基于无线传感器网络的温湿度监测系统研究

摘 要 温湿度同日常生产、生活密切相关，对其加以采集监测极为重要。而传统有线温湿度监测系统其在监测环境与数据信息的传输距离上存在着一定限制，而无线传感器网络温湿度监测系统则通过无线收发及GSM通信来实现对温湿度多节点的实时监测。故本文就以无线传感器网络为基础的温湿度监测系统加以探讨。

【关键词】无线传感器 温湿度监测系统 设计探究

随着人们对居室环境与公共场所舒适度的日益关注，环境温湿度监测在高端家居及公共建筑等的室内环境已成为常规监测项目。新建筑其在设计时便对温湿度监测传感器的布置点、信号传输线提前进行确定与布置；而老旧建筑抑或是设计阶段未对温湿度监测纳入考虑的建筑要对其进行温湿度监测，传统的有线检测模式则会对内部装修造成破坏。无线传感器网络便为该问题的解决奠定了技术基础。

1 总体结构及工作原理

无线传感器网络温湿度监测系统其由无线温湿度传感器节点、接收模块、监控计算机所构成。其中，传感器节点用于对现场各温湿度监测地点温湿度数据的实时采集，而后进行编码并将之发送到接收模块，而后由接收模块将所接收数据传输到监控计算机予以存储和显示。监控计算机经由3G网络模块来接入到互联网，而后将所采集数据传输到远程监控中心。本系统其关键在于对无线温湿度传感器节点进行设计和以无线互联网为基础的远程信号的传输。本系统监控计算机可被视作服务器，而客户端则是远程监控中心的计算机，一旦服务器接收到客户端所发送的数据请求，便会将所采集数据经由无线网络来传输至客户端（远程监控中心计算机），以供监控中心进行调阅，达到异地、远程监控。

2 无线传感器节点硬件设计

2.1 CC2430

采用增强型工业标准，性能高，电源管理模式具有可选择性，可对系统的工作模式进行灵活配置以促使功耗得以降低；處于休眠模式时期电流消耗低至0.9μA，而处于待机模式时期电流消耗则低于0.6μA；以CC2430为基础所设计节点所需外围电路较少便可完成数据采集与发送，使系统可靠性得以提高，功耗得以降低。

2.2 传感器

本系统选择SHT71数字型为大气温湿度传感器，其工作电流：550μA，其待机时仅需0.3μA电流；温湿度测量精度：±0.3摄氏度、≤1.8%；接口：21C。选择ISI29010数字型为光照强度传感器，其工作电流：0.25mA，其待机电流：0.1μA；其测量精度：±50lux；接口：21C。选择SLST1-5数字型为土壤温度传感器，其测量电流：1.5mA；其待机电流：1μA；其测量精度：±0.5摄氏度；接口：单总线。选择H550数字型为二氧化碳传感器，其工作电流：15mA；其精度：±30ppm；接口：21C。选择FDS100模拟型为土壤湿度传感器，其工作电流：15mA；精度：≤3%；输出：模拟信号。

2.3 ZigBee通信协议

该协议复杂度低、距离近、功耗低、速率低、成本低，可对能量进行检测，对链路质量进行指示，设备可依据检测结果对发射功率自动加以调整，在通信链路质量得以确保的基础上设备能好达到最低。本系统无线传感器节点包括路由节点、终端节点与协调器节点，分别完成数据的采集与汇聚等功能。在节点软件的设计中，通过对ZigBee协议栈所提供的API函数的调用来实现网络管理层设备的初始化、网络配置与启动，使分布于各温室中无线传感器节点能够自组网络。为实现节点功耗的进一步降低，本系统对数据采集进行了灵活、定时休眠与唤醒、可动态配置等相关功能的设计。

3 网关节点设计

3.1 硬件设计

3.1.1 ZigBee协调器

本设计通过ZigBee协议将传感器网络所采集的全部数据汇聚至协调器节点，故本设计将ZigBee协调器加点嵌入网关节点，并经由串口同网关间实现数据通信。

3.1.2 MC39i

MC39i对GSM900与GSM1800双频网络均支持，其接手速率每秒可达到86.20kb，其发送速率每秒可达到21.5kb，对无线传感器网络小数据传输量要求完全满足。

3.1.3 通用外围接口

该接口网关系统扩展能力较强，其带触摸屏LCD用于网关系统信息的交互；USB接口则可外接键盘、鼠标等；SD卡可发挥拓展存储器的作用；而RJ45接口使网关得以接入到以太网。

3.1.4 电源

变压器将市电（220V）降至12V直流电，以此为网关主电源；以12V蓄电池为系统备用电源，以确保电源的不间断，断电时系统仍可继续正常运行。

3.2 网关管理系统

本设计以流式套接字来确保IP/TCP协议Socke网络通信的实现。SQLite体积小、高效快速、移植简便、可开源。故本设计以SQLite为基础软件来完成环境监测系统管理软件，以此来管理传感器节点与环境数据。

3.2.1 节点管理

由于监测区域无线传感器节点数量及类型存在较大差异，故需对其加以统一管理。节点管理主要有节点电量/位置/ID、采样周期、传感器类型、运行状态及更新时间等相关属性的配置。

3.2.2 数据管理及预警

SQLite数据库对网关所接收的周期性环境信息进行存储、查询等相关管理；还需对写入数据可各个环境数据加以判断，一旦室温超过管理人员所设置安全范围，警报器、GSM短信、闪光灯等预警方式便会启动。

4 总结

本文就以无线传感器网络为基础的温湿度监测系统设计进行了分析，本设计中以SQLite数据库为基础的温湿度监测系统可实现对各类传感器节点及大量温湿度数据的有效管理；此外，系统还可进行闪光灯、警报器及GSM短信警报，以无线远程、低成本低功耗、灵活友好为主要特点，以期为无线传感器温湿度监测系统的尽早开发提供有益参考。

参考文献

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[3]李丽华，于尧，陈辉，等.基于无线传感器网络的鸡舍温湿度实时监测系统[J].河北农业大学学报，2014（1）：126，131.

作者简介

李云龙（1983-），男，江苏省徐州市人，硕士学位，现就职于天津中德职业技术学院讲师，主要从事运动控制技术、PLC控制应用等研究工作。

作者单位

天津中德职业技术学院 天津市 300350