无线环境监测汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇无线环境监测范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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中图分类号：TP212.9

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8012502

1引言

近些年来，空气污染问题日益严重，室内有害气体污染状况不容乐观，引起室内空气污染的物质多种多样，最普遍的当属甲醛。国内现有气w检测设备研发起步较晚，稳定性不足，通信能力差。因此研发一款具有无线传输功能的气体检测设备是极其重要的。

设计并研发了基于STM32的无线环境监测系统，仪器核心为STM32微处理器，运用甲醛传感器实时采集室内甲醛浓度信号，将数据显示在液晶屏，同时又具有远程监测功能。

2系统总体设计

采用高精度甲醛传感器进行系统前端信号采集，将甲醛浓度物理信号转换为电信号传输给微处理器控制部分进行处理和运算，在液晶显示屏上显示室内甲醛实时浓度数值。另一方面，用户可通过智能手机等无线设备向WIFI模块发送指令，单片机接收指令后再做出相应操作，可实现远程监控。系统总体架构框图如图1所示。

3系统硬件设计

开发的硬件主要包括：微处理器最小系统、电源供电模块、中文液晶显示屏、甲醛采集模块、温湿度采集模块、WIFI模块、蜂鸣报警模块等。硬件架构如图2所示。

本系统采用ST公司出品的STM32F103C8T6微处理器，具有低功耗、最大集成度、结构简单、处理速度快、性价比高等优点。其最小系统的电路原理图如图3所示。

甲醛传感器采用的型号是MS1100-P111VOC，该型号传感器具有灵敏度高、准确度高等优点，是一种进口的半导体式传感器。具体电路图如图4所示。

温湿度传感器采用的型号是DHT11，该传感器电路简单、稳定性好、功耗很小，可以自动休眠，具体电路图如图5所示。

显示屏采用Usart-GPU串口液晶屏，由于价格低

廉，受到广大用户喜爱，无需转编号，支持直接汉字驱动、真彩图形显示。显示屏与STM32微处理器的接口原理图如图6所示。

4系统软件设计

本系统采用模块化和层次化的设计方法，使用C语言进行代码编写。基于软件模块化开发和设计，编写了STM32硬件初始化模块、甲醛传感器采集模块、温湿度传感器采集模块、Usart-GPU串口液晶显示模块、蜂鸣报警模块等的驱动程序。软件流程图如图7所示。

该系统样机软硬件已经设计制作完毕，同时进行了设备的测试，结果显示该系统可以完成甲醛浓度、温湿度采集，液晶显示屏实时显示当前室内空气质量情况。如果甲醛浓度超标，蜂鸣器则发出声音告警信息，提示用户。该系统实物照片如图8所示。

5结语

研制和开发了基于STM32的无线环境监测系统，采用甲醛传感器、温湿度传感器进行信号采集，并将甲醛的浓度值、温湿度值实时显示在液晶显示屏上，可以通过WiFi无线网络技术将监测结果发送到移动设备上，实现了远程监测。如果空气中甲醛超过国家标准安全阈值，系统会立刻进行蜂鸣报警，以实现对室内空气污染物实时监测和预警。测试结果证明，所有功能能够完整地实现，可靠性高，该系统具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]

徐科军.传感器与检测技术[J].北京：电子工业出版社，2011：202～260.

篇（2）

1 研究背景及意义

近年来新兴了一种性能稳定、传输效果较好的无线数传网络，主要用于传感器间近距离无线通信连接。基于这种无线的传输技术而开发的硬件模块，具有低成本，低功耗，协议简单，安全可靠，自动组网等特点。目前，此项技术已经日趋成熟，并被应用于多种行业。

传统的环境监测的过程一般为接受任务，现场调查和收集资料，监测计划设计，优化布点，样品采集，样品运输和保存，样品的预处理，分析测试，数据处理，综合评价等。同时监测地域的分散性，环境变化过程的缓慢性，监测的时间跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的间断监测。传统的监测方法，对突发状态现象调查无法完成，而应用这种无线传输技术的监测平台可以随时不间断的进行监测。

2 基于无线传输的环境监测系统

本文将无线传输技术用于环境监测，搭建环境监测平台，该平台将具备连续性、追踪性的特点，对突发环境事件的研究提供帮助。将来随着该平台研究更加成熟，还将具备综合性特点，非常符合环境监测的要求。首先将开发的微传感器节点模块按照一定要求布置在监测环境中，实时采集各类环境数据，然后通过中心节点（具有协调器和路由的功能）将数据传递给网关，最后网关将收集到的整个子网络的信息通过系统内网传给基站。基站与一个数据库和 Internet 网联接，将收集到的数据进行相应的处理。最后，终端用户可以通过 Internet 网访问数据库得到自己感兴趣的信息，并且能够根据需要作出下达指令，控制节点运行。实现对环境的实时监测以及下达控制操作的目的。

1）无线技术综述：Zigbee 技术是专门为了低功耗的无线传感器网络研发的通信协议，通过对比 Zigbee技术和其它无线通信技术的特点，总结出 Zigbee 技术是无线传感器网络的最优选择。本文重点从整个构架上阐述了基于 Zigbee 环境监测平台的系统研究。为了适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求，传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求快速的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。Zigbee 协议应运而生，它继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。

2）系统建设：通过 Zigbee 协议采用自组网和多跳的通信方式将环境的变化量传送给了它的上一级网关，网关将收集到的所有子网络的信息，通过事先编译好的系统内网传给更上一级的中心服务器。中心服务器有一个数据库专门存放这些环境的变化量，将它和 Internet 网连接。这样，用户终端就可以通过手机或 PC 机通过相应的服务程序直接访问到 Internet 网数据库得到用户所需要的外界环境的信息。当然，随着这一技术的不断深入发展，用户终端只需按下键盘在千里之外的办公室就可以实现对智能节点的控制。

3 智能节点硬件设计

智能节点的硬件设计包括主控制器模块选择，通信模块选择，各种环境监测传感器选择等。通过比较选择了环境监测中用到的几种传感器，分析它们的型号、特点、输出模式以及外部接口电路。

1）智能节点的设计：智能节点的设计是整个系统硬件设计最核心的部分，它直接放置在监测环境内部，负责数据的采集、处理和传输等功能。节点的设计必须满足具体应用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并为节点配备合适的传感器、必要的计算功能、内存资源以及适当的通信设备。传统的无线传感器网络节点由四个模块组成：传感器模块（A/D 转换、传感器）、处理器模块（微处理器、存储器）、无线通信模块（无线网络、MAC、收发器）、电源供应模块（电池、AD-DC）。本设计在原有基础上添加标准化的接口平台和控制平台，实现更多应用的传感器的添加，以及用户可以下达命令对开关量，模拟量和数字量执行控制。

2）微控制器选择：微控制器模块是环境监测平台节点的核心部分，在微控制器的选择上，需要综合考虑其存储、处理、接口和功耗等多方面因素对硬件平台实现功能的支持。我们选用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是专门为嵌入式应用而设计的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，时钟频率较低（4MHz），可以适用于不同类型设备的指令集。它以可变的片上 RAM（存储范围为 2～10KB）、几个 12 位模/数转换器和一个实时时钟为特征。它的功能很强大，可以执行一个标准无线传感器节点的基本计算任务

3）通信模块选择：通信模块是传感器组网的必备条件，使得独立的传感器节点之间可以互相连接，并能借助多跳将数据回传到节点，即数据汇聚节点。在环境监测中，大量的节点被放置在被监测领域内，能量消耗以及外部对信号的干扰，选择芯片时要充分考虑通信模块抗干扰能力以及能量消耗问题，即在满足信号处理要求的同时尽可能地抵抗干扰和降低系统能耗，延长平台工作时间。

4）传感器模块：传感器是环境监测平台中负责采集监测对象相关信息的组件，与应用紧密相关，不同的应用对涉及的检测量也不相同，有可能是一个模拟量（温度、湿度、光强、气体含量等），也有可能是一个数字量（信号链路质量）或者是一个布尔值（阈门开关、电闸的开合和继电器的位置等）。在环境监测中，传感器模块主要添加的常用传感器有全光谱光强度传感器、可见光谱光强度传感器、有毒气体监测传感器、温湿度传感器等。

5）控制平台：大多数的环境监测，数据采集和传输是系统的主要工作，尽量避免对环境监测对象造成影响，以保证数据采集精度。但是，对于诸如农业环境监控之类，用户希望不仅可以了解农田的各种环境参数变化，而且可以根据采集信息的变化情况对农田环境进行相应调整。例如，在蔬菜大棚内，温湿度是影响蔬菜生长的一些重要因素，当监测平台监测到温湿度高于或低于适合蔬菜生长的范围时需要采取一定的措施来改变大棚内环境温湿度，比如控制喷淋开或关，这就需要引入执行器进行控制。在不同应用中，执行器的功能与作用各不相同，可能是一个继电器开关，也可能是一组运动装置或数控设备，具体需要由系统应用所针对的对象决定。

6）电源模块：电源模块是环境监测平台的能量来源，电源技术的好坏决定了网络工作时间的长短和系统运行成本。目前还没有找到更高效使用时间更长的高能量电池，我们使用的是两节AA 电池，实验效果显示可以维持一个节点工作半个月时间。

7）其他硬件设计：节点模块采用 USB 口作为其程序调试下载端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主机通讯，为了和节点通讯，必须在FTDI设备上安装FTDI驱动。节点模块将会在windows设备管理器中以串行口出现。并行的无线传感器可以同时连接到一台电脑的USB口，每个点，将会接收到不同的串行通信口标识符。天线节点模块的内置天线是一个倒F型的微波传输带，它从电路板底部伸出，远离电池组。倒F型天线是有线单极子，它顶部的截面被折叠下来与地线平行。在读出或写入闪存中数据的时候必须要谨慎，因为它是和无线电通信交叉存取的。这是总线在微控制器上的典型软件应用。

4 平台软件设计

该环境监测平台的软件设计主要通过操作系统 TinyOS 和编程语言 NesC 来完成。本章通过典型应用分析了模块化、基于组件的编程案例。将模块化的程序设计移植于环境监测领域，列出了该平台的软件流程图。最后通过网络数据库的应用开发了一套可视化数据监测平台，实现了远程监测。该平台的软件开发通过开源式 TinyOS 操作系统和基于组件的 NesC 编程语言来实现环境监测数据的发送和接收功能，程序开发周期短，便于修改，对于各种环境监测传感器的添加也很方便。网络数据库的应用开发使人们在办公室就可以直观的看到各种传感器采集的环境监测数据，足不出户就可以对数据进行提炼分析，观测环境变化的一举一动，实现了 24 小时不间断监测，对突发环境情况变化的研究提供了可能。

5 总结与展望

本文设计并实现了一种基于无线传输技术的环境监测系统，它通过使用由大量微型传感器节点组成的环境监测网络，可以对所监测的环境进行不间断的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基础性研究和探讨。搭建了基于无线传输技术的环境监测平台，这个平台具有数据采集和上传、网络可视化、远程控制等功能。在过去智能节点的硬件设计上存在接口不容易扩展问题，主要是由于环境监测中需要添加的传感器类型不同导致输出信号格式不同，另外还有主控芯片输入接口不够用等问题。针对这些展开研究，设计了标准化接口电路，实现了接口扩展。最后需要利用该平台进行了一系列的试验和调试，对采集的数据进行了分析，将该平台应用于环境监测是具有一定科研意义的。

参考文献

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篇（3）

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（4）

1.引言

我国的煤炭生产主要来源于地下开采，井下生产条件很恶劣，如：噪声大、粉尘浓度和有毒气体浓度较高。长期在这种环境中从事生产工作，会影响矿工的身心健康，同时给煤矿安全生产也带来隐患。由于矿井结构的复杂性，井下的重要环境信息如温度、湿度、压力、风速以及有毒气体浓度等，很难用有线通信手段实时地监控。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）作为一种新型的无线通信技术，应用于矿井环境监测系统的分析和设计之中，不仅为矿井安全生产管理和事故救援提供可靠的技术支持，而且为类似矿井的环境监测系统的分析和设计提供理论基础和应用实例。

2.无线传感器网络分析

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量传感器节点通过自组织方式构成的网络系统，各个节点协作地感知、收集和处理被监测区域中感知对象的信息，通过对这些信息的协作式处理，获得感知对象的准确信息。因此，传感器、感知对象和观测者构成了WSN的三要素[1]。

2.1 无线传感器网络体系结构

2.1.1 无线传感器网络的一般结构

典型的传感器网络由传感器节点、汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等部分构成。传感器节点随机部署在被监测区域内，节点以自组织形式构成网络，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到汇聚节点和其他相邻节点。汇聚节点直接与互联网或通信卫星相连，通过互联网或通信卫星实现任务管理节点与传感器节点之间的通信。用户通过管理节点对传感器网络进行管理和配置，监测任务并收集监测数据。

2.1.2 传感器节点的功能模块结构

无线传感器网络的关键设备是传感器节点。一般来说，传感器节点由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。其中传感器模块由各类传感器及数模转换设备组成，主要用于感知被监测区域的环境信息，并将其感知到的信息数据传送给处理器模块；处理器模块主要负责协调节点各部分工作，如对感知模块获取的信息进行处理、保存，控制数据采集操作和电源的工作模式等；无线通信模块主要负责与其它传感器节点及观测者的通信；能量供应模块提供传感器节点正常工作所必需的能源，它是影响节点寿命的关键因素。无线传感器节点结构如图1所示。

图1 传感器节点结构示意图

2.2 无线传感器网络的特点

2.2.1 传感器节点体积小，成本低，具有自适应性

无线传感器中应用的传感器节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点。传感器网络是由大量的传感器节点组成，制造成本低。此外，传感器网络可在比较恶劣环境下工作，比如矿井、矿山，经常有节点失效或新节点加入网络，使网络的拓扑结构动态变化，因此，传感器网络具有很好的可靠性和自适应性。

2.2.2 电源能量是网络寿命的关键

无线传感器网络通常部署在恶劣环境或人不宜到达的区域，电池能量有限，且一般无补充能源，传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此如何提高电源效率是设计节点考虑的关键因素。

2.2.3 数据管理与处理是传感器网络的核心

无线传感器网络最鲜明的特点就是以数据为中心，传感器网络的设计必须以对感知数据的管理和处理为核心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术等几个方面考虑其系统实现。

3.MEMSoWSN系统方案设计

MEMSoWSN是基于无线传感器网络的矿井环境监测系统的简称，系统方案基于无线传感网络技术构建，以实现对矿井环境监控和管理。

3.1 系统结构分析设计

图2为矿井环境及人员监测系统整体结构图。该监测系统可分为两个子系统，采集与传输系统（井下部分）和监测与管理系统（地面部分）。

图2 MEMSoWSN整体结构示意图

3.2 采集与传输系统

采集与传输系统主要包括移动节点、路由节点以及汇聚节点，实现对矿井生存环境等信息的采集与传输。其中，移动节点和路由节点都是传感器节点，主要收集井下环境信息，不参与多跳转发，只将本节点感知的信息发送给邻近路由节点；路由节点参与多跳转发，并感知矿井空气中有害气体的浓度和成分（瓦斯、一氧化碳等）以及矿井中空气的物理状态（如风速、负压、温湿度等），将感知的数据根据路由协议发送出去；汇聚节点的作用是实现传输系统和管理系统之间的数据传输，相当于系统之间的一个网关节点。

3.3 监测与管理系统

监测与管理系统包括监控中心计算机网络、数据库和监控软件等，无线传感器网络收集的数据通过汇聚节点传给监控中心并存入数据库，监控软件对数据进行分析处理，并根据数据的变化对人员及井下环境进行管理控制。

3.4 数据处理流程设计

MEMSoWSN系统的数据处理流程是：首先由传感器节点进行井下环境信息实时采集，经其内置的处理单元简单处理后发送给邻近路由节点，路由节点通过多跳转发的方式将数据发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据转发给地面信息监控中心，信息监控中心将接收到的汇聚节点的数据存入数据库，并对数据进行分析，以得到有用的井下环境信息，最后将分析结果展现给管理员。

3.5 传感器节点设计

根据无线传感器网络的通信原理和单片机知识，可设计如图3所示的传感器普通节点，图4所示的汇聚节点。

图3 普通节点示意图

图4 汇聚节点结构示意图

3.6 信息监控中心设计

信息监控中心主要功能是接收汇聚节点监测的数据，分析井下环境状况。它主要由网关服务器、数据库服务器、信息监控服务器等组成。网关服务器用来与汇聚节点进行通信，实现协议转换；数据库服务器用来分类存储传感器网络发来的井下信息，同时与信息监控服务器进行通信；信息监控服务器运行监控软件，分析并显示井下环境状态。

监控软件是信息监控中心的关键部分。它由实时显示模块、数据查询模块、数据统计模块、告警管理模块和系统维护模块组成，如图5所示。实时显示模块动态显示井下环境信息；数据查询模块实现矿工信息精确查询、路由节点工作状态查询以及所关心节点传感器数据的查询等；数据统计模块统计系统工作情况；告警管理模块对各种传感器数据进行阈值限制，当出现非正常情况时进行告警，以便使管理员及时做出响应；系统维护包括登录人员管理、系统界面维护以及系统密钥管理等。

图5 监控软件功能模块结构示意图

3.7 实用性和可行性分析

底下矿井空间狭窄、密闭、地质状况多样，不易布设有线设备监测点，无线传感器网络中的传感器节点体积小，成本低，可以随意撒放于任何不规则空间，它们感知被测区域信息并相互传递，使有线设备难以获取的数据通过汇聚节点和路由节点最终到达监控中心，实现矿井环境信息的实时监测。

设计无线传感器网络应用或试验时，通常使用ZigBee通信技术。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。同时，考虑到井下通信的一些特殊要求，比如：矿井巷道的半封闭空间结构以及煤的电介质特性使得矿井在频率较高的情况下类似于波导，可以在2.4GHz频段工作，使高频无线电信号在矿井中更为有效地直接传输。许多学者已经对无线信号在矿井中的传输进行了试验，结果证明其传播性能较好[2]。2.4GHz频段又是全球通用的工业、科学、医学（ISM，Industrial，Scientific and Medical）频段，免付费、免申请，在此频段上天线尺寸和芯片功耗可以设计的更小，井下通信非常适合用。在实验室，应用OPNET（Optimal Network Engineering Tools）仿真开发工具OPNET Modeler，即可进行仿真实验。

4.总结与展望

本文结合矿井环境的特点，通过分析无线传感网络的技术特征，分析设计了基于无线传感器网络的矿井环境监测系统模型，结合相应的无线通信技术及其路由协议即可进行仿真。

随着无线传感器网络的发展及矿井环境检测手段的不断提高，今后的研究工作还将进一步扩展。可从以下几个方面提升系统的整体功能，如增加传感器节点的功能，引入声音和视频等多媒体传感器，使管理人员对井下情况一目了然。结合WSN数据融合技术，提高数据收集效率，获得更准确的井下信息，节省节点的能量延长其寿命等。

参考文献：

[1]李建中,李金宝,石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J].软件学报,2003,14(10):

篇（5）

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2013）003008202

0 引言

近年来我国以大棚和温室为主体的设施农业正在迅速发展，但与国外相比，我国的设施农业普遍存在科技含量低、生产水平和效益低下等缺点，因此，迫切需要提高我国设施农业的整体水平。信息技术在农业领域中的应用是提高设施农业科技水平的重要环节。我国作为一个农业大国，农业分布呈“小而散”的特点，存在很多小型化的温室生产模式。因此，研制成本低廉、操作简单、可靠性高的设施农业环境监测控制系统是我国现代化设施农业的一个关键。

目前，传统的农业领域自动监测方法通常是通过有线方式将传感器采集的信号传到监测中心。由于农业生产环境分布范围广、地形复杂、环境温度变化大、空气潮湿等因素的影响，极易导致信号传输电缆的老化，从而降低监测系统的可靠性。随着无线通信技术的日趋多元化结合，ZigBee 作为一种近距离、低功耗、低传输速率、低成本、高可靠性的无线通信技术，特别适用于现代设施农业的无线环境数据采集与监测。

1 系统结构

结合设施农业环境监测应用需求，本文构建的基于Zigbee传感器网络的农业环境监测系统的结构如图1所示。

该系统整个监测网络由传感器节点、路由节点、协调器节点和监测平台四部分组成。监测平台是系统的管理中心和数据汇聚中心，协调器节点负责协调和管理网络通信，初始化和启动整个网络后控制路由节点的数据传输。传感器节点位于最前端，用于采集农业环境物理量信息，并通过网络把数据传输至路由节点；路由节点再将收到的各种数据传送给协调器节点。

2 监测传感器节点设计

2.1 节点硬件设计

传感器节点的主要功能是负责采集设施农业生产环境监测区温湿度、光照强度、土壤pH值等物理量信息，并将采集的数据传输给路由节点。整个传感器节点系由传感器模块、处理器模块、无线射频模块、电源管理模块等四部分组成。监测传感器节点结构框图如图2所示。

传感器节点各硬件模块功能简介如下：

（1）传感器模块。该模块主要集成了各种传感器，对温度、湿度、光照强度、土壤PH值等物理量进行采集，由 AD 转换器将模拟电信号转换成数字信号。其中温湿度传感器采用的是数字温湿度传感器DHT21，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器；本方案中选择TSL2561作为光强度传感器，它具备高速、低功耗、宽量程、可编程且可以根据用户灵活配置等优势；CO2浓度传感器采用超低功耗红外二氧化碳传感器COZIR-A，其他传感器接口已经留出，方便以后进行扩展。

（2）处理器模块。该模块负责控制整个传感器节点的操作、数据的存储和处理，是传感器节点的核心。在农业环境监测系统中根据低功耗和处理能力的需要，本系统采用TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149。它具有RISC CPU内核，内部集成了12Bit模数转换器、内部温度传感器、16位定时器A和定时器B、串行异步通信端口UART0和UART1（软件可选择UART/SPI模式）、硬件乘法器，多达48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空间和2kB的数据空间等诸多外设，可直接用JTAG仿真调试。MSP430F149具有多种模式可选，在设施农业环境监测系统中，可根据不同的需要，切换模式以降低系统功耗。

（3）无线射频模块。无线射频模块主要是控制信息的无线收发。无线通信模块消耗了整个传感器节点的绝大部分能量，故选择低功耗、高性能的射频模块是整个系统的关键之一。基于现代设施农业环境监测的实际情况，本系统无线射频模块采用CC2430无线射频芯片。无线射频模块采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430内部集成了RF收发模块，利用2.4GHz公共频率，应用于监视、控制网络时具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势；该芯片性能稳定，具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，正常工作时需要的外部元器件极少，与主控制器接口简单，特别适合低功耗的无线传感器网络的应用。

（4）电源管理模块。电源管理模块为系统其它各模块提供持续、稳定的能量供应，由于此监测终端为户外不间断工作，为降低功耗，电源管理模块加入低功耗的管理和控制，通过软件机制实现多种工作模式（包含正常模式和休眠模式），当节点不工作时系统即进入休眠模式。考虑到系统将长期使用，可以通过外接电源或外接蓄电池和太阳能电池板以保证系统的持续供电。

2.2 节点软件设计

基于环境监测系统长时间工作的需要，传感器节点软件系统设计的关键是在保证能有效实现必要功能的前提下最大限度地减小节点的能耗。无线传感器网络中监测节点的能耗主要集中在通信能耗和传感器模块的能耗，而通信能耗要远大于传感器模块能耗。因此，节点电源打开后，完成ZigBee模块和传感器模块的初始化，建立通信链路后，设置唤醒时钟并进入休眠模式。节点软件设计程序流程如图3 所示。

3 网络拓扑结构

一般设施农业监测的规模和范围不大，因此本系统的网络拓扑选择简单的星型网络结构，通过对多个监测节点发送的数据进行分析可以判断环境监测区域的状态。系统启动后，根据网络协议组建网络，为节点分配地址。当监控平台查询数据时，系统根据地址分配执行数据采集。

4 结语

将无线传感器网络应用于现代设施农业环境信息检测具有传统农业监测方式无法比拟的优势。本文提出了基于ZigBee传感器网络的设施农业环境信息实时监测系统的设计方案。介绍了系统的总体结构和传感器节点的硬件及软件系统设计。本文提出的这一无线传感器监测系统，具有低成本、低功耗、可靠性强等特点，为现代设施农业生产环境信息监测提供了一种有效的解决方案。

参考文献：

＼[1＼] 蔡镔，毕庆生.基于ZigBee无线传感器网络的农业环境监测系统研究与设计＼[J＼].江西农业大学学报，2010（11）.

＼[2＼] 郭文强，张玉杰，侯勇严.无线传感器网络在环境监测系统中的设计与应用＼[J＼].陕西科技大学学报：自然科学版，2012（6）.

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＼[5＼] 徐志国.基于无线传感器网络的噪声监测系统的设计＼[J＼].皖西学院学报，2009（6）.

篇（6）

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（7）

中图分类号：TP393.02 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）02-0253-03

Research on the Localization Algorithm Application of Environmental Monitoring in Wireless Sensor Network

ZHANG Dan1，2，LIU Ya-zhe1 ，DONG Lei-gang1，LI Zi1

（puter Science and Information Technology Department， Daqing Normal University， Daqing 163712， China；2. College of Computer Science and Technology， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract：In order to improve the intelligent in environmental monitoring， the nodes localization algorithm in wireless sensor network is applied in environmental monitoring. It analysis the architecture of wireless sensor network system， the classification of location algorithm. It studies the method of calculating the coordinates of nodes. The centroid algorithm is applied in environmental monitoring， and the location error rate of the nodes is simulated and analyzed. It is concluded that the Localization accuracy of centroid algorithm can meet the needs of environmental monitoring.

Key words：wireless sensor network； environmental monitoring； nodes location algorithm； centroid algorithm； localization error rate

1 引言

近年来，随着计算机技术的高速发展，无线传感器网络的应用已经深入到各个领域当中，得到全世界范围的广泛关注。无线传感器网络中传感器节点的体积小、能耗比较低，节点的分布通常是由飞机洒落的方式进行部署，部署在人类无法到达的应用环境中，这些节点对其中的信息进行采集，并传输，方便了人类对未知信息的获取。目前，环境保护问题受到了广泛的关注，人们对环境监督问题越来越重视，无线传感器网络技术在环境监测中具有重要的作用，通过无线传感器网络技术能够解决环境监测中的一些问题。

无线传感器节点在环境监测区域一般是随机部署的，节点需要获取监测区域的信息，因此节点的位置至关重要。人工部署或者为所有传感器节点安装GPS接收器是不现实的。这些都受到成本、功耗以及扩展性等问题的限制，大部分传感器节点不具有位置信息，但节点的位置信息对整个无线传感器网络监测应用具有至关重要的作用，因此，本文所研究的环境监测中无线传感器网络中节点定位技术是非常重要的。

2 无线传感器网络体系结构

无线传感器网络中的节点将收集到的数据信息以多跳路由的方式进行转发，将这些信息发送到给监测者，在监测区域中，节点在随机部署，以自组织的方式组成无线通信网络，其中的每个传感器节点可以动态查找邻居节点p自身定位、与网络通信连接。网络中的汇聚节点比普通节点在硬件配置和功能上更强，是与外部网络建立连接的桥梁收集普通节点的监测数据，并对其进行加工和整理，以多跳转发方式发送到基站，然后由基站利用卫星信道或有线的网络将监测的数据信息发送给最终用户。

3 无线传感器网络定位技术

在无线传感器网络中节点通常被分为两种，一种为未知节点（Unknown Node），另外一种为锚节点（Anchor Node），普通节点的位置信息时未知的，锚节点的位置信息是已知的，它一般是通过自身携带的GPS 定位装置获取自身的位置坐标，锚节点的部署密度要远远小于待定位节点的部署密度，未知节点与通信半径内的邻居锚节点进行通信，通过锚节点提供的位置信息，进行位置计算[1]。

3.1 节点定位算法分类

无线传感器网络节点定位算法分类方法很多，但是目前比较常用的方法是从定位算法的技术手段上来进行分类的，大致可以分为两类：基于测距的定位算法（Range-based）和距离无关的定位算法（Range-free）[2]。

基于测距的定位算法是需要测量节点之间的距离或者角度，基于测距的定位分算法主要有TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference On Arrival）定位、AOA（Angle of arrival）、RSSI（Received Signal Strength Indicator）等[3]。基于y距的定位算法定位精度相对较高，但是对硬件的要求也更高，而且定位过程中消耗的能量相对较高，易受环境因素的影响[4]。

距离无关的定位算法是通过对节点间的距离的估计或确定包含未知节点的可能区域，从而来确定未知节点的位置。距离无关的定位算法主要有质心算法[5]、Amorphou算法、DV-HOP算法[6-7]、APIT算法[8]等。距离无关的定位算法无需测量节点之间的绝对距离或角度信息，从而降低了对硬件的要求以及能量的消耗，使得这种算法更适合于大规模无线传感器网络，它的一个缺点是定位误差相对较大。

本文中环境监测中主要使用的是距离无关的定位算法。

3.2 计算节点坐标的基本方法

未知节点估计或者测量出到邻居节点的距离，并且能够满足一定的条件，可以利用这些距离来计算未知节点的坐标。主要方法有：三边测量法、三角测量法和极大似然估计法。

（1）三边测量法

已知三个锚节点的坐标，以及它们到未知节点的距离，可以利用公式求得未知节点的坐标。

（2）三角测量法

已知三个锚节点的坐标，以及未知节点到三个锚节点的角度，则可利用公式求出未知节点的坐标。

（3）极大似然估计法

前面两种方法比较简单，下面将极大似然估计法进行介绍。已知n个锚节点的坐标，分别为[（x1，y1），（x2，y2），...（xn，yn）]，以及它们到未知节点的n个距离，分别为[d1，d2，...dn]，设未知节点的坐标为[（x，y）]，则有方程1：

[[（x1-x）2+（y1-y）2=d21（x2-x）2+（y2-y）2=d22?（xn-x）2+（yn-y）2=d2n] （1） ]

这n个表达式从第一个开始分别减去最后一个，得到方程2：

[[x21-x2n-2（x1-xn）x+y21-y2n-2（y1-yn）y=d21-d2n?x2n-1-x2n-2（xn-1-xn）x+y2n-1-y2n-2（yn-1-yn）y=d2n-1-d2n] （2） ]

设

[[A=2（x1-xn）2（y1-yn）……2（xn-1-xn）2（yn-1-yn），b=x21-x2n+y21-y2n+d21-d2n…x2n-1-x2n+y2n-1-y2n+d2n-1-d2n，X=xy] （3） ]

用线性方程表示为AX=b，最后使用最小二乘方法可以得到未知节点的坐标为：[x=（ATA）-1ATb]。

4 定位算法在环境监测中的应用

本文的定位算法主要应用于环境监测，根据环境监测的特点，以及对各种定位算法的比较研究，本文拟采用距离无关的质心算法。质心算法是由南加州大学是由 J. Heidemann和 N. Bulusu提出的，这种算法是主要是应用在室外的，与网络连通性相关的定位算法。该算法的主要设计思想是将未知节点的坐标设置成为与该节点其相关锚节点所形成的多边形的质心。首先未知节点向锚节点发送请求位置的信息，控制信息传播的最大跳数，因而限定了附近锚节点的范围，锚节点收到这个请求以后将自己的位置信息进行反馈，这样未知节点能够知道附近的锚节点的位置信息。利用这些锚节点组成的多边形中心来计算未知节点的估计位置。

本论文中实验仿真软件选用MATLAB R2012a，实验区域设置为1000m*1000m，节点总数为400个，其中锚节点为80个，无能量损耗的网络中的节点的定位误差率如图1所示。当通信半径逐渐增大时，节点的定位误差率有明显的降低，但当通信半径由400米再向上增加时，节点的定位误差率反而增大，因此，可以说明并不是通信半径越大越好，在实际应用中要具体问题具体分析。

5 结论

本文研究的是无线传感器网络中节点定位算法在环境监测中的应用，文中分析了无线传感器网络技术在技术发展中的重要性，传感器节点作为无线传感器网络中的重要组成部分，它的定位至关重要。环境监测越来越多的收到人们的重视，本文研究了在环境监测中应用节点定位算法。从无线传感器网络的体系结构出发，研究节点定位技术的分类以及计算节点坐标的基本方法，最后选择质心算法应用在环境监测中，对节点的定位误差率进行了仿真分析。

参考文献：

[1] 王艳晖. 无线传感器网络节点定位技术的研究[D]. 太原：太原理工大学. 2016.

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[3] Zhou， Biao， Jing， Changqiang， Kim， Youngok. Joint TOA/AOA positioning scheme with IP-OFDM systems. in Proceedings of IEEE INFOCOM ，March 2014：1734-1743.

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[5] 胡咏梅，张欢. 一种改进的无线传感器网络质心定位算法[J]. 计算机工程与科学， 2012（02）：45-49.

篇（8）

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0146-02

仓库作为物资供应体系的一个重要组成部分，承担着物资的存储、管理和调配的任务，仓库中的物资要保证数量，品质和安全，要做到防潮，防火，防盗等等，对仓库环境参数的监测显得尤为重要，目前，很多仓库的环境监测现状是使用人工监测，方法落后，或者使用有线监测方式，布置方式不灵活，还有不能实现无线远程监测等等，仓库的智能化监测是网络通信技术在现代工业生产中的应用，通过使用ZigBee无线传感器网络对仓库环境进行实时的监测，提供准确的实时数据，及时准确的掌握仓库的环境条件，为物资的存储提供有力的数据支持。

本文设计了一个基于ZigBee无线传感器网络的仓库环境监测系统，通过ZigBee无线传感器网络对仓库的温度、湿度、虫害、火灾等参数进行采集，通过GPRS无线网络远程传输到机房服务器，然后对采集的数据集中分析和处理，及时掌握仓库的环境参数，对异常情况作出及时的应对措施，以便减少损失、节约开支和提高生产效益。

1、无线传感器网络

1.1 无线传感器网络概述

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的具有计算和通信能力的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统[1]，其作用是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集监测数据通过无线收发装置将数据以多跳的方式发送给汇聚节点（Sink节点），然后由汇聚节点通过有线或无线方式接入网络，将监测数据传送给客户端，综上所述，无线传感器网络通过大量传感器节点分工协作的方式实时感知、采集数据，并由无线网络处理感知对象的数据，并且传输给使用者[2]。

1.2 ZigBee无线通信技术

ZigBee是一种近距离、低功耗、低速率的无线通信技术，基于IEEE802.15.4协议标准。通过ZigBee通信模块可进行无线通信，ZigBee的特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率、低成本[3]。ZigBee无线传输距离室内为30～50m，室外可达到100m，ZigBee的工作频率有三种：全球2.4GHz、美国915MHz和欧洲868MHz，通信速率在2.4GHz的时候为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。完整的ZigBee协议栈自上而下分为应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层、物理层。ZigBee网络的拓扑结构有星形、网状和混合状，这三种拓扑结构可以组成多种网络。

2、系统的总体设计

本系统结构图如图1所示，系统通过监测节点监测仓库各种环境参数，温度，湿度，紫外线，火焰，烟雾等，通过汇聚节点传输到GPRS无线通信网络，然后GPRS模块将数据由RS232串口传输到机房服务器，通过服务器软件分析处理，便于及早发现仓库中异常情况并作出及时的处理。

3、系统的硬件设计

3.1 传感器节点硬件设计

传感器节点是传感器网络的基本单元，传感器节点除了具有一般传感器的感知能力之外，还具有数据处理和数据无线传输能力，可以感知环境参数、处理并进行无线通信。传感器节点的硬件一般包含感知模块、处理器模块、无线通信模块和电源管理模块[4]，本系统设计的传感器节点结构如图2所示。

传感器节点的感知模块采用的传感器如下：（1）温度、湿度传感器：采用瑞士Sensirion公司研制的SHT11型智能化温湿度传感器，它采用专利技术（COMS和传感器技术的融合），外形尺寸仅为7.5mm×5mm×2.5mm。SHT11具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数；（2）火焰传感器：采用火焰传感器R2868来发现仓库中的火焰，在火星产生的瞬间可以准确地发现，并发出警报；（3）烟雾传感器：采用烟雾传感器HIS07来及时发现烟雾，杜绝火灾隐患。

传感器节点的处理器模块采用CC2530芯片，CC2530支持IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE[5]，拥有快闪记忆体256个字节，CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8kB的RAM，32/64/128/256 KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。较CC2430相比，CC2530在发射功率、链路预算、射频噪声抑制能力、低功耗以及ESD防护能力等方便都有较大的提升。

为节省电能，监测点每2分钟采集一次数据，并将数据通过无线传感器网络传送给族头节点，然后传送给汇聚节点。

3.2 汇聚节点硬件设计

汇聚节点（Sink节点）相当于网关，处于传感器节点的上层，汇聚节点具有数据的存储、处理和传输等功能，汇聚节点接收传感器节点的数据，并且连接无线传感器网络与互联网、移动通信网等外部网络，完成协议转换、网络节点配置等功能[6][7]，本系统中汇聚节点接收传感器节点的数据，并通过接口将数据传输给GPRS模块-西门子MC75i，西门子MC75i将数据通过GPRS无线网络传输给机房服务器。汇聚节点结构图如图3所示。

3.3 GPRS无线传输模块

系统中选择GPRS作为长距离传输方式，即系统中汇聚节点与机房服务器之间采用GPRS无线传输方式，汇聚节点的GPRS模块通过GPRS无线网络，将仓库监测数据传输到监控中心机房的GPRS模块，监控中心机房的GPRS模块将数据通过串口将数据传输给机房服务器。GPRS具有覆盖范围广、可靠性高、实时性强、成本低、功耗小等特点。本系统GPRS无线传输模块采用西门子MC75i模块，MC75i的特点为：1.支持850、900、1800和1900MHZ四种频率；2.GPRS multi-slot class 12；3.E-GPRS下行速率可达460Kbit/sec；4.AT指令Hayes GSM 07.05及GSM 07.07。

4、系统的软件设计

本系统用VB6.0开发，管理员可以通过管理软件实时监测到仓库的各种数据，将数据填入数据库，譬如温湿度、烟雾值等等，当系统读取到的传感器数据超过设定的安全值时，系统发出报警信号，以温湿度监测为例，系统的流程如图4所示。

5、结语

通过采用无线传感器网络的仓库环境监测，并使用GPRS实现无线远传，达到了仓库的实时的数据采集，方便的部署以及远程监控的智能化监测，具有良好的应用推广价值。

参考文献

[1] 孙旭光，高方平，陈丹琪等.基于无线传感器网络的防盗监测系统设计[J].传感器与微系统，2009，28（10）：67-69.

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[4] 王军，陈磊，张莉莉.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现[J].洛阳师范学院学报，2010，29（05）：52-54.

篇（9）

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（10）

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）16-0207-02

0 引言

及时掌握机房环境情况，如温湿度、烟雾、粉尘等，对保证设备可靠运行非常关键。大功率短波发射机由于播出功率大，机房处于强电磁场环境，对弱信号检测存在较强的干扰，许多发射机房原有的烟雾检测设备经常出现误报或无法正常工作的情况。机房建成后，如需再进行布线等施工通常不是很方便，故此提出采用无线传输方法，对机房环境进行监测，保证机房设备安全可靠运行。

1 无线传输特点

有线传输常常在许多场合受到限制，布线、改线工作量大，成本高，线路中的各节点不可移动，要把相离较远的节点联接起来时，铺设线路更是不易，特别是在强电磁场环境中，经常会由于线路过长，受到干扰，造成传输信息不稳定或出错，这些都成为有线传输的不足。

相对于有线传输，采用无线传输方式具有高移动性，通常不存在布线困扰，抗干扰性强、有较好的保密性，使用灵活，易于扩展等优点。无线通信模块是组建无线网络的必备组件，许多无线通信模块具有自组网功能，支持并发通信，可以方便的将相互独立的传感器节点互连在一起[4]。现在市场上有许多无线通信模块，工作在ISM（Industrial Scientific Medical）频段，可以完成数字量和模拟量的传输，为我们进行相应技术改造提供了方便。

2 机房环境无线监测的实现

2.1 无线通信模块选择 无线通信模块是组网的关键，选择性能优良的传输模块非常关键。基于市场上众多的无线传输模块，我们可以根据实际情况进行选择。选择模块时，要考虑选择具有可靠自组网功能的模块，选择具有该功能的模块能够方便我们组网，减少工程难度；同时选择好模块功率，这个参数决定信号传输距离，对组建网络传输的可靠性至关重要；还要根据需要传输的数据类型进行选择，如传送开关量或是传送串口输出数据等，需要选择不同的传输模块。

实际工程中选择的无线组网模块，采用可靠的网络拓扑结构，具有自动识别功能，能够自动修复路由，支持多模块并发的通信方式[1]。由于机房较大并有阻挡，为保证通信可靠，选择了功率为500mw的传输模块。根据设计，需要传输开关量数据和串口数据，故此工程设计选择无线开关量传输模块、无线数据收发模块和无线数据监控器组建信息传输无线网络，各模块间能够实现自动组网通信，使用安装非常简单。

2.2 烟雾环境监测

2.2.1 选择合适的烟雾探测器 对烟雾的检测是靠感烟火灾探测器作为前端的。烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器能够对可见的或不可见的烟雾粒子响应，将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号实现报警[6]。

选择感烟探测器要充分考虑大功率短波机房具有较强的干扰，易产生误检测的特点，要选择本身就具备较强抗干扰能力的电流型探测器，方便进行抗干扰处理，保证检测前端信息的可靠性。

2.2.2 烟雾探测器的布局安装 烟雾探测器的布局也是非常关键的一环，可以参照选择的烟雾探测器指标及相关技术标准设置和布局好探测器，确保对整个机房起到良好的检测效果。

2.2.3 检测信号的处理与传输 为保证检测的烟雾信号可靠，需要对检测信号进行光电隔离处理后，再送入无线模块进行传输，增强抗干扰能力[3]；也可直接采用带光电隔离的无线传输模块，将探测器检测信号接入模块，进行内部光电隔离后传输，工程中采用了光电隔离模块。这样处理后可以较好的防止强电磁场对检测信号的干扰，避免造成误报，提高了整个系统的抗干扰能力。

2.3 温湿度监测

2.3.1 温湿度传感器选择 市场上温湿度传感器很多，选择时根据需要考虑测量范围、测量精度、工作电源等因素，选择的产品应具有工作可靠，耐电磁环境等特点。特别是需结合无线组网情况，选择合适的数据输出类型产品，方便无线传输和接收数据处理，实际使用的温湿度传感器采用485口数据传输格式。

2.3.2 温湿度数据无线传输 何种数据传输类型的温湿度传感器需要与可传输何种数据类型的无线模块相匹配。工程中采用数字传输接口的温湿度传感器，具有根据接收的控制信号指令，发送检测数据信息功能，采用无线数据收发器作为温湿度传感器的传输模块，接收本地计算机控制信息并回传检测的温湿度信息。

2.4 其他相关环境参数的监测，如粉尘、噪音等 在工程中，我们还可以根据环境监测的需要，增加如粉尘、噪音等环境数据的监测，只需选择合适的粉尘和噪音传感器，通过无线传输模块加入环境监测无线网络，就可实现功能拓展，非常方便。

2.5 实现框图 图1为大功率短波发射机房环境无线监测系统框图。框图中，无线开关量传输模块、无线数据收发模块和无线数据监控器组成无线传输网络，负责数据传输。无线模块组网前，需要按使用说明设置好通讯模块的频点、空中速率、组编号、发射功率，模块地址等参数，在一个网内的模块，以上数据需要保持一致。完成上述设置后，无线数据监控器可以自动识别通信模块，自动完成组网。无线网络通常有较好的安全性，在不知道模块频点、组编号等信息情况下，他人是无法与设备进行通信的[4]。

监测系统采集信息包括烟雾探测器和温湿度传感器的采集信息，其中电流型烟雾探测器检测到的信号送入无线开关量传输模块，经过光电转换后，模块将数据通过无线电发送出去。无线开关量传输模块工作在定时和边沿触发模式，即当烟雾探测器检测数据正常时，定时传输检测信息数据，如果一旦烟雾探测器检测到异常烟雾信息，则立即将异常数据通过无线模块传送出去。无线数据收发模块工作在查询模式，即本地控制计算机，根据需要通过无线数据监控器定时发送查询命令，温湿度传感器接收到命令后，通过无线数据收发模块将检测的温湿度信息传输送给本地控制计算机。无线开关量传输模块和无线数据收发模块传输的数据，均被无线数据监控器接收，送至本地监控计算机，完成对数据的解析处理，无线数据监控器也能接收本地监控计算机控制命令，传送给无线数据开关量模块和无线数据收发模块，另外远程监测客户端可以通过局域网远程监测机房环境数据。

2.6 软件编程 本地控制计算机完成对接收数据的处理并向相关节点发送指令信号，是环境监控系统的监控平台。工程中采用实现对整个环境监测数据的处理编程[2]，通过对无线采集的数据处理，可以完成对机房烟雾、温度和湿度等环境参数的监测，并可以接受远程客户端访问，实现对机房环境的远程监测。

进行软件处理时，需要参照无线传输模块和相关传感器使用说明，掌握相关传感器输出数据格式，特别是要详细掌握无线传输模块监控协议，才能很好的完成对监测数据的采集，要按照产品相关要求进行数据处理，解析出探测器和传感器的数据信息，并将他们正确的显示在本地计算机监控界面上。

3 结论

采用无线传输模块实现对大功率短波发射机房环境状况监测，掌握机房环境数据，利于设备运行。采用无线传输方式代替有线传输，具有布线方便，节点互联容易，成本较低，增加监控点和监控数据不受限制等优点，特别是在强电磁场环境下，可以有效减小由于引线过长而受到干扰，造成数据不准，甚至误报等情况，有较好的实用性和效果。

参考文献：

[1]孙学康，刘勇著.无线传输与接入技术[M].人民邮电出版社，2010，（7）.

[2]Matthew 入门经典[M].清华大学出版社，2002，（5）.

[3]诸邦田.电子电路实用抗干扰技术[M].人民邮电出版社， 1994，（9）.