無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于環(huán)境監(jiān)測的典型案例分析

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

本文介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的對環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(hào)的無線傳輸與接收、信號(hào)的分析處理。

該系統(tǒng)通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)對新疆一定范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)利用無線路由節(jié)點(diǎn)與基站組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)上傳至中央監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與顯示，實(shí)現(xiàn)了對具體環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)對資源做出合理的配置。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

新疆屬溫帶大陸性氣候。冬季長、嚴(yán)寒，夏季短、炎熱，春季秋季節(jié)變化劇烈。年平均氣溫南疆為10℃，北疆準(zhǔn)葛爾盆地為5－7℃，阿爾泰，塔城地區(qū)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(dá)12－15℃，最大可達(dá)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(qū)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(qū)和山區(qū)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(xiàn)北疆大于南疆，戈壁大于山區(qū)，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(nóng)業(yè)氣象主要災(zāi)害。北疆西北部、東疆和南疆東部是大風(fēng)高值區(qū)，起風(fēng)沙日數(shù)塔里木盆地一般在30天以上，北疆和東疆部分地區(qū)則在20天以下。近年來，南疆地區(qū)浮塵天氣較過去出現(xiàn)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(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，但林地面積小；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發(fā)建設(shè)中，一旦被污染和破壞，將產(chǎn)生難以恢復(fù)和永久性的后果。因此在人為的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，必須尊守自然規(guī)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，采用無線網(wǎng)絡(luò)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?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(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)不但可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到的對溫度、濕度、光照、降水量、風(fēng)速、沙塵數(shù)據(jù)，而且可以將采集到的數(shù)據(jù)通過cc1000無線協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)上傳到嵌有tinyos操作系統(tǒng)的EVK1105主機(jī)，EVK1105主機(jī)將信號(hào)簡單的處理分析，一方面可以直觀的將收集到的數(shù)據(jù)在液晶屏上做出顯示，另一方面如果有必要?jiǎng)t將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到上位機(jī)上，由上位機(jī)做出更加詳細(xì)的判斷進(jìn)而再采取積極的措施。

圖1 功能實(shí)現(xiàn)

2.2 性能要求

1 、由mega128組成的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、路由查找、無線發(fā)送功能

2、。由EVK1105實(shí)現(xiàn)的主機(jī)在其中嵌入的tinyos操作系統(tǒng)需對接收到的數(shù)據(jù)做出處理分析并實(shí)時(shí)的在液晶屏上顯示和向上位機(jī)反饋。

3、無論是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)還是路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足：功耗低、快速組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集快速準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效性和安全性良好。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1.1 數(shù)據(jù)傳輸：

以mega128作為數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，將實(shí)現(xiàn)如下的功能

圖3數(shù)據(jù)采集和發(fā)送

3.1.2：數(shù)據(jù)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，TR1000功耗低一些，CC1000靈敏度高一些，傳輸距離更遠(yuǎn)。常見的無線芯片還有Nordic公司的 nRF905、nRF2401等系列芯片，因?yàn)楣妮^高，接收靈敏度比較低，開發(fā)難度較大，在實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較少。

圖4數(shù)據(jù)傳送示意圖

3.1.3：數(shù)據(jù)分析和處理：

TinyOS是UC Berkeley（加州大學(xué)伯克利分校）開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng)，專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件（component-based）的架構(gòu)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(chǔ)器限制的代碼長度。