基于無線傳感器網絡的室內監控系統

張新耀　馮啟朋　霍鵬　王亞慧

摘要：室內環境與人的生活、工作密切相關，一般具有結構復雜及區域差異性大的特點。無線傳感器網絡是由具有感知能力、計算能力、無線通訊能力的傳感器節點組成的智能網絡，可以有效地監測環境參數變化，并能夠對環境異常做出實時處理，從而實現復雜環境下的分區域環境監控，由此設計了一套基于無線傳感器網絡（WSN）的智能室內監控系統。文章通過對整個系統的設計方法、軟硬件實現及系統測試結果進行了分析研究，最終證明了由無線傳感器網絡構成的系統可以高效地實現室內環境監控的任務。

關鍵詞：無線傳感器網絡；室內監控系統；環境監控；環境參數

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）30-0030-03

無線傳感器網絡集傳感器技術、微機電系統（MEMS）技術、無線通信技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術于一體，它由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡因其具有成本低、能耗小等特點，已經展現了非常廣闊的應用前景，參考文獻[1]和參考文獻

[2]中分別介紹了其在農業與醫藥學領域的應用。2003年MIT技術評論Technology Review在預測未來技術發展的報告中，將其列為改變世界的十大新技術之一。

隨著社會經濟的發展及生活條件的改善，人們對工作和生活環境的安全性和舒適度提出了更高的要求，而室內環境與人們的生活與工作息息相關，因此室內環境的監測與控制引起了人們越來越多的關注。為了實現各式各樣的生活與工作要求，室內環境的結構也是多種多樣的，正是這種結構復雜多樣性及區域差異性，給室內環境的監測與控制帶來了諸多挑戰。但是，隨著無線傳感器網絡技術的發展及應用，這些挑戰均迎刃而解。

1 系統工作原理

系統的監控功能主要利用了無線傳感器網絡技術來實現。系統分為三個部分，分別為監控節點、下位機和上位機。系統結構如圖1所示：

監控節點：作為無線傳感器網絡的基本組成部分，它可以利用搭載的多種傳感器來獲取室內的環境參數，通過微機電系統將這些參數進行數字化處理，并打包通過無線通訊模塊發送至下位機。

下位機：作為無線傳感器網絡的中心節點，下位機起著承上啟下的作用。它既能夠通過無線通訊模塊與諸傳感器節點通訊，又能通過串口與上位機實現信息交互，最終實現了傳感器節點與上位機的協調。

上位機：作為無線傳感器網絡的“大腦”，上位機負責整個傳感器網絡的正常運行。通過對下位機呈遞的數據包進行解碼，上位機能夠提取各環境參數信息，并將其圖形化顯示。此外，通過設置環境參

數閾值，上位機可以實現整個系統的自動控制。

2 系統功能介紹

環境參數采集與圖形化顯示：傳感器節點通過搭載的各類傳感器可以采集各類環境參數，例如溫度、濕度、光照、空氣質量等，并通過無線傳輸將這些數據發送至上位機。上位機通過解包提取各環境參數，對其進行圖形化顯示。通過圖形化顯示，可以直觀地得到環境參數的變化過程，便于發現環境異常及對環境變化趨勢做出合理判斷。

異常處理：當環境參數超過預先設定的閾值時，則判定為異常狀態。此時，可以通過上位機軟件，調整相應節點控制設備的工作狀態，以使環境參數恢復正常。

雙重工作模式：上位機軟件設置有雙重工作模式，即自動控制模式和手動控制模式。在自動工作模式下，上位機會根據閾值判斷當前室內環境是否發生異常，從而對節點的控制設備進行調節，使室內環境維持在相對穩定狀態。在手動模式下，可以根據當前的需要，主動干預室內環境的調節，從而實現某些特殊條件下特殊要求。

3 硬件和軟件設計

3.1 硬件的設計

監控節點的設計：由5個基本部分組成，分別為傳感器檢測單元、數據處理單元、無線傳輸單元、控制單元和電源供應單元。節點結構如圖2所示。節點的處理器使用綜合性能較好的ATMEL的AVRmega16單片機。本節點擬設計為通用節點，可拓展為8路開關/模擬量輸入、8路輸出外接控制器、2路占空比可調PWM，可接多種多個傳感器，擴展性強。傳輸采用AM2400BS-R（NRF2401）無線通信模塊，收發頻率為2.4～2.524GHz，數據傳輸速率最快為1M/bps，可以傳輸較大的數據包，發射功率最大為0dB，傳輸距離遠。節點程序流程圖如圖3所示。控制單元由繼電器、排氣扇、風扇（可由PWM控制轉速）、白熾燈、火警報警器等組成。電源根據具體情況可以采用220V交流電、蓄電池、太陽能電池、USB等供電，省電也是本系統考慮的主要因素。

通信協議：分為無線通信協議和串口通信協議。無線通信協議分為上行和下行協議，上行協議用于節點到下位機的數據信息傳輸，下行協議用于下位機到節點的控制命令傳輸。上下行協議中預留了保留位，方便進行系統的進一步擴展。下位機與上位機之間采用RS232串行通信協議。

3.2 軟件的設計

上位機軟件：采用Visual C#語言編寫，在Microsoft Visual Studio集成開發環境中開發。軟件設計的流程圖如圖5所示。主要包括用戶登錄界面、區域選擇界面和參數顯示界面。用戶登錄界面用于設定用戶權限，保證系統安全；區域選擇界面有利于用戶快速定位目標區域，保證系統快捷方便；參數顯示界面可以記錄并顯示參數歷史信息，并提供參數的動態變化曲線和控制按鈕，方便用戶對參數未來的變化趨勢進行合理預測和對異常情況進行處理。

Internet的創新性應用：可在互聯網上進行拓展，不僅可以方便地進行遠程監控，還可以擴大監測范圍，使該系統擁有更廣闊的應用前景。

4 系統測試及結果

為了進行系統測試，設計了一套模擬系統，該模擬系統包括3個無線傳感器節點，每個節點搭載溫濕度傳感器、光照傳感器和煙霧報警模塊。

通過對3個無線傳感器節點進行輪詢，測試得到最大的無線通訊有效距離約為30米。

5 結語

本文從應用角度出發，設計了一套基于無線傳感器網絡的室內監控系統。該系統低功耗，低成本，便于安裝。通過測試實驗，證明該系統功能實用可行，是對室內監控系統的重大改進。對室內環境可以全面的了解和掌握，對異常情況可以做出正確的判斷和實時有效的處理，使室內環境的安全性及舒適度得到大幅改善。

參考文獻

[1] 喬曉軍，張馨，王成，任東，何秀紅.無線傳感器網絡在農業中的應用[J].農業工程學報，2005，21.

[2] 李毅治，張月琳.傳感器在醫藥學領域的應用[J].藥學進展，2005，29（12）：571-574.

[3] Estrin D，Govindan R，Heidemann J S，et al.Next century challenges：scalable coordinate in sensor network[A].In：Proc 5th ACM/IEEE Int' l Conf on Mobile Computing and Networking[C].1999：263-270.

[4] 陳丹，鄭增威，李際軍.無線傳感器網絡研究綜述[J].計算機測量與控制，2004，12（8）：701-704.

[5] 石軍鋒，鐘先信，陳帥，邵小良.無線傳感器網絡結構及特點分析[J].重慶大學學報，2005，28（2）.

基金項目：中國海洋大學“國家大學生創新性實驗計劃”項目資助（編號：100082491002）

作者簡介：張新耀（1990-），男，山東兗州人，中國海洋大學信息科學與工程學院學生，研究方向：海洋技術。

（責任編輯：周加轉）