据接收、显示处理、参数设置、查询与分析功能，采集控制系统主要完成空气湿度、叶面湿度、土壤温度、空气温度、光照强度、营养液液位、CO2浓度、EC值与PH值等温室传感器信息的实时采集、显示、和存储。

（1）采用CAN总线技术的有线智能化温室系统。

控制器局域网(Controller Area Network，简称CAN)总线是目前国外大型农机设备普遍采用的一种标准总线，已被国际标准化组织认证，其控制芯片已经商品化，而且性价比高，因此基于CAN总线技术的控制系统是农业信息传输系统向智能化发展的理想系统。

（2）无线温室环境控制系统。

在一些特殊环境采用有线方式传输数据是很困难的，甚至不可能的，此时采用无线方式能实现农田信息的自动测量和自动传输。ZigBee技术是一种最近发展起来的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是一种短距离通信传播技术，广泛应用在温室系统中，其工作频带范围在21400---214835 GHz之间，采用IEEE80211514规范要求的直接序列扩频方式，数据速率达250kB／s。此外，短距离传输技术还有RFID技术，RFID即无线射频识别。一个RFID系统都是由3部分组成：阅读器、标签和天线。其原理是标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行相关数据处理。这种技术开始应用于湿度、光照、温度和振动等无线标签式传感器之中。

四、基于ZigBee技术的温室检测系统

ZigBee技术是近年来才兴起的无线网络通信技术。这种崭新无线网络通信技术具备低功耗、低成本、短时延、高容量等特点使ZigBee技术非常适合在无线数据传输、无线传感器网络等方面的应用，为农业设施远程测控系统从示范到实用的研究搭建了一个不可多得的技术平台。

IEEE 802.15．4标准支持多种网络拓扑结构，包括具有层次发散链式结构、主从工作模式的测控系统的结构，根据农业设施测控系统的特点，所设计的具有层次发散链式结构的系统框。

其中工控机完成命令的发送、数据的接收、综合分析处理、显示和报警。协调器处在工控机的第一层，以有线通信的方式与工控机通信，负责将其下位机上传的数据与自身的数据捆绑在一起以一定的格式存储在自身的存储空间，再以约定的方式上传给工控机。处在末梢的传感器只负责采集上传数据。。

上述基于ZigBee技术的系统实现了温室环境检测中的中主要参数(如土壤湿度、温度、空气湿度、土光照强度等)检测与控制系统的内部无线自组网。

五、基于嵌入式单片微机的无线智能温室的发展趋势

ZigBee技术应用在智能化温室测控系统中是嵌入式单片微机应用在农业工程中的一个具体实例。其表现了初期建设周期短、投资小、易于升级、易于重组，尤其是承载ZigBee技术的片上系统的―无线单片机CC2430的应用，使得系统可以灵活便捷地组成适应不同规模、不同情况、不同要求的温室设施测控系统，并且所构建的系统成本次、功耗低、稳定可靠、具有低复杂度。

有线传输和无线传输各有其优势和劣势，不同的无线通信网络技术适用场合、环境各异。实践证明一无线信息传输为技术的农田信息传输方式具有开发周期短，维护方便，成本低。可靠性高等优点，有很好的开发和应用前景，为未来实现温室测控系统中的信息传输的嵌入式、自动化、智能化与网络化奠定了基础。

参考文献:

[1]包长春，石瑞珍，马玉泉.基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计【J】农业工程学报 2007年.

[2]李栋，张林，徐保。无线温室信息监测系统设计【J】微计算机信息（嵌入式与SOC）2009年25卷.

篇（11）

2数据采集功能

无线传感器模块是养殖环境监测系统的基础，在养殖池适当的区域安放温度、溶解氧、pH值及光照数据的无线传感器网络节点，准确采集水产养殖环境的数据信息。无线传感器模块的设计框图如图2所示。图中包括传感器、处理器、通信功能以及电源4个子模块。由于实际要求的差异，无线传感器模块4个子模块的硬件构成不尽相同，然而各子模块的功能基本相同。传感器子模块实现养殖环境的数据采集功能，并将采集到的信息转换成处理器可以识别的信息；处理器子模块调节整个无线传感器模块的工作状态，完成对自身采集信息和来自其他模块数据的处理，并实现与其他模块间的信息交流；通信功能子模块完成与其他模块间的信息通信以及收发采集到的数据；电源子模块主要负责提供模块正常工作需要的能量，一般使用微型电池。本文选用Ateml公司生产的AVR系列高性能、低功耗8位单片机ATmega128L，该芯片是一颗真正的系统芯片；在芯片内部集成了128KB的可编程闪存，具有独立锁定位、可选择的启动代码区进而通过片内的启动程序实现系统内编程，同时，其电压工作范围为2．7～5．5V。传感器采集到的数据信息通过AT－mega128L进行AD转换为数字信号，由无线通信模块负责将得到的数字信号输出。

3信息通信功能

3．1无线传感器网络

无线传感器网络的拓扑结构采用星网结合，各个采集点单独形成局部的无线传感器网络，通过中继节点将局部网络传出的数据汇聚传送到信息中心。各个采集点的无线传感器网络中都布置了传感器，这些传感器负责完成养殖环境的信息检测，即对池水温度、溶解氧浓度、pH值以及光照强度的信息采集。传感器采集到原始信号后，只有将模拟信号转换为数字信号才能通过无线网络进行传输，转换过程需要模拟信号放大器、A／D转换器、信号处理器等。传感器节点通过自组织功能将采集到的数据以单跳或者多跳的形式发送给中继节点。

3．2Wi－Fi传输

通常架设无线网络的基本配备是无线网卡及一台AP，足以实现无线模式，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。中继节点汇集到信息后通过Wi－Fi无线网络传输到信息处理中心，通过Wi－Fi接入点实现无线传感网之间的信息通信以及数据处理功能，Wi－Fi接入点既有普通站点的特点，同时可以实现接入到分配系统的功能。

4信息处理中心

4．1数据库管理

应用软件使用ADO设计连接ORACLE，具有采集信息的存档、当前或者历史信息的检索功能，实现对采集点采集到的数据的处理与存储。ADO设计开发中采用了较多的Command对象，同时采用ANSISQL语句实现对数据库的控制。鉴于实际操作中数据库中需要存档的数据量较大，因此数据的访问能力非常重要。而Command类的重复应用性比较好，可以把数据库的细节封入SQL里，当数据链表的内容改变时，可以只改正SQL语句就可以保证应用程序架构的稳定性。

4．2监控系统

为提高养殖人员对养殖环境的监视效率，本系统提供了良好的人机交互模块，含有信息实时显示、数据的历史查询模块、巡检人员的路径显示模块等功能。