無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )用于環(huán)境監測的典型案例分析

一、項目概述

1.1 引言

本文介紹了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的對環(huán)境監測的系統。該系統主要包含了對溫度、濕度、光照、降水量、風(fēng)速、沙塵的檢測、信號的無(wú)線(xiàn)傳輸與接收、信號的分析處理。

該系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)對新疆一定范圍內的環(huán)境進(jìn)行監測，多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)利用無(wú)線(xiàn)路由節點(diǎn)與基站組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，將數據上傳至中央監控系統的上位機，進(jìn)行數據的分析與顯示，實(shí)現了對具體環(huán)境的實(shí)時(shí)監測，及時(shí)對資源做出合理的配置。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

新疆屬溫帶大陸性氣候。冬季長(cháng)、嚴寒，夏季短、炎熱，春季秋季節變化劇烈。年平均氣溫南疆為10℃，北疆準葛爾盆地為5－7℃，阿爾泰，塔城地區為2.5－5.0℃。1月份南疆平均氣溫比北疆平均氣溫高出10－12℃，7月份高出2－3℃。氣溫日差平均可達12－15℃，最大可達20－30℃。新疆夏季相對濕度、冬季絕對濕度都不大，形成夏季干熱，冬季干冷的特點(diǎn)。全區多年平均降水量為145毫米，只有全國平均年降水量630毫米的23％，而蒸發(fā)量約200毫米，南疆不足100毫米。北疆地區和山區的降雪量約占全年降水量的1／3。

新疆風(fēng)多風(fēng)大，并呈現北疆大于南疆，戈壁大于山區，盆地邊緣大于盆地腹地的特征。大風(fēng)（即大于等于8級的風(fēng)）是新疆農業(yè)氣象主要災害。北疆西北部、東疆和南疆東部是大風(fēng)高值區，起風(fēng)沙日數塔里木盆地一般在30天以上，北疆和東疆部分地區則在20天以下。近年來(lái)，南疆地區浮塵天氣較過(guò)去出現的更加頻繁。

新疆日照豐富，太陽(yáng)輻射總量全年為542。10－646。35焦／平方厘米，僅次于青藏高原。

總的來(lái)說(shuō)新疆自然生態(tài)環(huán)境具有以下特點(diǎn)：地域遼闊但綠洲面積不大氣候干旱氣溫變化大，水資源總量豐富，但時(shí)空分布不均；土地面積大，但林地面積??；土壤質(zhì)量差且沙化，鹽堿足在全國占有重要地位。以上自然生態(tài)環(huán)境特征決定了新疆在開(kāi)發(fā)建設中，一旦被污染和破壞，將產(chǎn)生難以恢復和永久性的后果。因此在人為的經(jīng)濟活動(dòng)中，必須尊守自然規律，重視新疆自然生態(tài)環(huán)境的基本特征。

從上面的概況我們得知，在實(shí)際的生產(chǎn)生活過(guò)程中，對新疆進(jìn)行一定程度的環(huán)境的檢測的難度和必要，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )保證了數據傳輸的實(shí)時(shí)與有效性，這對生活和生產(chǎn)活動(dòng)有一定的積極意義。

2.1 功能要求

采用mega128芯片設計的節點(diǎn)不但可以實(shí)時(shí)監測到的對溫度、濕度、光照、降水量、風(fēng)速、沙塵數據，而且可以將采集到的數據通過(guò)cc1000無(wú)線(xiàn)協(xié)議將采集到的數據通過(guò)路由節點(diǎn)上傳到嵌有tinyos操作系統的EVK1105主機，EVK1105主機將信號簡(jiǎn)單的處理分析，一方面可以直觀(guān)的將收集到的數據在液晶屏上做出顯示，另一方面如果有必要則將數據實(shí)時(shí)反饋到上位機上，由上位機做出更加詳細的判斷進(jìn)而再采取積極的措施。

圖1 功能實(shí)現

2.2 性能要求

1 、由mega128組成的數據采集節點(diǎn)和路由節點(diǎn)可以實(shí)現實(shí)現數據采集、路由查找、無(wú)線(xiàn)發(fā)送功能

2、。由EVK1105實(shí)現的主機在其中嵌入的tinyos操作系統需對接收到的數據做出處理分析并實(shí)時(shí)的在液晶屏上顯示和向上位機反饋。

3、無(wú)論是數據采集節點(diǎn)還是路由節點(diǎn)應滿(mǎn)足：功耗低、快速組網(wǎng)、數據采集快速準確、實(shí)時(shí)傳輸的數據有效性和安全性良好。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

圖2 系統硬件結構框圖

3.1.1 數據傳輸：

以mega128作為數據采集的節點(diǎn)和路由節點(diǎn)，將實(shí)現如下的功能

圖3數據采集和發(fā)送

3.1.2：數據傳輸網(wǎng)絡(luò )：

比較有代表性的MAC協(xié)議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由協(xié)議有Gossiping、SPIN協(xié)議、LEACH協(xié)議、TEEN協(xié)議等。我們選擇普通的射頻芯片，可以自定義通信協(xié)議。從性能、成本、功耗方面考慮，RFM公司的TR1000和 Chipcon公司的CC1000是理想的選擇。這兩種芯片各有所長(cháng)，TR1000功耗低一些，CC1000靈敏度高一些，傳輸距離更遠。常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)芯片還有Nordic公司的 nRF905、nRF2401等系列芯片，因為功耗較高，接收靈敏度比較低，開(kāi)發(fā)難度較大，在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中應用較少。

圖4數據傳送示意圖

3.1.3：數據分析和處理：

TinyOS是UC Berkeley（加州大學(xué)伯克利分校）開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼操作系統，專(zhuān)為嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )設計，操作系統基于構件（component-based）的架構使得快速的更新成為可能，而這又減小了受傳感網(wǎng)絡(luò )存儲器限制的代碼長(cháng)度。