面向环境监测的传感器网络系统设计与实现

摘  要： 传统的环境监测方法存在着成本高、非实时、难以实现等缺点，而新兴无线传感器网络技术具有部署简便、成本低、监测范围大的优点，将其应用到环境监测具有明显的优势。结合项目需求，设计了应用于精细农业的无线传感器网络监控系统。通过试运行证明，该系统运行稳定且功耗低。
关键词： 环境监测；无线传感器网络；硬件设计；软件设计
   　随着现代微电子技术、无线通信技术、分布式信息处理技术、嵌入式计算机技术和传感器技术的飞速发展，由随机分布的集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的无线传感器网WSN(Wireless Sensor Network)[1]也取得了飞速发展。其借助节点内置的功能多样的传感器来探测周围环境的兴趣因子，如温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等，在节点上对数据进行融合处理后传输到网络监控中心，网络监控中心根据收集的信息进行决策。
　目前的环境检测多采用人工方式或者通过预先部署有线计算机网络，人工方式加大了工作量，而且容易对监测区域造成环境破坏；而有线计算机网络对一些特殊的环境具有限制，如人类无法到到达的区域，对移动目标的定位，高温高压的环境等，另外，大面积的环境自然导致监测网络成本的不可控制。
作为全新的无线传感器网络技术，将其应用于环境监测[2]具有比较明显的优势，克服了人工方式及有线方式的缺点，可适用于大面积的环境监测、移动目标跟踪、高温高压等特殊环境。
1 传感器网络及通信协议设计
1.1 无线传感器网络
　无线传感器网络是无基础设施的网络，由随机分布在监测区域的传感器网络节点、Sink汇聚节点和终端用户管理组成，如图1所示。
   
   　传感器网络节点是集环境因子采集、通信网络拓扑控制和路由信息维护以及数据融合处理等多功能于一体的微型化嵌入式计算设备。Sink汇聚节点汇聚全网的数据并进行融合处理以及完成无线传感器网络的无线通信协议和有线通信网络间的协议转换功能，相对传感器网络节点，资源限制较少，终端用户管理由决策支持系统、特征数据库、无线传感器网络管理用户程序等构成，负责控制整个网络。
1.2 通信协议设计
　IEEE802.15.4/ZigBee[3]是面向短距离自动控制领域设计的无线通信技术标准，具有复杂度低、实现成本低、收发信号设备功耗低等特点，和无线传感器网络通信协议的设计目标相符，其工作在868/915 MHz和2.4 GHz两个频段，2.4 GHz频段是全球统一的、不需申请的免费频道，目前，TI、Freescale和CompXs等芯片厂商都推出支持IEEE802.15.4的通信芯片，为了降低成本，本设计中采用了2.4 GHz的无线RF模块。
2 环境监测系统总体设计
　根据无线传感器网络的组织结构和环境监测应用场景，将传感器网络的总体结构设计为3个部分，环境监测无线传感器网络整体结构[4]如图2所示。
   
   　环境因子数据采集部分主要由部署在检测任务区的传感器网络节点构成，传感器网络节点是低功耗、低成本的微型化嵌入式计算设备，通过内置在节点设备上的功能多样的传感器完成诸如大气、水质、温湿度等环境兴趣因子的采集，并完成数据融合处理。
　数据传输网络完成将采集到的有效数据传输到评测预警系统，可以采用有线计算机网络或者是无线通信网络，如果采用有线计算机网络，可以将由数据采集部分采集到的数据在Sink节点进行融合处理后进行传输，通过无线传感器网络可在节点上进行数据的融合处理。
评测预警系统对接收到的采集数据进行分析和预警处理。将采集到的信息与特征信息数据库中的信息进行对比匹配，调用相应的预警控制规则，完成系统的预警功能和控制功能。
3 传感节点设计
3.1 传感节点硬件设计
3.1.1 设计思路
　根据环境监测功能，无线传感器网络节点是具有计算、存储、感知、通信功能的微型化嵌入式设备，通常分布在监测任务区，要求自身携带电源供电。所以传感器节点硬件设计采用如图3所示的结构[5]。