王松濤

（雅安市環(huán)境監(jiān)測中心站四川雅安625000）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王松濤

（雅安市環(huán)境監(jiān)測中心站四川雅安625000）

隨著信息化進程的不斷推進，信息技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中也越來越重視信息技術(shù)的應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要支撐，它通過綜合運用傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)和嵌入式計算技術(shù)等，實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的監(jiān)測，它監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為農(nóng)作物生長環(huán)境的改善作出了重要貢獻。本文主要分析了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢特點，設(shè)計了一種適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的信息采集系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測；傳感器節(jié)點

信息化的高速發(fā)展，讓我國經(jīng)濟社會等各領(lǐng)域進入了新的發(fā)展階段，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明，被應(yīng)用到軍事、醫(yī)療、環(huán)境、建筑等多個領(lǐng)域，它改變了傳統(tǒng)的發(fā)展模式，這種新技術(shù)的應(yīng)用為我國經(jīng)濟發(fā)展和社會進步創(chuàng)造了巨大財富。深度掌握無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)結(jié)構(gòu)，更好的靈活掌握，設(shè)計出適用于農(nóng)業(yè)發(fā)展中環(huán)境監(jiān)測的信息采集系統(tǒng)，促進農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 軍事領(lǐng)域

無線傳感網(wǎng)絡(luò)最早應(yīng)用于美國軍事作戰(zhàn)中，美國軍方設(shè)計的NSOF系統(tǒng)，實現(xiàn)了在復(fù)雜的環(huán)境中，能夠迅速收集偵查區(qū)域的情報信息，然后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到總戰(zhàn)術(shù)指揮網(wǎng)絡(luò)區(qū)。與傳統(tǒng)的獨立衛(wèi)星及地面雷達系統(tǒng)不同，它的優(yōu)勢更突出：（1）大大提高了信噪比，主要是該系統(tǒng)的分布節(jié)點多角度采集信息，是其特有的；（2）傳感系統(tǒng)與需要探測目標(biāo)的距離近，可以避免遠距離傳輸環(huán)境噪聲對系統(tǒng)的干擾。

1.2 環(huán)境監(jiān)測

當(dāng)代社會，人們生活質(zhì)量逐步提高，對于環(huán)境的關(guān)注日益增多，環(huán)境監(jiān)測越來越科學(xué)化。起初，在自然環(huán)境中，原始數(shù)據(jù)的采集十分困難，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境工作者的野外考察提供了方便，環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有輕便性、廣分布性等優(yōu)勢，只要在既定范圍內(nèi)安裝了節(jié)點，就可以觀察到環(huán)境因素的變化情況，如果在火山、冰川、森林等自然區(qū)域安裝環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，將會為避免自然災(zāi)害等情況的發(fā)生發(fā)揮巨大的作用。

1.3 醫(yī)療健康

隨著醫(yī)療服務(wù)水平的逐步提高，互聯(lián)網(wǎng)也越來越多的應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域中，為人們的健康監(jiān)測提供了方便。遠程健康監(jiān)測就是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的功能，醫(yī)生通過發(fā)放一些具有監(jiān)測血壓脈搏、體溫等功能的微型無線傳感器給患者，變通過設(shè)計好的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，便能實時監(jiān)測患者的健康狀況，對于患有冠心病、腦溢血等高危病人非常實用。

1.4 建筑及城市管理

1.4.1 在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

由于現(xiàn)代建筑的特點，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)的布置，監(jiān)測點能夠隨時掌握建筑物內(nèi)的溫度、壓力、聲音、安全等各種指標(biāo)和環(huán)境狀況，當(dāng)異常出現(xiàn)時，能夠迅速采取應(yīng)急措施，有效避免了對于人們財產(chǎn)生命安全的事故的發(fā)生。而智能家居的發(fā)明，便是通過無線傳感器的應(yīng)用，隨時可以監(jiān)測到室內(nèi)的溫度、濕度等指標(biāo)，而且對空調(diào)、家電、門窗可以進行自動控制，為人們創(chuàng)造了智能、舒適、方便的居住環(huán)境。

1.4.2 在城市管理中的應(yīng)用

隨著大城市病的到來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在交通中的深度應(yīng)用，為人們的出行提供了方便。通過智能交通平臺的搭建，為出行者避免高峰階段出行及城市管理機構(gòu)的工作提供了信息服務(wù)，及時掌握了道路信息。而且，有效制止了違法犯罪行為的出現(xiàn)，為維護城市安定做出了重要貢獻。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究起步早，尤其是美國、歐洲、日本等發(fā)達國家更為關(guān)注，從21世紀(jì)開始，這些發(fā)達國家花費了大量的精力致力于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中，引領(lǐng)了全球信息技術(shù)的飛躍發(fā)展。

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)的研究現(xiàn)狀

無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)功能強大，主要歸功與路由、定位、同步、安全、網(wǎng)管、節(jié)能等技術(shù)的支撐，從而實現(xiàn)了對于各個領(lǐng)域的監(jiān)控功能。

2.1.1 定位。在不同的限制條件下，主要基于測距和非測距兩種方法，而常用的測距技術(shù)有信號強度、到達時間差等，非測距算法主要有質(zhì)心算法及DV-Hop算法。

2.1.2 路由。經(jīng)過研究人員的長期鉆研，提出了許多精確的算法，主要有平面路由協(xié)議、層次路由協(xié)議及位置路由協(xié)議這三類。

2.1.3 同步。要實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的同步范圍、精度，主要有RBS算法、TPSN算法、FTSP算法。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)管理。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的管理至關(guān)重要，更是行業(yè)研究的重點，主要包含能量管理、安全管理和數(shù)據(jù)管理。

2.2 傳感器節(jié)點的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.2.1 國外主要節(jié)點設(shè)備現(xiàn)狀分析

一種具有光通信能力的自治傳感器節(jié)點是美國重點支持的項目，即是Smart dust，最大的特點是體積小、重量輕，因此，該節(jié)點附著在其他物體上十分容易，甚至可以實現(xiàn)在大氣中浮動。而TMote SKY節(jié)點作為加州大學(xué)伯克利分校對于火山監(jiān)測研制出的產(chǎn)品，實現(xiàn)了對活動火山運動情況、周邊環(huán)境突發(fā)狀況的掌握。

2.2.2 國內(nèi)節(jié)點設(shè)備技術(shù)分析

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開發(fā)了一種通用的、低成本、低能耗的傳感器節(jié)點；華中科技大學(xué)構(gòu)建了一套芯片節(jié)點，但相對功耗較大并不實用；浙江大學(xué)現(xiàn)代控制工程研究所為從事面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究及理論知識方面的研究，專門成立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實驗室，重視程度之高。盡管我國高校及科研院所都致力于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究，但相比于其他發(fā)達國家來說，研究深度及投入的科研力量都比較落后，擁有的自主知識產(chǎn)權(quán)較少，創(chuàng)新能力不足。

2.3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最為典型的應(yīng)用就是美國學(xué)者在2004年將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)放置在葡萄園中，通過與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專家一起研究，將信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)深度融合，準(zhǔn)確分析了葡萄生長的溫度、濕度和病蟲害等影響因素，大大提高了葡萄的成熟品質(zhì)。國內(nèi)學(xué)者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)于2007年應(yīng)用到了西雙版納的自然保護區(qū)內(nèi)，不僅對自然保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息可以隨時監(jiān)測，而且發(fā)現(xiàn)了許多動物的生活習(xí)性及新的動物品種，對于保護區(qū)自然災(zāi)害的預(yù)警工作也提供了重要支持。

3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

環(huán)境監(jiān)測主要通過使用由大量互聯(lián)的微型傳感器節(jié)點組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)對環(huán)境不間斷的高精度數(shù)據(jù)搜集。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要按照低成本、低功耗、實時性、精度高、穩(wěn)定性的原則來設(shè)計。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測的需求，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計主要由傳感器節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、及監(jiān)控終端構(gòu)成。在系統(tǒng)運行過程中，監(jiān)測區(qū)域安裝的傳感器節(jié)點可以將溫度和濕度的數(shù)據(jù)進行采集，然后經(jīng)過信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器匯集后，通過監(jiān)控終端進行一系列的分析、整理和存儲，從而完成了對溫度、濕度等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。如下圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

環(huán)境溫濕度采集系統(tǒng)的工作流程包括以下幾個環(huán)節(jié)：（1）在安裝傳感器節(jié)點后，啟動電源開關(guān)，輸入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的指令即可工作；（2）各個傳感器節(jié)點接受命令。（3）節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和監(jiān)控設(shè)備。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作流程如圖2所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作流程

3.2 環(huán)境監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測的傳感器節(jié)點應(yīng)具有體積小、精度高、生命周期長的特點，這樣在獲得周圍環(huán)境的確切參數(shù)、抵抗監(jiān)測環(huán)境的復(fù)雜性及延長傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的有效時間等方面才能滿足需求，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的價值作用。

3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的每一個傳感器節(jié)點都具有收集、處理數(shù)據(jù)及無線通信的功能，而每個節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個部分組成。它的設(shè)計原則主要考慮低功耗、優(yōu)化射頻性能、微型化、可擴展性。在設(shè)計中，我們掌握了設(shè)計的基本原則及結(jié)構(gòu)特點，但應(yīng)更加注重設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題，主要有幾點：（1）相關(guān)聯(lián)的器件盡可能靠近一些，可以使抗噪聲的效果更好；（2）在布置電路時，應(yīng)注意將出現(xiàn)端附近放置高速運轉(zhuǎn)的器件，稍遠處放置低速電路和存儲器等，可以有效降低輻射等；（3）應(yīng)充分考慮器件的散熱問題，所以在放置容易發(fā)熱的器件時盡量考慮布置在易通風(fēng)散熱的位置；（4）對于噪聲大的器件，應(yīng)保證大電流電路盡量遠離計算機邏輯電路。

4 結(jié)語

本文主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、環(huán)境監(jiān)測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，進而對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要點、原則、工作流程及數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M行了深入分析，系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了對環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集功能。然而，在以后的研究中，應(yīng)進一步加強對于環(huán)境和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域監(jiān)測參數(shù)的多功能系統(tǒng)探討，如氣體含量傳感器、光照強度傳感器，而節(jié)點接口設(shè)計對于不同類型傳感器的匹配也需要改進；同時，進一步增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合監(jiān)測環(huán)境的特點，做好防水、防潮、防腐蝕等各項保障工作?？傊?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，在農(nóng)業(yè)高度受到重視的今天，借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對農(nóng)作物生長的實時監(jiān)測，以保證農(nóng)業(yè)的持續(xù)進步，讓我國的糧食大國地位進一步夯實，對于國家的經(jīng)濟發(fā)展和人們的幸福生活具有重要的意義。

[1]王雪.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng).北京:機械工業(yè)出版社,2007,1-46,307-324.

[2]張在深,余旭濤,畢光國.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實現(xiàn).中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,36(5):626-629.

[3]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).北京:清華大學(xué)出版社, 2005，89-90,259-274，409-413.

王松濤（1982—），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測。