基于无线传感器网络的环境监测与分析系统设计

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。

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。

一　

Ｃｒｏｐ　Ｇｒｏｗｔｈ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｍ０ｎｉ　ｔｏｒｉｎ９　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

卢艳宏　Ｌｕ　Ｙａｎｈｏｎｇ　（连云港职业技术学院机电工程学院，江苏连云港２２２００５）　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌ＆Ｍａｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ　２２２００５）　

摘要：本文提出了基于ＺｉｇＢｅｅ技术的面向农作物的无线传感器网络监测系统的设计方案，其中硬件　子系统包括四大部分：处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块；软件子系统涉及开发平台　ＴｉｎｙＯＳ系统、ＣＣ２４２０驱动设计、串口和内网通信程序设计和传感器数据采集模块设计。系统具有良好的灵　活性、可维护性和可扩展性，同时系统模块化、开放式的结构使系统具有良好的可移植性。　关键词：无线传感器网络；路由协议；ＺｉｇＢｅｅ；无线通信；农作物信息　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—４７９２（２０１２）０６—００３４—０５　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｆａｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｒｏｐｓ　ｇｒｏｗｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｍｏｄｕｌｅ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ｓｅｎｓｏｒ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎｖｏｌｖｅｄ　ａｒｅ　Ｔｉｎｙ０Ｓ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ＣＣ２４２０一ｄｒｉｖｅｎ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ　ｈａｓ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｍａｉｎｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｄｉｂｉｌｉｔｙ；ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎ　ｓｔｙｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｅｎａｂｌｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｈａｖｅ　ａ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ；Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ＺｉｇＢｅｅ；Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；Ｃｒｏｐ　Ｉｎｆｏｒｍａ—　ｔｉｏｎ　０引言