基于無線傳感器網絡的溫濕度監測系統研究

摘 要 溫濕度同日常生產、生活密切相關，對其加以采集監測極為重要。而傳統有線溫濕度監測系統其在監測環境與數據信息的傳輸距離上存在著一定限制，而無線傳感器網絡溫濕度監測系統則通過無線收發及GSM通信來實現對溫濕度多節點的實時監測。故本文就以無線傳感器網絡為基礎的溫濕度監測系統加以探討。

【關鍵詞】無線傳感器 溫濕度監測系統 設計探究

隨著人們對居室環境與公共場所舒適度的日益關注，環境溫濕度監測在高端家居及公共建筑等的室內環境已成為常規監測項目。新建筑其在設計時便對溫濕度監測傳感器的布置點、信號傳輸線提前進行確定與布置；而老舊建筑抑或是設計階段未對溫濕度監測納入考慮的建筑要對其進行溫濕度監測，傳統的有線檢測模式則會對內部裝修造成破壞。無線傳感器網絡便為該問題的解決奠定了技術基礎。

1 總體結構及工作原理

無線傳感器網絡溫濕度監測系統其由無線溫濕度傳感器節點、接收模塊、監控計算機所構成。其中，傳感器節點用于對現場各溫濕度監測地點溫濕度數據的實時采集，而后進行編碼并將之發送到接收模塊，而后由接收模塊將所接收數據傳輸到監控計算機予以存儲和顯示。監控計算機經由3G網絡模塊來接入到互聯網，而后將所采集數據傳輸到遠程監控中心。本系統其關鍵在于對無線溫濕度傳感器節點進行設計和以無線互聯網為基礎的遠程信號的傳輸。本系統監控計算機可被視作服務器，而客戶端則是遠程監控中心的計算機，一旦服務器接收到客戶端所發送的數據請求，便會將所采集數據經由無線網絡來傳輸至客戶端（遠程監控中心計算機），以供監控中心進行調閱，達到異地、遠程監控。

2 無線傳感器節點硬件設計

2.1 CC2430

采用增強型工業標準，性能高，電源管理模式具有可選擇性，可對系統的工作模式進行靈活配置以促使功耗得以降低；處于休眠模式時期電流消耗低至0.9μA，而處于待機模式時期電流消耗則低于0.6μA；以CC2430為基礎所設計節點所需外圍電路較少便可完成數據采集與發送，使系統可靠性得以提高，功耗得以降低。

2.2 傳感器

本系統選擇SHT71數字型為大氣溫濕度傳感器，其工作電流：550μA，其待機時僅需0.3μA電流；溫濕度測量精度：±0.3攝氏度、≤1.8%；接口：21C。選擇ISI29010數字型為光照強度傳感器，其工作電流：0.25mA，其待機電流：0.1μA；其測量精度：±50lux；接口：21C。選擇SLST1-5數字型為土壤溫度傳感器，其測量電流：1.5mA；其待機電流：1μA；其測量精度：±0.5攝氏度；接口：單總線。選擇H550數字型為二氧化碳傳感器，其工作電流：15mA；其精度：±30ppm；接口：21C。選擇FDS100模擬型為土壤濕度傳感器，其工作電流：15mA；精度：≤3%；輸出：模擬信號。

2.3 ZigBee通信協議

該協議復雜度低、距離近、功耗低、速率低、成本低，可對能量進行檢測，對鏈路質量進行指示，設備可依據檢測結果對發射功率自動加以調整，在通信鏈路質量得以確保的基礎上設備能好達到最低。本系統無線傳感器節點包括路由節點、終端節點與協調器節點，分別完成數據的采集與匯聚等功能。在節點軟件的設計中，通過對ZigBee協議棧所提供的API函數的調用來實現網絡管理層設備的初始化、網絡配置與啟動，使分布于各溫室中無線傳感器節點能夠自組網絡。為實現節點功耗的進一步降低，本系統對數據采集進行了靈活、定時休眠與喚醒、可動態配置等相關功能的設計。

3 網關節點設計

3.1 硬件設計

3.1.1 ZigBee協調器

本設計通過ZigBee協議將傳感器網絡所采集的全部數據匯聚至協調器節點，故本設計將ZigBee協調器加點嵌入網關節點，并經由串口同網關間實現數據通信。

3.1.2 MC39i

MC39i對GSM900與GSM1800雙頻網絡均支持，其接手速率每秒可達到86.20kb，其發送速率每秒可達到21.5kb，對無線傳感器網絡小數據傳輸量要求完全滿足。

3.1.3 通用外圍接口

該接口網關系統擴展能力較強，其帶觸摸屏LCD用于網關系統信息的交互；USB接口則可外接鍵盤、鼠標等；SD卡可發揮拓展存儲器的作用；而RJ45接口使網關得以接入到以太網。

3.1.4 電源

變壓器將市電（220V）降至12V直流電，以此為網關主電源；以12V蓄電池為系統備用電源，以確保電源的不間斷，斷電時系統仍可繼續正常運行。

3.2 網關管理系統

本設計以流式套接字來確保IP/TCP協議Socke網絡通信的實現。SQLite體積小、高效快速、移植簡便、可開源。故本設計以SQLite為基礎軟件來完成環境監測系統管理軟件，以此來管理傳感器節點與環境數據。

3.2.1 節點管理

由于監測區域無線傳感器節點數量及類型存在較大差異，故需對其加以統一管理。節點管理主要有節點電量/位置/ID、采樣周期、傳感器類型、運行狀態及更新時間等相關屬性的配置。

3.2.2 數據管理及預警

SQLite數據庫對網關所接收的周期性環境信息進行存儲、查詢等相關管理；還需對寫入數據可各個環境數據加以判斷，一旦室溫超過管理人員所設置安全范圍，警報器、GSM短信、閃光燈等預警方式便會啟動。

4 總結

本文就以無線傳感器網絡為基礎的溫濕度監測系統設計進行了分析，本設計中以SQLite數據庫為基礎的溫濕度監測系統可實現對各類傳感器節點及大量溫濕度數據的有效管理；此外，系統還可進行閃光燈、警報器及GSM短信警報，以無線遠程、低成本低功耗、靈活友好為主要特點，以期為無線傳感器溫濕度監測系統的盡早開發提供有益參考。

參考文獻

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作者簡介

李云龍（1983-），男，江蘇省徐州市人，碩士學位，現就職于天津中德職業技術學院講師，主要從事運動控制技術、PLC控制應用等研究工作。

作者單位

天津中德職業技術學院 天津市 300350