無線傳感器網絡用于環境監測的典型案例分析

一、項目概述

1.1 引言

本文介紹了基于無線傳感器網絡的對環境監測的系統。該系統主要包含了對溫度、濕度、光照、降水量、風速、沙塵的檢測、信號的無線傳輸與接收、信號的分析處理。

該系統通過無線傳感器節點對新疆一定范圍內的環境進行監測，多個無線傳感器節點利用無線路由節點與基站組成無線傳感器網絡，將數據上傳至中央監控系統的上位機，進行數據的分析與顯示，實現了對具體環境的實時監測，及時對資源做出合理的配置。

1.2 項目背景/選題動機

新疆屬溫帶大陸性氣候。冬季長、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。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。

新疆風多風大，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（即大于等于8級的風）是新疆農業氣象主要災害。北疆西北部、東疆和南疆東部是大風高值區，起風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，南疆地區浮塵天氣較過去出現的更加頻繁。

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

總的來說新疆自然生態環境具有以下特點：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，但時空分布不均；土地面積大，但林地面積小；土壤質量差且沙化，鹽堿足在全國占有重要地位。以上自然生態環境特征決定了新疆在開發建設中，一旦被污染和破壞，將產生難以恢復和永久性的后果。因此在人為的經濟活動中，必須尊守自然規律，重視新疆自然生態環境的基本特征。

從上面的概況我們得知，在實際的生產生活過程中，對新疆進行一定程度的環境的檢測的難度和必要，采用無線網絡保證了數據傳輸的實時與有效性，這對生活和生產活動有一定的積極意義。

2.1 功能要求

采用mega128芯片設計的節點不但可以實時監測到的對溫度、濕度、光照、降水量、風速、沙塵數據，而且可以將采集到的數據通過cc1000無線協議將采集到的數據通過路由節點上傳到嵌有tinyos操作系統的EVK1105主機，EVK1105主機將信號簡單的處理分析，一方面可以直觀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時反饋到上位機上，由上位機做出更加詳細的判斷進而再采取積極的措施。

圖1 功能實現

2.2 性能要求

1 、由mega128組成的數據采集節點和路由節點可以實現實現數據采集、路由查找、無線發送功能

2、。由EVK1105實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時的在液晶屏上顯示和向上位機反饋。

3、無論是數據采集節點還是路由節點應滿足：功耗低、快速組網、數據采集快速準確、實時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和路由節點，將實現如下的功能

圖3數據采集和發送

3.1.2：數據傳輸網絡：

比較有代表性的MAC協議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由協議有Gossiping、SPIN協議、LEACH協議、TEEN協議等。我們選擇普通的射頻芯片，可以自定義通信協議。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，TR1000功耗低一些，CC1000靈敏度高一些，傳輸距離更遠。常見的無線芯片還有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，開發難度較大，在實際的無線傳感器網絡中應用較少。

圖4數據傳送示意圖

3.1.3：數據分析和處理：

TinyOS是UC Berkeley（加州大學伯克利分校）開發的開放源代碼操作系統，專為嵌入式無線傳感網絡設計，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絡存儲器限制的代碼長度。