无线传感器网络用于环境监测的典型案例分析

一、项目概述

1.1 引言

本文介绍了基于无线传感器网络的对环境监测的系统。该系统主要包含了对温度、湿度、光照、降水量、风速、沙尘的检测、信号的无线传输与接收、信号的分析处理。

该系统通过无线传感器节点对新疆一定范围内的环境进行监测，多个无线传感器节点利用无线路由节点与基站组成无线传感器网络，将数据上传至中央监控系统的上位机，进行数据的分析与显示，实现了对具体环境的实时监测，及时对资源做出合理的配置。

1.2 项目背景/选题动机

新疆属温带大陆性气候。冬季长、严寒，夏季短、炎热，春季秋季节变化剧烈。年平均气温南疆为10℃，北疆准葛尔盆地为5－7℃，阿尔泰，塔城地区为2.5－5.0℃。1月份南疆平均气温比北疆平均气温高出10－12℃，7月份高出2－3℃。气温日差平均可达12－15℃，最大可达20－30℃。新疆夏季相对湿度、冬季绝对湿度都不大，形成夏季干热，冬季干冷的特点。全区多年平均降水量为145毫米，只有全国平均年降水量630毫米的23％，而蒸发量约200毫米，南疆不足100毫米。北疆地区和山区的降雪量约占全年降水量的1／3。

新疆风多风大，并呈现北疆大于南疆，戈壁大于山区，盆地边缘大于盆地腹地的特征。大风（即大于等于8级的风）是新疆农业气象主要灾害。北疆西北部、东疆和南疆东部是大风高值区，起风沙日数塔里木盆地一般在30天以上，北疆和东疆部分地区则在20天以下。近年来，南疆地区浮尘天气较过去出现的更加频繁。

新疆日照丰富，太阳辐射总量全年为542。10－646。35焦／平方厘米，仅次于青藏高原。

总的来说新疆自然生态环境具有以下特点：地域辽阔但绿洲面积不大气候干旱气温变化大，水资源总量丰富，但时空分布不均；土地面积大，但林地面积小；土壤质量差且沙化，盐碱足在全国占有重要地位。以上自然生态环境特征决定了新疆在开发建设中，一旦被污染和破坏，将产生难以恢复和永久性的后果。因此在人为的经济活动中，必须尊守自然规律，重视新疆自然生态环境的基本特征。

从上面的概况我们得知，在实际的生产生活过程中，对新疆进行一定程度的环境的检测的难度和必要，采用无线网络保证了数据传输的实时与有效性，这对生活和生产活动有一定的积极意义。

2.1 功能要求

采用mega128芯片设计的节点不但可以实时监测到的对温度、湿度、光照、降水量、风速、沙尘数据，而且可以将采集到的数据通过cc1000无线协议将采集到的数据通过路由节点上传到嵌有tinyos操作系统的EVK1105主机，EVK1105主机将信号简单的处理分析，一方面可以直观的将收集到的数据在液晶屏上做出显示，另一方面如果有必要则将数据实时反馈到上位机上，由上位机做出更加详细的判断进而再采取积极的措施。

图1 功能实现

2.2 性能要求

1 、由mega128组成的数据采集节点和路由节点可以实现实现数据采集、路由查找、无线发送功能

2、。由EVK1105实现的主机在其中嵌入的tinyos操作系统需对接收到的数据做出处理分析并实时的在液晶屏上显示和向上位机反馈。

3、无论是数据采集节点还是路由节点应满足：功耗低、快速组网、数据采集快速准确、实时传输的数据有效性和安全性良好。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

图2 系统硬件结构框图

3.1.1 数据传输：

以mega128作为数据采集的节点和路由节点，将实现如下的功能

图3数据采集和发送

3.1.2：数据传输网络：

比较有代表性的MAC协议有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由协议有Gossiping、SPIN协议、LEACH协议、TEEN协议等。我们选择普通的射频芯片，可以自定义通信协议。从性能、成本、功耗方面考虑，RFM公司的TR1000和 Chipcon公司的CC1000是理想的选择。这两种芯片各有所长，TR1000功耗低一些，CC1000灵敏度高一些，传输距离更远。常见的无线芯片还有Nordic公司的 nRF905、nRF2401等系列芯片，因为功耗较高，接收灵敏度比较低，开发难度较大，在实际的无线传感器网络中应用较少。

图4数据传送示意图

3.1.3：数据分析和处理：

TinyOS是UC Berkeley（加州大学伯克利分校）开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计，操作系统基于构件（component-based）的架构使得快速的更新成为可能，而这又减小了受传感网络存储器限制的代码长度。

3.2 硬件平台选用及资源配置

3.2.1使用mega128单片机实现路由和采集节点模块。

3.2.2 使用EVK1105作为此项目中节点处理主机。

3.3系统软件架构

图5系统软件构架

3.4 系统软件流程

数据采集节点软件流程图