面向環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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1、面向環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)摘?要：傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法存在著成本高、非實時、難以實現(xiàn)等缺點，而新興無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有部署簡便、成本低、監(jiān)測范圍大的優(yōu)點，將其應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢。結(jié)合項目需求，設(shè)計了應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。通過試運行證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定且功耗低。關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計　隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，由隨機(jī)分布的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)WSN(Wir

2、elessSensorNetwork)[1]也取得了飛速發(fā)展。其借助節(jié)點內(nèi)置的功能多樣的傳感器來探測周圍環(huán)境的興趣因子，如溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等，在節(jié)點上對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心根據(jù)收集的信息進(jìn)行決策?！∧壳暗沫h(huán)境檢測多采用人工方式或者通過預(yù)先部署有線計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人工方式加大了工作量，而且容易對監(jiān)測區(qū)域造成環(huán)境破壞；而有線計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對一些特殊的環(huán)境具有限制，如人類無法到到達(dá)的區(qū)域，對移動目標(biāo)的定位，高溫高壓的環(huán)境等，另外，大面積的環(huán)境自然導(dǎo)致監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成本的不可控制。作為全新

3、的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將其應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測[2]具有比較明顯的優(yōu)勢，克服了人工方式及有線方式的缺點，可適用于大面積的環(huán)境監(jiān)測、移動目標(biāo)跟蹤、高溫高壓等特殊環(huán)境。1傳感器網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議設(shè)計1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，由隨機(jī)分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、Sink匯聚節(jié)點和終端用戶管理組成，如圖1所示。　傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是集環(huán)境因子采集、通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪吐酚尚畔⒕S護(hù)以及數(shù)據(jù)融合處理等多功能于一體的微型化嵌入式計算設(shè)備。Sink匯聚節(jié)點匯聚全網(wǎng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合處理以及完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信協(xié)議和有線通信網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能

4、，相對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，資源限制較少，終端用戶管理由決策支持系統(tǒng)、特征數(shù)據(jù)庫、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理用戶程序等構(gòu)成，負(fù)責(zé)控制整個網(wǎng)絡(luò)。1.2通信協(xié)議設(shè)計　IEEE802.15.4/ZigBee[3]是面向短距離自動控制領(lǐng)域設(shè)計的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有復(fù)雜度低、實現(xiàn)成本低、收發(fā)信號設(shè)備功耗低等特點，和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)相符，其工作在868/915MHz和2.4GHz兩個頻段，2.4GHz頻段是全球統(tǒng)一的、不需申請的免費頻道，目前，TI、Freescale和CompXs等芯片廠商都推出支持IEEE802.15.4的通信芯片，為了降低成本，本設(shè)計

5、中采用了2.4GHz的無線RF模塊。2環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計　根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用場景，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計為3個部分，環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示?！…h(huán)境因子數(shù)據(jù)采集部分主要由部署在檢測任務(wù)區(qū)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是低功耗、低成本的微型化嵌入式計算設(shè)備，通過內(nèi)置在節(jié)點設(shè)備上的功能多樣的傳感器完成諸如大氣、水質(zhì)、溫濕度等環(huán)境興趣因子的采集，并完成數(shù)據(jù)融合處理。　數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)完成將采集到的有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆u測預(yù)警系統(tǒng)，可以采用有線計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者是無線通信網(wǎng)絡(luò)，如果采用有線計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以將由數(shù)據(jù)

6、采集部分采集到的數(shù)據(jù)在Sink節(jié)點進(jìn)行融合處理后進(jìn)行傳輸，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在節(jié)點上進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理。評測預(yù)警系統(tǒng)對接收到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)警處理。將采集到的信息與特征信息數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行對比匹配，調(diào)用相應(yīng)的預(yù)警控制規(guī)則，完成系統(tǒng)的預(yù)警功能和控制功能。3傳感節(jié)點設(shè)計3.1傳感節(jié)點硬件設(shè)計3.1.1設(shè)計思路　根據(jù)環(huán)境監(jiān)測功能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是具有計算、存儲、感知、通信功能的微型化嵌入式設(shè)備，通常分布在監(jiān)測任務(wù)區(qū)，要求自身攜帶電源供電。所以傳感器節(jié)點硬件設(shè)計采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)[5]。??　控制模塊：傳感器節(jié)點設(shè)備中的CPU，完成指令的運

7、行?！〈鎯δK：軟件系統(tǒng)代碼映像的存儲和采集到的數(shù)據(jù)存儲，通常包括片內(nèi)Flash、RAM和擴(kuò)展的片外Flash。電源管理模塊：選用低功耗的電源管理芯片對傳感器節(jié)點自身攜帶的微型電源進(jìn)行動態(tài)控制和對傳感器節(jié)點各個部分供電?！鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用中，需采集不同形式的環(huán)境興趣因子，需要不同功能的傳感器，為增強(qiáng)傳感器節(jié)點擴(kuò)展性，本設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)通用性傳感器采集板提供了傳感器采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口。　網(wǎng)絡(luò)通信模塊：節(jié)點支持有線和無線兩種通信方式。有線的通信采用以太網(wǎng)芯片，無線的通信采用IEEE802.11.4通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)芯片?！〈诮?/p>

8、口：傳感器節(jié)點板提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，用于對傳感器節(jié)點的在線編程和調(diào)試。3.1.2部件選型及其電路連接　本設(shè)計采用了T