基于无线传感网络的环境监测系统

基于无线传感网络的环境监测系统

苏圣慈

保定耐思环保科技有限公司

摘要：无线传感器网络是目前环境监测领域研究的热点技术。结合ZigBee和无线传感网络设计了集多种功能于一体的完整环境监测系统。在本系统中，节点选用CC2530芯片作为zigbee通信模块，网关采用GPRS作为系统与3G网络的通信模式。系统实现了采集温度、湿度、光线亮度等环境信息，并进行了相应处理，设计了网关数据处理软件算法。系统具体的工作方式为：传感器节点对室内的环境信息进行采集并将数据以ZigBee无线自组网方式发送到无线传感网络的控制中心网关，网关负责将传感器数据处理后上传到云服务器；用户能够通过手机APP和网页查看，对于重要的警告信息网关会发短信到用户的手机，而服务器端会发邮件或微博提醒用户。经过测试和使用，本系统运行可靠，能准确获取环境数据，网关和服务器端数据能够实时更新，环境参数能实现自动调节与校准。

关键词：环境监测；无线传感网络；ZigBee；GPRS

1相关工作

本文研究目的是利用ZigBee技术结合WSN设计安全高效的、个性化的环境监测系统。许多本领域学者已经利用WSN设计了一些环境监测系统，代表性的成果有：雷旭等利用无线传感器网络设计了隧道环境信息监测系统。系统以STM32微控制器为核心设计了低功耗网络节点与网络汇聚节点设计了B/S模式访问的监控中心软件；梅海彬等提出了一种基于Arduino开放平台与XBeePro增强通信距离的无线传感器网络，对近海环境进行了实时监测；另外，针对农田土壤参数（诸如温湿度等）的精确采集系统设计上，很多学者研究了土壤WSN精确化应用系统与实现的关键技术。诸如此类，这些都是典型的WSN环境监测系统与关键技术研究的文献成果。概括这些目前WSN环境监测领域文献共性特点，大多是针对农业、海洋等某一领域设计的应用系统，缺乏共性通用的系统平台设计思想；另外由于缺乏目前云计算、Android等最先进的新技术植入，缺乏先进与人性化设计理念。针对这些弱点，本文进行了研究改进。实践证明本文设计的系统，用户随时随地都可以了解监测场所的环境信息，如：温度、湿度、可燃有毒气体及其浓度、火灾、光线明暗程度等数据。

2系统设计方案

本文环境监控系统分为三大部分：WSN终端节点、GPRS网关（控制/管理中心）和服务器/手机端APP/计算机端网页。为了充分实现设计任务要求，优化现有WSN环境监测系统，本文系统智能网关系统设计为分为两部分：以CC2530为微控制器的控制中心与以STM32为微控制器的管理中心。而且主要在网关设计上利用软硬件优化实现系统的先进性与人性化理念.

2.1GPRS智能网关

网关设计时技术上考虑与WSN节点、移动4G网络的双向交互并将二者无缝结合实现WSN远程有效通信。具体如下：

①控制中心负责ZigBee网络的组建，接收来自传感器节点的传感数据，并将来自管理中心的指令发送到传感器节点或LED灯节点，同时还要将传感器数据发送到管理中心。

②管理中心负责将来自控制中心的数据利用LCD显示屏实时显示并用SD卡保存，同时实现GPRS远程通信，即通过SIM900A将数据以GPRS的方式发送到服务器，或请求读取服务器上的数据。当然，用户是可以通过管理中心实现对传感网络中传感器节点的设置与管理。

2.2传感器节点

本系统设计时考虑了4类传感节点，分别采集不同类型的环境信息。传感器节点实现对其环境信息的采集后，通过ZigBee无线传感网络节点协作将环境数据发送到控制中心并最终送达管理中心。系统的WSN节点既能够在用户需要时采集环境数据，也能按照所设定的采集周期长度来实现环境数据自动采集和发送，即工作方式采取主动与被动式随机选择的模式。而且当传感器节点设置为路由节点时，可以同时实现数据包的中转，从而扩大WSN的覆盖范围与数据传输能力。

2.3服务器/手机端/电脑端

为了实现更大程度的智能化，系统采用了开放的物联网云平台Yeelink，通过GPRS将数据上传到Yeelink的服务器，用户就能通过安卓应用软件（An⁃droidApp）和计算机网页查看数据，同时还可以设置相关监测目标数据与阈值，当超越了阈值就触发自动发微博功能来通知用户，保证用户快速有效地接收到信息并处理。实现了系统对环境监测的网络化、智能化。

3系统硬件系统设计

在本设计中，下位机部分包括GPRS智能网关、类传感节点和LED灯节点，各类传感器网络节点硬件电路除了传感器的不一样外，其他部分（CC2530最小系统、电源稳压模块）基本上一致，虽然涉及节点种类多，但都只在传感器模块的传感器种类上有区别.

3.1智能网关硬件结构

网关功能特点如下：控制中心负责ZigBee网络的组建和相关控制，接收节点数据，发送命令到各节点，与管理中心实现数据交互；管理中心完成ZigBee网络的管理工作，计算机和管理中心采用USB和UART1的通讯方式可以对ZigBee网络完成相关配置，同时完成配置使用按键与LCD显示屏与WSN的功能结合。传感器的数据除了可以发送到服务器外，还可以保存到SD卡，保存周期可以按需设置

结论

本文的理论研究与实践证明，ZigBee技术的强大组网能力和低功耗等特点使得恶劣环境监测的发展前景更加广阔，本文系统设计中植入了云计算与Android技术，使基于WSN环境监测系统管理与工作模式更加高度智能化、人性化和安全化；另一方面，本文设计的系统中利用传感器拾取的数据与控制技术相互结合，实现了对环境信息的有效监测与控制，同时智能网关以GPRS的通讯方式将传感器数据发送至服务器，用户可以通过网页等途径查看，所以，移动通信（可升级至4G/5G）等技术的融入使得本系统的更具实用性与先进性。

参考文献：

［1］任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14（7）：1282-1291.

［2］马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感网络综述［J］.通信学报，2004，25（4）：114-124.

［3］雷旭，李阳，李思慧.基于WSN的长大隧道环境监测系统设计与实现［J］.计算机工程与设计，2013，（08）：2675-2679.