基于无线传感器网络的室内监控系统

张新耀　冯启朋　霍鹏　王亚慧

摘要：室内环境与人的生活、工作密切相关，一般具有结构复杂及区域差异性大的特点。无线传感器网络是由具有感知能力、计算能力、无线通讯能力的传感器节点组成的智能网络，可以有效地监测环境参数变化，并能够对环境异常做出实时处理，从而实现复杂环境下的分区域环境监控，由此设计了一套基于无线传感器网络（WSN）的智能室内监控系统。文章通过对整个系统的设计方法、软硬件实现及系统测试结果进行了分析研究，最终证明了由无线传感器网络构成的系统可以高效地实现室内环境监控的任务。

关键词：无线传感器网络；室内监控系统；环境监控；环境参数

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）30-0030-03

无线传感器网络集传感器技术、微机电系统（MEMS）技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络因其具有成本低、能耗小等特点，已经展现了非常广阔的应用前景，参考文献[1]和参考文献

[2]中分别介绍了其在农业与医药学领域的应用。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的十大新技术之一。

随着社会经济的发展及生活条件的改善，人们对工作和生活环境的安全性和舒适度提出了更高的要求，而室内环境与人们的生活与工作息息相关，因此室内环境的监测与控制引起了人们越来越多的关注。为了实现各式各样的生活与工作要求，室内环境的结构也是多种多样的，正是这种结构复杂多样性及区域差异性，给室内环境的监测与控制带来了诸多挑战。但是，随着无线传感器网络技术的发展及应用，这些挑战均迎刃而解。

1 系统工作原理

系统的监控功能主要利用了无线传感器网络技术来实现。系统分为三个部分，分别为监控节点、下位机和上位机。系统结构如图1所示：

监控节点：作为无线传感器网络的基本组成部分，它可以利用搭载的多种传感器来获取室内的环境参数，通过微机电系统将这些参数进行数字化处理，并打包通过无线通讯模块发送至下位机。

下位机：作为无线传感器网络的中心节点，下位机起着承上启下的作用。它既能够通过无线通讯模块与诸传感器节点通讯，又能通过串口与上位机实现信息交互，最终实现了传感器节点与上位机的协调。

上位机：作为无线传感器网络的“大脑”，上位机负责整个传感器网络的正常运行。通过对下位机呈递的数据包进行解码，上位机能够提取各环境参数信息，并将其图形化显示。此外，通过设置环境参

数阈值，上位机可以实现整个系统的自动控制。

2 系统功能介绍

环境参数采集与图形化显示：传感器节点通过搭载的各类传感器可以采集各类环境参数，例如温度、湿度、光照、空气质量等，并通过无线传输将这些数据发送至上位机。上位机通过解包提取各环境参数，对其进行图形化显示。通过图形化显示，可以直观地得到环境参数的变化过程，便于发现环境异常及对环境变化趋势做出合理判断。

异常处理：当环境参数超过预先设定的阈值时，则判定为异常状态。此时，可以通过上位机软件，调整相应节点控制设备的工作状态，以使环境参数恢复正常。

双重工作模式：上位机软件设置有双重工作模式，即自动控制模式和手动控制模式。在自动工作模式下，上位机会根据阈值判断当前室内环境是否发生异常，从而对节点的控制设备进行调节，使室内环境维持在相对稳定状态。在手动模式下，可以根据当前的需要，主动干预室内环境的调节，从而实现某些特殊条件下特殊要求。

3 硬件和软件设计

3.1 硬件的设计

监控节点的设计：由5个基本部分组成，分别为传感器检测单元、数据处理单元、无线传输单元、控制单元和电源供应单元。节点结构如图2所示。节点的处理器使用综合性能较好的ATMEL的AVRmega16单片机。本节点拟设计为通用节点，可拓展为8路开关/模拟量输入、8路输出外接控制器、2路占空比可调PWM，可接多种多个传感器，扩展性强。传输采用AM2400BS-R（NRF2401）无线通信模块，收发频率为2.4～2.524GHz，数据传输速率最快为1M/bps，可以传输较大的数据包，发射功率最大为0dB，传输距离远。节点程序流程图如图3所示。控制单元由继电器、排气扇、风扇（可由PWM控制转速）、白炽灯、火警报警器等组成。电源根据具体情况可以采用220V交流电、蓄电池、太阳能电池、USB等供电，省电也是本系统考虑的主要因素。

通信协议：分为无线通信协议和串口通信协议。无线通信协议分为上行和下行协议，上行协议用于节点到下位机的数据信息传输，下行协议用于下位机到节点的控制命令传输。上下行协议中预留了保留位，方便进行系统的进一步擴展。下位机与上位机之间采用RS232串行通信协议。

3.2 软件的设计

上位机软件：采用Visual C#语言编写，在Microsoft Visual Studio集成开发环境中开发。软件设计的流程图如图5所示。主要包括用户登录界面、区域选择界面和参数显示界面。用户登录界面用于设定用户权限，保证系统安全；区域选择界面有利于用户快速定位目标区域，保证系统快捷方便；参数显示界面可以记录并显示参数历史信息，并提供参数的动态变化曲线和控制按钮，方便用户对参数未来的变化趋势进行合理预测和对异常情况进行处理。

Internet的创新性应用：可在互联网上进行拓展，不仅可以方便地进行远程监控，还可以扩大监测范围，使该系统拥有更广阔的应用前景。

4 系统测试及结果

为了进行系统测试，设计了一套模拟系统，该模拟系统包括3个无线传感器节点，每个节点搭载温湿度传感器、光照传感器和烟雾报警模块。

通过对3个无线传感器节点进行轮询，测试得到最大的无线通讯有效距离约为30米。

5 结语

本文从应用角度出发，设计了一套基于无线传感器网络的室内监控系统。该系统低功耗，低成本，便于安装。通过测试实验，证明该系统功能实用可行，是对室内监控系统的重大改进。对室内环境可以全面的了解和掌握，对异常情况可以做出正确的判断和实时有效的处理，使室内环境的安全性及舒适度得到大幅改善。

参考文献

[1] 乔晓军，张馨，王成，任东，何秀红.无线传感器网络在农业中的应用[J].农业工程学报，2005，21.

[2] 李毅治，张月琳.传感器在医药学领域的应用[J].药学进展，2005，29（12）：571-574.

[3] Estrin D，Govindan R，Heidemann J S，et al.Next century challenges：scalable coordinate in sensor network[A].In：Proc 5th ACM/IEEE Int' l Conf on Mobile Computing and Networking[C].1999：263-270.

[4] 陈丹，郑增威，李际军.无线传感器网络研究综述[J].计算机测量与控制，2004，12（8）：701-704.

[5] 石军锋，钟先信，陈帅，邵小良.无线传感器网络结构及特点分析[J].重庆大学学报，2005，28（2）.

基金项目：中国海洋大学“国家大学生创新性实验计划”项目资助（编号：100082491002）

作者简介：张新耀（1990-），男，山东兖州人，中国海洋大学信息科学与工程学院学生，研究方向：海洋技术。

（责任编辑：周加转）