無線環境監測
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無線環境監測范文第1篇
0 引言
在很多情況下，監控中心都需要對周邊及關鍵位置的環境信息（如溫度、照度、濕度等）進行監測和處理。各探測點信息采用有線傳輸是一種可靠的方法，但受建筑物裝修要求和環境障礙等因素限制，不宜采用有線方式傳輸時，使用無線方式傳輸無疑是一種經濟適用的選擇。本裝置要求能在5秒鐘內完成對255個探測節點環境溫度和光照信息的無線探測，并自動巡回或手動選擇顯示相關環境信息。
1 系統方案設計
根據設計要求，為便于對周邊多點環信息進行探測，實現監測終端與各探測節點之間信息的無線傳輸，本裝置由探測節點分機和監測終端兩大部分組成。探測節點分機由單片機、溫度檢測電路、照度檢測電路、無線發射電路和接收電路等組成；監測終端由單片機、無線發射電路、無線接收電路和顯示電路等組成。系統結構如圖1所示。各探測節點分機完成對環境溫度和照度信息的采集與處理，并適時向監測終端和鄰近檢測節點發送信息；監測終端完成探測命令的、探測信息的處理、存儲與顯示。
1.1 信息傳送與轉發方案 為防止某個探測節點在上傳信息時發生碰撞，系統采用“時分復用”信道的通信方式。約定每個節點必須在規定的時隙ΔT內完成信息發送。某個節點接收到監測終端發來的“探測命令”時，或接收到鄰近節點轉來的第一個“探測命令”時。啟動定時，定時時間到便開始發送信息。定時時長根據每個節點地址不同或是否能直接接收終端“探測命令”為依據決定。
當監測終端需要探測環境溫度和照度信息時，便以廣播通信方式向各個探測節點“探測命令”。能直接接收終端“探測命令”的節點同時啟動定時，某個探測節點定時時間到，便開始向終端和鄰近節點發送信息（含地址、溫度和照度信息）。終端將信息接收下來送單片機存儲、處理；不能直接接收“探測命令”的節點（如地址序號為j的節點），在接到第一個鄰近節點（如地址序號為i的節點）發出的信息時，便認為收到了“間接探測命令”，于是開始啟動定時。由于每轉發一個節點信息需要兩個ΔT，因此轉發節點j的定時時長
T=（256-i+2j）ΔT。
定時時間到，便發送含有i節點地址、j節點地址與環境數據的信息。此時，若i節點收到j節點發出的含有本節點（i節點）地址的信息，表明j節點需要本節點轉發信息；若i節點收到的j節點信息中不含有本節點（i節點）地址的信息，表明j節點不需要本節點轉發信息。
1.2 信息處理與顯示方案 由于要求在5秒內完成對255個探測節點環境信息的探測，考慮到最多可能有254個節點的信息需要轉發。這樣，監測終端對每個節點的探測時間只有幾十毫秒，這么短的時間無法實現“即時檢測即時顯示”，只能將地址信息和環境信息全部接收下來處理后，再根據需要送顯示器顯示。顯示方式有三種選擇：一是自動巡回顯示，二是手動設定/選擇顯示，三是報警節點優先顯示。
1.3 通信協議
1.3.1 數據包格式 本系統的信令和數據包由同步碼WS、功能碼FC、數據包長度碼SIG、數據包內容DIGI和校驗碼CHECK五部分組成。數據包格式如下：
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1.3.2 SPL編解碼與數據包傳輸 ①SPL編碼與數據包的發送。數據包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的發送是由單片機的通用輸出端口從高位到低位串行逐位發送的，發送完WS以后，發真正的信令碼FC、SIG、DIGI、DHECK時，將進行SPL編碼，按照1變為01，0變為10的原則，FC由原15位變成30位。②SPL解碼與數據包的接收。數據包的接收是發送的逆過程，是由單片機的通用接收端串行接收的，當單片機串行接收到WS后，即著手接收已經過SPL編碼的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011，100的原則進行SPL解碼，若出現00或11的情況，認為接收端出錯，若出錯兩次，則信令無效，若只有一次，則暫時按000，111處理，留待下一步校驗碼糾錯。③差錯控制編碼檢錯與糾錯。差錯控制的基本思路是，在發送端根據要傳輸的數據系列加入多余碼元，使原來不相干的變為相干的數據，即編碼。傳輸時將多余碼元和信息碼元一并傳送。接收端根據信息碼元和多余碼元間的規則進行檢驗，即譯碼。根據譯碼結果進行差錯檢測。當發現差錯時，由譯碼器自動將錯誤糾正。這種多余碼元就是校驗碼。
2 電路與程序設計
2.1 發射電路 各探測節點和檢測終端的發射電路可采用相同的電路結構。電路一般由脈沖產生電路、脈沖整形電路、調制與發射電路構成。
載波頻率的穩定與否是發射電路能否穩定、可靠地工作的關鍵，本設計采用振晶與高速與非門構成的振蕩器來產生穩定的載波信號。
信號的發射是通過線圈耦合的方式實現的，因而射頻功放應選擇諧振功放。諧振功放有A、B、C、D類，綜合考慮電路的復雜程度及效率問題，本設計選用三極管構成的C類放大器對高頻信號進行射頻功率放大和發射。
常用的數字調制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，FSK、PSK電路比較復雜，本設計選擇100%ASK調制。100%ASK以100%的能量進行數據傳輸，保證了信號的較高抗干擾性，解調容易，在一定程度上提高了通信的可靠性。
2.2 接收電路 各探測節點和檢測終端的接收電路可采用相同的電路結構。電路主要由混頻器、本機振蕩器、中頻放大器、檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路構成。
混頻器的作用是提高接收電路的靈敏度、選擇性。如果沒有混頻電路，接收電路將直接放大接收到的高頻信號，將會出現靈敏度低、選擇性差的問題。采用混頻器后，將高頻信號變為固定的中頻，故在混頻器后設置中頻放大器，中頻放大器在固定中頻上放大信號，放大電路可以設計得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本設計中頻放大器中設置了一個藕合諧振電路和一個選頻網絡，以進一步提高接收電路的選擇性和抗干擾能力。由于檢波出來的信號較弱，須經低頻放大以后才能進行比較判決。因此解調電路部分應包括由檢波器、低頻放大器和脈沖整形電路。解調出來的數據信號送單片機進行處理。
2.3 系統軟件設計
2.3.1 監測軟件設計 終端單片機節點完成探測命令、探測到的節點信息的處理和顯示。當需要探測節點信息時，終端以廣播方式發出探測命令，并啟動定時，定時時長為512ΔT（ΔT為一個節點上傳信息所需時間），確保255節點在轉況下都能可靠探測。當探測到節點信息時，將該節點信息進行存儲、處理。全部節點的信息都接收下來處理完后，將地址信息、溫度信息和光照信息依序送顯示器顯示。然后再進行下一循環的探測。主要程序流程如圖2所示。
2.3.2 節點軟件設計 探測節點單片機完成對環境溫度、照度信息和電池電壓的采集與處理，適時向終端和鄰近節點發送信息，并根據臨近節點的需要及時向終端轉發信息。主要程序流程如圖3所示。
3 結束語
本裝置為一模擬實驗系統，由于各探測節點能夠接收和轉發鄰近節點傳來的信息，不僅數據傳送可靠，而且通信距離遠比點對點大。測試結果表明：該裝置能夠準確完整地監測和處理各探測節點的環境信息。只要適當增加發射電路的載波頻率和發射功率就能增加探測距離和范圍，以適應實際應用要求。
參考文獻：
[1]謝自美.電子線路綜合設計[M].華中科技大學出版社.
無線環境監測范文第2篇
【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。可以預見，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
無線環境監測范文第3篇
（1.蘇州大學文正學院，江蘇蘇州215104；2.蘇州大學物理與光電·能源學部，江蘇蘇州215006）
摘要：設計了一種基于無線透傳傳感網絡的分布式環境監測系統。設計采用1100E射頻芯片作為無線收發芯片，通過在ATmega128L微處理器中編寫透傳算法程序，實現對各環境參數的數據透傳，使用RS 232C串口與PC機進行通信，實現了對目標監測區域各環境參數的實時采集。給出實驗測試采集到的多組數據，通過對實驗數據的分析，說明該設計可以在400 m內同時實現對254個無線節點的實時監測，測量誤差約為±0.1%～±3%。
關鍵詞 ：無線透傳；透傳算法；環境監測；ATmega128L
中圖分類號：TN911?34；TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）18?0128?05
收稿日期：2015?03?10
基金項目：江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃資助項目（201413983005Y）；蘇州大學學生科研基金資助項目（2014）
0 引言
環境信息影響著人們對環境質量的判定，對人們的生活產生了不小的影響[1]。隨著射頻無線通信技術的廣泛應用，現已實現對環境參數的多點遠距離智能化實時采集[2]。在農業生產中，通過ZigBee技術能夠實時監測溫室中的溫濕度信息，有效地提高了農業生產的經濟價值[3]。在工業生產中，通過GPRS 技術實現了對礦井內瓦斯等易燃易爆危險氣體的實時監測，極大地保證了工業生產制造過程中的安全[4]。這些無線環境監測技術克服了傳統的環境監測方式網絡部署難，維護成本高，節點智能化程度低等缺點，極大地提高了數據的傳輸效率。但是，在實際應用時，ZigBee技術的穿透性較差，數據傳輸距離較近，其他主流無線傳感網絡（WiFi，藍牙，nRF等）對其同頻干擾較大，數據傳輸時誤碼率較高[5]。GPRS在進行數據傳輸時需要消耗大量流量，終端芯片資源配置較大[6]。
本文設計了一種無線透傳傳感網絡應用于分布式環境監測系統，在進行組網時無需考慮射頻無線芯片的收發協議和配置方法，可以透過無線芯片直接將其當作普通的有線模塊使用，降低了終端芯片的資源利用率，通過鉗位電路和電平轉換實現了RS 232通信的兼容轉換。本文設計的無線、透傳傳感網絡大大降低了射頻無線通信網絡的硬件和設計研發成本，保證了通信的距離和準確性。設計可以實現對400 m 范圍內有建筑物遮擋的環境狀況下進行實時監測。
1 系統總體設計
該無線透傳環境監測傳感網絡主要包括終端監測部分，無線透傳網絡，PC監測端。
（1）終端監測部分。微處理器ATmega128L將各傳感器采集來的環境參數的模擬信號經過A/D轉換，轉化為數字信號，并在LCD液晶屏上實時顯示各環境參數，并與報警閾值比較。
（2） 無線透傳網絡。設計透傳算法，使用AT?mega128L將暫存在存儲器中的傳感器數據轉化為符合RS 232 有線通信協議的數據，進一步轉換為無線協議的數據發送到遠端，并與PC監測端的無線透傳網絡相連接，使無線通信等效為有線通信。該透傳等效圖如圖1所示。
（3）PC監測端部分。PC機將各個透傳無線節點實時采集來的環境參數進行存儲和處理，并將各時刻的參數以圖像的形式顯示出來，并且用戶可以根據實際監測的需要，通過PC機對系統報警閾值進行修改。
2 系統硬件設計
2.1 終端監測端硬件設計
該系統的微處理器均采用AT?mega128L單片機[7]。它采用獨特的RISC結構，豐富的內部資源可以更好地運行相對復雜的透傳算法。在指令執行方面，微控制單元采用Harvard結構，指令大多為單周期，透傳算法在工作時，可以嚴格的控制時序，保證通信的準確性。在能源管理方面，ATmega128L提供多種電源管理方式，以盡量節省節點能量，保證了各節點長時間持續工作。在可擴展方面，提供了多個I/O口，有助于終端機各傳感器模塊的選擇和擴展，防止了各傳感器信號及數據相互干擾。ATmega128L 提供的USART（通用同步異步收發器）控制器、SPI（串行外設接口）控制器等與無線收發模塊相結合，能夠實現大吞吐量，高速率的數據收發。
如圖2 所示，環境監測終端機工作時，電化學甲醛傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器發出的微弱信號經過放大電路后被放大，然后對其進行A/D轉換等一系列的加工后再由ATmega128L對其進行處理，如果甲醛等環境參數濃度值高于環境參數濃度的國標，那么蜂鳴器就會發出警報，同時各環境參數濃度值會被輸送到LCD 上顯示出來。如果在國標的允許范圍內，那么只顯示濃度值而不發出警報。此外，ATmega128L將各環境參數經射頻芯片CC1100E傳送到透傳網絡。
2.2 透傳自組模塊硬件設計
CC1100E芯片在進行數據傳輸時采用UART0通信協議，ATmega128L可以嚴格按照時序讀寫用以控制芯片內部的32個寄存器，靈活配置各參數，如圖3所示。
CC1100E 接口RF_CLK，RF_CS，RF_SOMI，RF_SI?MO 分別和ATmega128L 的串行外設接口端PB2，PB1，PD2，PD3 相連接。RF_CLK 端口為PB2 端口傳輸數據的時鐘信號；RF_CS作為片選信號，僅當片選信號為低電平時，ATmega128L對CC1100E的操作才有效。
RF_SOMI 用于從ATmega128L 到CC1100E 的串行數據傳輸。為了降低整數據透傳的功耗，CC1100E在數據接收或收發狀態聲明時，系統設計采用中斷方式。
RF_GDO0，RF_GDO2 必須與微處理器的外部中斷相連，以便使用CC1100E 喚醒微處理器，設計時將RF_GDO0，RF_GDO2分別與具有中斷能力的PD6，PD7相連接。CC1100E在高頻工作狀態下，發射前段和天線饋點需要巴倫電路和匹配網絡。
3 系統軟件設計
3.1 透傳網絡控制算法設計
微處理器ATmega128L 通過射頻無線收發芯片CC1100E，把暫存的各參數數據發送到遠程接收端，如圖4所示。首先微處理器ATmega128L通過透傳算法控制射頻發射芯片CC1100E發送信號校檢標志碼。這個過程的目的是給遠程端射頻無線收發芯片發送符合該透傳自組傳感網絡的通信匹配標志，以判斷是否為本通信所需的無線數據包。
ATmega128L 通過CC1100E 連續發送校檢標志碼0X55 和0XAA 共2 個字節，供遠端芯片查詢確認。其次，ATmega128L 通過CC1100E 發送校檢結束標志碼0X88 和0XFE，表示校檢標志發送結束。然后，發送數據包長度信息Length，告訴接收端芯片本次數據包發送的長度。最后，ATmega128L從發送端的緩存中發送長度為Length的數據包。
微處理器ATmega128L 通過射頻無線收發芯片CC1100E，把遠程端發送來的數據接收到本地芯片緩存。如圖5所示。當ATmega128L通過CC1100E收到上升沿校驗標準碼時，說明有數據傳來，立即喚醒轉入接收模式。
接收模式時，如果接收到的0X55 和0XAA 字節數小于6，則說明此時通信與該自組傳感網絡不匹配，本次通信結束，進入待機睡眠狀態；如果連續接收到0X55和0XAA，并且接收到的字節數大于等于6，則說明通信與該自組傳感網絡匹配，隨后的信號將是本地芯片所需要的無線信號。如果接收到0X88和0XFE，則表明校檢標志接收完畢，等待下面的信號，如果一直沒有接收到校驗標志碼0X88和0XFE，則表明本次通信失敗，通信結束。當接收到0X88和0XFE之后緊接著接收到的為數據包長度信息Length，由此判定數據包的長度。最后一步，接收緊接著的長度為Length的數據包，并且存入接收端緩存。完成本次數據的接收。
3.2 監測終端軟件設計
如圖6所示，首先對液晶屏和單片機中的寄存器初始化，寄存器包括A/D 轉換寄存器，定時器0 中斷寄存器和定時器2寄存器。
將A/D 轉化寄存器中的輸入信號經過A/D 轉換函數后再經過定時器中斷函數，系統根據這個信號來判斷所測區域各環境參數的濃度和是否發出警報，如果發出警報，那么ATmega128L的PWM端口決定了蜂鳴器的頻率，如果不發出警報，那么各參數濃度數據就直接顯示在LCD 屏上。整個系統是一直運行的，當輸入的信號發生改變，那么LCD 上的環境參數濃度值也會發生相應的改變。取值頻率設置為30 ms取一次值，由定時器中斷函數來實現控制。
3.3 上位機軟件設計
為了清晰地觀察室內各環境參數的變化情況，使用LabView設計了上位機。上位機部分程序如圖7所示。
4 實驗數據及分析
4.1 實驗結果及分析
在對終端機進行測試時，在400 m 距離范圍內，對5 間不同房間的溫度和甲醛含量進行了測試，其中0xf1為封閉的實驗室，0xf2為封閉的教室，0xf3為封閉宿舍，0xf4為通風教室，0xf5為通風宿舍。測試結果如表1所示。如表1 所示，在密閉狀態下，所監測房屋0xf1 一天的甲醛濃度都維持在0.06~0.08 ppm，遠超過國家室內甲醛濃度標準。教室、實驗室、宿舍等場所由于長時間不通風，室內甲醛的濃度會比較高，人們長期生活在這種環境下，會對身體造成嚴重的傷害。系統采集到的溫度數據，與標準溫度誤差范圍均在3%以下。
4.2 透傳傳感網絡性能分析
通過對透傳模塊的測試，系統穩定工作時，每5 s需通信轉發心跳幀一次，空中每幀數據都會轉發一次，最多支持240 字節長度數據包。當空中波特率固定為9 600 b/s通信距離為400 m平原條件時，通信誤碼率為10-3~10-4。透傳數據在傳輸過程中會存在一定延時，適用于傳輸距離遠且對實時性要求不高的場合。
系統模塊在正常工作模式下，通過控制SLP管腳電平，可以使系統進入休眠狀態，當SLP管腳接收到下降沿信號時，模塊進入休眠模式。處于休眠模式時，模塊的工作電流小于5 μA。模塊進入休眠模式后，RST腳輸入一個低電平信號（>1 ms）可以使模塊退出休眠模式，進入正常工作狀態。
5 結語
本文提出的無線通信透傳算法，透過無線通信把傳統的無線傳感網絡當作有線通信使用，工作時無需任何用戶協議，即可實現數據的透明傳輸，自動路由?？梢宰詣犹l抗干擾，自動路由數據，網絡結構中不需單獨的路由器或中繼器，穿透障礙物能力強，極大地降低了終端芯片的資源利用率和無線傳感網絡硬件成本。環境采集終端機，續航能力強，各傳感器靈敏度高，采集到的各參數與實際誤差相差極小。樣品機實物圖如圖8所示。
當數據速率提高時，系統通信的誤碼率會增加，如需進一步提高透傳模塊的性能?？刹捎靡韵录夹g來提高通信可靠性[8?10]。在物理層，模塊采用差分曼徹斯特編碼技術發送數據，從而保證通信中的同步問題。
在數據鏈路層，使用循環冗余編碼進行數據幀校驗，用以保證數據到達用戶應用層以后的可靠性。
注：本文通訊作者為吳迪。
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作者簡介：于洪濤（1993—），男，江蘇徐州人。主要研究方向為光電應用技術。
吳迪（1980—），男，江蘇徐州人，博士，講師。主要研究方向為儀器儀表與自動化檢測技術。
無線環境監測范文第4篇
摘 要：根據無線通信技術低功耗、低成本和動態性的優點，研究基于無線傳感網的井場環境監測系統，對井場環境進行監測，防止井下事故的發生。系統的硬件由終端、路由器、協調器、上位機四部分組成，主要針對井場環境監控困難、環境復雜、事故易發的情況。該系統軟件的基本思想是：先初始化系統，然后啟動A/D轉換，將采集到的數據送給CC2530進行存儲、數據處理，最后利用CC2530的RF收發器對數據進行發送。該系統采用無線ZigBee技術作為傳輸方式，同時結合了虛擬儀器技術，對上位機界面進行了設計。系統測試過程穩定，結果可靠，同時抗干擾能力較強且可以應用于多種戶外環境參數的采集與監測。
關鍵詞：井場環境監測；無線通信技術；ZigBee；數據采集
項目資助：本研究受油氣消防四川省重點實驗室開放基金項目（No. YQXF201602），2016國家級級大學生創新創業訓練計劃項目 （項目號：201610615030）資助。
1引言
隨著能源危機的到來，對石油資源的長期、安全、高效開采，已成為大家研究的話題。井場環境條件惡劣，危險性高，需要監控參數多。由于對相關參數的控制不及時而造成的一些或大或小的事故，造成這些事故的原因除了所處地質的本身條件外，很多時候都是由于對采油參數的控制不及時而造成的。進入21世紀，他們不僅使用無線通信技術來對井場環境進行監測，而且在鉆井技術方面也實現了自動化。但是在井場環境中有線方式在一些應用中存在一定局限性，如需經過強腐蝕地段等。因此無線通信技術得到高度重視。無線通信技術具有低功耗、低成本和動態性等優點[1]。它們能夠很好的應用到環境無線監測，因此，研究基于無線傳感網的井場環境監測系統具有十分重要的作用和意義。
2 井場環境無線監測系統的硬件設計
2.1 系統硬件的設計框架
本系統采用固定端采集模式，分為終端、路由器、協調器、上位機四部分。在網絡中，傳感器節點分布在井場內的各個地方，根據網絡的覆蓋性以及實際井場的面積，計算出總共需要多少個傳感器節點。[2]這些傳感器節點對井場環境的溫濕度、光照強度以及各種有害氣體進行實時采集。當協調器上電時，開始對網絡進行建立，然后通過ZigBee的方式與傳感器節點進行無線連接。系統組成如圖1所示：
2.2 網絡節點的硬件設計
2.2.1 網絡節點整體設計
該設計針對的是井場環境參數的監測，井場環境一般較惡劣，需要采集的環境參數包括可燃氣體（甲烷）、溫濕度、光強、有毒氣體硫化氫以及煙霧等等。在該設計中，整個網絡的主控芯片采用CC2530，它能很好地適應井場環境的監測。除此之外，網絡還應具有傳感器模塊、射頻模塊、電源模塊、通信串口以及天線等來滿足整個網絡數據的無線通信功能[3]。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、光電傳感器和硫化氫傳感器。傳感器與CC2530芯片都集成在同一塊PCB板子上。通信串口使用RS232。
2.2.2 傳感器電路設計
本設計研究的井場環境無線監測系統，主要是對井場的環境參數進行采集、監測，需要對網絡節點配置相應的傳感器電路。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、CH4傳感器、光電傳感器和硫化氫傳感器。
2.2.3 串口通信電路
本設計的串口通信采用串行通信。這種通信方式可以節約通信成本，但是傳輸速度比并行慢。串口通信電路就是為了使協調器與上位機相連，通過上位機對數據進行顯示。
2.2.4 其他電路
天線線路使通訊信號能從一節點通過無線方式發送至另一節點；電源轉換電路使9V直流電壓轉換電路轉換成5V直流電壓與3.3V直流電壓。
3 井場環境無線監測系統的軟件設計
3.1 單片機端軟件設計框架
單片機端軟件的基本思想是：首先對整個系統上電復位初始化，然后啟動A/D轉換，該A/D轉換器是利用CC2530的電路來實現的，利用相應的傳感器對環境參數進行采集，將采集到的數據送給CC2530進行存儲、數據處理，最后利用CC2530的RF收發器對數據進行發送，然后另外的CC2530進行接收。
3.2 上位機端軟件設計框架
計算機端軟件就是對數據進行無線接收，然后通過串口助手對其進行顯示，再利用上位機對數據進行處理、保存、報警等功能。
3.3 上位機實現
在該設計中，利用的是LabVIEW來實現的，該界面包括用戶登陸界面，串口配置界面，數據與波形顯示界面，同時還具有數據保存功能。
4系統測試
4.1 模塊測試
（1）數據采集模塊測試
由于實驗限制，本設計在測試的時候僅僅只選用了溫濕度傳感器SHT11和光電傳感器。
（2）通信模塊測試
利用兩塊CC2530模板，一個下載終端節點程序，一個下載協調器程序，并將協調器與上位機通過串口線連接。給協調器與終端節點上電，觀察兩個模塊LED顯示情況以及串口助手顯示情況。通過模塊測試，系統能夠正常工作運行。
4.2 整體測試
此時點擊文件路徑處，選擇文件保存的位置，當停止運行時，可以查看歷史數據。該圖顯示每隔1秒采集一次參數，且節點1和節點2的參數能夠很直觀的顯示，通^對歷史參數的保存，就能對其進行數據分析，發現故障。
4.3環境實測
為了驗證系統的可靠性，利用它在實驗室外進行了測試。我們先完成終端、協調器與路由器的程序下載。之后，我們布置各終端節點、協調器、路由器。再對各節點進行供電，上位機采用電腦進行代替。隨即，我們進行環境參數的采集。
測試結果表明，該系統能夠對戶外環境進行實時監測，當環境參數超過設定的值時，LabVIEW界面相應的位置就會進行報警。
5結論
本文介紹的基于ZigBee技術的井場環境無線監測系統。采用無線ZigBee技術作為傳輸方式，同時結合了虛擬儀器技術，對上位機界面進行了設計。經過現場實驗表明，該套系統測試過程穩定，結果可靠，同時抗干擾能力較強。不僅如此，本系統還可以應用于多種戶外環境參數的采集與監測。
參考文獻
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無線環境監測范文第5篇
關鍵詞：物聯網；沿海濕地；環境監測；安卓；無線傳感網
DOIDOI：10.11907/rjdk.171433
中圖分類號：TP319
文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0089-03
0 引言
濕地[1]是地球上具有多種獨特功能的生態系統，它不僅為人類提供大量食物、原料和水資源，而且在維持生態平衡、保持生物多樣性和珍稀物種資源，以及涵養水源、蓄洪防旱、降解污染、調節氣候、補充地下水、控制土壤侵蝕等方面起到重要作用。
鹽城工學院地處沿海城市江蘇鹽城。鹽城因濕地遼闊被譽為“東方濕地之都”，其市域東部擁有太平洋西海岸、亞洲大陸邊緣最大的海岸型濕地[1]，面積680多萬畝，占江蘇省灘涂總面積的7/10，全國的1/7，被列入世界重點濕地名錄。但隨著氣候變化和人類活動的影響，鹽城濕地面積不斷減少，濕地環境面臨人類活動、環境污染等多方面威脅，濕地保護和濕地環境監測刻不容緩。
近年來，物聯網[2]技術作為國家戰略性新興產業得到迅猛發展。物聯網是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，將物品與互聯網連接進行信息交換和通訊，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[3]。物聯網實現人們對物理世界更加透徹和深入的感知，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網的目標是實現物與物、物與人，所有物品與網絡連接，方便識別、管理和控制[4]。
作為物聯網關鍵技術之一的無線傳感網，可以通過無線方式自組織組網，并將感知數據上傳或下發，非常適合遠程環境監測領域[5]。本文提出利用物聯網技術解決沿海濕地環境監測問題[6]。利用物聯網技術構建濕地環境監測無線傳感網[7]，實現對大面積濕地環境的感知覆蓋[8]。感知的濕地環境數據[9]實時上傳到后臺數據中心，用戶可通過PC客戶端、手機APP[10]等方式實時查看濕地環境數據。發生異常時，可通過短信等方式向用戶報警，從而實現實時、自動化的沿海濕地環境智能監測，提高濕地環境監測效率，促進沿海濕地環境保護，實現綠色可持續發展。
1 系統架構與設計路線
基于物聯網的沿海濕地環境監測系統主要分為2個部分：即面向濕地環境監測的無線傳感器網絡、面向濕地環境數據的后臺服務器。
面向濕地監測的無線傳感器網絡，通過在沿海濕地范圍內全面部署無線傳感器節點，節點之間通過無線鏈路，并遵循Zigbee協議，自組織形成無線多跳網絡，實現對濕地環境的多參數、大范圍數據采集，并將采集的數據上傳至匯聚節點（Sink Node），匯聚節點將數據轉發給網關節點。
面向濕地環境數據的后臺服務器，負責存儲采集得到的濕地環境數據并進行簡單處理。在濕地環境數據發生異常時及時發出報警信息。用戶可通過PC或移動終端以有線、無線等方式訪問后臺服務器，查看濕地環境的實時數據和歷史數據。
網關節點一邊連接濕地環境監測無線傳感器網絡，另一邊連接因特網，作為濕地環境監測無線傳感器網絡和后臺服務器之間的橋梁，負責協議的轉換和數據轉發，將環境數據轉發至后臺服務器。
基于物聯網的沿海濕地環境監測系統架構如圖1所示。
基于物聯網的沿海濕地環境監測系統設計框架如圖2所示。
從任務需求出發，分析系統設計和開發中的關鍵問題，有針對性地提出解決方案。具體來說，在感知環境數據選擇方面，將選擇濕地環境中的空氣和水體數據，如溫濕度、光照、PM2.5、水體PH、水體濁度等參數進行采集和感知。在傳感器節點組網方面，選用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack協議棧開發傳感器節點組網程序。在服務器后臺數據庫方面，選用MySQL作為后臺數據庫，存儲采集的各種濕地環境數據。后臺服務器使用Java語言開發后臺管理件界面，并與移動端通信?；贏ndroid平臺開發移動客戶端，實現對濕地環境數據的實時監測。
系統采用自頂向下、逐步細化的模塊化方式進行研究和開發。首先進行項目的總體設計和模塊劃分，然后針對每個模塊進行設計和開發，最后進行系統聯調。模塊開發總是在前期完成模塊的基礎上，不斷將新模塊加入系統，以便于發現模塊之間的問題以及模塊設計中的缺陷，提高系統設計和開發速度。
2 監測系統設計
2.1 無線傳感器網絡設計
面向沿海濕地環境監測的無線傳感器網絡設計如圖3所示。整個傳感器網絡包括9種傳感器節點，分別是溫度傳感器節點、濕度傳感器節點、光照傳感器節點、PH傳感器節點、水體濁度傳感器節點、PM2.5傳感器節點、結露傳感器節點、氣壓傳感器節點、煙霧傳感器節點。
這9種類型的傳感器節點通過Zigbee協議實現網狀組網，并將感知的環境數據發送給協調器節點，協調器節點通過網關節點連接Internet。
2.2 后臺服務器軟件設計
后臺服務器軟件設計如圖4所示。后臺服務器軟件系統負責接收協調器節點上報的沿海濕地環境數據并進行處理：一方面利用MySQL數據庫存儲數據，另一方面按照移動端需求，通過Socket向移動端發送歷史或實時環境數據。
2.3 移動APP設計
Android客戶端系統設計如圖5所示。Android客戶端一方面接收PC端通過Socket發來的環境數據，通過動態曲線實時展現當前濕地的實時數據；另一方面，可以查詢PC端存儲的歷史數據并展現。Android客戶端還可設定報警閾值，當某項濕地環境數據發生異常時，通過短信主動報警。
3 環境監測系統實現
3.1 原型系統結構
沿海濕地環境監測原型系統部署了6個無線傳感器節點，共連接9種傳感器。無線傳感器節點通過Zigbee協議自組織連接到協調器節點。協調器節點一方面通過Zigbee協議接收其它節點發來的濕地環境數據，另一方面通過串口連接到服務器，將接收到的濕地環境數據發送給服務器。在服務器上部署后臺服務器軟件，負責濕地環境數據的存儲及與Android終端的通信。服務器和Android終端連接到同一局域網，通過Socket方式實現數據通信。
3.2 后臺服務器軟件實現
后臺服務器軟件界面如圖6所示。后臺服務器軟件使用Java Swing開發，可通過串口讀取協調器節點發送的濕地環境數據，并將其存儲到MySQL數據庫中。同時通過 “啟動服務”按鈕，為Android終端提供Socket服務，允許Android終端訪問數據庫中的實時數據和歷史數據。
3.3 Android終端軟件實現
Android終端軟件基于Android Studio開發，可運行于主流版本的Android終端上。Android終端軟件主要負責濕地環境實時數據、歷史數據的展現，以及數據異常時的報警。
Android終端實時數據展現界面如圖7所示。在該界面，點擊“連接”按鈕，軟件將通過Socket與后臺服務器建立連接，接收后臺服務器發來的濕地環境實時數據。濕地環境實時數據在二維坐標中以動態曲線方式向用戶展現。在二維圖像下有濕地環境參數相關按鈕，用戶可以點擊選擇想要查看的濕地環境參數。不同的環境數據以不同顏色的動態曲線實時展現。
Android終端歷史數據查詢界面如D8所示。在該界面上，用戶可選擇所要查詢的環境數據類型，并通過文本框輸入查詢數據的起始和終止時刻，點擊“開始查詢”按鈕后，以曲線方式展現某項環境數據在指定時間段內的變化情況。
Android終端環境數據超限閾值設置界面如圖9所示。在該界面，用戶可為每種濕地環境數據設置上限和下限值，并設定報警短信發送的目標號碼。當某項環境數據值超出設定的上限或下限后，指定手機將接收到報警短信。
4 結語
沿海濕地環境監測檢測系統利用物聯網技術，實現對沿海濕地環境9種參數的遠程實時監測。用戶可通過Android移動端APP實時查看濕地環境數據，查詢指定時間段內的濕地環境歷史數據。當相關濕地環境參數超過用戶設定的上限或下限時將收到報警短信提醒。應用該系統可提升沿海濕地環境監測的自動化和智能化水平，提高沿海濕地資源保護效率。
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