基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計與應用

王松濤

（雅安市環境監測中心站四川雅安625000）

基于無線傳感器網絡的環境監測系統設計與應用

王松濤

（雅安市環境監測中心站四川雅安625000）

隨著信息化進程的不斷推進，信息技術的應用范圍越來越廣，在農業生產過程中也越來越重視信息技術的應用，無線傳感網絡為農業發展提供了重要支撐，它通過綜合運用傳感器技術、網絡技術、無線通信技術和嵌入式計算技術等，實現了對農業生產各環節的監測，它監測范圍廣、監測數據準確，為農作物生長環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絡的優勢特點，設計了一種適用于農業環境監測的信息采集系統，為農業科學發展奠定了基礎。

無線傳感器網絡；環境監測；傳感器節點

信息化的高速發展，讓我國經濟社會等各領域進入了新的發展階段，而無線傳感網絡的發明，被應用到軍事、醫療、環境、建筑等多個領域，它改變了傳統的發展模式，這種新技術的應用為我國經濟發展和社會進步創造了巨大財富。深度掌握無線傳感網絡的技術結構，更好的靈活掌握，設計出適用于農業發展中環境監測的信息采集系統，促進農業的健康可持續發展。

1 無線傳感網絡的應用領域

1.1 軍事領域

無線傳感網絡最早應用于美國軍事作戰中，美國軍方設計的NSOF系統，實現了在復雜的環境中，能夠迅速收集偵查區域的情報信息，然后通過無線傳感網絡傳送到總戰術指揮網絡區。與傳統的獨立衛星及地面雷達系統不同，它的優勢更突出：（1）大大提高了信噪比，主要是該系統的分布節點多角度采集信息，是其特有的；（2）傳感系統與需要探測目標的距離近，可以避免遠距離傳輸環境噪聲對系統的干擾。

1.2 環境監測

當代社會，人們生活質量逐步提高，對于環境的關注日益增多，環境監測越來越科學化。起初，在自然環境中，原始數據的采集十分困難，而無線傳感網絡為環境工作者的野外考察提供了方便，環境監測的傳感器網絡具有輕便性、廣分布性等優勢，只要在既定范圍內安裝了節點，就可以觀察到環境因素的變化情況，如果在火山、冰川、森林等自然區域安裝環境監測節點，將會為避免自然災害等情況的發生發揮巨大的作用。

1.3 醫療健康

隨著醫療服務水平的逐步提高，互聯網也越來越多的應用到醫療領域中，為人們的健康監測提供了方便。遠程健康監測就是無線傳感網絡的功能，醫生通過發放一些具有監測血壓脈搏、體溫等功能的微型無線傳感器給患者，變通過設計好的網絡系統，便能實時監測患者的健康狀況，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 在建筑領域的應用

由于現代建筑的特點，通過無線傳感網絡的布置，監測點能夠隨時掌握建筑物內的溫度、壓力、聲音、安全等各種指標和環境狀況，當異常出現時，能夠迅速采取應急措施，有效避免了對于人們財產生命安全的事故的發生。而智能家居的發明，便是通過無線傳感器的應用，隨時可以監測到室內的溫度、濕度等指標，而且對空調、家電、門窗可以進行自動控制，為人們創造了智能、舒適、方便的居住環境。

1.4.2 在城市管理中的應用

隨著大城市病的到來，無線傳感網絡在交通中的深度應用，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的工作提供了信息服務，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，為維護城市安定做出了重要貢獻。

2 國內外研究現狀

無線傳感網絡的研究起步早，尤其是美國、歐洲、日本等發達國家更為關注，從21世紀開始，這些發達國家花費了大量的精力致力于無線傳感網絡技術研究中，引領了全球信息技術的飛躍發展。

2.1 無線傳感網絡支撐技術的研究現狀

無線傳感網絡應用系統功能強大，主要歸功與路由、定位、同步、安全、網管、節能等技術的支撐，從而實現了對于各個領域的監控功能。

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，而常用的測距技術有信號強度、到達時間差等，非測距算法主要有質心算法及DV-Hop算法。

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

2.1.3 同步。要實現無線傳感網絡的同步范圍、精度，主要有RBS算法、TPSN算法、FTSP算法。

2.1.4 網絡管理。無線傳感網絡的管理至關重要，更是行業研究的重點，主要包含能量管理、安全管理和數據管理。

2.2 傳感器節點的國內外研究現狀

2.2.1 國外主要節點設備現狀分析

一種具有光通信能力的自治傳感器節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，該節點附著在其他物體上十分容易，甚至可以實現在大氣中浮動。而TMote SKY節點作為加州大學伯克利分校對于火山監測研制出的產品，實現了對活動火山運動情況、周邊環境突發狀況的掌握。

2.2.2 國內節點設備技術分析

中國科學院沈陽自動化研究所開發了一種通用的、低成本、低能耗的傳感器節點；華中科技大學構建了一套芯片節點，但相對功耗較大并不實用；浙江大學現代控制工程研究所為從事面向傳感器網絡的關鍵技術研究及理論知識方面的研究，專門成立了無線傳感器網絡控制實驗室，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絡方面的研究，但相比于其他發達國家來說，研究深度及投入的科研力量都比較落后，擁有的自主知識產權較少，創新能力不足。

2.3 環境監測系統的國內外研究現狀

最為典型的應用就是美國學者在2004年將無線傳感器網絡放置在葡萄園中，通過與農業領域的專家一起研究，將信息技術與農業技術深度融合，準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。國內學者將無線傳感器網絡于2007年應用到了西雙版納的自然保護區內，不僅對自然保護區的生態環境信息可以隨時監測，而且發現了許多動物的生活習性及新的動物品種，對于保護區自然災害的預警工作也提供了重要支持。

3 系統體系結構與網絡節點設計

3.1 監測系統體系結構

環境監測主要通過使用由大量互聯的微型傳感器節點組成的傳感網絡，從而實現對環境不間斷的高精度數據搜集。環境監測系統主要按照低成本、低功耗、實時性、精度高、穩定性的原則來設計。基于無線傳感器網絡的結構特點，結合環境監測的需求，環境監測系統的設計主要由傳感器節點、網絡協調器、及監控終端構成。在系統運行過程中，監測區域安裝的傳感器節點可以將溫度和濕度的數據進行采集，然后經過信息網絡協調器匯集后，通過監控終端進行一系列的分析、整理和存儲，從而完成了對溫度、濕度等數據的實時監測。如下圖1所示。

圖1 監測系統拓撲結構圖

環境溫濕度采集系統的工作流程包括以下幾個環節：（1）在安裝傳感器節點后，啟動電源開關，輸入無線傳感器網絡的指令即可工作；（2）各個傳感器節點接受命令。（3）節點將采集到的數據傳送到網絡協調器和監控設備。環境監測系統的數據傳輸工作流程如圖2所示。

圖2 環境監測系統的數據傳輸工作流程

3.2 環境監測中的關鍵技術

環境監測的傳感器節點應具有體積小、精度高、生命周期長的特點，這樣在獲得周圍環境的確切參數、抵抗監測環境的復雜性及延長傳感器網絡部署的有效時間等方面才能滿足需求，實現環境監測的價值作用。

3.3 無線傳感器網絡節點設計

無線傳感器網絡系統中的每一個傳感器節點都具有收集、處理數據及無線通信的功能，而每個節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模塊四個部分組成。它的設計原則主要考慮低功耗、優化射頻性能、微型化、可擴展性。在設計中，我們掌握了設計的基本原則及結構特點，但應更加注重設計中可能出現的問題，主要有幾點：（1）相關聯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，應注意將出現端附近放置高速運轉的器件，稍遠處放置低速電路和存儲器等，可以有效降低輻射等；（3）應充分考慮器件的散熱問題，所以在放置容易發熱的器件時盡量考慮布置在易通風散熱的位置；（4）對于噪聲大的器件，應保證大電流電路盡量遠離計算機邏輯電路。

4 結語

本文主要介紹了無線傳感器網絡的國內外研究現狀、環境監測的國內外研究現狀，進而對環境監測系統的設計要點、原則、工作流程及數據傳輸等方面進行了深入分析，系統的設計實現了對環境溫濕度的數據采集功能。然而，在以后的研究中，應進一步加強對于環境和農業領域監測參數的多功能系統探討，如氣體含量傳感器、光照強度傳感器，而節點接口設計對于不同類型傳感器的匹配也需要改進；同時，進一步增強系統的穩定性，系統應結合監測環境的特點，做好防水、防潮、防腐蝕等各項保障工作?？傊?，無線傳感器網絡具有廣闊的應用前景，在農業高度受到重視的今天，借助無線傳感器網絡實現對農作物生長的實時監測，以保證農業的持續進步，讓我國的糧食大國地位進一步夯實，對于國家的經濟發展和人們的幸福生活具有重要的意義。

[1]王雪.無線傳感器網絡測量系統.北京:機械工業出版社,2007,1-46,307-324.

[2]張在深,余旭濤,畢光國.無線傳感器網絡的研究與實現.中國礦業大學學報,2007,36(5):626-629.

[3]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網絡.北京:清華大學出版社, 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：環境監測。