基于无线传感器网络的环境辐射监测系统设计与实现

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。

２０１１年第１１期　福　建　电脑　１２１　基于无线传感器网络的智能家居环境监制系统的　设计与实现　叶琳琳　（平顶山教育学院　河南平顶山４６７０００）　【摘　要】：伴随生活步伐的不断加快，人们照顾家庭的时间越来越少，如何有个舒适、安全的家已是　迫在眉睫的问题　急需设计一个具有对整个家居的环境参数（温度、湿度、亮度等）进行采集、汇总处理、自动　调节控制、安全检测等功能的智能家居环境监控系统，使人们没有后顾之忧，本文就此问题进行了阐述！　【关键词】：智能家居无线传感器网络ＺｉｇＢｅｅ技术控制系统　一、背景及现状　１９８４年世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州　出现，当时只是对一座旧式大楼进行了改造，对大楼的　空调、电梯、照明等设备通过计算机系统进行监测和控　制，还提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信　息服务。经济比较发达的国家先后提出了各种智能家　居方案，并广泛应用于家居环境。而当今世界上最著名　的智能家居，当属微软创始人之一、前微软公司主席比　尔・盖茨的豪宅——未来之屋。　在国内，家居智能化虽然起步较晚，但发展速度很　快。１９９９年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办　公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工　程。在￣（２０００年小康型城乡住宅科技产业工程项目实　施方案》中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点　发展方向。　二、无线传感器网络技术　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节点通过　无线或者有线通信方式形成的多跳自组织的网络系　统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理　区域中感知对象的信息，并发布给观察者。无线传感器　网络可具有快速展开，抗毁性强、不需要固定网络支持　等特点。　无线传感器网络系统一般包括传感器节点和汇聚　节点和管理节点。大量传感器节点分散地随机布置在　所需要的监测区域内，节点构成网络的方式是以自组　织的形式，节点的数据传输方式是以多跳中继的方式将　监测到的数据传到汇聚节点。汇聚节点通过互联网或卫　星将所监测区域内的数据传送至远程管理节点，用户随　时可以通过管理节点发布监测任务以及收集监测数据，　并且及时对传感器网络进行有效的管理和配置。　三、智能家居环境监控系统的设计　３．１系统总体方案　３．１．１系统组成框架　该系统包括终端执行单元、无线传感器网络单元、　智能控制单元和客户监控终端单元四部分，智能控制　单元分别与无线传感器通信网络和客户端相连，还连　接有终端执行单元（由执行机构与终端设备组成）。如　图１所示。　：　一１　ｒ　ｉ终端执行单兀　：：　；　一　竺三　；臣画二］．—压　Ｈ　■　赢～～一一……‘１　团Ｈ　—————　ｌ，　ｌ　［困；：　图１系统总体框图　终端执行单元：包括终端设备和执行机构，负责执　行智能控制单元的命令。对环境参数进行调节。　无线传感器网络：主要负责对室内环境参数的采　集，包括：协调器、路由器以及传感器节点，协调器与智　能控制单元相连构成环境监控中心，路由器节点和室　内的传感器节点构成控制每个区域环境参数的环境子　系统。　智能控制单元：是系统的核心部分。负责对家居中　环境调节控制设备的管理和控制，负责做出控制策略、　发出控制指令控制调节环境参数。还具有家庭网关功　能，负责家庭内部网络与外部网络之间的数据交换和　信息共享。　客户端监控单元：用户在手机或ＰＣ机使用客户端　软件能通过局域网或者是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ与家庭网关连接，实　现远程对家庭环境进行查询与控制。　３．１．２系统工作过程　该系统工作过程是：居室内无线传感器网络负责　采集环境参数各项数据并传送至智能控制单元，智能　控制单元中的无线网关模块负责家庭内、外网的连接　并进行协议转换。以便用户通过现有网络随时随地查　看居室内环境数据。如果某项参数不符合要求，用户可　通过手中设备发送指令至智能控制单元。通过控制算　法模块对终端设备（

第３Ｏ卷第４期　

２０１２年８月　陕西科技大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３０　ＮＯ．４　

Ａｕｇ．２０１２　

文章编号：１０００—５８１１（２０１２）０４—００８１—０４　

无线传感器网络在环境监测系统中的设计与应用　

郭文强，张玉杰，侯勇严，付　

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安　菊　

７１００２１）　

摘　要：为了克服传统的环境监测系统布线复杂和数据采样困难的问题，提出了基于ＺｉｇＢｅｅ　

无线传感器网络的解决方案。通过传感器节点采集环境监测现场的数据，并实时将监测数据　

通过ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ通信协议无线传输至协调器，然后将数据传输到上位机进行监测与分　析处理。实验结果表明，该无线传感器网络能够可靠、有效地采集相应环境数据，并及时传输　

至监测平台，为环境监测系统的高效、安全运行提供了可靠依据．　

关键词：环境监测；无线传感器网络；ＺｉｇＢｅｅ　

中图法分类号：ＴＮ９１９．３　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

ｉｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＧＵｏ　Ｗｅｎ—ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ—ｊｉｅ，Ｈ０Ｕ　Ｙｏｎｇ—ｙａｎ，Ｆｕ　Ｊｕ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　

７１００２１．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｃｏｍｐｌｅｘ　

ｗｉｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｄａｔａ　ｓａｍｐｌｉｎｇ，ａ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　

无线传感器网络在环境监测系统中的应用

【摘要】本文介绍了在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的几点优势，分析了基于无线传感器网络技术的环境监测系统的体系结构，给出了三个典型应用领域中该系统的创新性构建方案，并对该类系统中的几种关键技术进行了研究，最后对无线传感器网络技术的应用前景进行了展望。

【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。