無線環境監測匯總十篇

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇無線環境監測范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

中圖分類號：TP212.9

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）8012502

1引言

近些年來，空氣污染問題日益嚴重，室內有害氣體污染狀況不容樂觀，引起室內空氣污染的物質多種多樣，最普遍的當屬甲醛。國內現有氣w檢測設備研發起步較晚，穩定性不足，通信能力差。因此研發一款具有無線傳輸功能的氣體檢測設備是極其重要的。

設計并研發了基于STM32的無線環境監測系統，儀器核心為STM32微處理器，運用甲醛傳感器實時采集室內甲醛濃度信號，將數據顯示在液晶屏，同時又具有遠程監測功能。

2系統總體設計

采用高精度甲醛傳感器進行系統前端信號采集，將甲醛濃度物理信號轉換為電信號傳輸給微處理器控制部分進行處理和運算，在液晶顯示屏上顯示室內甲醛實時濃度數值。另一方面，用戶可通過智能手機等無線設備向WIFI模塊發送指令，單片機接收指令后再做出相應操作，可實現遠程監控。系統總體架構框圖如圖1所示。

3系統硬件設計

開發的硬件主要包括：微處理器最小系統、電源供電模塊、中文液晶顯示屏、甲醛采集模塊、溫濕度采集模塊、WIFI模塊、蜂鳴報警模塊等。硬件架構如圖2所示。

本系統采用ST公司出品的STM32F103C8T6微處理器，具有低功耗、最大集成度、結構簡單、處理速度快、性價比高等優點。其最小系統的電路原理圖如圖3所示。

甲醛傳感器采用的型號是MS1100-P111VOC，該型號傳感器具有靈敏度高、準確度高等優點，是一種進口的半導體式傳感器。具體電路圖如圖4所示。

溫濕度傳感器采用的型號是DHT11，該傳感器電路簡單、穩定性好、功耗很小，可以自動休眠，具體電路圖如圖5所示。

顯示屏采用Usart-GPU串口液晶屏，由于價格低

廉，受到廣大用戶喜愛，無需轉編號，支持直接漢字驅動、真彩圖形顯示。顯示屏與STM32微處理器的接口原理圖如圖6所示。

4系統軟件設計

本系統采用模塊化和層次化的設計方法，使用C語言進行代碼編寫。基于軟件模塊化開發和設計，編寫了STM32硬件初始化模塊、甲醛傳感器采集模塊、溫濕度傳感器采集模塊、Usart-GPU串口液晶顯示模塊、蜂鳴報警模塊等的驅動程序。軟件流程圖如圖7所示。

該系統樣機軟硬件已經設計制作完畢，同時進行了設備的測試，結果顯示該系統可以完成甲醛濃度、溫濕度采集，液晶顯示屏實時顯示當前室內空氣質量情況。如果甲醛濃度超標，蜂鳴器則發出聲音告警信息，提示用戶。該系統實物照片如圖8所示。

5結語

研制和開發了基于STM32的無線環境監測系統，采用甲醛傳感器、溫濕度傳感器進行信號采集，并將甲醛的濃度值、溫濕度值實時顯示在液晶顯示屏上，可以通過WiFi無線網絡技術將監測結果發送到移動設備上，實現了遠程監測。如果空氣中甲醛超過國家標準安全閾值，系統會立刻進行蜂鳴報警，以實現對室內空氣污染物實時監測和預警。測試結果證明，所有功能能夠完整地實現，可靠性高，該系統具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]

徐科軍.傳感器與檢測技術[J].北京：電子工業出版社，2011：202～260.

篇（2）

1 研究背景及意義

近年來新興了一種性能穩定、傳輸效果較好的無線數傳網絡，主要用于傳感器間近距離無線通信連接。基于這種無線的傳輸技術而開發的硬件模塊，具有低成本，低功耗，協議簡單，安全可靠，自動組網等特點。目前，此項技術已經日趨成熟，并被應用于多種行業。

傳統的環境監測的過程一般為接受任務，現場調查和收集資料，監測計劃設計，優化布點，樣品采集，樣品運輸和保存，樣品的預處理，分析測試，數據處理，綜合評價等。同時監測地域的分散性，環境變化過程的緩慢性，監測的時間跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的間斷監測。傳統的監測方法，對突發狀態現象調查無法完成，而應用這種無線傳輸技術的監測平臺可以隨時不間斷的進行監測。

2 基于無線傳輸的環境監測系統

本文將無線傳輸技術用于環境監測，搭建環境監測平臺，該平臺將具備連續性、追蹤性的特點，對突發環境事件的研究提供幫助。將來隨著該平臺研究更加成熟，還將具備綜合性特點，非常符合環境監測的要求。首先將開發的微傳感器節點模塊按照一定要求布置在監測環境中，實時采集各類環境數據，然后通過中心節點（具有協調器和路由的功能）將數據傳遞給網關，最后網關將收集到的整個子網絡的信息通過系統內網傳給基站。基站與一個數據庫和 Internet 網聯接，將收集到的數據進行相應的處理。最后，終端用戶可以通過 Internet 網訪問數據庫得到自己感興趣的信息，并且能夠根據需要作出下達指令，控制節點運行。實現對環境的實時監測以及下達控制操作的目的。

1）無線技術綜述：Zigbee 技術是專門為了低功耗的無線傳感器網絡研發的通信協議，通過對比 Zigbee技術和其它無線通信技術的特點，總結出 Zigbee 技術是無線傳感器網絡的最優選擇。本文重點從整個構架上闡述了基于 Zigbee 環境監測平臺的系統研究。為了適合無線網絡中傳感和控制設備通信的特定的需求，傳感和控制設備的通信并不需要高的帶寬，但是他們要求快速的反應時間，非常低的能量消耗，以及大范圍的設備分布。Zigbee 協議應運而生，它繼承了以往協議的優勢，為無線網絡中傳感和控制設備之間的通信提供了一個極好的解決標準。

2）系統建設：通過 Zigbee 協議采用自組網和多跳的通信方式將環境的變化量傳送給了它的上一級網關，網關將收集到的所有子網絡的信息，通過事先編譯好的系統內網傳給更上一級的中心服務器。中心服務器有一個數據庫專門存放這些環境的變化量，將它和 Internet 網連接。這樣，用戶終端就可以通過手機或 PC 機通過相應的服務程序直接訪問到 Internet 網數據庫得到用戶所需要的外界環境的信息。當然，隨著這一技術的不斷深入發展，用戶終端只需按下鍵盤在千里之外的辦公室就可以實現對智能節點的控制。

3 智能節點硬件設計

智能節點的硬件設計包括主控制器模塊選擇，通信模塊選擇，各種環境監測傳感器選擇等。通過比較選擇了環境監測中用到的幾種傳感器，分析它們的型號、特點、輸出模式以及外部接口電路。

1）智能節點的設計：智能節點的設計是整個系統硬件設計最核心的部分，它直接放置在監測環境內部，負責數據的采集、處理和傳輸等功能。節點的設計必須滿足具體應用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并為節點配備合適的傳感器、必要的計算功能、內存資源以及適當的通信設備。傳統的無線傳感器網絡節點由四個模塊組成：傳感器模塊（A/D 轉換、傳感器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線網絡、MAC、收發器）、電源供應模塊（電池、AD-DC）。本設計在原有基礎上添加標準化的接口平臺和控制平臺，實現更多應用的傳感器的添加，以及用戶可以下達命令對開關量，模擬量和數字量執行控制。

2）微控制器選擇：微控制器模塊是環境監測平臺節點的核心部分，在微控制器的選擇上，需要綜合考慮其存儲、處理、接口和功耗等多方面因素對硬件平臺實現功能的支持。我們選用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是專門為嵌入式應用而設計的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，時鐘頻率較低（4MHz），可以適用于不同類型設備的指令集。它以可變的片上 RAM（存儲范圍為 2～10KB）、幾個 12 位模/數轉換器和一個實時時鐘為特征。它的功能很強大，可以執行一個標準無線傳感器節點的基本計算任務

3）通信模塊選擇：通信模塊是傳感器組網的必備條件，使得獨立的傳感器節點之間可以互相連接，并能借助多跳將數據回傳到節點，即數據匯聚節點。在環境監測中，大量的節點被放置在被監測領域內，能量消耗以及外部對信號的干擾，選擇芯片時要充分考慮通信模塊抗干擾能力以及能量消耗問題，即在滿足信號處理要求的同時盡可能地抵抗干擾和降低系統能耗，延長平臺工作時間。

4）傳感器模塊：傳感器是環境監測平臺中負責采集監測對象相關信息的組件，與應用緊密相關，不同的應用對涉及的檢測量也不相同，有可能是一個模擬量（溫度、濕度、光強、氣體含量等），也有可能是一個數字量（信號鏈路質量）或者是一個布爾值（閾門開關、電閘的開合和繼電器的位置等）。在環境監測中，傳感器模塊主要添加的常用傳感器有全光譜光強度傳感器、可見光譜光強度傳感器、有毒氣體監測傳感器、溫濕度傳感器等。

5）控制平臺：大多數的環境監測，數據采集和傳輸是系統的主要工作，盡量避免對環境監測對象造成影響，以保證數據采集精度。但是，對于諸如農業環境監控之類，用戶希望不僅可以了解農田的各種環境參數變化，而且可以根據采集信息的變化情況對農田環境進行相應調整。例如，在蔬菜大棚內，溫濕度是影響蔬菜生長的一些重要因素，當監測平臺監測到溫濕度高于或低于適合蔬菜生長的范圍時需要采取一定的措施來改變大棚內環境溫濕度，比如控制噴淋開或關，這就需要引入執行器進行控制。在不同應用中，執行器的功能與作用各不相同，可能是一個繼電器開關，也可能是一組運動裝置或數控設備，具體需要由系統應用所針對的對象決定。

6）電源模塊：電源模塊是環境監測平臺的能量來源，電源技術的好壞決定了網絡工作時間的長短和系統運行成本。目前還沒有找到更高效使用時間更長的高能量電池，我們使用的是兩節AA 電池，實驗效果顯示可以維持一個節點工作半個月時間。

7）其他硬件設計：節點模塊采用 USB 口作為其程序調試下載端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主機通訊，為了和節點通訊，必須在FTDI設備上安裝FTDI驅動。節點模塊將會在windows設備管理器中以串行口出現。并行的無線傳感器可以同時連接到一臺電腦的USB口，每個點，將會接收到不同的串行通信口標識符。天線節點模塊的內置天線是一個倒F型的微波傳輸帶，它從電路板底部伸出，遠離電池組。倒F型天線是有線單極子，它頂部的截面被折疊下來與地線平行。在讀出或寫入閃存中數據的時候必須要謹慎，因為它是和無線電通信交叉存取的。這是總線在微控制器上的典型軟件應用。

4 平臺軟件設計

該環境監測平臺的軟件設計主要通過操作系統 TinyOS 和編程語言 NesC 來完成。本章通過典型應用分析了模塊化、基于組件的編程案例。將模塊化的程序設計移植于環境監測領域，列出了該平臺的軟件流程圖。最后通過網絡數據庫的應用開發了一套可視化數據監測平臺，實現了遠程監測。該平臺的軟件開發通過開源式 TinyOS 操作系統和基于組件的 NesC 編程語言來實現環境監測數據的發送和接收功能，程序開發周期短，便于修改，對于各種環境監測傳感器的添加也很方便。網絡數據庫的應用開發使人們在辦公室就可以直觀的看到各種傳感器采集的環境監測數據，足不出戶就可以對數據進行提煉分析，觀測環境變化的一舉一動，實現了 24 小時不間斷監測，對突發環境情況變化的研究提供了可能。

5 總結與展望

本文設計并實現了一種基于無線傳輸技術的環境監測系統，它通過使用由大量微型傳感器節點組成的環境監測網絡，可以對所監測的環境進行不間斷的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基礎性研究和探討。搭建了基于無線傳輸技術的環境監測平臺，這個平臺具有數據采集和上傳、網絡可視化、遠程控制等功能。在過去智能節點的硬件設計上存在接口不容易擴展問題，主要是由于環境監測中需要添加的傳感器類型不同導致輸出信號格式不同，另外還有主控芯片輸入接口不夠用等問題。針對這些展開研究，設計了標準化接口電路，實現了接口擴展。最后需要利用該平臺進行了一系列的試驗和調試，對采集的數據進行了分析，將該平臺應用于環境監測是具有一定科研意義的。

參考文獻

[1] 于宏毅， 李鷗等，無線傳感器網絡理論、技術與實現，國防工業出版社，2008.09

[2] 謝慶劍，楊再雍，李明玉.生態監測及其在我國的發展[J]廣西輕工業.2008（8）：77―79.

[3] 蔣挺，趙成。紫蜂技術及其應用[M]。北京：北京郵電大學出版社，2006.

[4] 王殊等著，無線傳感器網絡的理論及應用，北京航空航天大學出版社，2007.07

[5] 陳玲，環境監測，化學工業出版社，2011.1.17

[6] 姜必亮.生態監測 IJJ.福建環境，2003，20（1）：4-6.

[7] 李文峻.淺談生態環境監測[J].農業環境與發展，2011 年第 1 期

[8] 宮國棟.關于“生態監測”之思考[J].干旱環境監測，2002，16（1）：47_49.

[9] 李文仲，段朝玉。Zigbee 無線網絡入門與實戰[M]。北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[10] 李文仲，段朝玉.ZigBee 2006 無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[11] 郝吉明，程真，王書肖. 我國大氣環境污染現狀及防治措施研究[J]. 環境保護. 2012（09）

[12] 陳健鵬，李佐軍. 中國大氣污染治理形勢與存在問題及若干政策建議[J]. 發展研究. 2013（10）

篇（3）

目前，信息化、網絡化的技術不斷提高，無線傳感器網絡將多種網絡技術進行融合，使其功能更加完備，同時讓其優點更加突出。文中將對無線傳感器網絡在井下環境監測應用的概況進行闡述，并對無線傳感器網絡在井下環境監測中的應用進行具體的研究，旨在提高無線傳感器網絡的工作效率。

1 無線傳感器網絡在井下環境監測應用的概況

1.1 無線傳感器網絡在井下環境監測應用的優點

在井下環境監測應用無線傳感器網絡主要有以下幾方面的優點：其一，無線傳感器網絡的成本低，其網絡具有自組性，成本較低，能夠實現快速的網絡布置。其二，無線傳感器網絡的性能更高，無線傳感器網絡在井下環境監測應用過程中，現場的數據可以通過中間節點進行傳送，在保證其成本的同時，還能夠保證其功耗，進而實現了其性能的提升。其三，無線傳感器網絡的穩定性、抗毀性增強，無線傳感器網絡在井下環境監測應用過程中，將面對各種復雜的情況，其網絡將滿足不同的需求。

1.2 無線傳感器網絡在井下環境監測應用的現狀

目前，隨著網絡技術的發展，無線傳感器網絡的技術也在不斷提高，通過對其研究，發現其發展速度是驚人的，其技術不斷應用到實際工作中，無線傳感器網絡在井下環境監測應用中的作用愈加顯著。但在我國的許多部門還未能對無線傳感器網絡進行有效的應用，主要是由于無線傳感器網絡作為新鮮事物被人們接受需要一定的時間，無線傳感器網絡的優點還沒有被及時的發現，且對其學習、掌握的程度普遍偏低；同時無線傳感器網絡的技術還有待進一步提高，對其網絡結構、節點設計等方面的技術還需要深入研究。

2 無線傳感器網絡在井下環境監測中的應用

2.1 無線傳感器網絡的構成

無線傳感器網絡融合了各種網絡技術，如：微電子技術、現代網絡技術、無線通信技術等，對這些技術的綜合應用，實現了對環境監測的實時性、準確定、真實性，通過監測、感知、采集各種環境中的信息，并對其進行處理，再通過無線方式進行傳送。無線傳感器網絡的構成主要有以下幾方面：傳感器節點、匯聚節點、外部網絡與用戶界面。無線傳感器的節點設置在感知區域范圍內，通過自組方式構成網絡，并將采取的數據進行傳遞，在傳遞過程中其數據將被節點處理，經過匯聚節點，通過外部網絡對其進行統一處理。

傳感器網絡作為一種新型的網絡系統，有著特殊的特點，主要表現在以下幾方面：第一，網絡規模大。在監測范圍內將設置大量的節點，對其環境能夠進行全面的監測，并且傳感器節點的設置十分密集，實現了對監測范圍信息的準確獲取，提高了系統的容錯性能。第二，網絡的自組織。傳感器網絡在應用過程中，其節點將設置在不固定的地方，讓其進行自組，具有較強的自組織能力，同時將形成對監測數據的多跳無線網絡。第三，網絡的動態性、可靠性。傳感器網絡將實現網絡的動態性、可靠性，對變化的環境具有良好的適應力，其傳感器網絡具有移動性，能夠適時加入新的節點。

在井下環境監測中無線傳感器網絡由大量節點與匯聚節點構成，節點傳感器感知監測環境的信息，對其信息進行處理，無線收發模塊將信息通過節點進行傳遞，轉發到基站交換機，通過串口轉給主機，進而實現對井下環境的監測。其中節點的設置要根據井下監測環境進行科學、合理的安排，才能實現對井下環境全面的、系統的監測，才能掌握井下的環境信息。節點通過自組織形式構成網絡，可以采用平面結構與分層結構。

2.2 無線傳感器網絡的節點設計

傳感器的節點普遍是微型嵌入式系統，它是無線傳感器網絡的保證，其質量直接影響網絡的穩定，同時節點具備兼顧傳統網絡節點終端與路由器的功能，不僅可以對本地信息及數據進行處理，還可以對其他節點的信息及數據進行處理。匯聚節點的功能相對較弱，對信息處理、存儲與通信，要通過外部網絡才能實現，并將數據傳遞到外部網絡。

在井下環境監測過程中，其傳感器的節點的設計，要考慮其溫濕度傳感器、光傳感器、瓦斯傳感器及無線數據傳輸模塊，才能適應井下環境監測。

2.3 網關設計

網關設計是重要的，網關是連接無線傳感器與外部網絡的通道，將傳感器節點收集的數據通過網絡傳遞到遠程服務器，同時網關也可以通過無線網絡對傳感器節點傳遞控制指令，進而實現傳感器節點收集數據的任務。對于井下環境監控，其網關的設計可以考慮采用三星的處理器，其電源供應可以考慮外部電力。

2.4 系統軟件設計

系統軟件設計主要涉及兩方面，即節點應用程序與上位機程序的設計。井下環境監測可以采用多任務實時操作系統，這一系統的使用將提高模塊的效率，并支持多跳通信的傳感器應用程序組件機構；傳感器節點的工作流程是睡眠、被喚醒、正常工作的模式，軟件控制傳感器的節點處于睡眠狀態，當被喚醒后，將進行信息的采集、傳遞等任務。當傳感器節點處于睡眠狀態下時，無線模塊將處于低電流的接受狀態，實現了傳感器節點自動定時傳遞數據的功能。

3 總結

無線傳感器網絡作為新興的技術，其發展是迅速的，并具備一定的優勢，通過對其應用，將提高對環境的監測。文中對無線傳感器網絡在井下監測應用的概況進行了分析，并闡述了無線傳感器網絡在井下監測的具體應用。

參考文獻

[1]鞏傳捷，李玉良，金巍.無線傳感器網絡在井下環境監測中的應用[J].煤礦機電，2012，12（03）：50-51.

[2]馬德新，徐鵬民，許金普等.無線傳感器網絡在環境監測中的應用[J].行業資訊，2013（12）：81-82.

[3]劉佳，薛文，何堅強等.無線傳感器網絡在環境監測中的應用[J].后勤工程學院學報，2011，5（03）：63-65.

作者簡介

篇（4）

1.引言

我國的煤炭生產主要來源于地下開采，井下生產條件很惡劣，如：噪聲大、粉塵濃度和有毒氣體濃度較高。長期在這種環境中從事生產工作，會影響礦工的身心健康，同時給煤礦安全生產也帶來隱患。由于礦井結構的復雜性，井下的重要環境信息如溫度、濕度、壓力、風速以及有毒氣體濃度等，很難用有線通信手段實時地監控。無線傳感器網絡（WSN，Wireless Sensor Network）作為一種新型的無線通信技術，應用于礦井環境監測系統的分析和設計之中，不僅為礦井安全生產管理和事故救援提供可靠的技術支持，而且為類似礦井的環境監測系統的分析和設計提供理論基礎和應用實例。

2.無線傳感器網絡分析

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量傳感器節點通過自組織方式構成的網絡系統，各個節點協作地感知、收集和處理被監測區域中感知對象的信息，通過對這些信息的協作式處理，獲得感知對象的準確信息。因此，傳感器、感知對象和觀測者構成了WSN的三要素[1]。

2.1 無線傳感器網絡體系結構

2.1.1 無線傳感器網絡的一般結構

典型的傳感器網絡由傳感器節點、匯聚節點、互聯網或通信衛星和任務管理節點等部分構成。傳感器節點隨機部署在被監測區域內，節點以自組織形式構成網絡，每個節點都可以收集數據，并通過“多跳”路由方式把數據傳送到匯聚節點和其他相鄰節點。匯聚節點直接與互聯網或通信衛星相連，通過互聯網或通信衛星實現任務管理節點與傳感器節點之間的通信。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行管理和配置，監測任務并收集監測數據。

2.1.2 傳感器節點的功能模塊結構

無線傳感器網絡的關鍵設備是傳感器節點。一般來說，傳感器節點由傳感器模塊、數據處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。其中傳感器模塊由各類傳感器及數模轉換設備組成，主要用于感知被監測區域的環境信息，并將其感知到的信息數據傳送給處理器模塊；處理器模塊主要負責協調節點各部分工作，如對感知模塊獲取的信息進行處理、保存，控制數據采集操作和電源的工作模式等；無線通信模塊主要負責與其它傳感器節點及觀測者的通信；能量供應模塊提供傳感器節點正常工作所必需的能源，它是影響節點壽命的關鍵因素。無線傳感器節點結構如圖1所示。

圖1 傳感器節點結構示意圖

2.2 無線傳感器網絡的特點

2.2.1 傳感器節點體積小，成本低，具有自適應性

無線傳感器中應用的傳感器節點各部分集成度很高，因此具有體積小的優點。傳感器網絡是由大量的傳感器節點組成，制造成本低。此外，傳感器網絡可在比較惡劣環境下工作，比如礦井、礦山，經常有節點失效或新節點加入網絡，使網絡的拓撲結構動態變化，因此，傳感器網絡具有很好的可靠性和自適應性。

2.2.2 電源能量是網絡壽命的關鍵

無線傳感器網絡通常部署在惡劣環境或人不宜到達的區域，電池能量有限，且一般無補充能源，傳感器節點由于電源能量的原因經常失效或廢棄，因此如何提高電源效率是設計節點考慮的關鍵因素。

2.2.3 數據管理與處理是傳感器網絡的核心

無線傳感器網絡最鮮明的特點就是以數據為中心，傳感器網絡的設計必須以對感知數據的管理和處理為核心，把數據庫技術和網絡技術緊密結合，從邏輯概念和軟、硬件技術等幾個方面考慮其系統實現。

3.MEMSoWSN系統方案設計

MEMSoWSN是基于無線傳感器網絡的礦井環境監測系統的簡稱，系統方案基于無線傳感網絡技術構建，以實現對礦井環境監控和管理。

3.1 系統結構分析設計

圖2為礦井環境及人員監測系統整體結構圖。該監測系統可分為兩個子系統，采集與傳輸系統（井下部分）和監測與管理系統（地面部分）。

圖2 MEMSoWSN整體結構示意圖

3.2 采集與傳輸系統

采集與傳輸系統主要包括移動節點、路由節點以及匯聚節點，實現對礦井生存環境等信息的采集與傳輸。其中，移動節點和路由節點都是傳感器節點，主要收集井下環境信息，不參與多跳轉發，只將本節點感知的信息發送給鄰近路由節點；路由節點參與多跳轉發，并感知礦井空氣中有害氣體的濃度和成分（瓦斯、一氧化碳等）以及礦井中空氣的物理狀態（如風速、負壓、溫濕度等），將感知的數據根據路由協議發送出去；匯聚節點的作用是實現傳輸系統和管理系統之間的數據傳輸，相當于系統之間的一個網關節點。

3.3 監測與管理系統

監測與管理系統包括監控中心計算機網絡、數據庫和監控軟件等，無線傳感器網絡收集的數據通過匯聚節點傳給監控中心并存入數據庫，監控軟件對數據進行分析處理，并根據數據的變化對人員及井下環境進行管理控制。

3.4 數據處理流程設計

MEMSoWSN系統的數據處理流程是：首先由傳感器節點進行井下環境信息實時采集，經其內置的處理單元簡單處理后發送給鄰近路由節點，路由節點通過多跳轉發的方式將數據發送給匯聚節點，匯聚節點將接收到的數據轉發給地面信息監控中心，信息監控中心將接收到的匯聚節點的數據存入數據庫，并對數據進行分析，以得到有用的井下環境信息，最后將分析結果展現給管理員。

3.5 傳感器節點設計

根據無線傳感器網絡的通信原理和單片機知識，可設計如圖3所示的傳感器普通節點，圖4所示的匯聚節點。

圖3 普通節點示意圖

圖4 匯聚節點結構示意圖

3.6 信息監控中心設計

信息監控中心主要功能是接收匯聚節點監測的數據，分析井下環境狀況。它主要由網關服務器、數據庫服務器、信息監控服務器等組成。網關服務器用來與匯聚節點進行通信，實現協議轉換；數據庫服務器用來分類存儲傳感器網絡發來的井下信息，同時與信息監控服務器進行通信；信息監控服務器運行監控軟件，分析并顯示井下環境狀態。

監控軟件是信息監控中心的關鍵部分。它由實時顯示模塊、數據查詢模塊、數據統計模塊、告警管理模塊和系統維護模塊組成，如圖5所示。實時顯示模塊動態顯示井下環境信息；數據查詢模塊實現礦工信息精確查詢、路由節點工作狀態查詢以及所關心節點傳感器數據的查詢等；數據統計模塊統計系統工作情況；告警管理模塊對各種傳感器數據進行閾值限制，當出現非正常情況時進行告警，以便使管理員及時做出響應；系統維護包括登錄人員管理、系統界面維護以及系統密鑰管理等。

圖5 監控軟件功能模塊結構示意圖

3.7 實用性和可行性分析

底下礦井空間狹窄、密閉、地質狀況多樣，不易布設有線設備監測點，無線傳感器網絡中的傳感器節點體積小，成本低，可以隨意撒放于任何不規則空間，它們感知被測區域信息并相互傳遞，使有線設備難以獲取的數據通過匯聚節點和路由節點最終到達監控中心，實現礦井環境信息的實時監測。

設計無線傳感器網絡應用或試驗時，通常使用ZigBee通信技術。ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。同時，考慮到井下通信的一些特殊要求，比如：礦井巷道的半封閉空間結構以及煤的電介質特性使得礦井在頻率較高的情況下類似于波導，可以在2.4GHz頻段工作，使高頻無線電信號在礦井中更為有效地直接傳輸。許多學者已經對無線信號在礦井中的傳輸進行了試驗，結果證明其傳播性能較好[2]。2.4GHz頻段又是全球通用的工業、科學、醫學（ISM，Industrial，Scientific and Medical）頻段，免付費、免申請，在此頻段上天線尺寸和芯片功耗可以設計的更小，井下通信非常適合用。在實驗室，應用OPNET（Optimal Network Engineering Tools）仿真開發工具OPNET Modeler，即可進行仿真實驗。

4.總結與展望

本文結合礦井環境的特點，通過分析無線傳感網絡的技術特征，分析設計了基于無線傳感器網絡的礦井環境監測系統模型，結合相應的無線通信技術及其路由協議即可進行仿真。

隨著無線傳感器網絡的發展及礦井環境檢測手段的不斷提高，今后的研究工作還將進一步擴展。可從以下幾個方面提升系統的整體功能，如增加傳感器節點的功能，引入聲音和視頻等多媒體傳感器，使管理人員對井下情況一目了然。結合WSN數據融合技術，提高數據收集效率，獲得更準確的井下信息，節省節點的能量延長其壽命等。

參考文獻：

[1]李建中,李金寶,石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展[J].軟件學報,2003,14(10):

篇（5）

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：16727800（2013）003008202

0 引言

近年來我國以大棚和溫室為主體的設施農業正在迅速發展，但與國外相比，我國的設施農業普遍存在科技含量低、生產水平和效益低下等缺點，因此，迫切需要提高我國設施農業的整體水平。信息技術在農業領域中的應用是提高設施農業科技水平的重要環節。我國作為一個農業大國，農業分布呈“小而散”的特點，存在很多小型化的溫室生產模式。因此，研制成本低廉、操作簡單、可靠性高的設施農業環境監測控制系統是我國現代化設施農業的一個關鍵。

目前，傳統的農業領域自動監測方法通常是通過有線方式將傳感器采集的信號傳到監測中心。由于農業生產環境分布范圍廣、地形復雜、環境溫度變化大、空氣潮濕等因素的影響，極易導致信號傳輸電纜的老化，從而降低監測系統的可靠性。隨著無線通信技術的日趨多元化結合，ZigBee 作為一種近距離、低功耗、低傳輸速率、低成本、高可靠性的無線通信技術，特別適用于現代設施農業的無線環境數據采集與監測。

1 系統結構

結合設施農業環境監測應用需求，本文構建的基于Zigbee傳感器網絡的農業環境監測系統的結構如圖1所示。

該系統整個監測網絡由傳感器節點、路由節點、協調器節點和監測平臺四部分組成。監測平臺是系統的管理中心和數據匯聚中心，協調器節點負責協調和管理網絡通信，初始化和啟動整個網絡后控制路由節點的數據傳輸。傳感器節點位于最前端，用于采集農業環境物理量信息，并通過網絡把數據傳輸至路由節點；路由節點再將收到的各種數據傳送給協調器節點。

2 監測傳感器節點設計

2.1 節點硬件設計

傳感器節點的主要功能是負責采集設施農業生產環境監測區溫濕度、光照強度、土壤pH值等物理量信息，并將采集的數據傳輸給路由節點。整個傳感器節點系由傳感器模塊、處理器模塊、無線射頻模塊、電源管理模塊等四部分組成。監測傳感器節點結構框圖如圖2所示。

傳感器節點各硬件模塊功能簡介如下：

（1）傳感器模塊。該模塊主要集成了各種傳感器，對溫度、濕度、光照強度、土壤PH值等物理量進行采集，由 AD 轉換器將模擬電信號轉換成數字信號。其中溫濕度傳感器采用的是數字溫濕度傳感器DHT21，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器；本方案中選擇TSL2561作為光強度傳感器，它具備高速、低功耗、寬量程、可編程且可以根據用戶靈活配置等優勢；CO2濃度傳感器采用超低功耗紅外二氧化碳傳感器COZIR-A，其他傳感器接口已經留出，方便以后進行擴展。

（2）處理器模塊。該模塊負責控制整個傳感器節點的操作、數據的存儲和處理，是傳感器節點的核心。在農業環境監測系統中根據低功耗和處理能力的需要，本系統采用TI公司生產的16位超低功耗單片機MSP430F149。它具有RISC CPU內核，內部集成了12Bit模數轉換器、內部溫度傳感器、16位定時器A和定時器B、串行異步通信端口UART0和UART1（軟件可選擇UART/SPI模式）、硬件乘法器，多達48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空間和2kB的數據空間等諸多外設，可直接用JTAG仿真調試。MSP430F149具有多種模式可選，在設施農業環境監測系統中，可根據不同的需要，切換模式以降低系統功耗。

（3）無線射頻模塊。無線射頻模塊主要是控制信息的無線收發。無線通信模塊消耗了整個傳感器節點的絕大部分能量，故選擇低功耗、高性能的射頻模塊是整個系統的關鍵之一。基于現代設施農業環境監測的實際情況，本系統無線射頻模塊采用CC2430無線射頻芯片。無線射頻模塊采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430內部集成了RF收發模塊，利用2.4GHz公共頻率，應用于監視、控制網絡時具有低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢；該芯片性能穩定，具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，正常工作時需要的外部元器件極少，與主控制器接口簡單，特別適合低功耗的無線傳感器網絡的應用。

（4）電源管理模塊。電源管理模塊為系統其它各模塊提供持續、穩定的能量供應，由于此監測終端為戶外不間斷工作，為降低功耗，電源管理模塊加入低功耗的管理和控制，通過軟件機制實現多種工作模式（包含正常模式和休眠模式），當節點不工作時系統即進入休眠模式。考慮到系統將長期使用，可以通過外接電源或外接蓄電池和太陽能電池板以保證系統的持續供電。

2.2 節點軟件設計

基于環境監測系統長時間工作的需要，傳感器節點軟件系統設計的關鍵是在保證能有效實現必要功能的前提下最大限度地減小節點的能耗。無線傳感器網絡中監測節點的能耗主要集中在通信能耗和傳感器模塊的能耗，而通信能耗要遠大于傳感器模塊能耗。因此，節點電源打開后，完成ZigBee模塊和傳感器模塊的初始化，建立通信鏈路后，設置喚醒時鐘并進入休眠模式。節點軟件設計程序流程如圖3 所示。

3 網絡拓撲結構

一般設施農業監測的規模和范圍不大，因此本系統的網絡拓撲選擇簡單的星型網絡結構，通過對多個監測節點發送的數據進行分析可以判斷環境監測區域的狀態。系統啟動后，根據網絡協議組建網絡，為節點分配地址。當監控平臺查詢數據時，系統根據地址分配執行數據采集。

4 結語

將無線傳感器網絡應用于現代設施農業環境信息檢測具有傳統農業監測方式無法比擬的優勢。本文提出了基于ZigBee傳感器網絡的設施農業環境信息實時監測系統的設計方案。介紹了系統的總體結構和傳感器節點的硬件及軟件系統設計。本文提出的這一無線傳感器監測系統，具有低成本、低功耗、可靠性強等特點，為現代設施農業生產環境信息監測提供了一種有效的解決方案。

參考文獻：

＼[1＼] 蔡鑌，畢慶生.基于ZigBee無線傳感器網絡的農業環境監測系統研究與設計＼[J＼].江西農業大學學報，2010（11）.

＼[2＼] 郭文強，張玉杰，侯勇嚴.無線傳感器網絡在環境監測系統中的設計與應用＼[J＼].陜西科技大學學報：自然科學版，2012（6）.

＼[3＼] 周秀輝.無線傳感器網絡技術及在環境檢測中的應用研究＼[D＼].成都： 電子科技大學，2006.

＼[4＼] 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例＼[M＼].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

＼[5＼] 徐志國.基于無線傳感器網絡的噪聲監測系統的設計＼[J＼].皖西學院學報，2009（6）.

篇（6）

中圖分類號:TP301文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110055-01

本文通過對當前的鎢礦環境監測系統現狀的研究,結合無線傳感器網絡技術、嵌入式系統技術和網絡通信技術,設計和實現了一套適用于鎢礦環境的無線傳感器網絡環境參數監測系統。

一、礦山環境無線傳感器網絡總體設計

由于有線監測系統其自身的局限性以及生態環境的復雜性,特別是無法對危險環境進行監測,導致在某些場合有線監測系統已導致在某些場合有線監測系統已不能滿足人們的需求[1]。針對鎢礦復雜的環境,分析了系統的結構體系,設計了一種適用于鎢礦環境參數監測的無線傳感器網絡系統結構。該結構為一個層次型網絡結構,底層為部署在監測環境中的終端無線傳感器節點,上層依次為無線傳感器匯聚節點、傳輸網絡、上位機(監控計算機),最終連接到Internet和公司局域網。系統總體架構如圖1所示。

二、無線傳感器網絡節點硬件設計

(一)節點硬件結構設計

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給模塊組成[2]。傳感模塊主要負責監測區域內信息的采集并將各種傳感器采集的信號轉變為數字信號并傳送給處理器模塊。處理器模塊負責控制整個節點的數據處理操作、路由協議、功耗管理、任務管理和實現網絡安全可靠的通信協議[3]。無線通信模塊負責與其他節點進行無線通信,交換控制消息和收發數據。能量供給模塊負責為節點各個功能模塊供電。

(二)各功能模塊設計

1.微處理器模塊

在選擇微處理器時切忌一味追求性能,選擇的原則[4]應該是“夠用就好”。現在微處理器運行速度越來越快,但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個復雜的微處理器集成度高、功能強,但片內晶體管多,總漏電流大,即使進入休眠或空閑狀態,漏電流也變得不可忽視;而低速的微處理器不僅功耗低,成本也低。另外,應優先選用具有休眠模式的微處理器,因為休眠模式下處理器功耗可以降低3～5個數量級。考慮實際需求,本設計中處理器模塊選擇ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L單片機。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最強大的單片機。該單片機具有體積小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、喚醒時間短、運行速度快、成本低和足夠的外部接口等特點。

2.無線通信模塊

無線通信模塊選擇Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的無線收發器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術,以0.18umCMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩定且功耗極低。該無線收發芯片具有集成度高,工作電壓低、功耗低和靈敏度高等優點,易于得到廠商提供的協議棧和開發套件。

3.傳感器模塊

根據項目的應用背景和實際需要,選擇傳感器對監測區域內的溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數進行監測。在節點的硬件設計和研制中,充分考慮了傳感器的能耗、精度、采樣頻率、與微處理器的接口特性等要求。為了提高節點的可擴展性,在節點中提供了可擴展不同傳感器的接口。

設計中選用了溫濕度傳感器、粉塵傳感器、二氧化碳傳感器、電化學傳感器分別對溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數進行探測。選用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的數字溫濕度傳感器SHT10采集環境的溫度和濕度。粉塵傳感器選用日本神龍公司的粉塵傳感器PD4NS。二氧化碳、一氧化碳和氧氣的探測分別選用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生產的電化學傳感器6004二氧化碳傳感器、O2/I-06氧氣傳感器、CF-1000一氧化碳傳感器。

4.電源供給及管理模塊

能量是無線傳感器網絡最寶貴的資源,它決定著傳感器網絡的壽命。為了滿足降低節點能耗的目標,節省系統電源,傳感器模塊只有在工作時才啟動,因此電源供應及管理模塊中研究了采用TI公司TPS 79501傳感器模塊電源控制器。TPS 79501具有超低噪聲、高PSRR、高電平啟用等特點,輸出為1.2V～5.5V電壓可調的低壓降穩壓器,驅動能力達500mA～7.5A。

三、節點軟件系統設計

無線傳感器網絡節點是個資源受限的嵌入式系統,包括硬件資源受限、帶寬有限、能量受限及補給困難的特點,決定了現有的一些嵌入式操作系統(如Linux操作系統)不能很好適用于傳感器網絡節點。

TinyOS是目前傳感器網絡的主流操作系統,采用基于組件的體系結構,應用程序的各個功能都是由相應的組件實現的。當事件對應的硬件中斷發生時,TinyOS的事件驅動機制能夠快速地調用相關的事件處理程序,從而使CPU在事件發生時迅速執行相關任務,在處理完之后進入睡眠狀態,從而有效的提高了CPU的使用效率,并且節省了能量。

四、結論

在鎢礦環境監測中采用無線傳感器網絡,利用傳感器節點功耗低、工作時間長、成本低、能自組織地通信以及在危險區域和大面積監測中容易布置等特點,能夠實現鎢礦環境參數低成本連續在線監測,較傳統在線監測系統具有更大的優勢,對于礦山安全具有重要意義。

基金項目:國家自然科學基金項目(No.50764005)

參考文獻:

[1]黃布毅、常亞軍、張海霞等,基于無線傳感器網絡的煤礦安全監測系統設計,通信技術,2008,41(9):170～172.

[2]孫利民、李建中,無線傳感器網絡,北京:清華大學出版社,2005.

[3]姜連祥、汪小燕,無線傳感器網絡硬件設計綜述,單片機與嵌入式系統應用,2006.11.

[4]王殊、胡富平、屈曉旭等,無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

篇（7）

中圖分類號：TP393.02 文獻標識碼：A 文章編號：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

近年來，隨著計算機技術的高速發展，無線傳感器網絡的應用已經深入到各個領域當中，得到全世界范圍的廣泛關注。無線傳感器網絡中傳感器節點的體積小、能耗比較低，節點的分布通常是由飛機灑落的方式進行部署，部署在人類無法到達的應用環境中，這些節點對其中的信息進行采集，并傳輸，方便了人類對未知信息的獲取。目前，環境保護問題受到了廣泛的關注，人們對環境監督問題越來越重視，無線傳感器網絡技術在環境監測中具有重要的作用，通過無線傳感器網絡技術能夠解決環境監測中的一些問題。

無線傳感器節點在環境監測區域一般是隨機部署的，節點需要獲取監測區域的信息，因此節點的位置至關重要。人工部署或者為所有傳感器節點安裝GPS接收器是不現實的。這些都受到成本、功耗以及擴展性等問題的限制，大部分傳感器節點不具有位置信息，但節點的位置信息對整個無線傳感器網絡監測應用具有至關重要的作用，因此，本文所研究的環境監測中無線傳感器網絡中節點定位技術是非常重要的。

2 無線傳感器網絡體系結構

無線傳感器網絡中的節點將收集到的數據信息以多跳路由的方式進行轉發，將這些信息發送到給監測者，在監測區域中，節點在隨機部署，以自組織的方式組成無線通信網絡，其中的每個傳感器節點可以動態查找鄰居節點p自身定位、與網絡通信連接。網絡中的匯聚節點比普通節點在硬件配置和功能上更強，是與外部網絡建立連接的橋梁收集普通節點的監測數據，并對其進行加工和整理，以多跳轉發方式發送到基站，然后由基站利用衛星信道或有線的網絡將監測的數據信息發送給最終用戶。

3 無線傳感器網絡定位技術

在無線傳感器網絡中節點通常被分為兩種，一種為未知節點（Unknown Node），另外一種為錨節點（Anchor Node），普通節點的位置信息時未知的，錨節點的位置信息是已知的，它一般是通過自身攜帶的GPS 定位裝置獲取自身的位置坐標，錨節點的部署密度要遠遠小于待定位節點的部署密度，未知節點與通信半徑內的鄰居錨節點進行通信，通過錨節點提供的位置信息，進行位置計算[1]。

3.1 節點定位算法分類

無線傳感器網絡節點定位算法分類方法很多，但是目前比較常用的方法是從定位算法的技術手段上來進行分類的，大致可以分為兩類：基于測距的定位算法（Range-based）和距離無關的定位算法（Range-free）[2]。

基于測距的定位算法是需要測量節點之間的距離或者角度，基于測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對較高，但是對硬件的要求也更高，而且定位過程中消耗的能量相對較高，易受環境因素的影響[4]。

距離無關的定位算法是通過對節點間的距離的估計或確定包含未知節點的可能區域，從而來確定未知節點的位置。距離無關的定位算法主要有質心算法[5]、Amorphou算法、DV-HOP算法[6-7]、APIT算法[8]等。距離無關的定位算法無需測量節點之間的絕對距離或角度信息，從而降低了對硬件的要求以及能量的消耗，使得這種算法更適合于大規模無線傳感器網絡，它的一個缺點是定位誤差相對較大。

本文中環境監測中主要使用的是距離無關的定位算法。

3.2 計算節點坐標的基本方法

未知節點估計或者測量出到鄰居節點的距離，并且能夠滿足一定的條件，可以利用這些距離來計算未知節點的坐標。主要方法有：三邊測量法、三角測量法和極大似然估計法。

（1）三邊測量法

已知三個錨節點的坐標，以及它們到未知節點的距離，可以利用公式求得未知節點的坐標。

（2）三角測量法

已知三個錨節點的坐標，以及未知節點到三個錨節點的角度，則可利用公式求出未知節點的坐標。

（3）極大似然估計法

前面兩種方法比較簡單，下面將極大似然估計法進行介紹。已知n個錨節點的坐標，分別為[（x1，y1），（x2，y2），...（xn，yn）]，以及它們到未知節點的n個距離，分別為[d1，d2，...dn]，設未知節點的坐標為[（x，y）]，則有方程1：

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

這n個表達式從第一個開始分別減去最后一個，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） ]

設

[[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） ]

用線性方程表示為AX=b，最后使用最小二乘方法可以得到未知節點的坐標為：[x=（ATA）-1ATb]。

4 定位算法在環境監測中的應用

本文的定位算法主要應用于環境監測，根據環境監測的特點，以及對各種定位算法的比較研究，本文擬采用距離無關的質心算法。質心算法是由南加州大學是由 J. Heidemann和 N. Bulusu提出的，這種算法是主要是應用在室外的，與網絡連通性相關的定位算法。該算法的主要設計思想是將未知節點的坐標設置成為與該節點其相關錨節點所形成的多邊形的質心。首先未知節點向錨節點發送請求位置的信息，控制信息傳播的最大跳數，因而限定了附近錨節點的范圍，錨節點收到這個請求以后將自己的位置信息進行反饋，這樣未知節點能夠知道附近的錨節點的位置信息。利用這些錨節點組成的多邊形中心來計算未知節點的估計位置。

本論文中實驗仿真軟件選用MATLAB R2012a，實驗區域設置為1000m*1000m，節點總數為400個，其中錨節點為80個，無能量損耗的網絡中的節點的定位誤差率如圖1所示。當通信半徑逐漸增大時，節點的定位誤差率有明顯的降低，但當通信半徑由400米再向上增加時，節點的定位誤差率反而增大，因此，可以說明并不是通信半徑越大越好，在實際應用中要具體問題具體分析。

5 結論

本文研究的是無線傳感器網絡中節點定位算法在環境監測中的應用，文中分析了無線傳感器網絡技術在技術發展中的重要性，傳感器節點作為無線傳感器網絡中的重要組成部分，它的定位至關重要。環境監測越來越多的收到人們的重視，本文研究了在環境監測中應用節點定位算法。從無線傳感器網絡的體系結構出發，研究節點定位技術的分類以及計算節點坐標的基本方法，最后選擇質心算法應用在環境監測中，對節點的定位誤差率進行了仿真分析。

參考文獻：

[1] 王艷暉. 無線傳感器網絡節點定位技術的研究[D]. 太原：太原理工大學. 2016.

[2] 秦曉琴. 無線傳感器網絡定位技術分析[J]. 電腦知識與技術， 2016（19）：42-44.

[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.

[4] 呂淑芳. 無線傳感器網絡節點定位研究綜述[J]. 傳感器與微系統. 2016（05）：1-8.

[5] 胡詠梅，張歡. 一種改進的無線傳感器網絡質心定位算法[J]. 計算機工程與科學， 2012（02）：45-49.

篇（8）

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）10-0146-02

倉庫作為物資供應體系的一個重要組成部分，承擔著物資的存儲、管理和調配的任務，倉庫中的物資要保證數量，品質和安全，要做到防潮，防火，防盜等等，對倉庫環境參數的監測顯得尤為重要，目前，很多倉庫的環境監測現狀是使用人工監測，方法落后，或者使用有線監測方式，布置方式不靈活，還有不能實現無線遠程監測等等，倉庫的智能化監測是網絡通信技術在現代工業生產中的應用，通過使用ZigBee無線傳感器網絡對倉庫環境進行實時的監測，提供準確的實時數據，及時準確的掌握倉庫的環境條件，為物資的存儲提供有力的數據支持。

本文設計了一個基于ZigBee無線傳感器網絡的倉庫環境監測系統，通過ZigBee無線傳感器網絡對倉庫的溫度、濕度、蟲害、火災等參數進行采集，通過GPRS無線網絡遠程傳輸到機房服務器，然后對采集的數據集中分析和處理，及時掌握倉庫的環境參數，對異常情況作出及時的應對措施，以便減少損失、節約開支和提高生產效益。

1、無線傳感器網絡

1.1 無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的具有計算和通信能力的微型傳感器節點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網絡系統[1]，其作用是利用傳感器節點來監測節點周圍的環境，收集監測數據通過無線收發裝置將數據以多跳的方式發送給匯聚節點（Sink節點），然后由匯聚節點通過有線或無線方式接入網絡，將監測數據傳送給客戶端，綜上所述，無線傳感器網絡通過大量傳感器節點分工協作的方式實時感知、采集數據，并由無線網絡處理感知對象的數據，并且傳輸給使用者[2]。

1.2 ZigBee無線通信技術

ZigBee是一種近距離、低功耗、低速率的無線通信技術，基于IEEE802.15.4協議標準。通過ZigBee通信模塊可進行無線通信，ZigBee的特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低速率、低成本[3]。ZigBee無線傳輸距離室內為30～50m，室外可達到100m，ZigBee的工作頻率有三種：全球2.4GHz、美國915MHz和歐洲868MHz，通信速率在2.4GHz的時候為250kbps，在915MHz時為40kbps，在868MHz時為20kbps。完整的ZigBee協議棧自上而下分為應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層、物理層。ZigBee網絡的拓撲結構有星形、網狀和混合狀，這三種拓撲結構可以組成多種網絡。

2、系統的總體設計

本系統結構圖如圖1所示，系統通過監測節點監測倉庫各種環境參數，溫度，濕度，紫外線，火焰，煙霧等，通過匯聚節點傳輸到GPRS無線通信網絡，然后GPRS模塊將數據由RS232串口傳輸到機房服務器，通過服務器軟件分析處理，便于及早發現倉庫中異常情況并作出及時的處理。

3、系統的硬件設計

3.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點是傳感器網絡的基本單元，傳感器節點除了具有一般傳感器的感知能力之外，還具有數據處理和數據無線傳輸能力，可以感知環境參數、處理并進行無線通信。傳感器節點的硬件一般包含感知模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源管理模塊[4]，本系統設計的傳感器節點結構如圖2所示。

傳感器節點的感知模塊采用的傳感器如下：（1）溫度、濕度傳感器：采用瑞士Sensirion公司研制的SHT11型智能化溫濕度傳感器，它采用專利技術（COMS和傳感器技術的融合），外形尺寸僅為7.5mm×5mm×2.5mm。SHT11具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數；（2）火焰傳感器：采用火焰傳感器R2868來發現倉庫中的火焰，在火星產生的瞬間可以準確地發現，并發出警報；（3）煙霧傳感器：采用煙霧傳感器HIS07來及時發現煙霧，杜絕火災隱患。

傳感器節點的處理器模塊采用CC2530芯片，CC2530支持IEEE 802.15.4標準/ZigBee/ZigBee RF4CE[5]，擁有快閃記憶體256個字節，CC2530結合了一個完全集成的，高性能的RF收發器與一個8051微處理器，8kB的RAM，32/64/128/256 KB閃存，以及其他強大的支持功能和外設。較CC2430相比，CC2530在發射功率、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護能力等方便都有較大的提升。

為節省電能，監測點每2分鐘采集一次數據，并將數據通過無線傳感器網絡傳送給族頭節點，然后傳送給匯聚節點。

3.2 匯聚節點硬件設計

匯聚節點（Sink節點）相當于網關，處于傳感器節點的上層，匯聚節點具有數據的存儲、處理和傳輸等功能，匯聚節點接收傳感器節點的數據，并且連接無線傳感器網絡與互聯網、移動通信網等外部網絡，完成協議轉換、網絡節點配置等功能[6][7]，本系統中匯聚節點接收傳感器節點的數據，并通過接口將數據傳輸給GPRS模塊-西門子MC75i，西門子MC75i將數據通過GPRS無線網絡傳輸給機房服務器。匯聚節點結構圖如圖3所示。

3.3 GPRS無線傳輸模塊

系統中選擇GPRS作為長距離傳輸方式，即系統中匯聚節點與機房服務器之間采用GPRS無線傳輸方式，匯聚節點的GPRS模塊通過GPRS無線網絡，將倉庫監測數據傳輸到監控中心機房的GPRS模塊，監控中心機房的GPRS模塊將數據通過串口將數據傳輸給機房服務器。GPRS具有覆蓋范圍廣、可靠性高、實時性強、成本低、功耗小等特點。本系統GPRS無線傳輸模塊采用西門子MC75i模塊，MC75i的特點為：1.支持850、900、1800和1900MHZ四種頻率；2.GPRS multi-slot class 12；3.E-GPRS下行速率可達460Kbit/sec；4.AT指令Hayes GSM 07.05及GSM 07.07。

4、系統的軟件設計

本系統用VB6.0開發，管理員可以通過管理軟件實時監測到倉庫的各種數據，將數據填入數據庫，譬如溫濕度、煙霧值等等，當系統讀取到的傳感器數據超過設定的安全值時，系統發出報警信號，以溫濕度監測為例，系統的流程如圖4所示。

5、結語

通過采用無線傳感器網絡的倉庫環境監測，并使用GPRS實現無線遠傳，達到了倉庫的實時的數據采集，方便的部署以及遠程監控的智能化監測，具有良好的應用推廣價值。

參考文獻

[1] 孫旭光，高方平，陳丹琪等.基于無線傳感器網絡的防盜監測系統設計[J].傳感器與微系統，2009，28（10）：67-69.

[2] 饒云華，代莉，趙存成等.基于無線傳感器網絡的環境監測系統[J].武漢大學學報，2006，52（03）：52-54.

[3] 梁光勝，劉丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee無線網絡節點設計[J].電子設計工程，2010，18（02）：16-18.

[4] 王軍，陳磊，張莉莉.基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計與實現[J].洛陽師范學院學報，2010，29（05）：52-54.

篇（9）

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0012-02

目前，環境日趨惡劣，越來越多的人開始關注周圍的環境，因為這直接關系到每個人的切身利益，但是由于我國人口密度較大、污染物空間分布非均勻性較強、污染監控點布設不合理、經濟技術條件比較落后等客觀因素，造成以現有方式獲取的數據不具有代表性。為解決以上問題，本文決定研究和開發具有高性價比的智能環境監測系統，以實現監測系統的小型化、個人化、智能化的目標，滿足每個人對周圍環境的知情權與監督權。

隨著科技日新月異的變化，環境檢測由經典的化學分析逐漸發展為傳感器檢測，無線傳輸技術也以其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性得到了各行各業的廣泛接受。這些都為環境的無線智能監測提供了極大的可能。

1 總體方案設計

整個環境監測系統分為兩個子系統——監測終端子系統和探測節點子系統，這兩個子系統各需要一個主控芯片進行數據處理，該系統統一選用TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集的MSP430F5xx系列單片機，該款單片機的超低功耗的特點對于本設計很重要。在信號調制方面，鑒于低功耗、方便易行的考慮，采用了OOK調制方案。為了實現友好的人機交互，采用了電容式觸摸液晶屏，以充分發揮其操作新奇、不易誤讀、耐用度高的優勢。無線通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，與四雙向模擬開關IC——CD4066，由MSP430單片機進行控制。最后確定通信協議方案，設計思想是由終端發出一個同步傳輸的信號，節點接收并與自己的“身份”進行校對，驗證完畢后，探測節點將檢測到的環境信息以數據幀的形式向監測終端發送。通過相關的選擇與設計，整個系統的結構設計如圖1所示。

2 系統的硬件設計

2.1 無線通信模塊

該系統設計主要包括監測終端信息處理和探測節點信息采集，兩者之間信息的交互采用無線通信的方式。該無線通信模塊使得探測節點將環境信息以數據幀的形式傳送給監測終端，以便將其顯示在觸摸液晶屏上，同時也可以使監測終端對探測節點進行身份校驗。

無線通信模塊的載波信號由基于DDS數字頻率載波的AD9854芯片產生，其輸出頻率范圍為0-120 MHz，綜合各方面因素，只需使其產生穩定的30 MHz正弦波信號即可。此載波信號進入四雙向模擬開關CD4066，再通過天線發射出去。該模擬開關可作為模擬或數字信號的多路傳輸，待傳輸的模擬信號的上限頻率應為40 MHz，各開關間的串擾很小，典型值為-50dB。

2.2 環境檢測模塊

為滿足環境監測系統實時、便捷、高性價比的要求，應充分利用目前發展較為成熟的傳感器技術。對于SO2濃度的檢測，本系統采用3SF CiTicel傳感器，它是一種新型的定電位電解化學氣體傳感器，通過氧化或還原反應將濃度轉化為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應氣體的濃度。而對于灰塵粉塵的檢測采用DSM501傳感器，它的特點是采用粒子計數原理，PWM脈寬調制輸出，便于進行數字信號處理。溫濕度的檢測采用SHT15傳感器，SHT15是基于CMOSens技術的單片全校準數字式溫濕度傳感器，具有高精度、高集成度、反應迅速、低功耗等特點。檢測太陽光紫外線強度總量用到UVM-30傳感器模塊，它響應極快、全互換性好，實現了測量紫外線指數（UVI）的高可靠性和精確性。對于風速的檢測，本系統采用WS-01傳感器。WS-01風速傳感器采用傳統三風杯結構，風杯選用碳纖維材料，強度高，啟動好；精密信號處理單元可根據場合需要輸出各種信號。

2.3 人機交互模塊

該系統中人機交互模塊包括微控制器部分（MSP430F5xx單片機）、觸摸顯示部分（觸摸液晶屏）、上限報警部分。MSP430F5xx作為人機交互模塊的主控芯片，與觸摸液晶顯示子模塊、上限報警子模塊連接，負責實現觸摸液晶屏的讀入與顯示、上限報警功能。當MSP430F5xx接收到來自探測節點的環境信息時，對其進行數據處理后，驅動觸摸液晶屏進行相應的字符及圖形顯示操作，同時當用戶完成相應的菜單選擇后，也可以接收到相應的觸摸信號，對需要顯示的信息以及是否開啟上限報警功能進行切換。

3 系統的軟件設計

本系統采用層次化、模塊化結構設計，主要包括基于MSP430F5xx的無線收發模塊子程序、環境參數采集模塊子程序、觸摸液晶屏硬件驅動模塊子程序以及上限報警模塊子程序等。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

4 理論分析

4.1 低功耗分析

在本系統中，MSP430F5xx單片機的供電電壓為3.3 V，并提供32.768 kHz和14.7456 MHz無源晶振各自產生的兩組時鐘，以及DCO數字振蕩器產生的時鐘。當MSP430F5xx單片機在3.3 V供電電壓下，以1 MHz的速度運行時，典型的電流值約為210 μA。此外，MSP430單片機還具有5種低功耗模式LPM0～LPM 4，節電方式下的最低電流可達0.1μA。硬件上的設計確定之后，在不同的情況下將通過軟件控制系統的工作時鐘和工作模式，并且大多數情況下，單片機在執行完相關操作后立即進入低功耗模式，以便于控制總體功耗。

要想降低功耗，一方面在于微處理器的設計，另一方面也要關注電源的管理和功耗電路的接口設計。例如，無線通信模塊采用9600bit/s的波特率， 傳輸速度快， 完成數據通信后立即進入睡眠模式，以盡可能地保證系統的低功耗。

4.2 通信協議

由于待傳輸的數據信息比較長，而已有的通信協議又無法完全滿足要求，因此本文將另行設計一套通信協議，以滿足該系統的通信要求。在發送信息時，首先發送一個中斷使能脈沖，隨后發送一個16位的地址碼，接收的數據為若干幀16位的數據碼。地址碼與數據碼格式分別如表1、表2、表3、表4所示。

表1 16位地址碼

表4 16位數據碼3

4.3 載波信號

為得到相應的載波信號，應通過單片機對AD9854芯片的頻率控制字（FSW）進行控制。其中，AD9854產生所需要的輸出信號頻率fout的計算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32為AD9854相位全加器位數。

5 結束語

本文設計了基于MSP430F5xx單片機的無線低功耗智能環境監測系統。在該系統中，監測終端既負責完成人機交互又需要控制探測節點，探測節點主要是將環境檢測模塊所測得的環境信息通過無線方式傳輸給監測終端，從而實現高效、實時地對周圍環境進行智能監測，具有廣闊的發展前景。該系統很容易實現探測節點與監測參數的拓展，以滿足更大范圍、更多參數的監測要求。

基金項目

天津市高等學校國家級大學生創新創業訓練計劃（201310065037）；天津市自然科學基金（13JCYBJC15800）。

參考文獻

篇（10）

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）16-0207-02

0 引言

及時掌握機房環境情況，如溫濕度、煙霧、粉塵等，對保證設備可靠運行非常關鍵。大功率短波發射機由于播出功率大，機房處于強電磁場環境，對弱信號檢測存在較強的干擾，許多發射機房原有的煙霧檢測設備經常出現誤報或無法正常工作的情況。機房建成后，如需再進行布線等施工通常不是很方便，故此提出采用無線傳輸方法，對機房環境進行監測，保證機房設備安全可靠運行。

1 無線傳輸特點

有線傳輸常常在許多場合受到限制，布線、改線工作量大，成本高，線路中的各節點不可移動，要把相離較遠的節點聯接起來時，鋪設線路更是不易，特別是在強電磁場環境中，經常會由于線路過長，受到干擾，造成傳輸信息不穩定或出錯，這些都成為有線傳輸的不足。

相對于有線傳輸，采用無線傳輸方式具有高移動性，通常不存在布線困擾，抗干擾性強、有較好的保密性，使用靈活，易于擴展等優點。無線通信模塊是組建無線網絡的必備組件，許多無線通信模塊具有自組網功能，支持并發通信，可以方便的將相互獨立的傳感器節點互連在一起[4]。現在市場上有許多無線通信模塊，工作在ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，可以完成數字量和模擬量的傳輸，為我們進行相應技術改造提供了方便。

2 機房環境無線監測的實現

2.1 無線通信模塊選擇 無線通信模塊是組網的關鍵，選擇性能優良的傳輸模塊非常關鍵。基于市場上眾多的無線傳輸模塊，我們可以根據實際情況進行選擇。選擇模塊時，要考慮選擇具有可靠自組網功能的模塊，選擇具有該功能的模塊能夠方便我們組網，減少工程難度；同時選擇好模塊功率，這個參數決定信號傳輸距離，對組建網絡傳輸的可靠性至關重要；還要根據需要傳輸的數據類型進行選擇，如傳送開關量或是傳送串口輸出數據等，需要選擇不同的傳輸模塊。

實際工程中選擇的無線組網模塊，采用可靠的網絡拓撲結構，具有自動識別功能，能夠自動修復路由，支持多模塊并發的通信方式[1]。由于機房較大并有阻擋，為保證通信可靠，選擇了功率為500mw的傳輸模塊。根據設計，需要傳輸開關量數據和串口數據，故此工程設計選擇無線開關量傳輸模塊、無線數據收發模塊和無線數據監控器組建信息傳輸無線網絡，各模塊間能夠實現自動組網通信，使用安裝非常簡單。

2.2 煙霧環境監測

2.2.1 選擇合適的煙霧探測器 對煙霧的檢測是靠感煙火災探測器作為前端的。煙霧是早期火災的重要特征之一，感煙式火災探測器能夠對可見的或不可見的煙霧粒子響應，將探測部位煙霧濃度的變化轉換為電信號實現報警[6]。

選擇感煙探測器要充分考慮大功率短波機房具有較強的干擾，易產生誤檢測的特點，要選擇本身就具備較強抗干擾能力的電流型探測器，方便進行抗干擾處理，保證檢測前端信息的可靠性。

2.2.2 煙霧探測器的布局安裝 煙霧探測器的布局也是非常關鍵的一環，可以參照選擇的煙霧探測器指標及相關技術標準設置和布局好探測器，確保對整個機房起到良好的檢測效果。

2.2.3 檢測信號的處理與傳輸 為保證檢測的煙霧信號可靠，需要對檢測信號進行光電隔離處理后，再送入無線模塊進行傳輸，增強抗干擾能力[3]；也可直接采用帶光電隔離的無線傳輸模塊，將探測器檢測信號接入模塊，進行內部光電隔離后傳輸，工程中采用了光電隔離模塊。這樣處理后可以較好的防止強電磁場對檢測信號的干擾，避免造成誤報，提高了整個系統的抗干擾能力。

2.3 溫濕度監測

2.3.1 溫濕度傳感器選擇 市場上溫濕度傳感器很多，選擇時根據需要考慮測量范圍、測量精度、工作電源等因素，選擇的產品應具有工作可靠，耐電磁環境等特點。特別是需結合無線組網情況，選擇合適的數據輸出類型產品，方便無線傳輸和接收數據處理，實際使用的溫濕度傳感器采用485口數據傳輸格式。

2.3.2 溫濕度數據無線傳輸 何種數據傳輸類型的溫濕度傳感器需要與可傳輸何種數據類型的無線模塊相匹配。工程中采用數字傳輸接口的溫濕度傳感器，具有根據接收的控制信號指令，發送檢測數據信息功能，采用無線數據收發器作為溫濕度傳感器的傳輸模塊，接收本地計算機控制信息并回傳檢測的溫濕度信息。

2.4 其他相關環境參數的監測，如粉塵、噪音等 在工程中，我們還可以根據環境監測的需要，增加如粉塵、噪音等環境數據的監測，只需選擇合適的粉塵和噪音傳感器，通過無線傳輸模塊加入環境監測無線網絡，就可實現功能拓展，非常方便。

2.5 實現框圖 圖1為大功率短波發射機房環境無線監測系統框圖。框圖中，無線開關量傳輸模塊、無線數據收發模塊和無線數據監控器組成無線傳輸網絡，負責數據傳輸。無線模塊組網前，需要按使用說明設置好通訊模塊的頻點、空中速率、組編號、發射功率，模塊地址等參數，在一個網內的模塊，以上數據需要保持一致。完成上述設置后，無線數據監控器可以自動識別通信模塊，自動完成組網。無線網絡通常有較好的安全性，在不知道模塊頻點、組編號等信息情況下，他人是無法與設備進行通信的[4]。

監測系統采集信息包括煙霧探測器和溫濕度傳感器的采集信息，其中電流型煙霧探測器檢測到的信號送入無線開關量傳輸模塊，經過光電轉換后，模塊將數據通過無線電發送出去。無線開關量傳輸模塊工作在定時和邊沿觸發模式，即當煙霧探測器檢測數據正常時，定時傳輸檢測信息數據，如果一旦煙霧探測器檢測到異常煙霧信息，則立即將異常數據通過無線模塊傳送出去。無線數據收發模塊工作在查詢模式，即本地控制計算機，根據需要通過無線數據監控器定時發送查詢命令，溫濕度傳感器接收到命令后，通過無線數據收發模塊將檢測的溫濕度信息傳輸送給本地控制計算機。無線開關量傳輸模塊和無線數據收發模塊傳輸的數據，均被無線數據監控器接收，送至本地監控計算機，完成對數據的解析處理，無線數據監控器也能接收本地監控計算機控制命令，傳送給無線數據開關量模塊和無線數據收發模塊，另外遠程監測客戶端可以通過局域網遠程監測機房環境數據。

2.6 軟件編程 本地控制計算機完成對接收數據的處理并向相關節點發送指令信號，是環境監控系統的監控平臺。工程中采用實現對整個環境監測數據的處理編程[2]，通過對無線采集的數據處理，可以完成對機房煙霧、溫度和濕度等環境參數的監測，并可以接受遠程客戶端訪問，實現對機房環境的遠程監測。

進行軟件處理時，需要參照無線傳輸模塊和相關傳感器使用說明，掌握相關傳感器輸出數據格式，特別是要詳細掌握無線傳輸模塊監控協議，才能很好的完成對監測數據的采集，要按照產品相關要求進行數據處理，解析出探測器和傳感器的數據信息，并將他們正確的顯示在本地計算機監控界面上。

3 結論

采用無線傳輸模塊實現對大功率短波發射機房環境狀況監測，掌握機房環境數據，利于設備運行。采用無線傳輸方式代替有線傳輸，具有布線方便，節點互聯容易，成本較低，增加監控點和監控數據不受限制等優點，特別是在強電磁場環境下，可以有效減小由于引線過長而受到干擾，造成數據不準，甚至誤報等情況，有較好的實用性和效果。

參考文獻：

[1]孫學康，劉勇著.無線傳輸與接入技術[M].人民郵電出版社，2010，（7）.

[2]Matthew 入門經典[M].清華大學出版社，2002，（5）.

[3]諸邦田.電子電路實用抗干擾技術[M].人民郵電出版社， 1994，（9）.