基于智能传感器网络的环境信息监测系统设计*

张 粤，倪桑晨，倪 伟

（1.淮阴工学院计算机工程学院，江苏淮安 223003;2.东南大学信息科学与工程学院，江苏 南京 211189;3.淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏 淮安 223003）

0 引言

现有的环境监测系统大多采用有线数据采集与传输，现场安装与布线繁琐，工作量大，设备移动性差，组网复杂，成本较高，无法进行远程访问与监测。随着人们生活水平的提高，对于生存环境质量的要求也越来越高，尤其是环境参数诸如温度与湿度对于人们生活舒适度的影响非常大。因此，研究开发一种智能环境信息无线传输与监测［1，2］系统十分必要。无线传感器网络集信息采集、处理和传输于一体，它的广泛应用［3］可以为环境信息掌控提供技术支持，在诸如国防军事、环境监测、工程安全［4］，以及农业温室、畜禽养殖场和食品加工等领域［5］，已经有了不少典型应用案例［6，7］。系统主要由低功耗无线传感器网络终端节点通过Zig Bee自组网方式［8，9］构成，实现环境数据的采集和无线传输，通过 Zig Bee网络技术实现终端节点与网关节点的无线通信，可以通过监测中心对系统进行管理、数据分析以及发布监测任务等。从而实现环境监测过程中对多监测点、多监测参数、可灵活移动等方面的要求［10，11］。将该系统应用于室内温湿度信息监测，通过实验检验网络性能和监测效果。

1 系统总体结构设计

基于无线传感器和嵌入式技术，本文提出一种基于Zig Bee的无线监测系统设计方案。系统总体结构包括传感器节点（终端节点）、网关节点以及监测中心等部分。系统结构示意如图1所示。

图1 系统结构示意图Fig 1 Structure diagram of system

终端节点的任务是采集环境数据，采用多跳路由策略实现数据信息的无线传输，无需布线;充分利用Zig Bee无线数据接收技术、嵌入式微处理器的控制及外设扩展功能，网关节点实现环境数据的接收汇集和转发;监测中心负责数据存储与显示，可以保存大量监测数据。

2 系统硬件设计

2.1 Zig Bee网络终端节点设计

无线协议控制器和射频收发部分选用 TI公司的CC2430芯片，它是将射频与MCU集成一体的一种无线通信芯片。终端节点的任务是实现环境数据的感知、采集、处理及无线通信等，它是环境信息监测系统的基本组成单元。考虑到应用需求，成本、功耗和可靠运行等因素，组成包括电源供电模块、CC2430微处理无线收发模块和传感器等模块，本设计的无线传感器网络节点硬件结构图如图2所示。

图2 传感器节点硬件结构图Fig 2 Hardware structure diagram of sensor node

CC2430是基于CC2420架构、嵌入Zig Bee协议栈的无线协议控制和射频收发器芯片，非常适合环境信息的检测要求。在内部结构方面，它集成128 kB可编程闪存、8 kB的RAM以及8路14位的A/D转换器，它还集成了AES—128安全协同处理器，带有2个支持多协议的USART，1个MAC计时器及2个8位计数器，32 kHz晶振的休眠模式定时器，掉电检测电路和21个可编程I/O接口。在功耗方面，CC2430提供4种电源管理模式，用于降低功耗，在休眠模式下电流损耗仅0.9 μA，待机模式下电流消耗小于0.6 μA。CC2430在性能方面表现优越，它配备一个高性能2.4 GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一个工业级小巧高效的8051控制器，片上资源丰富、功能强大，在外围电路设计方面，接线简单，外围电路少，可靠性得到提高。由终端节点采集数据信息，经CC2430进行A/D转换成为数字信号，数据以无线多跳形式传送给接收节点。

2.2 无线通信网关节点设计

无线网关主要功能是实现网络之间协议转换、数据收集和转发，用于将无线网络接入有线控制网络，通过有线控制网络对终端节点设备进行监测。现场设备和无线网关之间的通信协议采用Zig Bee无线通信协议，无线网关具有的信息服务功能还有对数据信息的存储、对数据的读取和设置、周期性地检测设备是否上线并标示其当前状态等。考虑到网关节点具体任务是对采集的信息进行接收和转发，以及其存储能力和通信能力对于环境监测要求并不高，因此，仍可采用CC2430。无线通信网关主要任务是通过串行网络收集信号数据，由Zig Bee网络收集环境参数信息，再经过串行口与监测中心连接。无线通信网关的总体设计框图如图3所示。

图3 无线通信网关设计框图Fig 3 Design block diagram of wireless communication gateway

3 系统软件设计

3.1 终端节点软件设计

鉴于数据采集、处理的合理性及精度需求，终端节点软件运行步骤为:首先上电初始化，然后启动网络与搜索组网，并检查网络状态，接着对经标识后的数据做出判断，如果信息来自监测区域，经请求后发送给网关节点，进行数据接收，依据系统需要，网关节点发送同意接收数据指令，判断是否接收下一条数据。数据传输与发送工作流程如图4所示。

3.2 网关节点软件设计

网关节点的处理能力、存储能力和通信能力比较强，其主要功能是接收与转发。所有数据采集终端节点将采集到的数据以无线的方式发送到网关节点，网关节点再将其通过串行口传给监测中心PC机，网关节点还可以接收监测机发送的控制命令，并将这些控制命令经转换之后发送给各数据采集终端节点。网关节点软件程序设计流程可以描述为:首先上电实现系统初始化、CC2430硬件初始化以及Zig Bee协议栈初始化;然后建立网络;接着添加节点组网，执行协议转换任务;最后进行数据发送操作。

3.3 监测中心软件设计

图4 终端节点软件流程图Fig 4 Software flow chart of terminal node

通过监测软件，可以实时采集数据并显示，形成报表供预报和决策参考，依据监测数据将结果用图表、曲线显示或打印输出。监控中心软件设计采用模块化设计原则，即将系统划分为不同功能模块，分别在每一个功能模块中将少量共享变量屏蔽，便于独立运行，方便了软件的修改、调试和扩展。软件结构主要由菜单操作、数据库操作、数据采集等3个模块构成。具体设计是在C++Builder集成开发环境中，新建基于可视化元件（VCL）的窗口应用程序，工程名为SCOMMN，所有步骤保持默认状态，并在主窗体中添加控件。本文从简洁易用的角度出发，设计系统的监测中心软件结构框图如图5所示。

图5 监测中心软件结构框图Fig 5 Structure block diagram of monitoring center softwares

4 系统性能测试

本文选用Sensirion公司的数字温湿度传感器芯片SHT11，其主要特点是:该芯片集温湿度传感器、放大电路、A/D转换电路及存储器于一体，二线数字接口，完全数字量输出，无需微调，可与单片机直接相连，外围电路简单，体积小，电流消耗小等。

系统设计完成后，在实验室运用本开发板对环境温湿度进行监测运行，经测试能够实现温湿度的采集与传输后，安装测试，系统连线大大减少，安装方便、灵活。实验时，在40 m2左右微机实验室范围安装4个从节点和1个中心节点，分别标示为N1～N4，对温湿度进行检测，可以实现数据的采集、传输及列表显示。经测试，温湿度传感器节点在12 m范围可以穿过传感器实验台上仪器设备等障碍物，网络自纠错能力好，数据精度较高。温度检测误差不超过±0.5℃，相对湿度的检测误差在5%RH之内。如果检测参数超限，计算机可以在3 s以内作出响应，显示地址和超限参数值，并进行报警。测试中获得其中N1～N3共3个节点温湿度数据如表1所示。

表1 温湿度监测数据统计表Tab 1 Statistical table of temperature and humidity monitoring data

5 结论

设计了系统终端节点和网关节点软硬件系统与通信应用软件，进行监测中心应用软件开发，实现环境信息监测，数据以列表形式显示。针对由于无线低功耗设计所引起的数据传输信号相对较弱、抗干扰能力较差及易出现数据丢失的现象，在软件方面进行改进，通过增加数据采集频率，延长数据传输周期，减少了数据丢包率。对室内温湿度实施监测，实验结果表明:该系统针对环境参数的数据采集、传输与监测适用性较好，能够为控制决策提供依据。与有线监测系统相比，该系统适用范围更广，可应用于多种环境信息监测场合。

［1］Cook D J，Das S K.Smart environments:Technologies，protocols，and applications［M］.Hoboken:John Wiley and Sons，2005.

［2］Salkintzis A K，Plevridis J E，Koukourlis C S，et al.Design and implementation of a low-cost wireless network for remote control and monitoring applications［J］.Microprocessors and Microsystems，1997，21（2）:79 －88.

［3］Pierce F J，Elliott T V.Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern Washington［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2008，61（1）:32 －43.

［4］王敦锋，朱名日，庾志衡，等.基于ARM-Linux和Zig Bee的自动煮糖数据采集系统［J］.仪表技术与传感器，2011（1）:45－48.

［5］方 刚，任小洪，贺映光，等.基于Zig Bee技术的煤矿监测系统［J］.仪表技术与传感器，2010（12）:41 －43，46.

［6］Ana Carolina de Sousa Silva，Aldo Ivan C'espedes Arce，S'ergio Souto，et al.A wireless floating base sensor network for physiological responses of livestock［C］//Int’1 Conf on Computers and E-lectronics in Agriculture，Amsterdam，The Netherlands:Elsevier，2005:246－255.

［7］Handcock R N，Swain D L，Greg J，et al.Monitoring animal behaviour and environmental interactions using wireless sensor networks，GPS collars and satellite remote sensing［J］.Sensors，2009，9（5）:3586 －3603.

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［10］Zig Bee Alliance.Zig Bee Specification V1.0［EB/OL］.［2011—05—20］.http://www.Zig Bee.org.

［11］Salkintzis A K，Plevridis J E，Koukourlis C S，et al.Design and implementation of a low-cost wireless network for remote control and monitoring applications［J］.Microprocessors and Microsystems，1997，21（2）:79 －88.