-`
基于物联网的环境监测实现研究
戴礼森
摘要
近年来物联网（The Internet of things）的概念和技术逐渐成为研究的热点，被认为它是继计算机、互联网与移动通信网之后信息产业发展又一次浪潮，开发应用前景巨大。物联网是通信网络的延伸，它能够使我们的社会更加自动化，降低生产成本提高生产效率，借助通信网络随时获取远端的信息。而作为物联网技术基础的无线传感器网络是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。本文研究了物联网技术在环境监测系统的应用，尤其是在严酷环境中对环境参数的检测和采集，对无线传感器网络的几种关键技术，如节点供电、自组织路由，以及和互联网的连接等进行了研究，给出了具体解决方案、硬件和软件路由设计等。
关键词：物联网、无线传感网、环境监测、ZigBee、TinyOs
目录
1 前言 (3)
2物联网与无线传感网 (5)
1.1.环境监测典型应用 (5)
3 物联网环境监测系统设计 (7)
3.1无线采集节点设计 (7)
3.1.1节点结构及功能设计 (7)
3.1.2 硬件设计 (10)
3.2 节点路由协议实现 (12)
3.3 无线网关设计 (16)
3.3.1网关与上位机通讯协议 (17)
3.3.2 网关路由协议实现 (21)
3.4 上位机通信与数据分析处理 (23)
3.4.1 上位机通信软件结构 (23)
4 结束语 (27)
1前言
近年来物联网的概念和技术被广泛关注，普遍认为它是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业发展又一次浪潮，开发应用前景巨大。美国研究机构Forrester预测，物联网所带来的产业价值要比互联网大30倍，将形成下一个万亿元级别的通信业务。
所谓物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智
能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制
中国政府和领导人对物联网高度重视，国家主席胡锦涛、国务院总理温家宝等领导在不同场合多次强调要依靠科技创新，引领经济发展；要注重经济结构调整和发展模式转变，重视新兴产业的发展等问题；明确提出了“感知中国”的理念，自此“物联网”提到国家议事日程。为抢占未来信息技术的制高点，我国政府也制定了相应的物联网研究和发展计划，并提出“感知中国”的概念。而且在2010年政府工作报告中更是指出，中国要大力培育战略性新兴产业，并特别提出要加强物联网的研发应用。
物联网研究起步于90年代末期的美国军方，2001年起DARPA每年都投入千万美元进行物联网技术研究。麻省理工学院、加州大学伯克利分校等高校，Intel、HP等IT公司进行了大量物联网的基础理论和关键技术的研究。我国物联网的研究与发达国家同步。2001年中科院成立了微系统研究与发展中心。 2002年至2009年期间，国家自然基金和“863”计划共支持物联网项目144项。中科院上海微系统所和清华、浙大、国防科大等院校较早地开展了物联网的相关研究。
国外大部分物联网产品的研发仍处于理论研究和小规模试验阶段，目前仍处于技术膨胀期，没有形成统一的技术标准，距离成熟实际应用仍需几年时间。Dust Networks、Crossbow Technologies等公司的物联网系列产品已走出实验室，进入应用测试阶段。国内物联网产品的研发与标准化工作还处于起步阶段。
作为物联网技术基础的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、RFID技术、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监控、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。
本文报告了物联网技术在环境监测系统的应用，尤其是在严酷环境中对环境参数的检测和采集，对几种关键技术，如节点供电、自组织路由，以及和互联网的连接等进行了研究，给出了具体解决方案结构设计、路由设计等。
2物联网与无线传感网
一般来说，传感器网络相当于物联网中的“感知层”，对于物体的运动和所处环境通过传感器网络进行搜集和整理，数据则通过传输网络传输到应用层，进行运算、处理、反馈或者实施等等，有人把物联网等同于传感器网，这是不全面的。以互联网为代表的计算机网络技术是二十世纪计算机科学的一项伟大成果，它给我们的生活带来了深刻的变化，然而在目前，网络功能再强大，网络世界再丰富，也终究是虚拟的，它与我们所生活的现实世界还是相隔的，在网络世界中，很难感知现实世界，很多事情还是不可能的，时代呼唤着新的网络技术。可以预见，在不久的将来，无线传感网络将给我们的生活带来革命性的变化
图1 物联网数据链
1.1.环境监测典型应用
在某些严酷环境中，如桥梁、水坝、矿山等部署相应的传感器节点，通过自组织路由形成无线传感网，再由网关接入互联网。也同样适用远端无人值守机房、感知家庭、农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等场所。参数传感器可以是位移传感器、震动传感器、液位传感器、压力传感器、温度传感器等。其典型应用如图2、图3 所示。
图2 矿井环境检测系统
图3 桥梁状态检测
举例来说，目前我国煤矿采用的煤矿支架压力监测系统都是以工业CAN总线为基础，井下监测系统与地面信息中心通过电缆或光纤连接，构成有线信息传输网络，网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求。将带有压力传感器的节点嵌入到各支架上形成自组织路由传感器，即可有效解决压力等环境参数采集和检测任务，随着工作面的移动而通信不受影响，如图4所示。
