無線環(huán)境監(jiān)測(cè)大全11篇

緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對(duì)學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的11篇無線環(huán)境監(jiān)測(cè)范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

篇（1）

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）07-0192-01

1 方案設(shè)計(jì)與論證

1.1 無線收發(fā)模塊

（1）方案比較：方案一：采用編解碼集成電路PT2262/2272，其為CMOS工藝制造，具有低功耗、外部元器件少，工作電壓范圍寬：2.6～15v等特點(diǎn)，應(yīng)用于車輛防盜系統(tǒng)、家庭防盜系統(tǒng)、遙控玩具、其他電器遙控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率傳輸器、單片無線收發(fā)芯片XE1209，其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)2次連續(xù)相位頻率位移鍵控調(diào)制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的單片射頻收發(fā)芯片TH7122作為主要芯片，其工作頻率范圍在27MHz～930MHz，具有很寬的調(diào)諧范圍。可以工作在4種不同的狀態(tài)下：待機(jī)狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)。（2）方案確定：綜合分析以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案三具有更大的優(yōu)越性、靈活性，因此我們采用方案三作為具體實(shí)施的方案。

1.2 處理器比較與選擇

由于本系統(tǒng)中的兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)采用兩節(jié)1.5V干電池供電，并要求盡量降低各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗，因此采用一般的C51單片機(jī)并不滿足要求。而ARM微控制器STM32系列雖然具有豐富的資源、強(qiáng)大的功能與低功耗等特點(diǎn)，但是其性價(jià)比相對(duì)來說比較高，整機(jī)電路也比較復(fù)雜，故也不選取。因此在保證滿足要求的前提下，我們選擇了適合于許多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，大大減少了元件的數(shù)目并降低系統(tǒng)的成本。

1.3 顯示器比較與選擇

（1）方案比較。方案一：采用DM-162液晶顯示模塊，具有低功耗、模塊結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、裝配容易等特點(diǎn)，但是其界面比較小，不能達(dá)到比較好顯示的效果。方案二：采用漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊RT12864M，可顯示的內(nèi)容非常豐富，但是其功耗相對(duì)高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手機(jī)液晶，其驅(qū)動(dòng)采用低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動(dòng)器PCD8544，所有的顯示功能集成在一塊芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案確定。綜合以上分析，從功耗與性價(jià)比的角度來考慮，我們選擇方案三作為顯示模塊。（3）信道調(diào)制方式。由于無線收發(fā)芯片已經(jīng)確定使用了單片射頻收發(fā)芯片TH7122，其在發(fā)射模式下產(chǎn)生載波頻率，可以采用FSK/ASK/FM三種調(diào)制方式，但是在本系統(tǒng)中我們固定了載波頻率為27MHz，再綜合這三種調(diào)制方式的特點(diǎn)，另外FSK對(duì)鑒頻器的參數(shù)非常高，對(duì)調(diào)試不是很方便，因此在這里采用ASK調(diào)制方式作為具體實(shí)現(xiàn)的方案。（4）總體方案根據(jù)以上分析與論證，我們確定了總體設(shè)計(jì)方案：監(jiān)測(cè)終端硬件以P89LPC922為主控制器，以液晶5110、無線收發(fā)模塊為受控模塊。探測(cè)點(diǎn)也以P89LPC922為主控制器，以無線收發(fā)模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。（如圖1）

2 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)試儀器及設(shè)備

（1）UT30D數(shù)字萬(wàn)用表。（2）SS-7802 20M數(shù)字示波器。

2.2 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)

（1）測(cè)試方法。1）分模塊進(jìn)行測(cè)試：對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的光照檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證它是否能正常工作；對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證它是否能正常工作；對(duì)無線通信模塊進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證是否能正常通信。2）保證各模塊正常工作之后，再進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。（2）數(shù)據(jù)記錄。直接對(duì)單個(gè)光敏電阻進(jìn)行光照變化時(shí)的阻值測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)如下：（如表1）

2.3 數(shù)據(jù)分析

以上對(duì)光敏電阻阻值的測(cè)量，由于光敏電阻本身的特性與操作方法的原因，所記錄的數(shù)據(jù)只是針對(duì)于某個(gè)特定情況之下，其實(shí)光敏電阻的阻值是隨光照強(qiáng)度的變化而變化的。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發(fā)芯片TH7122、低耗電數(shù)字溫度傳感器TMP102等構(gòu)成，很好地實(shí)現(xiàn)了外部環(huán)境的監(jiān)測(cè)：光照與溫度，并且性能比較好。很有市場(chǎng)前途。

參考文獻(xiàn)

篇（2）

目前，信息化、網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)不斷提高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行融合，使其功能更加完備，同時(shí)讓其優(yōu)點(diǎn)更加突出。文中將對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的概況進(jìn)行闡述，并對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行具體的研究，旨在提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的概況

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：其一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本低，其網(wǎng)絡(luò)具有自組性，成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的網(wǎng)絡(luò)布置。其二，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能更高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用過程中，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)可以通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳送，在保證其成本的同時(shí)，還能夠保證其功耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了其性能的提升。其三，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、抗毀性增強(qiáng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用過程中，將面對(duì)各種復(fù)雜的情況，其網(wǎng)絡(luò)將滿足不同的需求。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的現(xiàn)狀

目前，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)也在不斷提高，通過對(duì)其研究，發(fā)現(xiàn)其發(fā)展速度是驚人的，其技術(shù)不斷應(yīng)用到實(shí)際工作中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的作用愈加顯著。但在我國(guó)的許多部門還未能對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的應(yīng)用，主要是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新鮮事物被人們接受需要一定的時(shí)間，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)還沒有被及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，且對(duì)其學(xué)習(xí)、掌握的程度普遍偏低；同時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)還有待進(jìn)一步提高，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)還需要深入研究。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如：微電子技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)等，對(duì)這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確定、真實(shí)性，通過監(jiān)測(cè)、感知、采集各種環(huán)境中的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，再通過無線方式進(jìn)行傳送。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成主要有以下幾方面：傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、外部網(wǎng)絡(luò)與用戶界面。無線傳感器的節(jié)點(diǎn)設(shè)置在感知區(qū)域范圍內(nèi)，通過自組方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并將采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，在傳遞過程中其數(shù)據(jù)將被節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過匯聚節(jié)點(diǎn)，通過外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一處理。

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有著特殊的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：第一，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大。在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)將設(shè)置大量的節(jié)點(diǎn)，對(duì)其環(huán)境能夠進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，并且傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置十分密集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)范圍信息的準(zhǔn)確獲取，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。第二，網(wǎng)絡(luò)的自組織。傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過程中，其節(jié)點(diǎn)將設(shè)置在不固定的地方，讓其進(jìn)行自組，具有較強(qiáng)的自組織能力，同時(shí)將形成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。第三，網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性、可靠性。傳感器網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性、可靠性，對(duì)變化的環(huán)境具有良好的適應(yīng)力，其傳感器網(wǎng)絡(luò)具有移動(dòng)性，能夠適時(shí)加入新的節(jié)點(diǎn)。

在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)傳感器感知監(jiān)測(cè)環(huán)境的信息，對(duì)其信息進(jìn)行處理，無線收發(fā)模塊將信息通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，轉(zhuǎn)發(fā)到基站交換機(jī)，通過串口轉(zhuǎn)給主機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境的監(jiān)測(cè)。其中節(jié)點(diǎn)的設(shè)置要根據(jù)井下監(jiān)測(cè)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)、合理的安排，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境全面的、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，才能掌握井下的環(huán)境信息。節(jié)點(diǎn)通過自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可以采用平面結(jié)構(gòu)與分層結(jié)構(gòu)。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器的節(jié)點(diǎn)普遍是微型嵌入式系統(tǒng)，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的保證，其質(zhì)量直接影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，同時(shí)節(jié)點(diǎn)具備兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端與路由器的功能，不僅可以對(duì)本地信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還可以對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。匯聚節(jié)點(diǎn)的功能相對(duì)較弱，對(duì)信息處理、存儲(chǔ)與通信，要通過外部網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)，并將數(shù)據(jù)傳遞到外部網(wǎng)絡(luò)。

在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，其傳感器的節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，要考慮其溫濕度傳感器、光傳感器、瓦斯傳感器及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，才能適應(yīng)井下環(huán)境監(jiān)測(cè)。

2.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是重要的，網(wǎng)關(guān)是連接無線傳感器與外部網(wǎng)絡(luò)的通道，將傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)程服務(wù)器，同時(shí)網(wǎng)關(guān)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的任務(wù)。對(duì)于井下環(huán)境監(jiān)控，其網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)可以考慮采用三星的處理器，其電源供應(yīng)可以考慮外部電力。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要涉及兩方面，即節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序與上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)。井下環(huán)境監(jiān)測(cè)可以采用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的使用將提高模塊的效率，并支持多跳通信的傳感器應(yīng)用程序組件機(jī)構(gòu)；傳感器節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)被喚醒后，將進(jìn)行信息的采集、傳遞等任務(wù)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)下時(shí)，無線模塊將處于低電流的接受狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)定時(shí)傳遞數(shù)據(jù)的功能。

3 總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新興的技術(shù)，其發(fā)展是迅速的，并具備一定的優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)其應(yīng)用，將提高對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。文中對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下監(jiān)測(cè)應(yīng)用的概況進(jìn)行了分析，并闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]鞏傳捷，李玉良，金巍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2012，12（03）：50-51.

[2]馬德新，徐鵬民，許金普等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].行業(yè)資訊，2013（12）：81-82.

[3]劉佳，薛文，何堅(jiān)強(qiáng)等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，5（03）：63-65.

作者簡(jiǎn)介

篇（3）

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)日益重視，研究新型技術(shù)保證煤礦安全生產(chǎn)成為關(guān)注熱點(diǎn)。礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采掘巷道采用有線傳輸方式存在的局限性一是采掘過程中巷道結(jié)構(gòu)不斷變化導(dǎo)致線纜同步延伸麻煩、成本高[1]，二是對(duì)移動(dòng)機(jī)械設(shè)備和一些特殊角落難以布置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)礦井全方位監(jiān)測(cè)[2]。由于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及在井下布置情況如（圖1）所示，它分為井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485總線。因?yàn)榈V井主巷道服務(wù)年限長(zhǎng)，環(huán)境較好，采用有線方式不易損壞且長(zhǎng)期不用移動(dòng)。

采掘巷道采用zigbee無線通信方式，Zigbee采用網(wǎng)型組網(wǎng)方式，里面有三種類型節(jié)點(diǎn)。

（1）協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)連接到主巷道的RS-485總線接口上，它負(fù)責(zé)上位機(jī)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)必須依次在巷道里面較為固定位置布置從而保證巷道里面任何位置都有路由節(jié)點(diǎn)對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行路由中轉(zhuǎn)。

（3）終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)可布置在移動(dòng)機(jī)械設(shè)備上，或布置在一些會(huì)隨時(shí)移動(dòng)布置位置的特殊位置。

Zigbee節(jié)點(diǎn)間傳輸距離可達(dá)10-100m，如果增大發(fā)射功率后可達(dá)1-3km以上，由于zigbee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)型結(jié)構(gòu)可通過路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息的多級(jí)跳轉(zhuǎn)，因而能夠達(dá)到采掘巷道一般網(wǎng)絡(luò)傳輸距離不小于10km的要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，沿坑道每隔一定距離（50-500米）在坑道頂部設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)（采用電池或其他電源供電），環(huán)境條件比較好的地方可以距離放得遠(yuǎn)一點(diǎn)環(huán)境條件比較惡劣的地方可以距離放得近一點(diǎn)，同時(shí)在其他需要定位的地方也設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，比如巷道拐彎處或者危險(xiǎn)區(qū)域，巷道分支處應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)。注意保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在它前面和后面都至少能與兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這樣當(dāng)任意1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可跳過這個(gè)節(jié)點(diǎn)與下1個(gè)節(jié)點(diǎn)直接通信，即避免單線聯(lián)系從而保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

采掘巷道本身是一個(gè)回路，可以將zigbee網(wǎng)絡(luò)的兩端都連接到RS-485總線上形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)采掘巷道內(nèi)某個(gè)地方出現(xiàn)塌方等事故時(shí)后面的zigbee節(jié)點(diǎn)可從另一端將采集數(shù)據(jù)傳輸給RS-485總線。

2.2 井上部分

上位機(jī)通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上，采用LabView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和顯示。

3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

掛接在RS-485總線上的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如（圖2）所示，其它監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)沒有RS-485驅(qū)動(dòng)器模塊。

4 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類型都設(shè)為網(wǎng)狀網(wǎng)，發(fā)送模式都設(shè)為主從模式，數(shù)據(jù)源址輸出都設(shè)為不輸出。

4.2 Modbus協(xié)議格式

由于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量較大，因而本系統(tǒng)通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議的RTU模式。主機(jī)發(fā)送的查詢指令、從機(jī)返回的正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀和異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式分別如（表1、2）和（表3）所示。

查詢指令的功能代碼為在用戶定義區(qū)域中自定義的一個(gè)，這里設(shè)置為0x60，表示查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各端口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)指的是欲查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地址。

正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)為5路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的功能代碼為在查詢指令里的功能代碼基礎(chǔ)上，對(duì)其最高位置1，即將0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示異常響應(yīng)，因而不需要帶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程可以把這些節(jié)點(diǎn)分為三類：第一類是通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上的上位機(jī)，作為主機(jī)；第二類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為從機(jī)；第三類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行信息路由時(shí)是由ZigBee模塊自動(dòng)完成的，不需要STM32參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因而這兩種節(jié)點(diǎn)的STM32功能實(shí)現(xiàn)過程相同。下面是這三類節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程。

（1）主機(jī)。主機(jī)采用輪詢的方式依次發(fā)送查詢指令給各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)并接收、存儲(chǔ)、顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖3）。

（2）從機(jī)。從機(jī)主要起兩個(gè)功能，一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)的查詢指令給對(duì)應(yīng)地址的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的返回?cái)?shù)據(jù)幀給主機(jī)。數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束為3.5個(gè)字符時(shí)間，波特率設(shè)為9600，計(jì)算確定該時(shí)間可取5ms。從機(jī)設(shè)定一個(gè)變量值time_5ms為定時(shí)時(shí)間是否到標(biāo)志，如果定時(shí)5ms到則置1，否則為0。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)5ms到了表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀接收完成然后執(zhí)行查詢指令，基于中斷處理要短的原則，在中斷處理里將time_5ms置1并停止定時(shí)器定時(shí)，將接收數(shù)據(jù)幀數(shù)組指針指到最前面，將監(jiān)測(cè)環(huán)境信息或轉(zhuǎn)發(fā)查詢指令標(biāo)志置1，然后在主程序里循環(huán)判斷標(biāo)志位執(zhí)行相應(yīng)操作。

（3）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與從機(jī)通信不需進(jìn)行Modbus協(xié)議CRC校驗(yàn)（ZigBee協(xié)議內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行CRC校驗(yàn)了），但仍采用其數(shù)據(jù)幀格式使得從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不需對(duì)數(shù)據(jù)幀處理（如圖4、圖5）。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，LabView顯示界面如（圖6）所示，能準(zhǔn)確可靠顯示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的五路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史變化曲線，證實(shí)了該方案可行。

參考文獻(xiàn)

[1]張嘉怡，劉建文，伍川輝.ZigBee技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008.

[2]覃磊，張杰.基于ZigBee技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007.

[3]趙鐵錘.煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)指南[M]北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.

篇（4）

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）09-0383-01

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的涵義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合運(yùn)用了多項(xiàng)技術(shù)，它是多種技術(shù)的集合體，主要包括無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及分布式信息處理技術(shù)。它可以對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并加以處理后得到準(zhǔn)確詳實(shí)信息，最終將這些信息發(fā)給有需要的人。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量靜止或移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式構(gòu)成，集傳感與驅(qū)動(dòng)控制、計(jì)算、通信能力于一身，協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息并報(bào)告給用戶。由于它成本低，采用無線通信，不需要固定網(wǎng)絡(luò)協(xié)助，所以其研究成果應(yīng)用十分廣泛。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由非常多的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們的功能并不完全相同，但是構(gòu)造大體相同，大都是由數(shù)據(jù)收集、處理、發(fā)送和電源四部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的作用是收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，或者是類頭節(jié)點(diǎn)。收據(jù)收集，即收集監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)（如濕度、溫度等），并將其傳送至遠(yuǎn)方基站或者是匯節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)，即將其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，在不經(jīng)過任何處理的情況直接傳送出去；類頭節(jié)點(diǎn)，收集屬于同一類型節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，匯總后傳送給上一層級(jí)。

系統(tǒng)基本由下面幾部分構(gòu)成：

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)。對(duì)所監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，比如溫度、濕度等，將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心。

（2）網(wǎng)關(guān)。連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至外網(wǎng)，并給下級(jí)節(jié)點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)任務(wù)。

（3）遠(yuǎn)程客戶端和PDA用戶。通過外網(wǎng)查詢監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)。

（4）監(jiān)控中心。布置任務(wù)，下達(dá)監(jiān)測(cè)命令，以及管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要是匯總分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)狀

用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，具有三個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）成本低廉，網(wǎng)絡(luò)安裝速度快；

（2）在不增加其他設(shè)備的情況下就可以完成數(shù)據(jù)的傳輸工作，這使得系統(tǒng)性能提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；

（3）網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)實(shí)，不易被毀壞，能夠滿足某些特殊需求。

關(guān)于將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，國(guó)內(nèi)的學(xué)者已經(jīng)做得很多研究，并獲得了一些研究成果。在美國(guó)是研究人員將其用于監(jiān)測(cè)島嶼的生態(tài)狀況；在我國(guó)，杭州將其用于監(jiān)測(cè)杭州西溪濕地水環(huán)境，國(guó)防科技大學(xué)將其用于環(huán)境監(jiān)測(cè)并得到了重要的研究成果。

在我國(guó)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還未得到廣泛的應(yīng)用，主要原因是，第一大部分人對(duì)其還不熟悉，不知道任何使用，它的優(yōu)勢(shì)在哪里；第二無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用中還存在一些重要問題沒有得到徹底解決，國(guó)內(nèi)關(guān)于它的研究還比較淺，加之其應(yīng)用不同地方會(huì)出現(xiàn)不同的問題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點(diǎn)等也有不同的要求。

四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

（一）礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)

對(duì)于煤礦企業(yè)而言，安全探測(cè)是十分重要的，特別是在需求量持續(xù)增長(zhǎng)的前提下，在長(zhǎng)期的開發(fā)與使用中，煤礦探測(cè)的安全問題愈發(fā)的引起了人們的重視。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持下，可以很好的實(shí)現(xiàn)低成本的探測(cè)需求，并且可以在一定程度上提高礦井作業(yè)的安全屬性。特別是Zig Bee技術(shù)的應(yīng)用與推廣，可以滿足人們對(duì)于井下監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、安全分析等綜合需求。在近年來，技術(shù)人員將Zig Bee技術(shù)進(jìn)行了細(xì)化和拓展，可以幫助人們直觀的了解到井下的作業(yè)情況，這對(duì)于安全、高效作業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了較大的支持。

（二）軍事環(huán)境監(jiān)測(cè)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和容錯(cuò)性高的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事領(lǐng)域應(yīng)用，也是軍事指揮、控制、通信、計(jì)算、情報(bào)、監(jiān)視、偵察與目標(biāo)捕獲系統(tǒng)的重要組成部分。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視，目標(biāo)定位，戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估，核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能，目前國(guó)際許多機(jī)構(gòu)的課題都是以戰(zhàn)場(chǎng)需求為背景展開的。信息技術(shù)必然是未來戰(zhàn)爭(zhēng)取勝的關(guān)鍵，目前已然有許多國(guó)家將該技術(shù)與軍事研究相結(jié)合，幫助己方及時(shí)的獲取對(duì)方的各項(xiàng)信息，從而及時(shí)的進(jìn)行戰(zhàn)略的調(diào)整。

（三）自然環(huán)境監(jiān)測(cè)

1、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

將無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境，主要需要兩部分的支持，分別是設(shè)備和相應(yīng)的程序支持。設(shè)備包括一是傳感器節(jié)點(diǎn)，主要是用于大氣技術(shù)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和收集，還有相配套的放大電路；二是Sink節(jié)點(diǎn)，用來匯總數(shù)據(jù)及向基站傳輸數(shù)據(jù)；三是服務(wù)器，這其中需要兩個(gè)服務(wù)，一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸。相應(yīng)程序也就軟件主要是由用于數(shù)據(jù)收集、處理和傳輸?shù)南嚓P(guān)模塊組成，通常有串口通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能模塊。它的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單方便、布局靈活、維護(hù)容易、成本低。

2、水環(huán)境監(jiān)測(cè)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從功能上可以將水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分成三級(jí)。第一級(jí)是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心構(gòu)造的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及測(cè)試儀構(gòu)成；第二級(jí)是Zig Bee/GPRS網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程發(fā)送，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心對(duì)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)控制命令的發(fā)送；第三級(jí)是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理分析和控制命令決策。在整個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專注于探測(cè)和收集水環(huán)境的信息；而復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等則交給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心來完成。主要包括以動(dòng)態(tài)曲線的方式實(shí)現(xiàn)傳感器信息的在線監(jiān)測(cè)和大量水質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3、地質(zhì)監(jiān)測(cè)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地質(zhì)監(jiān)測(cè)方面也有很廣泛的應(yīng)用。對(duì)于部分地質(zhì)較為特殊的區(qū)域而言，有效的地質(zhì)檢測(cè)可以很好的促進(jìn)該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如凍土環(huán)境下的交通設(shè)施建設(shè)，在人力無法實(shí)現(xiàn)的前提下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則可以很好的實(shí)現(xiàn)。尤著宏等基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的青藏鐵路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用多跳的方式將數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點(diǎn)傳輸至轉(zhuǎn)發(fā)基站上的匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。

4、其他應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在其他領(lǐng)域也同樣具有重要的應(yīng)用價(jià)值，例如在農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)方面，崔光照等針對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時(shí)性差等問題，提出了利用具有自組織特性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)溫度、土地濕度和土壤pH值等環(huán)境變量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法。該方法采用了對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，低功耗微小網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及基于拓?fù)錁涞木W(wǎng)絡(luò)初始化配置算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，節(jié)點(diǎn)能夠有效地采集和處理數(shù)據(jù)，并可以在節(jié)點(diǎn)間成功地進(jìn)行通信。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖、森林監(jiān)測(cè)、家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)以及管道輸送監(jiān)測(cè)等方面都得到了廣泛應(yīng)用。

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在眾多領(lǐng)域都有著應(yīng)用，并發(fā)揮著極為重要的作用。因此，為使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，還需要更進(jìn)一步的深入研究，為社會(huì)發(fā)展?fàn)I造更良好的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

篇（5）

中圖分類號(hào):TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1110055-01

本文通過對(duì)當(dāng)前的鎢礦環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀的研究,結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套適用于鎢礦環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

一、礦山環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)

由于有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其自身的局限性以及生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性,特別是無法對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),導(dǎo)致在某些場(chǎng)合有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已導(dǎo)致在某些場(chǎng)合有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已不能滿足人們的需求[1]。針對(duì)鎢礦復(fù)雜的環(huán)境,分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系,設(shè)計(jì)了一種適用于鎢礦環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),底層為部署在監(jiān)測(cè)環(huán)境中的終端無線傳感器節(jié)點(diǎn),上層依次為無線傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)(監(jiān)控計(jì)算機(jī)),最終連接到Internet和公司局域網(wǎng)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

(一)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集并將各種傳感器采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并傳送給處理器模塊。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全可靠的通信協(xié)議[3]。無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信,交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。能量供給模塊負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)各個(gè)功能模塊供電。

(二)各功能模塊設(shè)計(jì)

1.微處理器模塊

在選擇微處理器時(shí)切忌一味追求性能,選擇的原則[4]應(yīng)該是“夠用就好”。現(xiàn)在微處理器運(yùn)行速度越來越快,但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個(gè)復(fù)雜的微處理器集成度高、功能強(qiáng),但片內(nèi)晶體管多,總漏電流大,即使進(jìn)入休眠或空閑狀態(tài),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(yīng)優(yōu)先選用具有休眠模式的微處理器,因?yàn)樾菝吣Ｊ较绿幚砥鞴目梢越档?～5個(gè)數(shù)量級(jí)。考慮實(shí)際需求,本設(shè)計(jì)中處理器模塊選擇ATMEL公司的AVR系列的ATmega128L單片機(jī)。ATmega128L[5]是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最強(qiáng)大的單片機(jī)。該單片機(jī)具有體積小、功耗低、集成度高、支持睡眠模式、喚醒時(shí)間短、運(yùn)行速度快、成本低和足夠的外部接口等特點(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù),以0.18umCMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低。該無線收發(fā)芯片具有集成度高,工作電壓低、功耗低和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),易于得到廠商提供的協(xié)議棧和開發(fā)套件。

3.傳感器模塊

根據(jù)項(xiàng)目的應(yīng)用背景和實(shí)際需要,選擇傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性,在節(jié)點(diǎn)中提供了可擴(kuò)展不同傳感器的接口。

設(shè)計(jì)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(xué)傳感器分別對(duì)溫度、濕度、粉塵、二氧化碳、一氧化碳和氧氣等參數(shù)進(jìn)行探測(cè)。選用了瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT10采集環(huán)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(cè)分別選用瑞士盟巴玻(Membrapor)公司的生產(chǎn)的電化學(xué)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(wǎng)絡(luò)最寶貴的資源,它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。為了滿足降低節(jié)點(diǎn)能耗的目標(biāo),節(jié)省系統(tǒng)電源,傳感器模塊只有在工作時(shí)才啟動(dòng),因此電源供應(yīng)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(diǎn),輸出為1.2V～5.5V電壓可調(diào)的低壓降穩(wěn)壓器,驅(qū)動(dòng)能力達(dá)500mA～7.5A。

三、節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是個(gè)資源受限的嵌入式系統(tǒng),包括硬件資源受限、帶寬有限、能量受限及補(bǔ)給困難的特點(diǎn),決定了現(xiàn)有的一些嵌入式操作系統(tǒng)(如Linux操作系統(tǒng))不能很好適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

TinyOS是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流操作系統(tǒng),采用基于組件的體系結(jié)構(gòu),應(yīng)用程序的各個(gè)功能都是由相應(yīng)的組件實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)事件對(duì)應(yīng)的硬件中斷發(fā)生時(shí),TinyOS的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制能夠快速地調(diào)用相關(guān)的事件處理程序,從而使CPU在事件發(fā)生時(shí)迅速執(zhí)行相關(guān)任務(wù),在處理完之后進(jìn)入睡眠狀態(tài),從而有效的提高了CPU的使用效率,并且節(jié)省了能量。

四、結(jié)論

在鎢礦環(huán)境監(jiān)測(cè)中采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò),利用傳感器節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長(zhǎng)、成本低、能自組織地通信以及在危險(xiǎn)區(qū)域和大面積監(jiān)測(cè)中容易布置等特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)鎢礦環(huán)境參數(shù)低成本連續(xù)在線監(jiān)測(cè),較傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì),對(duì)于礦山安全具有重要意義。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50764005)

參考文獻(xiàn):

[1]黃布毅、常亞軍、張海霞等,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),通信技術(shù),2008,41(9):170～172.

[2]孫利民、李建中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò),北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]姜連祥、汪小燕,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)綜述,單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006.11.

[4]王殊、胡富平、屈曉旭等,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

篇（6）

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439－8114（2012）15－3334-02

Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

YANG Fang

（School of Physics and Mechanical ＆ Electrical Engineering， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract： For farmland environmental conditions，monitoring was difficult，a farmland information monitoring system based on sensor wireless sensor networks was designed targeted the status of farmland environmental conditions． The system used sensor nodes to collect the farmland environmental parameters and send them to the control center for further analysis and processing by the ZigBee technology． Farm managers could precisely and intuitively control the key parameters in the process of crop planting and it has good practical value．

Key words： farmland environmental parameters； wireless sensor networks； sensor nodes； real－time monitoring； ZigBee

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到溫度、濕度、水分等多種農(nóng)田環(huán)境因素的影響。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中引入現(xiàn)代信息技術(shù)，可以準(zhǔn)確、高效地收集農(nóng)田信息，對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量具有重要意義。

針對(duì)農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)難度大等特點(diǎn)，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)靈活而強(qiáng)大的組網(wǎng)功能，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶終端等組成［1］，利用安裝在被監(jiān)測(cè)區(qū)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)后，通過ZigBee技術(shù)發(fā)送到控制中心，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，使農(nóng)田管理者能精確直觀地控制農(nóng)作物種植過程中的空氣溫度、相對(duì)濕度、CO2含量、水位等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能有著很好的實(shí)用價(jià)值［2］。

1 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低速率的無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建中。與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee具有網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、架構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、可靠性高、組網(wǎng)能力強(qiáng)和安全等優(yōu)點(diǎn)［3，4］；ZigBee由終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器和路由器構(gòu)成。終端設(shè)備是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，將其按一定規(guī)律安裝在農(nóng)田里，配備低功耗的微處理器，監(jiān)測(cè)空氣溫度、相對(duì)濕度、CO2含量、水位、雨量、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、土壤含水量等參數(shù)。一定區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，這些節(jié)點(diǎn)又分為簇首和普通節(jié)點(diǎn)。簇首主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合及轉(zhuǎn)發(fā)，能把簇中普通節(jié)點(diǎn)采集到的信息發(fā)送到上級(jí)的協(xié)調(diào)器，也能把協(xié)調(diào)器接收的信息在簇內(nèi)進(jìn)行傳播；普通節(jié)點(diǎn)只能與本簇的簇首交換信息。協(xié)調(diào)器把監(jiān)測(cè)到的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)通過GPRS把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有網(wǎng)狀和星狀，星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是覆蓋能力差，且只要簇首出現(xiàn)故障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就癱瘓；網(wǎng)狀拓?fù)涓采w能力強(qiáng)、可靠性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜［5］。農(nóng)田區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，存在很多不利因素，為提高ZigBee的精確性，該設(shè)計(jì)采用星狀—簇首—路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［6］（圖1）。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2．1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）傳感器節(jié)點(diǎn)。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊組成（圖2）。

篇（7）

關(guān)鍵詞：Zigbee;環(huán)境監(jiān)測(cè);節(jié)點(diǎn);多參數(shù)

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-3824（2014）05-0039-03

0 引 言

伴隨世界經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的快速發(fā)展，世界環(huán)境問題日益突出，環(huán)境監(jiān)測(cè)逐步受到越來越多的重視[1]。當(dāng)前，環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展過程中的一個(gè)亟待解決的問題是開發(fā)功能強(qiáng)大并且價(jià)格低廉的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中的首要任務(wù)就是準(zhǔn)確獲取監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)，以便進(jìn)行后期的分析、整理和改進(jìn)等工作。

物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things，IoT）技術(shù)的出現(xiàn)很好地促進(jìn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展。簡(jiǎn)而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心在于感知地球，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以大范圍無線遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，通過數(shù)據(jù)融合，可以為國(guó)家和企業(yè)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境治理、環(huán)境規(guī)劃等工作提供理論依據(jù)[2]。

近年來，隨著傳感器技術(shù)和集成電路、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)功耗低、體積小、具有感知及信息處理能力的傳感器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)[3]。然而在實(shí)際運(yùn)用中我們需要的不止一個(gè)環(huán)境參數(shù)，而是需要多個(gè)傳感器同時(shí)工作[4]，采集多個(gè)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)[5]。基于這個(gè)目的，我們迫切地需要一種設(shè)備能夠連接多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)采集、整理以及傳輸。故本文針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中的多傳感器和多參數(shù)情況運(yùn)用了Zigbee技術(shù)方案進(jìn)行了解決，通過CC2530連接各個(gè)傳感器組建節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、煙霧和RSSI值等數(shù)據(jù)。

一個(gè)功能完善的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)除了傳統(tǒng)意義上的環(huán)境參數(shù)采集之外，應(yīng)該能夠提供一個(gè)測(cè)距定位功能。本文所提出的基于Zigbee的多參數(shù)無線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過硬件自身系統(tǒng)在不添加任何額外硬件的情況下通過數(shù)據(jù)包發(fā)送RSSI值可以進(jìn)行測(cè)距定位[6]。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1 Zigbee與CC2530

1.1 Zigbee簡(jiǎn)介

Zigbee是基于IEEE802.15.4工作組制定的低功耗個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，Zigbee技術(shù)正是由此而來的一種短距離、低功耗的雙向無線通信技術(shù)[7]。Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)是低復(fù)雜度，自組織，低成本，低功耗，低數(shù)據(jù)速率和近距離。由一個(gè)協(xié)調(diào)器組織的大容量Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納65 535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而擴(kuò)展了單個(gè)節(jié)點(diǎn)間75 m的標(biāo)準(zhǔn)通信距離，達(dá)成了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離通信，滿足了大多數(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的需求。工作在2.4 GHz頻段的Zigbee擁有16個(gè)自主定義的獨(dú)立信道，通過切換信道，有效地提高了通信過程中的抗干擾性。與此同時(shí)，Zigbee使用了標(biāo)準(zhǔn)的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）方式，有效地避免了信道競(jìng)爭(zhēng)和沖突，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

Zigbee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為一個(gè)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組網(wǎng)以及和上位機(jī)通信，若干個(gè)路由器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)以及拓展網(wǎng)絡(luò)容量，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送以及接收信息。

圖2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 CC2530簡(jiǎn)介

CC2530是德州儀器公司根據(jù)Zigbee技術(shù)實(shí)際應(yīng)用而開發(fā)的一個(gè)價(jià)格低廉并且功能強(qiáng)大的片上系統(tǒng)解決方案，因此它顯然是工作在2.4 GHz并且符合IEEE802.15.4的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[8]。CC2530能夠通過自身I/O口連接多個(gè)傳感器建立功能完善的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

CC2530 結(jié)合了增強(qiáng)型8位8051 CPU，最高256 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB的RAM 和21個(gè)可編程數(shù)字I/O引腳。CC2530芯片采用7 mm×7 mm QLP（方型扁平式）封裝，共有 40個(gè)引腳。所有引腳可都分為21個(gè)I/O端口線引腳、13個(gè)電源線引腳和6個(gè)控制線引腳共3類。

通過同樣是德州儀器公司推出的目前應(yīng)用最廣泛的Zigbee 協(xié)議棧（Z-StackTM），CC2530提供了功能強(qiáng)大且應(yīng)用寬廣的Zigbee 解決方案。協(xié)議棧采用查詢操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)初始化完成后就進(jìn)入操作系統(tǒng)并不停地輪轉(zhuǎn)查詢用戶自定義的任務(wù)來執(zhí)行。

2 傳感器

一個(gè)好的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)離不開多個(gè)好的傳感器，這些功耗低、體積小的傳感器能夠?qū)囟取穸群蜔熿F等多個(gè)環(huán)境參數(shù)信息準(zhǔn)確地采集至監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。本節(jié)中所介紹的DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器正具備了這些優(yōu)點(diǎn)。

2.1 DHT11

DHT11溫濕度傳感器可以同時(shí)采集環(huán)境溫度和濕度，它輸出的是經(jīng)過內(nèi)部校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。它是應(yīng)用程序先進(jìn)的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度、濕度傳感技術(shù)，在硬件電路簡(jiǎn)單的同時(shí)保證了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。測(cè)量范圍：濕度20%90% RH，溫度050℃;測(cè)量精度：濕度±5% RH，溫度±2℃。DHT11溫濕度傳感器模塊的硬件電路如下圖3所示。

圖3 DHT11硬件電路圖

2.2 MQ-2

MQ-2半導(dǎo)體式煙霧傳感器擁有很寬的監(jiān)測(cè)范圍（30010 000 ppm），其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高，響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。它輸出的是模擬信號(hào)，提供一個(gè)煙霧報(bào)警信息，可用于各種液化氣，酒精，煙霧，煙塵等氣體監(jiān)測(cè)的環(huán)境。MQ-2煙霧傳感器模塊的硬件電路如下圖4所示。

圖4 MQ-2硬件電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

3.1 軟件代碼編寫

在開發(fā)軟件上我們使用了德州儀器公司跟CC2530配套的IAR Embedded Workbench，利用Z-Stack 協(xié)議棧，添加自己的任務(wù)，使傳感器設(shè)備正常工作采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)并上傳上位機(jī)。

CC2530節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼如下所示：

1）定義一個(gè)數(shù)組;

2）寫入溫濕度數(shù)據(jù);

3）根據(jù)有無煙霧報(bào)警信號(hào)寫入0或1;

4）調(diào)用Z-Stack發(fā)射函數(shù)進(jìn)行發(fā)送。

{ uint8 T_H[5];

T_H[0]=wendu_shi+48;

T_H[1]=wendu_ge%10+48;

T_H[2]=shidu_shi+48;

T_H[3]=shidu_ge%10+48;

if（LIGHT==1）

{ T_H[4]=1;//有煙霧 }

else

{ T_H[4]=0;//沒煙霧 }

if （ AF_DataRequest（ &Point_To_Point_DstAddr，

&SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID，

5，

T_H，

&SampleApp_TransID，

AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS ）。

CC2530協(xié)調(diào)器接收代碼如下所示：

1）驗(yàn)證是否為自身網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù);

2）若是，則獲取數(shù)據(jù)，串口進(jìn)行打印。

switch （ pkt->clusterId ）

{case SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID：

msgrssi=pkt->rssi;

msgrssi=0xff-msgrssi;

_ltoa（msgrssi，myrssi，10）;

HalUARTWrite（0，"RSSI is：-"，9）;

HalUARTWrite（0，myrssi，osal_strlen（myrssi））;

HalUARTWrite（0，" Temp is："，9）;

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，2）;

HalUARTWrite（0，" Humidity is："，13）;

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[2]，2）;

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，2）;

HalUARTWrite（0，" Humidity is："，13）;

HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[2]，2）;

if（pkt->cmd.Data[4]）

HalUARTWrite（0，" Got bad Air＼n"，13）;

else

HalUARTWrite（0，" No bad Air＼n"，12）;

Break。

3.2 節(jié)點(diǎn)測(cè)試

節(jié)點(diǎn)采集到環(huán)境信息后發(fā)往協(xié)調(diào)器經(jīng)由串口傳輸至上位機(jī)，故我們只須監(jiān)測(cè)上位機(jī)串口即可測(cè)試整套系統(tǒng)的可行性及穩(wěn)定性。

圖5和圖6為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部無障礙情況下節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器1 m處和3 m處連續(xù)監(jiān)測(cè)5 min后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖5 1 m處節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖6 3 m處節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

通過監(jiān)測(cè)可以看到節(jié)點(diǎn)在距離協(xié)調(diào)器1 m處和3 m處均能夠穩(wěn)定正常工作，采集所需的環(huán)境參數(shù)，并且能夠發(fā)送自身的RSSI值給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中的無線環(huán)境、多傳感器、多參數(shù)的情況和對(duì)距離的需要，本文提出了一種基于Zigbee的多參數(shù)無線環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用了德州儀器公司CC2530作為節(jié)點(diǎn)通過多個(gè)傳感器對(duì)溫度、濕度、煙霧和RSSI值等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了采集和無線傳輸，最后在上位機(jī)進(jìn)行顯示和綜合分析整理。由于Zigbee技術(shù)具有成本低，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸可靠，大容量的網(wǎng)絡(luò)，良好的兼容性等特點(diǎn)，應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O大的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]

趙燃，崔再斌.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2012，23（6）：20-21.

[2] KANG H，LEE J，HYOCHAN B，et al.A design of IoT based agricultural zone management system[M]//JAMES J，JONGSUNG K，ZOU Dengqi，et al.Information Technology Convergence，Secure and Trust Computing and Data herlands：Springer， 2012： 9-14.

[3] WANG L，AKILYDIZ I F.Survey on sensor networks[J].IEEE Communication Magazine，2002，40（8）： 102-114.

[4] 王殊，閻毓杰，胡富平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[5] 辛穎，謝光忠，蔣亞東.基于 ZigBee 協(xié)議的溫度濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（7）： 82-84.

（下轉(zhuǎn)第 頁(yè)）

[6] 朱明輝，張會(huì)清.基于 RSSI 的室內(nèi)測(cè)距模型的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010 （8）： 19-22.

[7] TEXAS I.A true system-on-chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications[EB/OL].（2011-03-28）[2014-04-10].http：//.cn/cn/lit/ds/swrs081b/swrs081b.pdf.

[8] 王風(fēng).基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：

陳國(guó)平（1976），男，重慶合川人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶?聲學(xué)主被動(dòng)原定位與成像。

基金項(xiàng)目：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能環(huán)保系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目（工信部2012-10號(hào)）。

Design of multi-parameter wireless monitoring node based on Zigbee

CHEN Guoping1， YANG Ningyu1， ZHU Wenchao1， Huang Zhihui2

（1. College of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065，P.R. China

篇（8）

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）01-0012-02

目前，環(huán)境日趨惡劣，越來越多的人開始關(guān)注周圍的環(huán)境，因?yàn)檫@直接關(guān)系到每個(gè)人的切身利益，但是由于我國(guó)人口密度較大、污染物空間分布非均勻性較強(qiáng)、污染監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)不合理、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件比較落后等客觀因素，造成以現(xiàn)有方式獲取的數(shù)據(jù)不具有代表性。為解決以上問題，本文決定研究和開發(fā)具有高性價(jià)比的智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的小型化、個(gè)人化、智能化的目標(biāo)，滿足每個(gè)人對(duì)周圍環(huán)境的知情權(quán)與監(jiān)督權(quán)。

隨著科技日新月異的變化，環(huán)境檢測(cè)由經(jīng)典的化學(xué)分析逐漸發(fā)展為傳感器檢測(cè)，無線傳輸技術(shù)也以其安裝方便、靈活性強(qiáng)、性價(jià)比高等特性得到了各行各業(yè)的廣泛接受。這些都為環(huán)境的無線智能監(jiān)測(cè)提供了極大的可能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)——監(jiān)測(cè)終端子系統(tǒng)和探測(cè)節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)，這兩個(gè)子系統(tǒng)各需要一個(gè)主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該系統(tǒng)統(tǒng)一選用TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的MSP430F5xx系列單片機(jī)，該款單片機(jī)的超低功耗的特點(diǎn)對(duì)于本設(shè)計(jì)很重要。在信號(hào)調(diào)制方面，鑒于低功耗、方便易行的考慮，采用了OOK調(diào)制方案。為了實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互，采用了電容式觸摸液晶屏，以充分發(fā)揮其操作新奇、不易誤讀、耐用度高的優(yōu)勢(shì)。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(guān)IC——CD4066，由MSP430單片機(jī)進(jìn)行控制。最后確定通信協(xié)議方案，設(shè)計(jì)思想是由終端發(fā)出一個(gè)同步傳輸?shù)男盘?hào)，節(jié)點(diǎn)接收并與自己的“身份”進(jìn)行校對(duì)，驗(yàn)證完畢后，探測(cè)節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送。通過相關(guān)的選擇與設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線通信模塊

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)終端信息處理和探測(cè)節(jié)點(diǎn)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(cè)節(jié)點(diǎn)將環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式傳送給監(jiān)測(cè)終端，以便將其顯示在觸摸液晶屏上，同時(shí)也可以使監(jiān)測(cè)終端對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份校驗(yàn)。

無線通信模塊的載波信號(hào)由基于DDS數(shù)字頻率載波的AD9854芯片產(chǎn)生，其輸出頻率范圍為0-120 MHz，綜合各方面因素，只需使其產(chǎn)生穩(wěn)定的30 MHz正弦波信號(hào)即可。此載波信號(hào)進(jìn)入四雙向模擬開關(guān)CD4066，再通過天線發(fā)射出去。該模擬開關(guān)可作為模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸，待傳輸?shù)哪M信號(hào)的上限頻率應(yīng)為40 MHz，各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為-50dB。

2.2 環(huán)境檢測(cè)模塊

為滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、便捷、高性價(jià)比的要求，應(yīng)充分利用目前發(fā)展較為成熟的傳感器技術(shù)。對(duì)于SO2濃度的檢測(cè)，本系統(tǒng)采用3SF CiTicel傳感器，它是一種新型的定電位電解化學(xué)氣體傳感器，通過氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過檢測(cè)電信號(hào)的大小得到相應(yīng)氣體的濃度。而對(duì)于灰塵粉塵的檢測(cè)采用DSM501傳感器，它的特點(diǎn)是采用粒子計(jì)數(shù)原理，PWM脈寬調(diào)制輸出，便于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。溫濕度的檢測(cè)采用SHT15傳感器，SHT15是基于CMOSens技術(shù)的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式溫濕度傳感器，具有高精度、高集成度、反應(yīng)迅速、低功耗等特點(diǎn)。檢測(cè)太陽(yáng)光紫外線強(qiáng)度總量用到UVM-30傳感器模塊，它響應(yīng)極快、全互換性好，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量紫外線指數(shù)（UVI）的高可靠性和精確性。對(duì)于風(fēng)速的檢測(cè)，本系統(tǒng)采用WS-01傳感器。WS-01風(fēng)速傳感器采用傳統(tǒng)三風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，強(qiáng)度高，啟動(dòng)好；精密信號(hào)處理單元可根據(jù)場(chǎng)合需要輸出各種信號(hào)。

2.3 人機(jī)交互模塊

該系統(tǒng)中人機(jī)交互模塊包括微控制器部分（MSP430F5xx單片機(jī)）、觸摸顯示部分（觸摸液晶屏）、上限報(bào)警部分。MSP430F5xx作為人機(jī)交互模塊的主控芯片，與觸摸液晶顯示子模塊、上限報(bào)警子模塊連接，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)觸摸液晶屏的讀入與顯示、上限報(bào)警功能。當(dāng)MSP430F5xx接收到來自探測(cè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息時(shí)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動(dòng)觸摸液晶屏進(jìn)行相應(yīng)的字符及圖形顯示操作，同時(shí)當(dāng)用戶完成相應(yīng)的菜單選擇后，也可以接收到相應(yīng)的觸摸信號(hào)，對(duì)需要顯示的信息以及是否開啟上限報(bào)警功能進(jìn)行切換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括基于MSP430F5xx的無線收發(fā)模塊子程序、環(huán)境參數(shù)采集模塊子程序、觸摸液晶屏硬件驅(qū)動(dòng)模塊子程序以及上限報(bào)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(tǒng)中，MSP430F5xx單片機(jī)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(chǎn)生的兩組時(shí)鐘，以及DCO數(shù)字振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘。當(dāng)MSP430F5xx單片機(jī)在3.3 V供電電壓下，以1 MHz的速度運(yùn)行時(shí)，典型的電流值約為210 μA。此外，MSP430單片機(jī)還具有5種低功耗模式LPM0～LPM 4，節(jié)電方式下的最低電流可達(dá)0.1μA。硬件上的設(shè)計(jì)確定之后，在不同的情況下將通過軟件控制系統(tǒng)的工作時(shí)鐘和工作模式，并且大多數(shù)情況下，單片機(jī)在執(zhí)行完相關(guān)操作后立即進(jìn)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(shè)計(jì)，另一方面也要關(guān)注電源的管理和功耗電路的接口設(shè)計(jì)。例如，無線通信模塊采用9600bit/s的波特率， 傳輸速度快， 完成數(shù)據(jù)通信后立即進(jìn)入睡眠模式，以盡可能地保證系統(tǒng)的低功耗。

4.2 通信協(xié)議

由于待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息比較長(zhǎng)，而已有的通信協(xié)議又無法完全滿足要求，因此本文將另行設(shè)計(jì)一套通信協(xié)議，以滿足該系統(tǒng)的通信要求。在發(fā)送信息時(shí)，首先發(fā)送一個(gè)中斷使能脈沖，隨后發(fā)送一個(gè)16位的地址碼，接收的數(shù)據(jù)為若干幀16位的數(shù)據(jù)碼。地址碼與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)碼3

4.3 載波信號(hào)

為得到相應(yīng)的載波信號(hào)，應(yīng)通過單片機(jī)對(duì)AD9854芯片的頻率控制字（FSW）進(jìn)行控制。其中，AD9854產(chǎn)生所需要的輸出信號(hào)頻率fout的計(jì)算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32為AD9854相位全加器位數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于MSP430F5xx單片機(jī)的無線低功耗智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)終端既負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互又需要控制探測(cè)節(jié)點(diǎn)，探測(cè)節(jié)點(diǎn)主要是將環(huán)境檢測(cè)模塊所測(cè)得的環(huán)境信息通過無線方式傳輸給監(jiān)測(cè)終端，從而實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)時(shí)地對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，具有廣闊的發(fā)展前景。該系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)探測(cè)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)參數(shù)的拓展，以滿足更大范圍、更多參數(shù)的監(jiān)測(cè)要求。

基金項(xiàng)目

天津市高等學(xué)校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201310065037）；天津市自然科學(xué)基金（13JCYBJC15800）。

參考文獻(xiàn)

篇（9）

（Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，China）

摘要： 本文針對(duì)當(dāng)前溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]、ZigBee技術(shù)和嵌入式技術(shù)相結(jié)合，探索出實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為降低溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的造價(jià)，為提高設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平提供必要的支持。

Abstract： Aimed at the shortage of the greenhouse environment monitoring system at present, this paper combines the wireless sensor network, ZigBee technology and embedded technology to explore the implementation of the greenhouse environment monitoring system with low cost and high efficiency, which provides the necessary support for reducing the cost of the greenhouse monitoring system and improving the development level of facility agriculture.

關(guān)鍵詞 ： 無線傳感器；溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；方法

Key words： wireless sensor；greenhouse environment monitoring system；method

中圖分類號(hào)：TN919.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）34-0242-03

作者簡(jiǎn)介：杜振寧（1976-），男，陜西咸陽(yáng)人，講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

0 引言

目前，我國(guó)溫室生產(chǎn)存在著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋、綜合環(huán)境調(diào)控能力差以及管理技術(shù)水平落后等缺點(diǎn)。同時(shí)，由于我國(guó)溫室農(nóng)業(yè)種類多，分布地域廣，測(cè)控設(shè)施安裝和維護(hù)工作量大，采用有線通信方式傳輸信號(hào)存在諸多不便。基于以上背景，本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee技術(shù)和嵌入式技術(shù)相結(jié)合， 設(shè)計(jì)一種低功耗、低成本、組網(wǎng)靈活、人機(jī)界面友好、可方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程管理的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架分析 本文設(shè)計(jì)框架基本分為三個(gè)部分相互連接而成。具備完整測(cè)量功能的測(cè)量點(diǎn)+具備多跳式路由的無線通訊網(wǎng)絡(luò)+遠(yuǎn)程上位計(jì)算機(jī)組成。遠(yuǎn)程上位計(jì)算機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取測(cè)量點(diǎn)的溫、濕度監(jiān)測(cè)參數(shù)，并根據(jù)類別進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、處理及報(bào)表、打印、輸出。

1.2 測(cè)量點(diǎn)的無線溫濕度傳感器 傳感器節(jié)點(diǎn)是溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成單元，需要具備環(huán)境因子采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能。

1.2.1 無線溫濕度傳感器 采用ST公司生產(chǎn)的單片機(jī)upsd3234A-40U6。該芯片是一個(gè)典型的SOC型的單芯片微處理器系統(tǒng)，片內(nèi)包含構(gòu)成單片機(jī)最大系統(tǒng)的一切必要的存儲(chǔ)器（RAM、flash ROM）、譯碼器、鎖存器、I/O擴(kuò)展、定時(shí)器等。只要在外圍硬件上提供電源和時(shí)鐘源就可以執(zhí)行程序，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

由微處理器負(fù)責(zé)控制、讀取溫度、濕度傳感器的采樣結(jié)果，并進(jìn)行必要的校準(zhǔn)后，存儲(chǔ)于SRAM存儲(chǔ)區(qū)，這個(gè)過程處理時(shí)間相當(dāng)短，作為全速運(yùn)行的微處理器而言幾乎無事情可干。所以在不采樣時(shí)，微處理器設(shè)計(jì)為休眠狀態(tài)。使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片各一個(gè)固定時(shí)間進(jìn)行喚醒工作，這樣可以保證以后的采集器節(jié)約能源消耗，方便更改為電池供電。喚醒微處理器后，首先采樣溫、濕度值、然后將這個(gè)值通過自定義的協(xié)議打包，通過無線通訊模塊（Zigbee）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)，微處理器又主動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)（試驗(yàn)系統(tǒng)目前采用直接供電方式，而上述設(shè)計(jì)保證了可以使用電池供電），采集器里的ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址直接指向一個(gè)固定的地址，所以，這個(gè)協(xié)議包不論經(jīng)過幾個(gè)中間傳遞，最終傳遞到聯(lián)接在計(jì)算機(jī)上的特定模塊上，并輸入到計(jì)算機(jī)。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

1.2.2 無線通訊網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用多跳式路由通信；網(wǎng)絡(luò)容量很大；可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠(yuǎn)比較分散的結(jié)構(gòu)[4]。網(wǎng)絡(luò)的所有實(shí)體只要在通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級(jí)跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中的測(cè)量點(diǎn)是獨(dú)立設(shè)備，是用單片機(jī)為核心配以數(shù)字化溫濕度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，通過程序控制采樣，定時(shí)將采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過ZigBee信號(hào)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)傳遞給計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，利用溫濕度傳感器作為采集溫、濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)、利用無線傳輸方式將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞到遠(yuǎn)端上位機(jī)顯示。從而構(gòu)成組網(wǎng)靈活的純粹的無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。若是利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)/2G/3G則可以無視距離的傳遞數(shù)據(jù)信息。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊：XBee DigiMesh 2.4是可全球部署的嵌入式無線射頻模塊，可選低功耗的XBee和長(zhǎng)通訊距離的Bee-PRO封裝。它結(jié)合了快速的2.4 GHz收發(fā)器和創(chuàng)新的DigiMesh對(duì)等網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

XBee OEM RF模塊是與ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解決方案，滿足低成本、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。該模塊易于使用，功耗極低，并且可以提供設(shè)備間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸。而且它小巧的外形條件有效節(jié)省了板卡空間。建立簡(jiǎn)單的點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-多點(diǎn)應(yīng)用，該模塊不需要任何配置，該模塊的默認(rèn)配置支持廣泛的數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用。但是作為Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，則需要重新配置。

首先是用于測(cè)量的所有節(jié)點(diǎn)模塊，模塊的DH、DL地址必須寫入連接計(jì)算機(jī)的那一個(gè)模塊的物理地址。而連接計(jì)算機(jī)的那個(gè)模塊的DH、DL地址必須設(shè)置為廣播方式，即DH設(shè)置為0x0000，DL設(shè)置為0xFFFF。其次，所有的模塊都得使用同一個(gè)無線頻道，同一個(gè)PAND編號(hào)。

2.2 DHT11傳感器和單片機(jī)的硬件連接方式：第2引腳上拉后與微處理器的 I/O端口相連。該器件采用簡(jiǎn)化的單總線通信方式，控制中的數(shù)據(jù)交換、控制均由單總線完成。單片機(jī)應(yīng)當(dāng)通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O口線通過5.1K電阻上拉連接，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。如圖3所示。

微處理器與DHT11之間的通信和同步的串行雙向接口，采用單總線數(shù)據(jù)格式。每次通信都是以高位先出的順序傳輸40位數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式為：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)，校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。微處理器發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40位的測(cè)量數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。

3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)屬于被動(dòng)接收采集點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的溫濕度數(shù)據(jù)[5]。經(jīng)過通訊協(xié)議校驗(yàn)后，將對(duì)應(yīng)編號(hào)的采集點(diǎn)溫、濕度數(shù)據(jù)顯示到監(jiān)視界面。切換采集點(diǎn)編號(hào)，可以監(jiān)測(cè)到每一個(gè)采集點(diǎn)。軟件監(jiān)測(cè)運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

通訊相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)：

由于選用的MCU本身具有雙路通訊接口，在硬件設(shè)計(jì)上衍生為一個(gè)RS485接口，一個(gè)ZigBee通訊接口。ZigBee模塊接收到的數(shù)據(jù)需要單片機(jī)進(jìn)一步判斷和執(zhí)行。則需要相關(guān)的判斷和執(zhí)行程序來完成。下面一段是為實(shí)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)接收部分的源程序代碼。

此段利用MCU中斷方式接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，RBUF_SIZE、tbuf_datasize1分別是接收、發(fā)送緩沖區(qū)大小。PACKET_HEADER0是通訊協(xié)議當(dāng)中的幀頭。以上3個(gè)常數(shù)均在頭文件里定義。

遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)采用 LabV IEW9.0 ( Laboratory Virtual Eng- ineering Workbench)設(shè)計(jì)監(jiān)控界面。它是一個(gè)使用圖形符號(hào)來編寫程序的編程環(huán)境，數(shù)據(jù)采集是 LabVIEW的核心技術(shù)之一。VISA是虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)的縮寫。采用VISA函數(shù)庫(kù)可以方便的開發(fā)基于各種數(shù)字接口的驅(qū)動(dòng)程序而無需關(guān)心連接方式，例如USB、1394、串口、并口等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)選用ZigBee技術(shù)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信方式，并利用Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保了可靠通信；數(shù)據(jù)采集和傳輸采用周期采集上報(bào)和基于中斷的超限立即上報(bào)工作方式，降低了系統(tǒng)功耗；在實(shí)驗(yàn)室搭建了模擬運(yùn)行環(huán)境，就網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣ⅰ?shù)據(jù)采集和傳輸進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于ZigBee協(xié)議和Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地完成溫室環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

篇（10）

關(guān)鍵詞：嵌入式單片機(jī)；無線智能溫室；ZigBee技術(shù)

一、緒論

溫室智能化控制系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的設(shè)施節(jié)約型農(nóng)業(yè)技術(shù)，在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)綜合控制，調(diào)節(jié)環(huán)境中的濕度、溫度、光照強(qiáng)度等因子來獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到作物增產(chǎn)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、改善品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的單片機(jī)控制，系統(tǒng)運(yùn)算能力低，難以完成復(fù)雜的控制算法。嵌入式單片微機(jī)系統(tǒng)不僅增加了溫室系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)支持、并且其出發(fā)能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有很大的提高。同時(shí)降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度、成本和消耗、滿足溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)日益復(fù)雜化的需要。嵌入式單片微機(jī)在農(nóng)田設(shè)施的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)田信息得到精準(zhǔn)的判斷和實(shí)施的控制。

二、嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)的發(fā)展

（一）嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)的發(fā)展。

嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)都起源于20世紀(jì)70年代，以微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)以其小型、價(jià)廉、高可靠性的特點(diǎn)，以及表現(xiàn)出的智能化水平使得微型機(jī)被引入到一個(gè)對(duì)象體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制。21世紀(jì)初，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入了單芯化的道路，即嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)的時(shí)代。其模式設(shè)計(jì)是完全按照嵌入式應(yīng)用要求全新設(shè)計(jì)，滿足嵌入式應(yīng)用要求的體系結(jié)構(gòu)、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式等。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間單片機(jī)發(fā)展的道路，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)最底層的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體的高端應(yīng)用也可以通過嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

（二）嵌入式單片微機(jī)在智能化溫室中的發(fā)展和應(yīng)用。

溫室智能化控制系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的節(jié)約型農(nóng)業(yè)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)綜合控制，調(diào)節(jié)環(huán)境中的濕度、溫度、光照強(qiáng)度等因子來獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到作物增產(chǎn)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、改善品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。嵌入式單片微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的精準(zhǔn)控制和檢測(cè)，是智能化溫室環(huán)境的核心。承載無線網(wǎng)絡(luò)模塊的單片機(jī)的開發(fā)為溫室智能控制系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，并且其使用成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)確定了其成為未來農(nóng)田信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

三、網(wǎng)絡(luò)化智能溫室系統(tǒng)的構(gòu)成

（一）網(wǎng)絡(luò)智能溫室的分類。

智能化溫室系統(tǒng)根據(jù)信息傳輸方式可分為有線通信方式和無線通信方式兩種。有線通信方式主要有兩種形式，CAN總線通信方式和基于掌上電腦的通信方式，這兩種形式已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械多傳感器集成和農(nóng)田信息采集；無線通信方式可分類為長(zhǎng)距離通信和短距離通信。長(zhǎng)距離通信主要借助于移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)如GSM，GPRS等，用于設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與農(nóng)業(yè)信息遠(yuǎn)程采集。短距離通信方式如藍(lán)牙、ZIGBEE、RFID等，兩種溫室各有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)施環(huán)境和要求選擇和合適的信息傳輸方式。

（二）網(wǎng)絡(luò)化智能溫室系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)型溫室環(huán)境采集控制系統(tǒng)由智能模塊為核心的采集控制系統(tǒng)和處理系統(tǒng)構(gòu)成，兩者通過局域網(wǎng)交換機(jī)連接。處理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收、顯示處理、參數(shù)設(shè)置、查詢與分析功能，采集控制系統(tǒng)主要完成空氣濕度、葉面濕度、土壤溫度、空氣溫度、光照強(qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)液液位、CO2濃度、EC值與PH值等溫室傳感器信息的實(shí)時(shí)采集、顯示、和存儲(chǔ)。

（1）采用CAN總線技術(shù)的有線智能化溫室系統(tǒng)。

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，簡(jiǎn)稱CAN)總線是目前國(guó)外大型農(nóng)機(jī)設(shè)備普遍采用的一種標(biāo)準(zhǔn)總線，已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，其控制芯片已經(jīng)商品化，而且性價(jià)比高，因此基于CAN總線技術(shù)的控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息傳輸系統(tǒng)向智能化發(fā)展的理想系統(tǒng)。

（2）無線溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。

在一些特殊環(huán)境采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)是很困難的，甚至不可能的，此時(shí)采用無線方式能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)傳輸。ZigBee技術(shù)是一種最近發(fā)展起來的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，是一種短距離通信傳播技術(shù)，廣泛應(yīng)用在溫室系統(tǒng)中，其工作頻帶范圍在21400---214835 GHz之間，采用IEEE80211514規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式，數(shù)據(jù)速率達(dá)250kB／s。此外，短距離傳輸技術(shù)還有RFID技術(shù)，RFID即無線射頻識(shí)別。一個(gè)RFID系統(tǒng)都是由3部分組成：閱讀器、標(biāo)簽和天線。其原理是標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。這種技術(shù)開始應(yīng)用于濕度、光照、溫度和振動(dòng)等無線標(biāo)簽式傳感器之中。

四、基于ZigBee技術(shù)的溫室檢測(cè)系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)是近年來才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。這種嶄新無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具備低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量等特點(diǎn)使ZigBee技術(shù)非常適合在無線數(shù)據(jù)傳輸、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)設(shè)施遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)從示范到實(shí)用的研究搭建了一個(gè)不可多得的技術(shù)平臺(tái)。

IEEE 802.15．4標(biāo)準(zhǔn)支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括具有層次發(fā)散鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、主從工作模式的測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)農(nóng)業(yè)設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的具有層次發(fā)散鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框。

其中工控機(jī)完成命令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的接收、綜合分析處理、顯示和報(bào)警。協(xié)調(diào)器處在工控機(jī)的第一層，以有線通信的方式與工控機(jī)通信，負(fù)責(zé)將其下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)與自身的數(shù)據(jù)捆綁在一起以一定的格式存儲(chǔ)在自身的存儲(chǔ)空間，再以約定的方式上傳給工控機(jī)。處在末梢的傳感器只負(fù)責(zé)采集上傳數(shù)據(jù)。。

上述基于ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境檢測(cè)中的中主要參數(shù)(如土壤濕度、溫度、空氣濕度、土光照強(qiáng)度等)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的內(nèi)部無線自組網(wǎng)。

五、基于嵌入式單片微機(jī)的無線智能溫室的發(fā)展趨勢(shì)

ZigBee技術(shù)應(yīng)用在智能化溫室測(cè)控系統(tǒng)中是嵌入式單片微機(jī)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)工程中的一個(gè)具體實(shí)例。其表現(xiàn)了初期建設(shè)周期短、投資小、易于升級(jí)、易于重組，尤其是承載ZigBee技術(shù)的片上系統(tǒng)的―無線單片機(jī)CC2430的應(yīng)用，使得系統(tǒng)可以靈活便捷地組成適應(yīng)不同規(guī)模、不同情況、不同要求的溫室設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)，并且所構(gòu)建的系統(tǒng)成本次、功耗低、穩(wěn)定可靠、具有低復(fù)雜度。

有線傳輸和無線傳輸各有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，不同的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用場(chǎng)合、環(huán)境各異。實(shí)踐證明一無線信息傳輸為技術(shù)的農(nóng)田信息傳輸方式具有開發(fā)周期短，維護(hù)方便，成本低。可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有很好的開發(fā)和應(yīng)用前景，為未來實(shí)現(xiàn)溫室測(cè)控系統(tǒng)中的信息傳輸?shù)那度胧健⒆詣?dòng)化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]包長(zhǎng)春，石瑞珍，馬玉泉.基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【J】農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2007年.

[2]李棟，張林，徐保。無線溫室信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【J】微計(jì)算機(jī)信息（嵌入式與SOC）2009年25卷.

篇（11）

2數(shù)據(jù)采集功能

無線傳感器模塊是養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在養(yǎng)殖池適當(dāng)?shù)膮^(qū)域安放溫度、溶解氧、pH值及光照數(shù)據(jù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確采集水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。無線傳感器模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。圖中包括傳感器、處理器、通信功能以及電源4個(gè)子模塊。由于實(shí)際要求的差異，無線傳感器模塊4個(gè)子模塊的硬件構(gòu)成不盡相同，然而各子模塊的功能基本相同。傳感器子模塊實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)采集功能，并將采集到的信息轉(zhuǎn)換成處理器可以識(shí)別的信息；處理器子模塊調(diào)節(jié)整個(gè)無線傳感器模塊的工作狀態(tài)，完成對(duì)自身采集信息和來自其他模塊數(shù)據(jù)的處理，并實(shí)現(xiàn)與其他模塊間的信息交流；通信功能子模塊完成與其他模塊間的信息通信以及收發(fā)采集到的數(shù)據(jù)；電源子模塊主要負(fù)責(zé)提供模塊正常工作需要的能量，一般使用微型電池。本文選用Ateml公司生產(chǎn)的AVR系列高性能、低功耗8位單片機(jī)ATmega128L，該芯片是一顆真正的系統(tǒng)芯片；在芯片內(nèi)部集成了128KB的可編程閃存，具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)進(jìn)而通過片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，同時(shí)，其電壓工作范圍為2．7～5．5V。傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息通過AT－mega128L進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由無線通信模塊負(fù)責(zé)將得到的數(shù)字信號(hào)輸出。

3信息通信功能

3．1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星網(wǎng)結(jié)合，各個(gè)采集點(diǎn)單獨(dú)形成局部的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過中繼節(jié)點(diǎn)將局部網(wǎng)絡(luò)傳出的數(shù)據(jù)匯聚傳送到信息中心。各個(gè)采集點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中都布置了傳感器，這些傳感器負(fù)責(zé)完成養(yǎng)殖環(huán)境的信息檢測(cè)，即對(duì)池水溫度、溶解氧濃度、pH值以及光照強(qiáng)度的信息采集。傳感器采集到原始信號(hào)后，只有將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才能通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，轉(zhuǎn)換過程需要模擬信號(hào)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器等。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織功能將采集到的數(shù)據(jù)以單跳或者多跳的形式發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)。

3．2Wi－Fi傳輸

通常架設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)的基本配備是無線網(wǎng)卡及一臺(tái)AP，足以實(shí)現(xiàn)無線模式，架設(shè)費(fèi)用和復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)。中繼節(jié)點(diǎn)匯集到信息后通過Wi－Fi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行模ㄟ^Wi－Fi接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)之間的信息通信以及數(shù)據(jù)處理功能，Wi－Fi接入點(diǎn)既有普通站點(diǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)接入到分配系統(tǒng)的功能。

4信息處理中心

4．1數(shù)據(jù)庫(kù)管理

應(yīng)用軟件使用ADO設(shè)計(jì)連接ORACLE，具有采集信息的存檔、當(dāng)前或者歷史信息的檢索功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)。ADO設(shè)計(jì)開發(fā)中采用了較多的Command對(duì)象，同時(shí)采用ANSISQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的控制。鑒于實(shí)際操作中數(shù)據(jù)庫(kù)中需要存檔的數(shù)據(jù)量較大，因此數(shù)據(jù)的訪問能力非常重要。而Command類的重復(fù)應(yīng)用性比較好，可以把數(shù)據(jù)庫(kù)的細(xì)節(jié)封入SQL里，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈表的內(nèi)容改變時(shí)，可以只改正SQL語(yǔ)句就可以保證應(yīng)用程序架構(gòu)的穩(wěn)定性。

4．2監(jiān)控系統(tǒng)

為提高養(yǎng)殖人員對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)視效率，本系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)交互模塊，含有信息實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)的歷史查詢模塊、巡檢人員的路徑顯示模塊等功能。