基于無線傳感器網(wǎng)絡和3G/4G的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

王德麾+馮軍帥+宋海亮+謝志梅

摘 要：針對現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有線傳輸?shù)牡娜秉c，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡和3G/4G的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)中心構成，傳感器節(jié)點對采集到的環(huán)境信息進行加密、編碼等處理，通過近程無線通信模塊上傳至數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心編碼、加密、壓縮多個傳感器節(jié)點上傳的信息，通過3G/4G無線網(wǎng)絡上傳至數(shù)據(jù)服務器。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、環(huán)保、可靠的優(yōu)點，可廣泛應用于遠程環(huán)境監(jiān)測。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡；3G/4G；遠程控制

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡是一種在線自動監(jiān)測方式，它利用傳感器對環(huán)境進行測量并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)測中心，實時地對被監(jiān)測地點的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素進行檢測，可減少工作人員的工作量；通過分析數(shù)據(jù)，可及時確定環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢，廣泛用于災害預測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、酸雨監(jiān)測、輻射監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等重要領域[1]。目前，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要采用有線信號傳輸，該方式布線復雜，傳輸距離受限，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性均有待提高[2]。而且，現(xiàn)有的監(jiān)測節(jié)點采用的普通電池電量有限，需要定期人工更換，對于可能存在安全隱患的特殊野外環(huán)境，工人不便頻繁前往，因此現(xiàn)有系統(tǒng)還存在不便于維護的缺陷。

本文針對上述系統(tǒng)中存在的問題，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡和3G/4G技術的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器對環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，通過3G/4G模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信，通過太陽能電池和蓄電池供電，能克服現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，兼具環(huán)保和低功耗等特點，還可實現(xiàn)對遠距離環(huán)境的監(jiān)測。

1 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network， WSN）是由部署在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量靜止或運動的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其作用是協(xié)調(diào)感知、采集、處理和傳輸被檢測區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象的信息，并將這些數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)中心。目前被廣泛應用于軍事、救災、環(huán)境、醫(yī)療、工業(yè)等方面。

WSN的顯著特點是電池能量有限、部署迅捷、高容錯性和強隱蔽性的自組織的網(wǎng)絡拓撲結構[3]。由于傳感器節(jié)點電池能量有限，因此在非工作狀態(tài)下，傳感器節(jié)點應處于休眠狀態(tài)以減少功耗。傳感器節(jié)點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網(wǎng)絡能及時對環(huán)境的變化、網(wǎng)絡自身的變化、網(wǎng)絡控制指令做出反應，特別適合在惡劣環(huán)境下工作。

2 系統(tǒng)結構設計

本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所用的WSN由傳感器群（節(jié)點）和至少1臺匯聚設備（匯聚節(jié)點）組成。它們之間采用ZigBee協(xié)議進行自組網(wǎng)和無線數(shù)據(jù)傳輸。

匯聚設備配有3G/4G模塊，負責將采集的環(huán)境信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心為TCP/IP服務器或UPD服務器，與傳感器匯聚節(jié)點通過無線移動公網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。其本身則通過無線、專線或Internet接入無線移動公網(wǎng)。本系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

匯聚設備主要由控制器、通信模塊、電源管理模塊、供電模塊、機體構成。其中供電模塊包含位于機體外部的太陽能電池陣列和位于機體內(nèi)部的電池組，它們經(jīng)電源管理模塊相連，并且通過電源管理模塊向設備內(nèi)部各模塊供電；傳感器組分布于環(huán)境中，以無線方式與控制器通信。具體結構框圖如圖2所示。

圖2 遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構框圖

3.1 傳感器群

傳感器群由若干傳感器單位組成，分布于匯聚設備周圍。每個單元采集至少1種環(huán)境信息，并通過ZigBee無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)至匯聚設備，并接收由匯聚設備轉發(fā)的遠程控制指令；每個傳感器單元能夠自動進行功耗管理，以延長工作時間。

3.2 通信模塊

用于發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)和接收遠端指令。采用無線通信可以使得監(jiān)測系統(tǒng)用于任何有無線通信網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)，降低數(shù)據(jù)傳輸成本，提高系統(tǒng)安裝的便捷性。遠程無線通信可以采用3G/4G網(wǎng)絡，使用TCP/IP協(xié)議或UDP協(xié)議接入互聯(lián)網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量。通信模塊需要在雷雨天氣下傳輸數(shù)據(jù)，是雷擊目標，可通過并聯(lián)防雷模塊保證其安全性。

3.3 電源管理模塊及太陽能電池

電源管理模塊內(nèi)部包括充電電路及電壓轉換電路，負責將太陽能電池板發(fā)出的電量單向輸送給電池組充電，并控制蓄電池單向其它設備供電，具有充放電過保護功能和充放電穩(wěn)壓功能，避免蓄電池過度充電和過度放電，保證充放電質(zhì)量，延長電池使用壽命。

3.4 機體設計

為系統(tǒng)在野外環(huán)境下提供長期有效防護，防止機箱內(nèi)進水、腐蝕、蟲咬，可采用鋁合金材料或經(jīng)熱浸鋅處理的鋼材料，開合處加密封墊或其他密封材料，機箱與外部接線的孔用橡膠環(huán)并灌注密封膠。機箱也可采用其他有效密封方法和滿足性能的材料。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)中，傳感器群和匯聚設備間采用ZigBee協(xié)議，該協(xié)議適用于低速短距傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡，具有低功耗、低成本、短時延、大容量、安全性好的優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)自動化智能化等領域。在本系統(tǒng)中，采用ZigBee協(xié)議還可以根據(jù)不同需求對傳感器節(jié)點實現(xiàn)任意增減或者改變網(wǎng)絡的拓撲結構。

4.2 軟件流程設計

圖3 軟件流程設計框圖

5 結 語

本文提出了基于WSN和3G/4G的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了有線傳輸布局范圍小、維護困難等問題，實現(xiàn)了對被監(jiān)測點的實時監(jiān)測，在很大程度上節(jié)省了人力成本，便于對環(huán)境信息進行統(tǒng)一管理。同時，該系統(tǒng)采用太陽能電池供電和功耗管理，不需要人工頻繁更換電源，特別適用于存在安全隱患的野外環(huán)境。

參考文獻

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