无线环境监测
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇无线环境监测范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
无线环境监测范文第1篇
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.
无线环境监测范文第2篇
【关键词】无线传感器网络 ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 数据融合
近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。通过在监测区域内布署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集量化、处理融合和传输应用。无线传感器网络技术是应用性非常强的技术，它在当前我国环境监测系统中的应用潜力是巨大的。
一、无线传感器网络和ZigBee
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络系统。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，在工业自动化领域，利用无线传感器网络技术实现远程检测、控制，从而极大地扩展现有网络的功能。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee协议
1、IEEE 802.15.4标准
IEEE标准化协会针对无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术为低速无线个人区域网络（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。同时ZigBee联盟也开始推出与之相配套的网络层及应用层的协议，目的是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。该标准一出现短短一年多的时间内便有上百家集成电路、运营商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自发成立了若干联盟。IEEE 802.15.4/ZigBee协议栈结构如图1所示。协议栈中物理层与MAC层由IEEE定义，网络层与应用程序框架由ZigBee联盟定义，上层应用程序由用户自行定义。
2、ZigBee标准
ZigBee这个字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之电磁干扰。因此，经过人们长期努力，zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。
ZigBee网络是自组织的，并能实现自我功能恢复，动态路由，自动组网，直序扩频的方式故非常具有吸引力。节点搜索其它节点，并利用软件“选中”某个节点后进行自动链接。它指定地址，提供路由表以识别已经证实的通信伙伴。
三、无线传感器网络技术特点
无线传感器网络由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过自我组织、自我愈合的方式组成网络。区域中分散的无线传感器节点通过自组织方式形成传感器网络。节点负责采集周围的相关信息，并采用多跳方式将这些信息通过Internet或其他网络传递到远端的监控设备。
四、系统概述
环境监测应用中无线传感器网络属于层次型的异构网络结构，最底层为部署在实际监测环境中的传感器节点。向上层依次为传输网络，基站，最终连接到Internet。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，传感器节点的体系结构如图2所示。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度往往很大，并且可能部署在若干个不相邻的监控区域内，从而形成多个传感器网络。传感器节点将感应到的数据传送到一个网关节点，网关节点负责将传感器节点传来的数据经由一个传输网络发送到基站上。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。基站是能够和Internet
相连的一台计算机（或卫星通信站），它将传感数据通过Internet发送到数据处理中心，同时它还具有一个本地数据库副本以缓存最新的传感数据。监护人员（或用户）可以通过任意一台连入Internet的终端访问数据中心，或者向基站发出命令。基于无线传感器网络的环境监测系统适合于在煤矿、油田安全监测，温室环境监测、环保部门的大气监测、突发性环境事故的预测及分析、特殊污染企业的监测，生物群种的生态环境监测以及家庭、办公室及商场空气质量监测等领域应用。
五、系统应用特点及架构
1、系统特点
利用无线传感器网络实现环境监测的应用领域一般具有以下特点：
（1）无人环境、环境恶劣或超远距离情况下信息的采集和传送，保证系统工业级品质安全可靠。（2）生物群种对于外来因素非常敏感，人类直接进行的生态环境监控可能反而会破坏环境的完整性，包括影响生态环境中种群的习性和分布等。（3）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。（4）系统实施、运行费用要低，无需铺设大量电缆，支持临时性安装，系统易于扩展和更新。（5）具有数据存储和归档能力，能够使大量的传感数据存储到后台或远程数据库，并能够进行离线的数据挖掘，数据分析也是系统实现中非常重要的一个方面。
2、系统架构
（1）矿井安全监控
矿井利用无线传感器网络实现井下安全监控的系统结构框图如图3所示。传感器节点负责井下多点数据采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、风速和气压等参数，通过井场监控终端（基站）和地面基站传送给后台监控中心。后台监护人员通过该监测系统可及时、有效、全面的掌握矿井情况，有利于矿井实施指挥调度、安全监测，从而可以有效的防止矿井事故的发生。
（2）生态环境监测
传感器网络在生态环境监测方面的应用非常典型。美国加州大学伯克利分校计算机系3Intel实验室和大西洋学院（The College of the Atlantic，COA）联合开展了一个名为“in—situ”的利用传感器网络监控海岛生态环境的项目。该研究组在大鸭岛（Great Ducklsland）上部署了由43个传感器节点组成的传感器网络，节点上安装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。如使用光敏传感器、数字温湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境；使用低能耗的被动红外传感器监测巢穴的使用情况，系统的结构框图如图4所不。
（3）智能家居
无线传感器网络还可以应用于家居中，其家用远程环境监控系统的结构框图如图5所示。通过在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，用户可以通过远程监控系统完成对家电的远程遥控，例如用户可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享受适合的室温，从而给用户提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。
六、关键技术研究
1、数据融合技术
环境监测应用的最终目标是对监测环境的数据采样和数据收集。采样频率和精度由具体应用确定，并由控制中心向传感器网络发出指令。对于传感器节点来说，需要考虑采样数据量和能量消耗之间的折中。处于监控区域边缘的节点由于只需要将收集的数据发送给基站，能量消耗相对较少，而靠近基站的节点由于同时还需要为边缘节点路由数据，消耗的能量要多2个数量级左右。因此，边缘节点必须对采集到的数据进行一定的压缩和融合处理后再发送给基站。Intel实验室的实验中使用了标准的Huffman算法和Lempel—Ziv算法对原始数据进行压缩，使得数据通信量减少了2～4个数量级。如果使用类似于GSM语音压缩机制的有损算法进一步处理，还可以获得更好的压缩效果。表1表明了几种经典压缩算法的压缩效果。
2、安全管理
传统网络中的许多安全策略和机制不再适合于无线传感器网络，主要表现在以下四个方面：（1）无线传感器网络缺乏基础设施支持，没有中心授权和认证机构，节点的计算能力很低，这些都使得传统的加密和认证机制在无线传感器网络中难以实现，并且节点之间难以建立起信任关系；（2）有限的计算和能源资源往往需要系统对各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量，如安全路由技术等；（3）无线传感器网络任务的协作特性和路由的局部特性使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄露必然威胁网络的安全，所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这种耦合性；（4）在无线传感器网络中，由于节点的移动性和无线信道的时变特性，使得网络拓扑结构、网络成员及其各成员之间的信任关系处于动态变化之中。目前无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面已经定义了完整有效的机制和算法，安全管理方面目前以密钥预分布模型作为安全初始化和维护的主要机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表性的算法。
七、展望
环境监测是一类典型的传感器网络应用，在实际的应用中还有很多关键技术，包括节点部署、远程控制、数据采样和通信机制等。由于传感器网络具有很强的应用相关性，在环境监测应用中的关键技术需要根据实际情况进行具体的研究。并且随着无线传感器网络技术的日益成熟和完善，我们还可以在各个方面开展许多新的应用，比如军用传感网络可以监测战场的态势；交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向等相关参数；监视传感网络可以用于商场、银行等场合来提高安全性。可以预见，随着无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深入和传感网络应用的不断普及，无线传感器网络将给人们的工作和生活带来更多的方便。
参考文献
[1]马祖长，孙怡宁，梅涛，无线传感器网络综述.通信学报
[2]丰原.无线传感器网络
[3]郦亮.802.15.4标准及其应用.电子设计应用
无线环境监测范文第3篇
（1.苏州大学文正学院，江苏苏州215104；2.苏州大学物理与光电·能源学部，江苏苏州215006）
摘要：设计了一种基于无线透传传感网络的分布式环境监测系统。设计采用1100E射频芯片作为无线收发芯片，通过在ATmega128L微处理器中编写透传算法程序，实现对各环境参数的数据透传，使用RS 232C串口与PC机进行通信，实现了对目标监测区域各环境参数的实时采集。给出实验测试采集到的多组数据，通过对实验数据的分析，说明该设计可以在400 m内同时实现对254个无线节点的实时监测，测量误差约为±0.1%～±3%。
关键词 ：无线透传；透传算法；环境监测；ATmega128L
中图分类号：TN911?34；TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0128?05
收稿日期：2015?03?10
基金项目：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划资助项目（201413983005Y）；苏州大学学生科研基金资助项目（2014）
0 引言
环境信息影响着人们对环境质量的判定，对人们的生活产生了不小的影响[1]。随着射频无线通信技术的广泛应用，现已实现对环境参数的多点远距离智能化实时采集[2]。在农业生产中，通过ZigBee技术能够实时监测温室中的温湿度信息，有效地提高了农业生产的经济价值[3]。在工业生产中，通过GPRS 技术实现了对矿井内瓦斯等易燃易爆危险气体的实时监测，极大地保证了工业生产制造过程中的安全[4]。这些无线环境监测技术克服了传统的环境监测方式网络部署难，维护成本高，节点智能化程度低等缺点，极大地提高了数据的传输效率。但是，在实际应用时，ZigBee技术的穿透性较差，数据传输距离较近，其他主流无线传感网络（WiFi，蓝牙，nRF等）对其同频干扰较大，数据传输时误码率较高[5]。GPRS在进行数据传输时需要消耗大量流量，终端芯片资源配置较大[6]。
本文设计了一种无线透传传感网络应用于分布式环境监测系统，在进行组网时无需考虑射频无线芯片的收发协议和配置方法，可以透过无线芯片直接将其当作普通的有线模块使用，降低了终端芯片的资源利用率，通过钳位电路和电平转换实现了RS 232通信的兼容转换。本文设计的无线、透传传感网络大大降低了射频无线通信网络的硬件和设计研发成本，保证了通信的距离和准确性。设计可以实现对400 m 范围内有建筑物遮挡的环境状况下进行实时监测。
1 系统总体设计
该无线透传环境监测传感网络主要包括终端监测部分，无线透传网络，PC监测端。
（1）终端监测部分。微处理器ATmega128L将各传感器采集来的环境参数的模拟信号经过A/D转换，转化为数字信号，并在LCD液晶屏上实时显示各环境参数，并与报警阈值比较。
（2） 无线透传网络。设计透传算法，使用AT?mega128L将暂存在存储器中的传感器数据转化为符合RS 232 有线通信协议的数据，进一步转换为无线协议的数据发送到远端，并与PC监测端的无线透传网络相连接，使无线通信等效为有线通信。该透传等效图如图1所示。
（3）PC监测端部分。PC机将各个透传无线节点实时采集来的环境参数进行存储和处理，并将各时刻的参数以图像的形式显示出来，并且用户可以根据实际监测的需要，通过PC机对系统报警阈值进行修改。
2 系统硬件设计
2.1 终端监测端硬件设计
该系统的微处理器均采用AT?mega128L单片机[7]。它采用独特的RISC结构，丰富的内部资源可以更好地运行相对复杂的透传算法。在指令执行方面，微控制单元采用Harvard结构，指令大多为单周期，透传算法在工作时，可以严格的控制时序，保证通信的准确性。在能源管理方面，ATmega128L提供多种电源管理方式，以尽量节省节点能量，保证了各节点长时间持续工作。在可扩展方面，提供了多个I/O口，有助于终端机各传感器模块的选择和扩展，防止了各传感器信号及数据相互干扰。ATmega128L 提供的USART（通用同步异步收发器）控制器、SPI（串行外设接口）控制器等与无线收发模块相结合，能够实现大吞吐量，高速率的数据收发。
如图2 所示，环境监测终端机工作时，电化学甲醛传感器、温度传感器、湿度传感器、光照传感器发出的微弱信号经过放大电路后被放大，然后对其进行A/D转换等一系列的加工后再由ATmega128L对其进行处理，如果甲醛等环境参数浓度值高于环境参数浓度的国标，那么蜂鸣器就会发出警报，同时各环境参数浓度值会被输送到LCD 上显示出来。如果在国标的允许范围内，那么只显示浓度值而不发出警报。此外，ATmega128L将各环境参数经射频芯片CC1100E传送到透传网络。
2.2 透传自组模块硬件设计
CC1100E芯片在进行数据传输时采用UART0通信协议，ATmega128L可以严格按照时序读写用以控制芯片内部的32个寄存器，灵活配置各参数，如图3所示。
CC1100E 接口RF_CLK，RF_CS，RF_SOMI，RF_SI?MO 分别和ATmega128L 的串行外设接口端PB2，PB1，PD2，PD3 相连接。RF_CLK 端口为PB2 端口传输数据的时钟信号；RF_CS作为片选信号，仅当片选信号为低电平时，ATmega128L对CC1100E的操作才有效。
RF_SOMI 用于从ATmega128L 到CC1100E 的串行数据传输。为了降低整数据透传的功耗，CC1100E在数据接收或收发状态声明时，系统设计采用中断方式。
RF_GDO0，RF_GDO2 必须与微处理器的外部中断相连，以便使用CC1100E 唤醒微处理器，设计时将RF_GDO0，RF_GDO2分别与具有中断能力的PD6，PD7相连接。CC1100E在高频工作状态下，发射前段和天线馈点需要巴伦电路和匹配网络。
3 系统软件设计
3.1 透传网络控制算法设计
微处理器ATmega128L 通过射频无线收发芯片CC1100E，把暂存的各参数数据发送到远程接收端，如图4所示。首先微处理器ATmega128L通过透传算法控制射频发射芯片CC1100E发送信号校检标志码。这个过程的目的是给远程端射频无线收发芯片发送符合该透传自组传感网络的通信匹配标志，以判断是否为本通信所需的无线数据包。
ATmega128L 通过CC1100E 连续发送校检标志码0X55 和0XAA 共2 个字节，供远端芯片查询确认。其次，ATmega128L 通过CC1100E 发送校检结束标志码0X88 和0XFE，表示校检标志发送结束。然后，发送数据包长度信息Length，告诉接收端芯片本次数据包发送的长度。最后，ATmega128L从发送端的缓存中发送长度为Length的数据包。
微处理器ATmega128L 通过射频无线收发芯片CC1100E，把远程端发送来的数据接收到本地芯片缓存。如图5所示。当ATmega128L通过CC1100E收到上升沿校验标准码时，说明有数据传来，立即唤醒转入接收模式。
接收模式时，如果接收到的0X55 和0XAA 字节数小于6，则说明此时通信与该自组传感网络不匹配，本次通信结束，进入待机睡眠状态；如果连续接收到0X55和0XAA，并且接收到的字节数大于等于6，则说明通信与该自组传感网络匹配，随后的信号将是本地芯片所需要的无线信号。如果接收到0X88和0XFE，则表明校检标志接收完毕，等待下面的信号，如果一直没有接收到校验标志码0X88和0XFE，则表明本次通信失败，通信结束。当接收到0X88和0XFE之后紧接着接收到的为数据包长度信息Length，由此判定数据包的长度。最后一步，接收紧接着的长度为Length的数据包，并且存入接收端缓存。完成本次数据的接收。
3.2 监测终端软件设计
如图6所示，首先对液晶屏和单片机中的寄存器初始化，寄存器包括A/D 转换寄存器，定时器0 中断寄存器和定时器2寄存器。
将A/D 转化寄存器中的输入信号经过A/D 转换函数后再经过定时器中断函数，系统根据这个信号来判断所测区域各环境参数的浓度和是否发出警报，如果发出警报，那么ATmega128L的PWM端口决定了蜂鸣器的频率，如果不发出警报，那么各参数浓度数据就直接显示在LCD 屏上。整个系统是一直运行的，当输入的信号发生改变，那么LCD 上的环境参数浓度值也会发生相应的改变。取值频率设置为30 ms取一次值，由定时器中断函数来实现控制。
3.3 上位机软件设计
为了清晰地观察室内各环境参数的变化情况，使用LabView设计了上位机。上位机部分程序如图7所示。
4 实验数据及分析
4.1 实验结果及分析
在对终端机进行测试时，在400 m 距离范围内，对5 间不同房间的温度和甲醛含量进行了测试，其中0xf1为封闭的实验室，0xf2为封闭的教室，0xf3为封闭宿舍，0xf4为通风教室，0xf5为通风宿舍。测试结果如表1所示。如表1 所示，在密闭状态下，所监测房屋0xf1 一天的甲醛浓度都维持在0.06~0.08 ppm，远超过国家室内甲醛浓度标准。教室、实验室、宿舍等场所由于长时间不通风，室内甲醛的浓度会比较高，人们长期生活在这种环境下，会对身体造成严重的伤害。系统采集到的温度数据，与标准温度误差范围均在3%以下。
4.2 透传传感网络性能分析
通过对透传模块的测试，系统稳定工作时，每5 s需通信转发心跳帧一次，空中每帧数据都会转发一次，最多支持240 字节长度数据包。当空中波特率固定为9 600 b/s通信距离为400 m平原条件时，通信误码率为10-3~10-4。透传数据在传输过程中会存在一定延时，适用于传输距离远且对实时性要求不高的场合。
系统模块在正常工作模式下，通过控制SLP管脚电平，可以使系统进入休眠状态，当SLP管脚接收到下降沿信号时，模块进入休眠模式。处于休眠模式时，模块的工作电流小于5 μA。模块进入休眠模式后，RST脚输入一个低电平信号（>1 ms）可以使模块退出休眠模式，进入正常工作状态。
5 结语
本文提出的无线通信透传算法，透过无线通信把传统的无线传感网络当作有线通信使用，工作时无需任何用户协议，即可实现数据的透明传输，自动路由。可以自动跳频抗干扰，自动路由数据，网络结构中不需单独的路由器或中继器，穿透障碍物能力强，极大地降低了终端芯片的资源利用率和无线传感网络硬件成本。环境采集终端机，续航能力强，各传感器灵敏度高，采集到的各参数与实际误差相差极小。样品机实物图如图8所示。
当数据速率提高时，系统通信的误码率会增加，如需进一步提高透传模块的性能。可采用以下技术来提高通信可靠性[8?10]。在物理层，模块采用差分曼彻斯特编码技术发送数据，从而保证通信中的同步问题。
在数据链路层，使用循环冗余编码进行数据帧校验，用以保证数据到达用户应用层以后的可靠性。
注：本文通讯作者为吴迪。
参考文献
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作者简介：于洪涛（1993—），男，江苏徐州人。主要研究方向为光电应用技术。
吴迪（1980—），男，江苏徐州人，博士，讲师。主要研究方向为仪器仪表与自动化检测技术。
无线环境监测范文第4篇
摘 要：根据无线通信技术低功耗、低成本和动态性的优点，研究基于无线传感网的井场环境监测系统，对井场环境进行监测，防止井下事故的发生。系统的硬件由终端、路由器、协调器、上位机四部分组成，主要针对井场环境监控困难、环境复杂、事故易发的情况。该系统软件的基本思想是：先初始化系统，然后启动A/D转换，将采集到的数据送给CC2530进行存储、数据处理，最后利用CC2530的RF收发器对数据进行发送。该系统采用无线ZigBee技术作为传输方式，同时结合了虚拟仪器技术，对上位机界面进行了设计。系统测试过程稳定，结果可靠，同时抗干扰能力较强且可以应用于多种户外环境参数的采集与监测。
关键词：井场环境监测；无线通信技术；ZigBee；数据采集
项目资助：本研究受油气消防四川省重点实验室开放基金项目（No. YQXF201602），2016国家级级大学生创新创业训练计划项目 （项目号：201610615030）资助。
1引言
随着能源危机的到来，对石油资源的长期、安全、高效开采，已成为大家研究的话题。井场环境条件恶劣，危险性高，需要监控参数多。由于对相关参数的控制不及时而造成的一些或大或小的事故，造成这些事故的原因除了所处地质的本身条件外，很多时候都是由于对采油参数的控制不及时而造成的。进入21世纪，他们不仅使用无线通信技术来对井场环境进行监测，而且在钻井技术方面也实现了自动化。但是在井场环境中有线方式在一些应用中存在一定局限性，如需经过强腐蚀地段等。因此无线通信技术得到高度重视。无线通信技术具有低功耗、低成本和动态性等优点[1]。它们能够很好的应用到环境无线监测，因此，研究基于无线传感网的井场环境监测系统具有十分重要的作用和意义。
2 井场环境无线监测系统的硬件设计
2.1 系统硬件的设计框架
本系统采用固定端采集模式，分为终端、路由器、协调器、上位机四部分。在网络中，传感器节点分布在井场内的各个地方，根据网络的覆盖性以及实际井场的面积，计算出总共需要多少个传感器节点。[2]这些传感器节点对井场环境的温湿度、光照强度以及各种有害气体进行实时采集。当协调器上电时，开始对网络进行建立，然后通过ZigBee的方式与传感器节点进行无线连接。系统组成如图1所示：
2.2 网络节点的硬件设计
2.2.1 网络节点整体设计
该设计针对的是井场环境参数的监测，井场环境一般较恶劣，需要采集的环境参数包括可燃气体（甲烷）、温湿度、光强、有毒气体硫化氢以及烟雾等等。在该设计中，整个网络的主控芯片采用CC2530，它能很好地适应井场环境的监测。除此之外，网络还应具有传感器模块、射频模块、电源模块、通信串口以及天线等来满足整个网络数据的无线通信功能[3]。传感器模块主要包括MQ-2型气体传感器、温湿度传感器SHT11、光电传感器和硫化氢传感器。传感器与CC2530芯片都集成在同一块PCB板子上。通信串口使用RS232。
2.2.2 传感器电路设计
本设计研究的井场环境无线监测系统，主要是对井场的环境参数进行采集、监测，需要对网络节点配置相应的传感器电路。传感器模块主要包括MQ-2型气体传感器、温湿度传感器SHT11、CH4传感器、光电传感器和硫化氢传感器。
2.2.3 串口通信电路
本设计的串口通信采用串行通信。这种通信方式可以节约通信成本，但是传输速度比并行慢。串口通信电路就是为了使协调器与上位机相连，通过上位机对数据进行显示。
2.2.4 其他电路
天线线路使通讯信号能从一节点通过无线方式发送至另一节点；电源转换电路使9V直流电压转换电路转换成5V直流电压与3.3V直流电压。
3 井场环境无线监测系统的软件设计
3.1 单片机端软件设计框架
单片机端软件的基本思想是：首先对整个系统上电复位初始化，然后启动A/D转换，该A/D转换器是利用CC2530的电路来实现的，利用相应的传感器对环境参数进行采集，将采集到的数据送给CC2530进行存储、数据处理，最后利用CC2530的RF收发器对数据进行发送，然后另外的CC2530进行接收。
3.2 上位机端软件设计框架
计算机端软件就是对数据进行无线接收，然后通过串口助手对其进行显示，再利用上位机对数据进行处理、保存、报警等功能。
3.3 上位机实现
在该设计中，利用的是LabVIEW来实现的，该界面包括用户登陆界面，串口配置界面，数据与波形显示界面，同时还具有数据保存功能。
4系统测试
4.1 模块测试
（1）数据采集模块测试
由于实验限制，本设计在测试的时候仅仅只选用了温湿度传感器SHT11和光电传感器。
（2）通信模块测试
利用两块CC2530模板，一个下载终端节点程序，一个下载协调器程序，并将协调器与上位机通过串口线连接。给协调器与终端节点上电，观察两个模块LED显示情况以及串口助手显示情况。通过模块测试，系统能够正常工作运行。
4.2 整体测试
此时点击文件路径处，选择文件保存的位置，当停止运行时，可以查看历史数据。该图显示每隔1秒采集一次参数，且节点1和节点2的参数能够很直观的显示，通^对历史参数的保存，就能对其进行数据分析，发现故障。
4.3环境实测
为了验证系统的可靠性，利用它在实验室外进行了测试。我们先完成终端、协调器与路由器的程序下载。之后，我们布置各终端节点、协调器、路由器。再对各节点进行供电，上位机采用电脑进行代替。随即，我们进行环境参数的采集。
测试结果表明，该系统能够对户外环境进行实时监测，当环境参数超过设定的值时，LabVIEW界面相应的位置就会进行报警。
5结论
本文介绍的基于ZigBee技术的井场环境无线监测系统。采用无线ZigBee技术作为传输方式，同时结合了虚拟仪器技术，对上位机界面进行了设计。经过现场实验表明，该套系统测试过程稳定，结果可靠，同时抗干扰能力较强。不仅如此，本系统还可以应用于多种户外环境参数的采集与监测。
参考文献
[1]陈方华.基于ZigBee的煤矿井下无线传感器网络的研究[D].安徽理工大学，2009.6：6-8.
无线环境监测范文第5篇
关键词：物联网；沿海湿地；环境监测；安卓；无线传感网
DOIDOI：10.11907/rjdk.171433
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0089-03
0 引言
湿地[1]是地球上具有多种独特功能的生态系统，它不仅为人类提供大量食物、原料和水资源，而且在维持生态平衡、保持生物多样性和珍稀物种资源，以及涵养水源、蓄洪防旱、降解污染、调节气候、补充地下水、控制土壤侵蚀等方面起到重要作用。
盐城工学院地处沿海城市江苏盐城。盐城因湿地辽阔被誉为“东方湿地之都”，其市域东部拥有太平洋西海岸、亚洲大陆边缘最大的海岸型湿地[1]，面积680多万亩，占江苏省滩涂总面积的7/10，全国的1/7，被列入世界重点湿地名录。但随着气候变化和人类活动的影响，盐城湿地面积不断减少，湿地环境面临人类活动、环境污染等多方面威胁，湿地保护和湿地环境监测刻不容缓。
近年来，物联网[2]技术作为国家战略性新兴产业得到迅猛发展。物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，将物品与互联网连接进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]。物联网实现人们对物理世界更加透彻和深入的感知，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网的目标是实现物与物、物与人，所有物品与网络连接，方便识别、管理和控制[4]。
作为物联网关键技术之一的无线传感网，可以通过无线方式自组织组网，并将感知数据上传或下发，非常适合远程环境监测领域[5]。本文提出利用物联网技术解决沿海湿地环境监测问题[6]。利用物联网技术构建湿地环境监测无线传感网[7]，实现对大面积湿地环境的感知覆盖[8]。感知的湿地环境数据[9]实时上传到后台数据中心，用户可通过PC客户端、手机APP[10]等方式实时查看湿地环境数据。发生异常时，可通过短信等方式向用户报警，从而实现实时、自动化的沿海湿地环境智能监测，提高湿地环境监测效率，促进沿海湿地环境保护，实现绿色可持续发展。
1 系统架构与设计路线
基于物联网的沿海湿地环境监测系统主要分为2个部分：即面向湿地环境监测的无线传感器网络、面向湿地环境数据的后台服务器。
面向湿地监测的无线传感器网络，通过在沿海湿地范围内全面部署无线传感器节点，节点之间通过无线链路，并遵循Zigbee协议，自组织形成无线多跳网络，实现对湿地环境的多参数、大范围数据采集，并将采集的数据上传至汇聚节点（Sink Node），汇聚节点将数据转发给网关节点。
面向湿地环境数据的后台服务器，负责存储采集得到的湿地环境数据并进行简单处理。在湿地环境数据发生异常时及时发出报警信息。用户可通过PC或移动终端以有线、无线等方式访问后台服务器，查看湿地环境的实时数据和历史数据。
网关节点一边连接湿地环境监测无线传感器网络，另一边连接因特网，作为湿地环境监测无线传感器网络和后台服务器之间的桥梁，负责协议的转换和数据转发，将环境数据转发至后台服务器。
基于物联网的沿海湿地环境监测系统架构如图1所示。
基于物联网的沿海湿地环境监测系统设计框架如图2所示。
从任务需求出发，分析系统设计和开发中的关键问题，有针对性地提出解决方案。具体来说，在感知环境数据选择方面，将选择湿地环境中的空气和水体数据，如温湿度、光照、PM2.5、水体PH、水体浊度等参数进行采集和感知。在传感器节点组网方面，选用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack协议栈开发传感器节点组网程序。在服务器后台数据库方面，选用MySQL作为后台数据库，存储采集的各种湿地环境数据。后台服务器使用Java语言开发后台管理件界面，并与移动端通信。基于Android平台开发移动客户端，实现对湿地环境数据的实时监测。
系统采用自顶向下、逐步细化的模块化方式进行研究和开发。首先进行项目的总体设计和模块划分，然后针对每个模块进行设计和开发，最后进行系统联调。模块开发总是在前期完成模块的基础上，不断将新模块加入系统，以便于发现模块之间的问题以及模块设计中的缺陷，提高系统设计和开发速度。
2 监测系统设计
2.1 无线传感器网络设计
面向沿海湿地环境监测的无线传感器网络设计如图3所示。整个传感器网络包括9种传感器节点，分别是温度传感器节点、湿度传感器节点、光照传感器节点、PH传感器节点、水体浊度传感器节点、PM2.5传感器节点、结露传感器节点、气压传感器节点、烟雾传感器节点。
这9种类型的传感器节点通过Zigbee协议实现网状组网，并将感知的环境数据发送给协调器节点，协调器节点通过网关节点连接Internet。
2.2 后台服务器软件设计
后台服务器软件设计如图4所示。后台服务器软件系统负责接收协调器节点上报的沿海湿地环境数据并进行处理：一方面利用MySQL数据库存储数据，另一方面按照移动端需求，通过Socket向移动端发送历史或实时环境数据。
2.3 移动APP设计
Android客户端系统设计如图5所示。Android客户端一方面接收PC端通过Socket发来的环境数据，通过动态曲线实时展现当前湿地的实时数据；另一方面，可以查询PC端存储的历史数据并展现。Android客户端还可设定报警阈值，当某项湿地环境数据发生异常时，通过短信主动报警。
3 环境监测系统实现
3.1 原型系统结构
沿海湿地环境监测原型系统部署了6个无线传感器节点，共连接9种传感器。无线传感器节点通过Zigbee协议自组织连接到协调器节点。协调器节点一方面通过Zigbee协议接收其它节点发来的湿地环境数据，另一方面通过串口连接到服务器，将接收到的湿地环境数据发送给服务器。在服务器上部署后台服务器软件，负责湿地环境数据的存储及与Android终端的通信。服务器和Android终端连接到同一局域网，通过Socket方式实现数据通信。
3.2 后台服务器软件实现
后台服务器软件界面如图6所示。后台服务器软件使用Java Swing开发，可通过串口读取协调器节点发送的湿地环境数据，并将其存储到MySQL数据库中。同时通过 “启动服务”按钮，为Android终端提供Socket服务，允许Android终端访问数据库中的实时数据和历史数据。
3.3 Android终端软件实现
Android终端软件基于Android Studio开发，可运行于主流版本的Android终端上。Android终端软件主要负责湿地环境实时数据、历史数据的展现，以及数据异常时的报警。
Android终端实时数据展现界面如图7所示。在该界面，点击“连接”按钮，软件将通过Socket与后台服务器建立连接，接收后台服务器发来的湿地环境实时数据。湿地环境实时数据在二维坐标中以动态曲线方式向用户展现。在二维图像下有湿地环境参数相关按钮，用户可以点击选择想要查看的湿地环境参数。不同的环境数据以不同颜色的动态曲线实时展现。
Android终端历史数据查询界面如D8所示。在该界面上，用户可选择所要查询的环境数据类型，并通过文本框输入查询数据的起始和终止时刻，点击“开始查询”按钮后，以曲线方式展现某项环境数据在指定时间段内的变化情况。
Android终端环境数据超限阈值设置界面如图9所示。在该界面，用户可为每种湿地环境数据设置上限和下限值，并设定报警短信发送的目标号码。当某项环境数据值超出设定的上限或下限后，指定手机将接收到报警短信。
4 结语
沿海湿地环境监测检测系统利用物联网技术，实现对沿海湿地环境9种参数的远程实时监测。用户可通过Android移动端APP实时查看湿地环境数据，查询指定时间段内的湿地环境历史数据。当相关湿地环境参数超过用户设定的上限或下限时将收到报警短信提醒。应用该系统可提升沿海湿地环境监测的自动化和智能化水平，提高沿海湿地资源保护效率。
参考文献：
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