无线传感器网络的设计与实现

２００８年第２７卷第１０期　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　１０１　

一种无线传感器网络火灾监测系统的设计与实现　

刘士兴　，张永明　，顾勤冬　

（１．合肥工业大学应用物理系，安徽合肥２３０００９；　２．中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥２３００２６）　

摘要：利用全球可接入智能网络（ＧＡＩＮｓ）节点设计了能够监测温度、湿度和烟雾浓度的火灾探测单元，　针对火灾特征参数多跳传输提出了一种最短路径路由算法，使传感器节点采集的数据以最小跳数进行传　输，组建了火灾实时监测系统，实现了对火灾特征参数的无线实时监测。　关键词：无线传感器网络；火灾监测；路由算法；多跳网络　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：ｉ０００＂９７８７（２００８）１０－－０１０１－－０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＬＩＵ　Ｓｈｉ—ｘｉｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—ｍｉｎｇ２，ＧＵ　Ｑｉｎ—ｄｏｎｇ　（１・Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ＡｐｐＨｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ　２３００２６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆｉｒｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＡＩＮｓ　ｎｏｄｅｓ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｍｏｋｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ａｎｄ　ａ　ｓｈｏｒｔｅｓｔ　ｐａｔｈ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｍｕｌｔｉ—ｈｏｐ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅｓ　ｄａｔａ　ｃａｌｌ　ｂｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｈｏｐｓ．Ａｎｄ　ａ　ｆｉｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｕｐ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｍｏｋｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）；ｆｉｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｍｕｌｔｉ—ｈｏｐ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

基于无线传感器网络的环境监测系统设计和实现

随着现代社会的高速发展和城市化的不断推进，环境污染逐渐成为人们关注的热点问题。为了有效地预防和治理环境污染，需要对环境进行实时监控和管理。基于无线传感器网络的环境监测系统应运而生，成为环境监测领域的重要工具。本文将介绍基于无线传感器网络的环境监测系统的设计和实现。

一、无线传感器网络简介

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种利用无线通信技术构建的分布式、自组织、多传感器节点协作的网络系统。WSN由大量的传感器节点、数据处理节点和控制节点组成，通过无线通信技术形成一个协同工作的整体。每个传感器节点都具有一定的自主处理能力和通信能力，并能够自我组织形成网络。传感器节点通常由微处理器、传感器、存储器和无线模块等构成。

二、环境监测系统的设计原理

基于无线传感器网络的环境监测系统通常需要设计以下几个部分：

1. 传感器网络部分

传感器网络部分是整个系统的核心，主要由传感器节点和基站组成。传感器节点负责采集环境参数，如温度、湿度、风速、气压等。基站则负责接收、处理和传输数据。

2. 数据处理部分

数据处理部分主要负责对传感器节点采集到的数据进行处理、分析、存储等操作。这个部分需要使用一些数据处理技术和算法，如数据压缩、数据挖掘和机器学习等。 3. 数据显示部分

数据显示部分主要是将处理后的数据以可视化的形式呈现给用户。这个部分需要使用一些可视化工具和技术，如Web技术、图表控件、地图等。

三、基于无线传感器网络的环境监测系统的实现方法

在实现基于无线传感器网络的环境监测系统时，需要考虑以下几个方面：

1. 传感器节点的选择和部署

选择合适的传感器节点对于提高系统的性能和精度至关重要。传感器节点的部署也需要经过仔细的规划和布局。

2. 通信协议的选择

需要选择合适的通信协议，如ZigBee、WiFi、LoRa等。通信协议的选择将直接影响到系统的能耗、通信效率和可靠性。

无线传感器网络应用系统介绍

无线传感器网络是由部署在监测区域内部或附近的大量廉价的、具有通信、感测及计算能力的微型传感器节点通过自组织构成的“智能”测控网络[1][2]。无线传感器网络在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值，被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来四大高技术产业之一。

目前，国内外众多研究机构都已开展了无线传感器网络技术及其应用的相关研究。本文主要针对无线传感器网络技术在不同领域的应用情况及未来发展趋势和制约因素进行介绍。

无线传感器网络概述

传感器节点可以完成环境监测、目标发现、位置识别或控制其他设备的功能；此外还具有路由、转发、融合、存储其他节点信息等功能。

网关负责连接无线传感器网络和外部网络的通信，实现两种网络通信协议之间的转换，发送控制命令到传感器网络内部节点，以及传送节点的信息到服务器。

服务器用于接收监测区域的数据，用户可远程访问服务器，从而获得监测区域内监测目标的状态以及节点和设备的工作情况。

无线传感器网络通常具有如下主要特点：

(1)自组织。传感器网络系统的节点具有自动组网的功能，节点间能够相互通信协调工作。

(2)多跳路由。节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。

(3)动态网络拓扑。在某些特殊的应用中，无线传感器网络是移动的，传感器节点可能会因能量消耗完或其他故障而终止工作，这些因素都会使网络拓扑发生变化。

(4)节点资源有限。节点微型化要求和有限的能量导致了节点硬件资源的有限性。

无线传感器网络应用现状 传感器网络的应用与具体的应用环境密切相关，因此针对不同的应用领域，存在性能不同的无线传感器网络系统[3]。

军事领域应用

在军事应用领域，利用无线传感器网络能够实现监测敌军区域内的兵力和装备、实时监视战场状况、定位目标物、监测核攻击或者生物化学攻击等。

江西煤炭科技　ＪＩＡＮＧＸＩ　Ｃ０ＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１３年第２期　

ＮＯ．２　２０１３　

一种矿用无线传感器网络节点的设计与实现　

汪丹丹　

（安徽城市管理职业学院计算机系，安徽合肥２３００００）　

摘要：介绍了无线传感器网络在井下瓦斯监测中的应用，充分利用ｎＲＦ９Ｅ５的多信道功能，结合多信道ＭＡＣ协议以及　基于数据汇聚的路由协议，给出了无线传感器网络节点的硬件系统和软件系统。该节点能够实时监测瓦斯浓度，为地面控　制中心、井下作业人员了解作业环境提供了依据，提高了井下监测设备的安全性能。　关键词：无线传感器网络；瓦斯监测；矿井安全；网络节点　

中图分类号：ＴＤ６５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—２５７２（２０１３）０２一Ｏ０８８一Ｏ３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｎｏｄｅ　Ｗａｎｇ　Ｄａｎｄａｎ　（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｔｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｈｅｆｅｉ，Ａｎｈｕｉ　２３００００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｇａｓ　ｍｏｎｉｔｏ—　

ｒｉｎｇ．Ｔａｋｉｎｇ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎＲＦ９Ｅ５　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏ—　ｔｏｃｏｌ　ａｎｄ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｄａｔａ　ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓ—