基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和3G/4G的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

引 言

環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是一種在線自動監(jiān)測方式，它利用傳感器對環(huán)境進(jìn)行測量并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測中心，實(shí)時(shí)地對被監(jiān)測地點(diǎn)的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素進(jìn)行檢測，可減少工作人員的工作量 ；通過分析數(shù)據(jù)，可及時(shí)確定環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢，廣泛用于災(zāi)害預(yù)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、酸雨監(jiān)測、輻射監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等重要領(lǐng)域[1]。目前，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要采用有線信號傳輸，該方式布線復(fù)雜，傳輸距離受限，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性均有待提高[2]。而且，現(xiàn)有的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用的普通電池電量有限，需要定期人工更換， 對于可能存在安全隱患的特殊野外環(huán)境，工人不便頻繁前往， 因此現(xiàn)有系統(tǒng)還存在不便于維護(hù)的缺陷。

本文針對上述系統(tǒng)中存在的問題，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 3G/4G 技術(shù)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過 3G/4G 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信，通過太陽能電池和蓄電池供電，能克服現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，兼具環(huán)保和低功耗等特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離環(huán)境的監(jiān)測。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由 部署在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量靜止或運(yùn)動的傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn) 通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其 作用是協(xié)調(diào)感知、采集、處理和傳輸被檢測區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對 象的信息，并將這些數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心。目前被廣 泛應(yīng)用于軍事、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、工業(yè)等方面。

WSN 的顯著特點(diǎn)是電池能量有限、部署迅捷、高容錯(cuò)性 和強(qiáng)隱蔽性的自組織的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [3]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)電池 能量有限，因此在非工作狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)處于休眠狀態(tài) 以減少功耗。傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和無線通信能力使得傳 感器網(wǎng)絡(luò)能及時(shí)對環(huán)境的變化、網(wǎng)絡(luò)自身的變化、網(wǎng)絡(luò)控制指 令做出反應(yīng)，特別適合在惡劣環(huán)境下工作。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所用的WSN 由傳感器群（節(jié)點(diǎn)）和至少1 臺匯聚設(shè)備（匯聚節(jié)點(diǎn)）組成。它們之間采用 ZigBee 協(xié)議進(jìn)行自組網(wǎng)和無線數(shù)據(jù)傳輸。

匯聚設(shè)備配有 3G/4G 模塊，負(fù)責(zé)將采集的環(huán)境信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心為TCP/IP 服務(wù)器或UPD 服務(wù)器，與傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線移動公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其本身則通過無線、專線或Internet 接入無線移動公網(wǎng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

匯聚設(shè)備主要由控制器、通信模塊、電源管理模塊、供電模塊、機(jī)體構(gòu)成。其中供電模塊包含位于機(jī)體外部的太陽能電池陣列和位于機(jī)體內(nèi)部的電池組，它們經(jīng)電源管理模塊相連， 并且通過電源管理模塊向設(shè)備內(nèi)部各模塊供電 ；傳感器組分布于環(huán)境中，以無線方式與控制器通信。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖２ 所示。

3.1 傳感器群

傳感器群由若干傳感器單位組成，分布于匯聚設(shè)備周圍。每個(gè)單元采集至少1 種環(huán)境信息，并通過ZigBee 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)至匯聚設(shè)備，并接收由匯聚設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的遠(yuǎn)程控制指令 ；每個(gè)傳感器單元能夠自動進(jìn)行功耗管理，以延長工作時(shí)間。

3.2 通信模塊

用于發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)端指令。采用無線通信可 以使得監(jiān)測系統(tǒng)用于任何有無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)，降低 數(shù)據(jù)傳輸成本，提高系統(tǒng)安裝的便捷性。遠(yuǎn)程無線通信可以 采用 3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，使用 TCP/IP 協(xié)議或 UDP 協(xié)議接入互聯(lián)網(wǎng)， 保證數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量。通信模塊需要在雷雨天氣下傳輸 數(shù)據(jù)，是雷擊目標(biāo)，可通過并聯(lián)防雷模塊保證其安全性。

3.3 電源管理模塊及太陽能電池

電源管理模塊內(nèi)部包括充電電路及電壓轉(zhuǎn)換電路，負(fù)責(zé) 將太陽能電池板發(fā)出的電量單向輸送給電池組充電，并控制蓄 電池單向其它設(shè)備供電，具有充放電過保護(hù)功能和充放電穩(wěn) 壓功能，避免蓄電池過度充電和過度放電，保證充放電質(zhì)量， 延長電池使用壽命。

3.4 機(jī)體設(shè)計(jì)

為系統(tǒng)在野外環(huán)境下提供長期有效防護(hù)，防止機(jī)箱內(nèi)進(jìn) 水、腐蝕、蟲咬，可采用鋁合金材料或經(jīng)熱浸鋅處理的鋼材料， 開合處加密封墊或其他密封材料，機(jī)箱與外部接線的孔用橡 膠環(huán)并灌注密封膠。機(jī)箱也可采用其他有效密封方法和滿足性能的材料。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)中，傳感器群和匯聚設(shè)備間采用 ZigBee 協(xié)議，該 協(xié)議適用于低速短距傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、 低成本、短時(shí)延、大容量、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)自動化智能化等領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中，采用 ZigBee 協(xié)議還 可以根據(jù)不同需求對傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)任意增減或者改變網(wǎng)絡(luò) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.2 軟件流程設(shè)計(jì)

5 結(jié) 語

本文提出了基于 WSN 和 3G/4G 的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)， 解決了有線傳輸布局范圍小、維護(hù)困難等問題，實(shí)現(xiàn)了對被監(jiān) 測點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在很大程度上節(jié)省了人力成本，便于對環(huán)境 信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時(shí)，該系統(tǒng)采用太陽能電池供電和功耗 管理，不需要人工頻繁更換電源，特別適用于存在安全隱患 的野外環(huán)境。