无线环境监测精品(七篇)
无线环境监测篇(1)
关键词：无线传输；环境监测；Zigbee
1 研究背景及意义
近年来新兴了一种性能稳定、传输效果较好的无线数传网络，主要用于传感器间近距离无线通信连接。基于这种无线的传输技术而开发的硬件模块，具有低成本，低功耗，协议简单，安全可靠，自动组网等特点。目前，此项技术已经日趋成熟，并被应用于多种行业。
传统的环境监测的过程一般为接受任务，现场调查和收集资料，监测计划设计，优化布点，样品采集，样品运输和保存，样品的预处理，分析测试，数据处理，综合评价等。同时监测地域的分散性，环境变化过程的缓慢性，监测的时间跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的间断监测。传统的监测方法，对突发状态现象调查无法完成，而应用这种无线传输技术的监测平台可以随时不间断的进行监测。
2 基于无线传输的环境监测系统
本文将无线传输技术用于环境监测，搭建环境监测平台，该平台将具备连续性、追踪性的特点，对突发环境事件的研究提供帮助。将来随着该平台研究更加成熟，还将具备综合性特点，非常符合环境监测的要求。首先将开发的微传感器节点模块按照一定要求布置在监测环境中，实时采集各类环境数据，然后通过中心节点（具有协调器和路由的功能）将数据传递给网关，最后网关将收集到的整个子网络的信息通过系统内网传给基站。基站与一个数据库和 Internet 网联接，将收集到的数据进行相应的处理。最后，终端用户可以通过 Internet 网访问数据库得到自己感兴趣的信息，并且能够根据需要作出下达指令，控制节点运行。实现对环境的实时监测以及下达控制操作的目的。
1）无线技术综述：Zigbee 技术是专门为了低功耗的无线传感器网络研发的通信协议，通过对比 Zigbee技术和其它无线通信技术的特点，总结出 Zigbee 技术是无线传感器网络的最优选择。本文重点从整个构架上阐述了基于 Zigbee 环境监测平台的系统研究。为了适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求，传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求快速的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。Zigbee 协议应运而生，它继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。
2）系统建设：通过 Zigbee 协议采用自组网和多跳的通信方式将环境的变化量传送给了它的上一级网关，网关将收集到的所有子网络的信息，通过事先编译好的系统内网传给更上一级的中心服务器。中心服务器有一个数据库专门存放这些环境的变化量，将它和 Internet 网连接。这样，用户终端就可以通过手机或 PC 机通过相应的服务程序直接访问到 Internet 网数据库得到用户所需要的外界环境的信息。当然，随着这一技术的不断深入发展，用户终端只需按下键盘在千里之外的办公室就可以实现对智能节点的控制。
3 智能节点硬件设计
智能节点的硬件设计包括主控制器模块选择，通信模块选择，各种环境监测传感器选择等。通过比较选择了环境监测中用到的几种传感器，分析它们的型号、特点、输出模式以及外部接口电路。
1）智能节点的设计：智能节点的设计是整个系统硬件设计最核心的部分，它直接放置在监测环境内部，负责数据的采集、处理和传输等功能。节点的设计必须满足具体应用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并为节点配备合适的传感器、必要的计算功能、内存资源以及适当的通信设备。传统的无线传感器网络节点由四个模块组成：传感器模块（A/D 转换、传感器）、处理器模块（微处理器、存储器）、无线通信模块（无线网络、MAC、收发器）、电源供应模块（电池、AD-DC）。本设计在原有基础上添加标准化的接口平台和控制平台，实现更多应用的传感器的添加，以及用户可以下达命令对开关量，模拟量和数字量执行控制。
2）微控制器选择：微控制器模块是环境监测平台节点的核心部分，在微控制器的选择上，需要综合考虑其存储、处理、接口和功耗等多方面因素对硬件平台实现功能的支持。我们选用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是专门为嵌入式应用而设计的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，时钟频率较低（4MHz），可以适用于不同类型设备的指令集。它以可变的片上 RAM（存储范围为 2～10KB）、几个 12 位模/数转换器和一个实时时钟为特征。它的功能很强大，可以执行一个标准无线传感器节点的基本计算任务
3）通信模块选择：通信模块是传感器组网的必备条件，使得独立的传感器节点之间可以互相连接，并能借助多跳将数据回传到节点，即数据汇聚节点。在环境监测中，大量的节点被放置在被监测领域内，能量消耗以及外部对信号的干扰，选择芯片时要充分考虑通信模块抗干扰能力以及能量消耗问题，即在满足信号处理要求的同时尽可能地抵抗干扰和降低系统能耗，延长平台工作时间。
4）传感器模块：传感器是环境监测平台中负责采集监测对象相关信息的组件，与应用紧密相关，不同的应用对涉及的检测量也不相同，有可能是一个模拟量（温度、湿度、光强、气体含量等），也有可能是一个数字量（信号链路质量）或者是一个布尔值（阈门开关、电闸的开合和继电器的位置等）。在环境监测中，传感器模块主要添加的常用传感器有全光谱光强度传感器、可见光谱光强度传感器、有毒气体监测传感器、温湿度传感器等。
5）控制平台：大多数的环境监测，数据采集和传输是系统的主要工作，尽量避免对环境监测对象造成影响，以保证数据采集精度。但是，对于诸如农业环境监控之类，用户希望不仅可以了解农田的各种环境参数变化，而且可以根据采集信息的变化情况对农田环境进行相应调整。例如，在蔬菜大棚内，温湿度是影响蔬菜生长的一些重要因素，当监测平台监测到温湿度高于或低于适合蔬菜生长的范围时需要采取一定的措施来改变大棚内环境温湿度，比如控制喷淋开或关，这就需要引入执行器进行控制。在不同应用中，执行器的功能与作用各不相同，可能是一个继电器开关，也可能是一组运动装置或数控设备，具体需要由系统应用所针对的对象决定。
6）电源模块：电源模块是环境监测平台的能量来源，电源技术的好坏决定了网络工作时间的长短和系统运行成本。目前还没有找到更高效使用时间更长的高能量电池，我们使用的是两节AA 电池，实验效果显示可以维持一个节点工作半个月时间。
7）其他硬件设计：节点模块采用 USB 口作为其程序调试下载端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主机通讯，为了和节点通讯，必须在FTDI设备上安装FTDI驱动。节点模块将会在windows设备管理器中以串行口出现。并行的无线传感器可以同时连接到一台电脑的USB口，每个点，将会接收到不同的串行通信口标识符。天线节点模块的内置天线是一个倒F型的微波传输带，它从电路板底部伸出，远离电池组。倒F型天线是有线单极子，它顶部的截面被折叠下来与地线平行。在读出或写入闪存中数据的时候必须要谨慎，因为它是和无线电通信交叉存取的。这是总线在微控制器上的典型软件应用。
4 平台软件设计
该环境监测平台的软件设计主要通过操作系统 TinyOS 和编程语言 NesC 来完成。本章通过典型应用分析了模块化、基于组件的编程案例。将模块化的程序设计移植于环境监测领域，列出了该平台的软件流程图。最后通过网络数据库的应用开发了一套可视化数据监测平台，实现了远程监测。该平台的软件开发通过开源式 TinyOS 操作系统和基于组件的 NesC 编程语言来实现环境监测数据的发送和接收功能，程序开发周期短，便于修改，对于各种环境监测传感器的添加也很方便。网络数据库的应用开发使人们在办公室就可以直观的看到各种传感器采集的环境监测数据，足不出户就可以对数据进行提炼分析，观测环境变化的一举一动，实现了 24 小时不间断监测，对突发环境情况变化的研究提供了可能。
5 总结与展望
本文设计并实现了一种基于无线传输技术的环境监测系统，它通过使用由大量微型传感器节点组成的环境监测网络，可以对所监测的环境进行不间断的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基础性研究和探讨。搭建了基于无线传输技术的环境监测平台，这个平台具有数据采集和上传、网络可视化、远程控制等功能。在过去智能节点的硬件设计上存在接口不容易扩展问题，主要是由于环境监测中需要添加的传感器类型不同导致输出信号格式不同，另外还有主控芯片输入接口不够用等问题。针对这些展开研究，设计了标准化接口电路，实现了接口扩展。最后需要利用该平台进行了一系列的试验和调试，对采集的数据进行了分析，将该平台应用于环境监测是具有一定科研意义的。
参考文献
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无线环境监测篇(2)
关键词：无线环境监测模拟装置设计
0 引言
在很多情况下，监控中心都需要对周边及关键位置的环境信息（如温度、照度、湿度等）进行监测和处理。各探测点信息采用有线传输是一种可靠的方法，但受建筑物装修要求和环境障碍等因素限制，不宜采用有线方式传输时，使用无线方式传输无疑是一种经济适用的选择。本装置要求能在5秒钟内完成对255个探测节点环境温度和光照信息的无线探测，并自动巡回或手动选择显示相关环境信息。
1 系统方案设计
根据设计要求，为便于对周边多点环信息进行探测，实现监测终端与各探测节点之间信息的无线传输，本装置由探测节点分机和监测终端两大部分组成。探测节点分机由单片机、温度检测电路、照度检测电路、无线发射电路和接收电路等组成；监测终端由单片机、无线发射电路、无线接收电路和显示电路等组成。系统结构如图1所示。各探测节点分机完成对环境温度和照度信息的采集与处理，并适时向监测终端和邻近检测节点发送信息；监测终端完成探测命令的、探测信息的处理、存储与显示。
1.1 信息传送与转发方案 为防止某个探测节点在上传信息时发生碰撞，系统采用“时分复用”信道的通信方式。约定每个节点必须在规定的时隙ΔT内完成信息发送。某个节点接收到监测终端发来的“探测命令”时，或接收到邻近节点转来的第一个“探测命令”时。启动定时，定时时间到便开始发送信息。定时时长根据每个节点地址不同或是否能直接接收终端“探测命令”为依据决定。
当监测终端需要探测环境温度和照度信息时，便以广播通信方式向各个探测节点“探测命令”。能直接接收终端“探测命令”的节点同时启动定时，某个探测节点定时时间到，便开始向终端和邻近节点发送信息（含地址、温度和照度信息）。终端将信息接收下来送单片机存储、处理；不能直接接收“探测命令”的节点（如地址序号为j的节点），在接到第一个邻近节点（如地址序号为i的节点）发出的信息时，便认为收到了“间接探测命令”，于是开始启动定时。由于每转发一个节点信息需要两个ΔT，因此转发节点j的定时时长
T=（256-i+2j）ΔT。
定时时间到，便发送含有i节点地址、j节点地址与环境数据的信息。此时，若i节点收到j节点发出的含有本节点（i节点）地址的信息，表明j节点需要本节点转发信息；若i节点收到的j节点信息中不含有本节点（i节点）地址的信息，表明j节点不需要本节点转发信息。
1.2 信息处理与显示方案 由于要求在5秒内完成对255个探测节点环境信息的探测，考虑到最多可能有254个节点的信息需要转发。这样，监测终端对每个节点的探测时间只有几十毫秒，这么短的时间无法实现“即时检测即时显示”，只能将地址信息和环境信息全部接收下来处理后，再根据需要送显示器显示。显示方式有三种选择：一是自动巡回显示，二是手动设定/选择显示，三是报警节点优先显示。
1.3 通信协议
1.3.1 数据包格式 本系统的信令和数据包由同步码WS、功能码FC、数据包长度码SIG、数据包内容DIGI和校验码CHECK五部分组成。数据包格式如下：
■
1.3.2 SPL编解码与数据包传输 ①SPL编码与数据包的发送。数据包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的发送是由单片机的通用输出端口从高位到低位串行逐位发送的，发送完WS以后，发真正的信令码FC、SIG、DIGI、DHECK时，将进行SPL编码，按照1变为01，0变为10的原则，FC由原15位变成30位。②SPL解码与数据包的接收。数据包的接收是发送的逆过程，是由单片机的通用接收端串行接收的，当单片机串行接收到WS后，即着手接收已经过SPL编码的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011，100的原则进行SPL解码，若出现00或11的情况，认为接收端出错，若出错两次，则信令无效，若只有一次，则暂时按000，111处理，留待下一步校验码纠错。③差错控制编码检错与纠错。差错控制的基本思路是，在发送端根据要传输的数据系列加入多余码元，使原来不相干的变为相干的数据，即编码。传输时将多余码元和信息码元一并传送。接收端根据信息码元和多余码元间的规则进行检验，即译码。根据译码结果进行差错检测。当发现差错时，由译码器自动将错误纠正。这种多余码元就是校验码。
2 电路与程序设计
2.1 发射电路 各探测节点和检测终端的发射电路可采用相同的电路结构。电路一般由脉冲产生电路、脉冲整形电路、调制与发射电路构成。
载波频率的稳定与否是发射电路能否稳定、可靠地工作的关键，本设计采用振晶与高速与非门构成的振荡器来产生稳定的载波信号。
信号的发射是通过线圈耦合的方式实现的，因而射频功放应选择谐振功放。谐振功放有A、B、C、D类，综合考虑电路的复杂程度及效率问题，本设计选用三极管构成的C类放大器对高频信号进行射频功率放大和发射。
常用的数字调制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，FSK、PSK电路比较复杂，本设计选择100%ASK调制。100%ASK以100%的能量进行数据传输，保证了信号的较高抗干扰性，解调容易，在一定程度上提高了通信的可靠性。
2.2 接收电路 各探测节点和检测终端的接收电路可采用相同的电路结构。电路主要由混频器、本机振荡器、中频放大器、检波器、低频放大器和脉冲整形电路构成。
混频器的作用是提高接收电路的灵敏度、选择性。如果没有混频电路，接收电路将直接放大接收到的高频信号，将会出现灵敏度低、选择性差的问题。采用混频器后，将高频信号变为固定的中频，故在混频器后设置中频放大器，中频放大器在固定中频上放大信号，放大电路可以设计得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本设计中频放大器中设置了一个藕合谐振电路和一个选频网络，以进一步提高接收电路的选择性和抗干扰能力。由于检波出来的信号较弱，须经低频放大以后才能进行比较判决。因此解调电路部分应包括由检波器、低频放大器和脉冲整形电路。解调出来的数据信号送单片机进行处理。
2.3 系统软件设计
2.3.1 监测软件设计 终端单片机节点完成探测命令、探测到的节点信息的处理和显示。当需要探测节点信息时，终端以广播方式发出探测命令，并启动定时，定时时长为512ΔT（ΔT为一个节点上传信息所需时间），确保255节点在转况下都能可靠探测。当探测到节点信息时，将该节点信息进行存储、处理。全部节点的信息都接收下来处理完后，将地址信息、温度信息和光照信息依序送显示器显示。然后再进行下一循环的探测。主要程序流程如图2所示。
2.3.2 节点软件设计 探测节点单片机完成对环境温度、照度信息和电池电压的采集与处理，适时向终端和邻近节点发送信息，并根据临近节点的需要及时向终端转发信息。主要程序流程如图3所示。
3 结束语
本装置为一模拟实验系统，由于各探测节点能够接收和转发邻近节点传来的信息，不仅数据传送可靠，而且通信距离远比点对点大。测试结果表明：该装置能够准确完整地监测和处理各探测节点的环境信息。只要适当增加发射电路的载波频率和发射功率就能增加探测距离和范围，以适应实际应用要求。
参考文献：
[1]谢自美.电子线路综合设计[M].华中科技大学出版社.
无线环境监测篇(3)
关键词：ZigBee协议栈；环境监测；自动组网
1 概述
目前，国内外已经普遍将无线传感网络用于环境监测方面，通过部署大量无线传感节点以无线通信的形式构成自组织无线通信网络。文章提出一种基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统的设计方法。
2 无线环境监测系统的硬件构成
无线环境监测系统中的无线传感节点主要由信息采集单元、信息处理单元、通信单元和电源单元这四部分构成。按照ZigBee协议栈构建无线传感网络，则网络中的节点按照功能划分可分为三种类型的节点，如图1所示，颜色最深的节点为协调节点Co-ordinator，颜色较浅的节点为路由节点Router，颜色最浅的节点为终端节点End Device。以2.4GHz载频作为无线环境监控系统的通信频段，利用终端节点进行环境信息采集，利用路由节点对接收到的环境监测信息进行转发，利用协调节点作为桥梁与计算机交互数据。
2.1 信息采集单元的设计
文章将温度作为监测对象，采用DS18B20温度传感器作为无线传感网络的温度信息采集单元，该传感器采用T0-92的封装形式，温度监测的范围为-55℃-120℃，温度精确度可达0.005℃。DS18B20可以将输出的引脚与A/D转换器相连。
2.2 信息处理单元的设计
信息处理单元为ARM系列的LPC2138嵌入式处理器，该处理器内部资源丰富，包括SPI、GPIO、RTC、TIMER、PWM、ADV等，很方便对节点的工作方式、发射功率、接收灵敏度、信息传输与处理等进行控制，同时可以对节点电源进行动态管理，实现节点能耗的控制。
2.3 通信单元的设计
通信单元采用的芯片型号为JN5139，它兼容IEEE 802.14.4无线通信协议和IEEE 802.15.4的2.4GHz收发器，其内部结构包括192KB FLASH，能够内置完整的ZigBee协议栈。通信单元与信息处理单元通过SPI接口连接，实现数据的交互。
2.4 电源单元的设计
电源单元的供电电路采用的是DC-DC MAX756模块，MAX756是性能优越的3.3V/5V的升压转换模块，其最低的输入电压可至0.7V，开关频率可达500KHz，该模块也可以对电池的容量进行实时监测。
3 ZigBee协议栈的自动组网的实现
ZigBee网络包括3种拓扑结构，如图1所示从左到右分别为星形、树形和网形。在覆盖范围内，采用AODV路由协议查询信息接收节点和信息传输路径，直至搜索到合适的节点和路径，得到应答信号，最后应答信号会反馈到信息发送节点，并保留该路由信息。系统运行一段时间后，若该条路由信息失效，则搜索新的路由信息，从而保证信息传输路径的有效性。
3.1 无线环境监测系统网络的构建
在基于ZigBee协议栈的无线环境监测网络中，只有协调节点能够构建无线通信网络，网络建立的过程是通过原语完成的，具体方法如下所述：在协调节点的应用层对NLME_NETWORK_FORMA TION.request原语进行调取，下达构建网络的指令，该条指令被发送到网络层，向MAC层下达信道能量扫描的指令，调用MLME_SCAN. Request 原语，搜寻到能量值低于预设值的信道，并将扫描结果标记为可用信道，可以使用这些可用信道寻找通信节点，从而搜寻到一个最优信道，该信道中包括最少的通信节点，然后任意选取一个不发生冲突的PAN，并在MAC层标记该ID信息，通过ID信号可以发送MLME_START.request 原语，得到PAN ID和信道扫描结果，并使用confirm原语将扫描结果通知上层。获得PAN的使用情况后，NLME利用NLME_NETWORK_FORMA TION.request原语向应用层下达构建网络的指令。
3.2 无线传感节点的加入
通过上述方法构建无线环境监测系统网络后，终端节点和路由节点可以通过关联法的方式加入协调节点构建的ZigBee网络，具体过程如下所述：（1）协调节点调用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语，网络层接收到该条指令后，会在MAC层进行扫描，当MAC层结束扫描，就会发送MLME_SCAN.confirm原语向网络层反馈该信息，网络层发送NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语向应用层反馈该信息，应用层根据该信息调用NLME_JOIN.request原语，重新扫描可加入的无线传感节点。如果无线传感节点成功加入网络，网络层接收MLME_ASSOCIATE.confirm原语，将包括该无线传感节点的16位的逻辑地址，在网络层中设置与其它节点的关系，同时在网络中加入该新的无线传感节点。（2）假设无线传感节点通过路由的形式加入到无线环境监测网络中，它的应用层将向网络层发送NLME_STAT_ROUTER.request原语，接着网络层向MAC层发送MLME_STAT.request原语，网络层接收到MLME_START.confirm原语后发送同样状态值的MLME_START.ROUTER.confirm原语。
4 结束语
为了适应当前环境检测的需求，文章提出一种基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统设计方法，对硬件和软件的设计方法进行了详细阐述。与传统的系统相比，本系统具有自主组网、自动路由的功能优势，节点能量消耗低，并且无线传感节点可自由加入，从而实现了更节能环保、更智能的环境监测。
参考文献
[1]张亚锋.基ZigBee技术的草原火灾监测系统设计[J].自动化与仪器仪表，2014（9）：48-49.
无线环境监测篇(4)
关键词：设施农业；环境因子；无线监测；预警系统
中图分类号：TP274.4
设施农业是近年来在农业科技发展基础上所形成的一种概念，其以高端工程技术为媒介，通过专业设施的投入，人为改变环境因子，创设有利于农作物生长的环境，从而打破了地域、季节和自然环境限制，对农业的发展起到了积极的推助作用。无线监测及预警系统是设施农业的重要保障，是有效控制环境因子的重要手段。结合现有的技术条件，设计具有低风险、高效能的无线监测及预警系统，对推进我国的设施农业发展具有重要意义。
1 设施农业环境因子的无线监控结构
无线监控是捕捉环境因子信息的重要设施，常用于两个及两个以上的温室群。在结构设计方面，无线监控由两大主体系统构成，连接这两大主体系统之间的媒介即GSM网络。
1.1 设施农业、网关节点及终端检测节点的配置。（1）设施农业基本架构。设施农业的核心是与农业相关的温室、畜室和菇房，但目前趋于大众化的设施农业仅针对农作物种植温室而言。其基本原理是利用覆盖材料对农作物进行保护，从而改变环境因子，对农作物实施冬天保温防冻和夏天降温防苔措施，即人们常说的温室（大棚）。环境因子控制是设施农业建设的关键因素，如土壤、水分和光照等等。当前，我国大多数地区实行节源型设施农业运作，即以最少的人力资源来维系最多的温室运行。由此，这也决定了在设施农业建设中必须采用无线监控设施来控制环境因子。（2）网关节点的基本结构。设施农业中的网关节点主要是指无线传感器节点，其主体包括终端用户、电源、串口模块、USB系统、定位引擎、天线和晶振组成。在设施农业的运作过程中，网关节点的主要功能在于接受终端检测节点所采集的环境因子信息，并通过GSM网络信号，将信息传送给无线监测设施，如图1所示。（3）终端监测节点的基本结构。终端检测节点是收集环境因子信息的重要设施，基于设施农业对环境因子信息采集的要求较高，因此在设计终端检测节点时可考虑采用CC2430系统芯片，并采用SHT11数字型温湿传感器。
1.2 无线监测设施配置。设施农业中的无线监测设施主要包括用户手机和远程数据监测系统。在实践应用中，两种无线监测设施的运用方式相同，但由于信号接收功能的强弱，因此，手机的性能则远远不如专业的远程数据监测系统。
远程数据监测系统的主要功能是接收由终端检测节点所传送的温室环境因子信息，同时对网关节点和终端检测节点进行控制，其主体是通过ASP・NET+SQL编程所构建的，其中，ASP动态服务页面负责与远程数据监测系统的数据库进行交互，从而提供实时数据显示；NET操作平台负责远程数据监测系统与网关节点的协同工作，通过人为操作，提供数据分析和历史查询服务；而SQL数据库则负责储存终端检测节点所传送的各种数据，并提供实时查询服务。
2 设施农业环境因子预警系统设计
环境因子预警系统是建立在无线监控基础上的，严格来说，是无线监控功能的延伸。在对设施农业环境因子的无线监控中，由于无线监控仅能掌握环境变化的当前和历史数据，而不能对突发状况作出预警，因此，科学设计设施农业环境因子预警系统，对完善设施农业中的“设施”具有重要意义。
2.1 DSS决策预警系统的功能概述。决策预警系统（Decision Support System 简称DSS）是一种全新的设施农业环境因子预警系统，其主要功能是捕捉温室环境因子的变化，为设施农业的各项决策提供预警服务。DSS决策预警系统的优势在于：（1）能够提高设施农业建设中各项决策的有效性；（2）在用户各类决策变更中具有高度的灵活性和适应性；（3）具有广阔的应用空间和高度的应用价值。
2.2 DSS决策预警系统的基本结构。DSS决策预警系统主要采用两库结构，其基本结构主要包括人机交换系统、模型库管理系统、模型库、数据库管理系统和数据库五大主体此外，DSS决策预警系统的基本结构还具有另一种系统形式，其主体包括语言处理系统、问题处理系统和知识系统，结构方式与前者大体一致。此外，两种基本结构都是建立在以用户为媒介这一基础上的。
但在实践中，环境变因子是千变万化的，实践证实，固定、单一的常规预警系统很难适应千变万化的环境状况，因此，这就需要在此基础上进一步健全预警系统，即对DSS决策预警系统进行完善处理。对此，本文建议将人机交换系统与模型库管理系统、数据库管理系统和决策预警相融合，使其能够应对更多的环境变化。
2.3 DSS系统的环境因子预测与模型建立。由于设施农业的操作性较强，技术含量较高，因此，在温室建设中极易产生漏洞，这些漏洞会严重影响DSS预警系统的性能。因此，在开展DSS决策预警系统设计时必须要结合设施农业的建设状况，以及结合当地的实际情况，设计不同的硬件设施和预警系统来匹配相应的自然环境。实现DSS决策预警系统的环境因子预测需要一定的模型预测支撑，在实践中，用户可首先测量当地的早、午、晚温差，其次利用温差数据建模，评测预警系统的反应能力。而对于四季不明显、早晚温差较小的区域，如我国南方地区，则需要一周、一月或更长的时间来采集更多的数据。
2.4 DSS决策预警系统的环境因子预警流程。DSS系统预警是由环境因子各项参数的设定值来决定的，农作物对环境变化的适应能力较强，环境因子变化不明显，则设定值较高，反之，则需设定较低的预警参数。其主要流程主要包括两个方面。首先，设定环境因子预警参数值，并通过终端预测节点获得实际检测数据；其次，通过DSS决策预警系统，其一将监测数据反映给报警灯，并显示结果，其二将数据传送给数据库，通过数据库对当前数据和历史数据进行对比，将新数据储存到历史数据库，最后刷新数据，通过数据库反映出来。经实践证实，DSS决策预警系统能够有效弥补无线监测的不足，使用户对温室能够形成24小时监控和不间断预警，从而能够及时获取环境因子的动态，作出具有针对性的决策。
3 结束语
当前，我国的设施农业建设正由原来的个体化逐渐向着市场化的方向过渡，因此，只有积极探索设施农业发展的新路径，才能充分发挥我国农业的优势，让农业带动其他产业发展，形成蕴含巨大潜力的新的产业链
参考文献：
[1]封金祥.精准灌溉技术及其应用前景分析[J].新疆农业科技，2005（04）：47.
无线环境监测篇(5)
以往用于工业环境测量温湿度的传感器大多是有线方法传输数据，线路冗余复杂，不适合大范围多数量放置，布线成本高，线路老化问题也影响了其可靠性。要想从根本上解决这个问题，必须实现数据信息的自动获取，以及数据的无线传输及交换。
ZigBee技术，从IEEE802.15.4基础上发展起来的，是最新的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，该技术为上述问题的解决提供了很好的技术手段。
我们以CC2530为核心，设计了基于ZigBee协议的温度、湿度无线传感器网络，既可以克服有线传感器网络的局限性，又可以做到低成本、低功耗。其中，温度传感器采集范围是-40℃～+125℃，采集精度可达±0.5℃。其采用SPI数据接口与CC2530-Zigbee模块进行通信，大大简化了采集系统的设计。
图1系统总体结构图
系统结构设计
本文所介绍的工业环境监测无线传感器网络监测系统包含3类无线通信节点，分别为：若干个传感器节点、3个汇聚节点以及1个基站节点，如图1所示。其中，传感器节点部署在检测区，负责对环境进行温度、湿度的监测；汇聚节点放置在监测区边缘，用以接收和存储传感器节点的监测结果；基站节点连接汇聚节点与监控中心的计算机，负责传感器网络与信息管理计算机之间的通信。
1传感器节点(SensorNode)
传感器节点与温湿度测量传感器相连并布置在监测区，负责以特定的时间间隔采集温、湿度传感器的测量信息并将此信息存储在本地Flash上。为降低传感器节点的能耗，在各次测量完成后并不是马上向上级节点（汇聚节点）发送测量信息，而是在完成多次测量后将存储在本地Flash上的当天测量数据打包发往汇聚节点。当需要及时了解监测情况时，传感器节点也具备以独立数据包的形式向接收设备传送已存储测量结果的能力。
2汇聚节点(SinkNode)
汇聚节点布置在测量区域的边缘，负责接收和存储由各个传感器节点发送的温湿度测量结果。当汇聚节点接收到数据传送的命令后，向其上级节点（基站节点）发送Flash中保存的各传感器节点一段时期内的测量值。
3基站节点(CenterNode)
基站节点与监控中心的计算机相连，作为计算机和监测网络进行通信的桥梁。本系统用户的控制信息通过基站节点解析和打包为监测网络节点可以处理的数据实现对网络中各节点的控制，而网络节点中存储的温湿度测量结果也可以通过基站节点传送至信息管理计算机。在传感器节点和汇聚节点中，测量的原始数据以日志的形式进行存储，受节点存储能力的限制，已上传的数据会定期更新，而信息管理计算机则可提供一个比较完善的数据库服务。
传感器网络节点硬件设计
针对不同应用，传感器网络节点需要不同的通信、采集和处理模块以及不同的软件。因此，为了使节点能够具有较广的适用范围，必须使节点的各个模块能够方便的替换。本系统将节点从功能上分为：能量供应、计算处理、无线通信和数据采集4个硬件模块，如图2所示。这几个模块分别独立设计与实现并行的调试开发，可降低系统开发成本和研发周期以及系统投入使用后的管理与维护成本。各个模块通过I2C(Inter-integratedcircuit)互联，从而实现可扩展和替换的目的。
图2节点硬件模块图
CPU使用CC2530，它结合了一个完全集成的高性能的RF收发器和一个增强型8051微处理器，并支持IEEE802.15.4/ZigBee/ZigBeeRF4CE标准，拥有庞大的闪存空间最多可达256KB。
数据采集模块主要由温度、湿度等传感器及模数转换电路组成。由于传感器输出信号与CPU输入信号模式不一致，因此，传感器信号需通过信号调理后再进行模数转换，模数转换后的信号经光电隔离后送到CPU进行处理，以提高系统的抗干扰性能。
无线通信模块采用CC2530所集成的2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器，它具有出色的接收灵敏度和抗干扰能力，可编程输出功率为+4.5dBm，总体无线连接链路质量101dBm，且只需要极少数的外部元件，支持运行网状网系统。
软件设计
当前网络节点硬件一般只能完成物理层的功能，物理层以上的功能都必须由软件来实现，因此，软件设计对整个节点的功能和资源利用具有很大的影响。
本系统软件包括三个部分：传感器节点模块，无线通信模块，监控中心管理。系统软件架构如图3所示。
图3系统软件结构图
传感器节点模块主要包括数据的采集，融合和发送。数据采集主要接收来自各个传感器的数据并经过低通滤波，数模转换后送入数据融合模块。数据融合主要是考虑到节点频繁发送数据，将消耗大量的能量，为此将采集到的初始数据进行处理提炼出我们所需要的温湿度等信息，再交给数据发送模块传送到监控中心进行处理。
1传感器节点模块
温湿度传感器采用飞比公司推出的“感应兄弟”系列高精度传感板，它可同时实现环境的温度与湿度数据的采集。其温度采集精度可达±0.5℃，湿度精度可达±3.5%RH。其采用双向两线串行数据接口与CC2530-Zigbee模块进行通信，大大节省了系统资源，简化了其采集系统的设计。传感器节点模块流程图如图4所示。首先对设备进行初始化，并加入网络，按时进行数据采集，当收到传递数据请求时，将数据发送至CC2530处理器，自身进入休眠状态。
2无线通信模块
ZigBee网络支持三种拓扑结构，即星状、树状和网状拓扑。本系统在TI协议栈的基础上，对协议栈进行了适当的修改和增减，以适应硬件电路的实际应用，组成树状传感器网络。无线通信模块流程图如图5所示，首先初始化CC2530，然后创建一个新网络，监测空气中有无ZigBee信号，如果有节点申请加入网络，网络协调器给节点分配网络地址，并存储器节点地址，发出传递数据请求信号，等待接收传感器发出的数据。如果终端设备发送来的是传感器测试数据值，就将数据规整后从串口发送给监控中心。
图4传感器节点模块流程图
图5无线通信模块流程图
3监测中心设计
监控中心控制分为用户界面模块、数据库模块、数据交换模块三大部分。其中，用户界面可以显示工业环境的温湿度等实时参数、历史数据、绘制实时和历史曲线，并具有超限报警、数据分析及报表打印输出等功能。数据库模块实现数据库的创建以及对数据库读写操作、查询等访问操作；通信模块可以实现与网关节点进行GPRS通信，从而实现数据的传输，以及将数据链接Internet实现远程数据共享。这样设计的一个创新点在于自主开发了WSN网络拓扑结构主机显示界面，可以实时显示网络拓扑结构及各节点的监测值、电池电量等节点信息，方便、直观、可视性强，而且具有历史数据存储功能。
图6高精度温湿度传感板
图7CC2530底板
图8温湿度显示界面
实验结果
系统的各个节点硬件采用模块化设计，高精度温湿度传感板如图6所示，传感器模块如图7所示。在天气晴朗空旷的地方，测得ZigBee节点之间的传输距离最大可以达到70m，工作在室内条件下有效传输距离超过30m，信号会出现中断现象。通过主机上的串口收发软件监视采集到的实时温度信息，能够很好地实现温度信息的读取。监视到的温湿度如图8所示。
无线环境监测篇(6)
关键词：环境保护 在线监测技术 存在问题 发展前景
一直以来，环境问题都是备受关注的问题。近年来，伴随着经济社会的不断发展，工业进程加快，使得环境能够问题尤为突出：环境污染更加严重，生态破坏日益肆虐，新的有机污染物危害加剧，使得环境保护工作面临巨大挑战。与传统监测系统不同，环境在线监测技术是在其原有的监测基础上，进一步丰富监测手段，例如利用自动在线的测量技术，使得排污水体或者气体难以直接测定的问题得到较好的解决。在线监测在我国的环保部门的工作中发挥着重要作用，尤其在对废水、废气等的即时监控上发挥着重大功效，它可以将排污的各个瞬间都完整得记录下来。运用此种方法，既能使环境管理部门更好的进行监督和管理，又能使环境监测更加精确。
一、简述环境在线监测技术
环境在线监测系统将在线自动分析仪器作为核心，配合使用自动控制技术、自动测量技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件、再加上GPRS 无线数据传输方式，最终形成一个集在线自动环保检测与环境预警功能为一体的综合性信息平台。该技术在个多个领域都有广泛应用，如水质监测、环境噪声检测、烟气自动监测、视频监测、以及空气质量监测等。在线监测技术的应用原理即：系统在污染源在线监测的基础上，坚持总量管理、总量控制原则，使环境中的污染物得到充分、实时的监控，同时，运用无限网络传输技术，同步跟踪及监控排污单位与监控断面，极大的推动了各级环保部门环境信息网络的建设，有利于加强各级环保部门的监督与管理，保证环境监测工作顺利进行，进一步推动我国环保产业及技术的发展。
二、我国环境在线监测技术的现状分析
我国的环境在线监测技术自20世纪80年代开始实行，此后不断发展，出现了各个类型的环境在线监测技术，到目前为止，其覆盖范围更为广泛，发展迅速。该技术一方面改善的了城市的空气质量；另一方面，也加快了其他环境自动监测技术的发展。自动采样系统、数据采集与传输系统、自动监测仪表以及中心站数据收集与处理系统是环境在线监测技术的四大部分。随着我国环境在线监测技术的进步以及网络技术和地理信息技术的共同推动下，新型的环境在线监测技术愈加完善。
我国的自动监测系统规范化的问题日渐突出，与国家环保总局编制的众多新的监测技术规范相比，我国的环境自动监测系统远远落后。由于各地区的差异较大，在监测指标方面存在诸多问题，例如由于仪器不同导致同一监测指标的数据存在差异，从而给环保工作造成诸多困扰。在环境监测技术方面，我国的系统方案也有很多弊端。由于经验不足以及技术缺失，导致大气环境自动监测系统漏洞百出，使得如此庞大的建设性工程项目设计的并不严密，为以后的扩充改造带来许多困扰。此外，我国的环境自动监测技术还存在一定的盲目性，尤其是不顾实际情况，将该技术盲目的在乡镇及一些地级以上城市中运用，效率低下，质量较差。
三、在线监测技术存在的问题及对策
1.在线监测技术的发展由于时间并不长，人们对其的认识程度也处于逐步加深阶段，在此过程中也暴露出许多问题：
1.1产品的技术支持难以保障，许多销售网店的售后服务存在很大缺陷；
1.2在线监测设备本身的功能缺陷，不能同时满足多个环境污染因子的监测，对环境工作的预判有延误，使治理时间有所耽搁。
1.3在线监测设备稳定性较差，在工作过程中，需要经常用标准仪器矫正其工作曲线，给环保工作部门的增添了更多的工作量，同时也使得工作成本大大增加。
1.4由于数据无线传输系统的维护管理费用较高，使得一些单位可以装的起仪器而运营不起，导致数据的真实性受到破坏，也无法保证其有效性。
1.5有的企业自身就是在线监测系统的运营单位，企业排口实时数据的传输以及数据的准确性得不到充分保证。
2.为解决环境监测技术系统存在的诸多问题，在运营中通常采用政府招标制度，以一些技术实力较强的环保公司的在线监测为主，辅助实行环保部门的监督，并对其进行定期维修、维护以及数据对比等，双管齐下，以便更好的运行环境在线监测系统。为减少企业负担，促进环保产业的发展，政府应主动投入，支出给企业的费用可以从排污费用中扣除。这样既保障了环保产业的有效运营，又可以减少不必要的人力和物力，更可以使数据传输发挥最大的可靠性和实时性。
四、我国环境在线监测技术发展前景
近几年，我国的环境监测事业取得了辉煌的成绩，环境管理的步伐也越来越快。针对国内外环境监测技术的发展历史、规律和特点，我国环境在线监测技术的发展前景十分可观：（1）有机污染物成为在线监测技术的主要目标；（2）加强对有毒有害物质的监测；（3）采用痕量分析法提高检测的精确度；（4）监测分析器向小型化发展，现场快速分析技术将会得到广泛应用；（5）实验室管理系统将逐渐普及。
五、总结
现代工业的不断发展，使得环境在线监测技术的内容也随之丰富。从最初的监测工业污染源到现在对大环境、生物及生态变化的监测，在线环境监测技术得到了质的飞跃。随着国家环保政策的完善，环保部门的监管力度的增加，在线环境监测技术也会得到更加广泛的应用，促进环境保护工作进一步发展。
参考文献：
[1]程丽巍，许海，陈铭达.水体富营养化成因及其防治措施研究进展[J].环境保护科学，2007，33（1）：18-21.
无线环境监测篇(7)
关键词：无线传感器；网络；水质监测系统；研究
水质监测的目的是为了对水资源环境进行全面保护与管理，从而提高水体环境的质量，保障人们的生活用水与工业用水。但是从当前我国水质监测的实际情况来看，还存在着许多方面的问题，例如水质监测中心的采样能力不足；机动监测能力不高；自动水质监测站数量过少等。因此，为了解决这一问题，在实际工作中我们必须要采用有效的监测方法。本文提出了在无线传感器网络的基础上建立了水质监测系统，旨在提高水质监测数据的可靠性。
一、在无线传感器网络的基础上初步建立水质监测系统架构
1、水质监测系统的要求
当前，相关工作人员在对水质监测的过程中，往往会采用传统的监测方式，但是这一监测方式极不容易获取可靠的信息数据，这就导致其监测数据失去了可靠性，影响到水质监测工作的正常开展。无线传感器网络是现代化水质监测工作中常见的一种监测方式，其能够在实际监测过程中降低能耗、提高信息数据的传输速率，从而确保监测数据的可靠性。本文在构建无线传感器网络的过程中，将Zigbee技术应用在了其中，形成了一种新的网络结构，通过该结构的应用能够实时采集目标区域的水质信息，并且有利于采用更好的监测方式，以对水质进行全面监测，对自然环境进行全面控制。
水质监测站将这一网络结构应用在其中，实现了无人值守的目的，并且水质监测站在实际监测过程中，能够对控制中心进行远程控制，使其实时采集水质水量参数，从而有利于后期水质的监测。
2、网络拓扑结构
在无线传感器网络中，传感器节点、汇聚节点、管理节点是三大主要因素。其中传感器节点在监测目标区域内随处可见，是以自组织的形式将各个节点连接起来，从而形成一个网络；此时该网络会采用多跳中继方式将监测到的信息与数据直接传递到汇聚节点，最后再由汇聚节点通过互联网的方式传递给管理节点，使管理节点对监测信息与数据进行全面管理。同时，用户也可根据管理节点发出命令，从而使传感器节点有目的性的获取信息。
GSM网络是一种覆盖面积广、性能好的无线网络，在实际工作中，GSM的纠错能力相对比较强，即使在传输速率较高的情况下依然能够确保数据的可靠性与实效性。本文中采用的是SIEMENSTC35模块作为GSM网数据传输终端。Zigbee技术实际上是一种短距离无线通信技术。该项技术具有能耗小、成本低等优点，一般被人们应用在速率较低的领域中应用。
我们将Zigbee技术应用在无线传感器网络当中，可以使整个网络系统结构从复杂转变为简单，具有体积小、成本低等多种优点。另外，还将GSM网络与无线传感器网络有机的结合起来，更能够提高水质环境监测的质量与监测数据的可靠性，从而对水质参数进行全面处理，以便于后期水质环境的治理，提高水体环境的质量。
3、水质监测网络体系结构
通过上述，我们将无线传感器网络应用在水质监测系统的建立当中。将Zigbee技术应用在无线传感器系统当中，使其形成Zigbee无线网络系统。此时，工作人员需要将该系统与以太网相互连接起来，这样也就能够提高无线传感器网络节点的管理水平，从而对水质环境进行全面监测。本方案则基于每个传感器节点和汇节点之间通信量较小的特点。提出了一种基于需求时唤醒的星型网络拓扑模式，需求时唤醒的基本思想就是传感器节点在监测的环境发生变化时，传感器节点能自动醒来和汇节点进行通信，并上报相关信息。
二、水质监测网络设计和部署研究
1、系统硬件结构
（1）Zigbee无线传感器节点
对于一个完整的传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0-3.6dbm，通信距离为50-100m，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，本文提出的无线传感器网络其节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。
（2）中央信息控制中心
中央信息控制中心由监控模块、配置模块，数据库3个部分组成。它通过GSM网络与多个汇节点间接连接在一起，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同D的汇节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。
2、水质监测系统实现
（1）水质监测基站
水质监测基站主要负责采集水样并通过各种水质监测仪器对水样的各种参数进行监测，包括PH值、DO、浊度、水温、电导、氨氮、TOC、COD等基本参数。并且对这些基本参数数据进行缓存。按照一定时间设定通过各种通讯方式上传到中心服务器。监测基站采用FLEX3500控制器作为控制器，来完成数据的采集和通讯控制功能，FLEX3500是一款先进的C编程控制器，带有模拟量输入，模拟量输出，数字量I / O，RS232，RS485，并且支持TCP / IP，可满足众多的数据采集系统、远程监控系统等，这一板卡的最大特点就是它的可定制性，用户可以根据自己的需要灵活的配置控制器的输入输出、存储器大小和通讯端口，这样既满足了应用的需要又大大节省了成本。
（2）控制中心站
控制中心站服务器为配置较高的PC服务器，安装了专用的无线传感器网络和水质监测数据处理软件，负责上传数据的存储和分析，并设置了相应的服务，其它联网的客户机可以浏览监控各水质监测站的监测数据和工作状态。
三、结束语
随着社会的发展以及技术水平的不断提高，人们在水质监测过程中提出了许多新的方法。本文提出了基于无线传感器网络的水质监测系统，在实际研究过程中，工作人员还将一些先进的技术应用在其中，提高了其技术水平。通过实践证明，该系统能够更好地应用在水质监测工作中，提高了其理想的监测效果，满足了当前社会发展的要求。■
参考文献
