時間：2022-07-29 00:08:13
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇無線環(huán)境監(jiān)測，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：無線環(huán)境監(jiān)測 模擬裝置 探討
中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）07-0192-01
1 方案設計與論證
1.1 無線收發(fā)模塊
（1）方案比較：方案一：采用編解碼集成電路PT2262/2272，其為CMOS工藝制造，具有低功耗、外部元器件少，工作電壓范圍寬：2.6～15v等特點，應用于車輛防盜系統(tǒng)、家庭防盜系統(tǒng)、遙控玩具、其他電器遙控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率傳輸器、單片無線收發(fā)芯片XE1209，其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)2次連續(xù)相位頻率位移鍵控調(diào)制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的單片射頻收發(fā)芯片TH7122作為主要芯片，其工作頻率范圍在27MHz～930MHz，具有很寬的調(diào)諧范圍。可以工作在4種不同的狀態(tài)下：待機狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)。（2）方案確定：綜合分析以上三種方案的優(yōu)缺點，方案三具有更大的優(yōu)越性、靈活性，因此我們采用方案三作為具體實施的方案。
1.2 處理器比較與選擇
由于本系統(tǒng)中的兩個探測點采用兩節(jié)1.5V干電池供電，并要求盡量降低各探測節(jié)點的功耗，因此采用一般的C51單片機并不滿足要求。而ARM微控制器STM32系列雖然具有豐富的資源、強大的功能與低功耗等特點，但是其性價比相對來說比較高，整機電路也比較復雜，故也不選取。因此在保證滿足要求的前提下，我們選擇了適合于許多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了許多系統(tǒng)級的功能，大大減少了元件的數(shù)目并降低系統(tǒng)的成本。
1.3 顯示器比較與選擇
（1）方案比較。方案一：采用DM-162液晶顯示模塊，具有低功耗、模塊結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、裝配容易等特點，但是其界面比較小，不能達到比較好顯示的效果。方案二：采用漢字圖形點陣液晶顯示模塊RT12864M，可顯示的內(nèi)容非常豐富，但是其功耗相對高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手機液晶，其驅(qū)動采用低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動器PCD8544，所有的顯示功能集成在一塊芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案確定。綜合以上分析，從功耗與性價比的角度來考慮，我們選擇方案三作為顯示模塊。（3）信道調(diào)制方式。由于無線收發(fā)芯片已經(jīng)確定使用了單片射頻收發(fā)芯片TH7122，其在發(fā)射模式下產(chǎn)生載波頻率，可以采用FSK/ASK/FM三種調(diào)制方式，但是在本系統(tǒng)中我們固定了載波頻率為27MHz，再綜合這三種調(diào)制方式的特點，另外FSK對鑒頻器的參數(shù)非常高，對調(diào)試不是很方便，因此在這里采用ASK調(diào)制方式作為具體實現(xiàn)的方案。（4）總體方案根據(jù)以上分析與論證，我們確定了總體設計方案：監(jiān)測終端硬件以P89LPC922為主控制器，以液晶5110、無線收發(fā)模塊為受控模塊。探測點也以P89LPC922為主控制器，以無線收發(fā)模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。（如圖1）
2 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析
2.1 測試儀器及設備
（1）UT30D數(shù)字萬用表。（2）SS-7802 20M數(shù)字示波器。
2.2 測試方法及數(shù)據(jù)
（1）測試方法。1）分模塊進行測試：對探測節(jié)點的光照檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對探測節(jié)點的溫度檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對無線通信模塊進行測試，驗證是否能正常通信。2）保證各模塊正常工作之后，再進行整機測試。（2）數(shù)據(jù)記錄。直接對單個光敏電阻進行光照變化時的阻值測量，記錄數(shù)據(jù)如下：（如表1）
2.3 數(shù)據(jù)分析
以上對光敏電阻阻值的測量，由于光敏電阻本身的特性與操作方法的原因，所記錄的數(shù)據(jù)只是針對于某個特定情況之下，其實光敏電阻的阻值是隨光照強度的變化而變化的。
3 結(jié)語
本系統(tǒng)主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發(fā)芯片TH7122、低耗電數(shù)字溫度傳感器TMP102等構(gòu)成，很好地實現(xiàn)了外部環(huán)境的監(jiān)測：光照與溫度，并且性能比較好。很有市場前途。
參考文獻
[1]高吉祥，主編.高頻電子線路設計.北京：電子工業(yè)出版社，2007年.
【關鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡 ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 數(shù)據(jù)融合
近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，以及人們對于環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來越多的企業(yè)和機構(gòu)都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究。通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布署大量的廉價微型傳感器節(jié)點，經(jīng)由無線通信方式形成一個多跳的網(wǎng)絡系統(tǒng)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。無線傳感器網(wǎng)絡技術是應用性非常強的技術，它在當前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用潛力是巨大的。
一、無線傳感器網(wǎng)絡和ZigBee
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器結(jié)點通過無線通信技術自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡系統(tǒng)。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡直接感知客觀世界，在工業(yè)自動化領域，利用無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)遠程檢測、控制，從而極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能。傳感器網(wǎng)絡、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議
1、IEEE 802.15.4標準
IEEE標準化協(xié)會針對無線傳感器網(wǎng)絡需要低功耗短距離的無線通信技術為低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設備之間低速互連提供統(tǒng)一標準。同時ZigBee聯(lián)盟也開始推出與之相配套的網(wǎng)絡層及應用層的協(xié)議，目的是為了給傳感器網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)推出一個標準的解決方案。該標準一出現(xiàn)短短一年多的時間內(nèi)便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發(fā)成立了若干聯(lián)盟。IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)議棧中物理層與MAC層由IEEE定義，網(wǎng)絡層與應用程序框架由ZigBee聯(lián)盟定義，上層應用程序由用戶自行定義。
2、ZigBee標準
ZigBee這個字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈，來通知其他蜜蜂有關花粉位置等資訊，以達到彼此溝通訊息之目的，故以此作為新一代無線通訊技術之電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，zigbee協(xié)議在2003年中通過后，于2004正式問世了。
ZigBee網(wǎng)絡是自組織的，并能實現(xiàn)自我功能恢復，動態(tài)路由，自動組網(wǎng)，直序擴頻的方式故非常具有吸引力。節(jié)點搜索其它節(jié)點，并利用軟件“選中”某個節(jié)點后進行自動鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經(jīng)證實的通信伙伴。
三、無線傳感器網(wǎng)絡技術特點
無線傳感器網(wǎng)絡由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點組成，節(jié)點通過自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡。區(qū)域中分散的無線傳感器節(jié)點通過自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡。節(jié)點負責采集周圍的相關信息，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網(wǎng)絡傳遞到遠端的監(jiān)控設備。
四、系統(tǒng)概述
環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網(wǎng)絡屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡，基站，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。為獲得準確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點將感應到的數(shù)據(jù)傳送到一個網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點負責將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個傳輸網(wǎng)絡發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡是負責協(xié)同各個傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點、綜合網(wǎng)關節(jié)點信息的局部網(wǎng)絡。基站是能夠和Internet
相連的一臺計算機（或衛(wèi)星通信站），它將傳感數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時它還具有一個本地數(shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)護人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令。基于無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測，溫室環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保部門的大氣監(jiān)測、突發(fā)性環(huán)境事故的預測及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及家庭、辦公室及商場空氣質(zhì)量監(jiān)測等領域應用。
五、系統(tǒng)應用特點及架構(gòu)
1、系統(tǒng)特點
利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應用領域一般具有以下特點：
（1）無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級品質(zhì)安全可靠。（2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習性和分布等。（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡中的設備相對比較多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。（4）系統(tǒng)實施、運行費用要低，無需鋪設大量電纜，支持臨時性安裝，系統(tǒng)易于擴展和更新。（5）具有數(shù)據(jù)存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到后臺或遠程數(shù)據(jù)庫，并能夠進行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實現(xiàn)中非常重要的一個方面。
2、系統(tǒng)架構(gòu)
（1）礦井安全監(jiān)控
礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。傳感器節(jié)點負責井下多點數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風速和氣壓等參數(shù)，通過井場監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監(jiān)控中心。后臺監(jiān)護人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調(diào)度、安全監(jiān)測，從而可以有效的防止礦井事故的發(fā)生。
（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測
傳感器網(wǎng)絡在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系3Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic，COA）聯(lián)合開展了一個名為“in—situ”的利用傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項目。該研究組在大鴨島（Great Ducklsland）上部署了由43個傳感器節(jié)點組成的傳感器網(wǎng)絡，節(jié)點上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測海燕地下巢穴的微觀環(huán)境；使用低能耗的被動紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所不。
（3）智能家居
無線傳感器網(wǎng)絡還可以應用于家居中，其家用遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)完成對家電的遠程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時打開空調(diào)，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。
六、關鍵技術研究
1、數(shù)據(jù)融合技術
環(huán)境監(jiān)測應用的最終目標是對監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)收集。采樣頻率和精度由具體應用確定，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡發(fā)出指令。對于傳感器節(jié)點來說，需要考慮采樣數(shù)據(jù)量和能量消耗之間的折中。處于監(jiān)控區(qū)域邊緣的節(jié)點由于只需要將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節(jié)點由于同時還需要為邊緣節(jié)點路由數(shù)據(jù)，消耗的能量要多2個數(shù)量級左右。因此，邊緣節(jié)點必須對采集到的數(shù)據(jù)進行一定的壓縮和融合處理后再發(fā)送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel—Ziv算法對原始數(shù)據(jù)進行壓縮，使得數(shù)據(jù)通信量減少了2～4個數(shù)量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經(jīng)典壓縮算法的壓縮效果。
2、安全管理
傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網(wǎng)絡，主要表現(xiàn)在以下四個方面：（1）無線傳感器網(wǎng)絡缺乏基礎設施支持，沒有中心授權和認證機構(gòu)，節(jié)點的計算能力很低，這些都使得傳統(tǒng)的加密和認證機制在無線傳感器網(wǎng)絡中難以實現(xiàn)，并且節(jié)點之間難以建立起信任關系；（2）有限的計算和能源資源往往需要系統(tǒng)對各種技術綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術等；（3）無線傳感器網(wǎng)絡任務的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點之間存在安全耦合，單個節(jié)點的安全泄露必然威脅網(wǎng)絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性；（4）在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于節(jié)點的移動性和無線信道的時變特性，使得網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態(tài)變化之中。目前無線傳感器網(wǎng)絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面已經(jīng)定義了完整有效的機制和算法，安全管理方面目前以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。
七、展望
環(huán)境監(jiān)測是一類典型的傳感器網(wǎng)絡應用，在實際的應用中還有很多關鍵技術，包括節(jié)點部署、遠程控制、數(shù)據(jù)采樣和通信機制等。由于傳感器網(wǎng)絡具有很強的應用相關性，在環(huán)境監(jiān)測應用中的關鍵技術需要根據(jù)實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的日益成熟和完善，我們還可以在各個方面開展許多新的應用，比如軍用傳感網(wǎng)絡可以監(jiān)測戰(zhàn)場的態(tài)勢；交通傳感網(wǎng)絡可以配置在交通要道用于監(jiān)測交通的流量，包括車輛的數(shù)量、種類、速度和方向等相關參數(shù)；監(jiān)視傳感網(wǎng)絡可以用于商場、銀行等場合來提高安全性。可以預見，隨著無線傳感設備性價比的提高以及相關研究的不斷深入和傳感網(wǎng)絡應用的不斷普及，無線傳感器網(wǎng)絡將給人們的工作和生活帶來更多的方便。
參考文獻
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[2]豐原.無線傳感器網(wǎng)絡
[3]酈亮.802.15.4標準及其應用.電子設計應用
【關鍵詞】農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測 GPRS 無線傳感器
1 農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的簡要介紹
在應用農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的時候，能夠有效的實現(xiàn)農(nóng)田種植的精準性，將復雜的農(nóng)田系統(tǒng)與信息技術結(jié)合在一起，以最低的投入實現(xiàn)高效的農(nóng)田種植，同時還可以實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境的最高利用，利用各類的農(nóng)業(yè)資源獲取最好的經(jīng)濟效益以及環(huán)境效益。
在農(nóng)田種植的過程中，農(nóng)田的覆蓋面積普遍較大，種植的環(huán)境相對較差，導致在農(nóng)田種植的過程中就無法廣闊的開辟農(nóng)田信息的獲取途徑，并且在無形之中導致了農(nóng)田種植信息采集的高成本，對農(nóng)田耕作造成較大的影響，在這一問題的影響下，使用無線傳感網(wǎng)絡可以開辟一個全新的信息獲取以及無線通信的平臺，借此來實現(xiàn)各類農(nóng)田環(huán)境信息的采集以及收集。
在應用無線網(wǎng)絡GPS/GSM技術實現(xiàn)遠距離通信的時候工作效率較高，但是也村子著網(wǎng)絡延時的問題，只是適用于農(nóng)田數(shù)據(jù)傳輸量較小的情況，并且在實施農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的時候要求實時性較低，但是在應用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候可以實現(xiàn)長距離、大范圍的布置傳感器節(jié)點，借此來對農(nóng)田種植中的各種信息，例如：土地PH值、空氣溫濕度、光照強度以及土壤溫濕度等等進行短距離以及長距離的通信，逐漸將數(shù)據(jù)采集廣泛的應用在農(nóng)業(yè)控制領域中，不斷的提高農(nóng)田的收成率。
2 在農(nóng)田檢測系統(tǒng)應用ZigBee無線傳感器的設計原理以及設計結(jié)構(gòu)
農(nóng)田檢測系統(tǒng)呢主要是由ZigBee無線傳感器、嵌入GPRS的ARM網(wǎng)關以及上位機軟件構(gòu)成，其中ZigBee無線傳感器位于核心地位，控制農(nóng)田中設置的多個測量土壤PH值傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器以及土壤溫濕度傳感器等等，這樣可以將農(nóng)田中有關種植的信息數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，并向協(xié)調(diào)器傳遞數(shù)據(jù)信息，在農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)中，ARM網(wǎng)關集成了ZigBee無線傳感器和GPRS模塊，借助協(xié)調(diào)器實現(xiàn)了微型傳感器的節(jié)點的采集，并借助網(wǎng)關實現(xiàn)與網(wǎng)絡系統(tǒng)中各個節(jié)點之間的信息交互，同時將數(shù)據(jù)分享到遠程監(jiān)控中心。
上位機軟件以及服務器可以從ARM網(wǎng)關中接收到各類型的信息，并對所接收的信息進行數(shù)據(jù)解析、處理、查詢、統(tǒng)計以及查詢，同時還可以將各類型的數(shù)據(jù)制作成圖表，并通過向各個傳感器節(jié)點傳輸控制命令來實現(xiàn)對各類型的傳感器進行參數(shù)設置，使得每一個農(nóng)田檢測系統(tǒng)的使用者可以在任何時間地點都登陸服務器獲取想要的服務，也就是在線的實現(xiàn)對農(nóng)田監(jiān)測信息系統(tǒng)中存儲的信息并進行遠程的參數(shù)設置。
3 農(nóng)田監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計
3.1 針對微型傳感器節(jié)點的設計
微型傳感器在農(nóng)田信息檢測系統(tǒng)中主要負責農(nóng)田環(huán)境信息的采集，并將獲得的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進行下一步的傳遞與處理。在設計微型傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)設計的時候，必備的設備就是傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微型處理器、射頻通信以及電源模塊，在必備設備的基礎上，針對微型處理器的不同應用用途（例如：土壤PH值、空氣溫濕度、光照強度以及土壤溫濕度等等）實現(xiàn)進一步的微型處理器的結(jié)構(gòu)完善，在結(jié)合實際用途的過程中，對微型處理器的能量消耗、測量范圍以及精度等基本使用屬性進行完善。
有效的處理好微型處理器結(jié)構(gòu)的之后，在農(nóng)田監(jiān)測系統(tǒng)運作的過程中就能夠在各個節(jié)點之間實現(xiàn)相互協(xié)作完成對農(nóng)田環(huán)境信息的全方位手機，并將收集到的所有數(shù)據(jù)匯集到無線傳感器的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器中。
3.2 ARM網(wǎng)關的結(jié)構(gòu)設計
在進行ARM網(wǎng)關硬件結(jié)構(gòu)設計的時候，必要的結(jié)構(gòu)設備就是ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊以及ARM控制器這三部分，并且ZigBee協(xié)調(diào)器是其中最核心的部位，并在協(xié)調(diào)器的部分設置一定數(shù)量的接口，最常用的接口就是串口以及通用的IO接口，總體看來，微型處理器與ARM網(wǎng)關硬件結(jié)構(gòu)在一定程度上具有相同性，但是在軟件系統(tǒng)的應用上存在一定的差異，其中GPRS模塊結(jié)構(gòu)選擇的是集成的SIM300模塊，內(nèi)部應用的是TCP/IP協(xié)議，在運轉(zhuǎn)的過程中支持AT指令的運行，而ARM控制器的主要功能就是協(xié)調(diào)ZigBee協(xié)調(diào)器以及GPRS/GSM實現(xiàn)了信息之間的交互以及處理，同時利用串行口以及存儲器實現(xiàn)更多功能模塊的接入。
4 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計
4.1 ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集以及傳輸程序的設計
微型傳感器采用的數(shù)據(jù)采集方式是在ZigBee 2010 PRO協(xié)議棧的基礎上完成的，一旦完成了ZigBee網(wǎng)站之后，微型處理器能夠通過各個節(jié)點對農(nóng)田環(huán)境信息數(shù)據(jù)機進行周期性的收集，在每次信息收集完成之后，就會自動的進入到休眠的模式，這樣可以降低長時間運轉(zhuǎn)的能量消耗，降低了農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)成本，在數(shù)據(jù)收集完成之后，將所有搜集到的數(shù)據(jù)進行整體打包，通過樹形拖布結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到ZigBee網(wǎng)站中。
4.2 上位機軟件設計
在進行上位機軟件設計的時候，是在Windows操作系統(tǒng)以及Qt應用開發(fā)框架的環(huán)境內(nèi)實現(xiàn)的，上位機軟件的主要功能包括了數(shù)據(jù)管理以及遠程信息監(jiān)控。
在進行數(shù)據(jù)管理模塊設計的時候，應當合理的兼顧數(shù)據(jù)接收、解析以及存儲處理等功能，其中，關于數(shù)據(jù)接收功能設計的時候采用的技術是Socket技術，并在服務器端口的輔助下將所收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，同時還要使用數(shù)據(jù)幀協(xié)議進行解釋。
而在進行信息檢測模塊設計的時候，要兼顧數(shù)據(jù)顯示、信息查詢以及圖標自動生成的功能，這樣能夠提高農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)用戶對于環(huán)境信息的瀏覽以及查詢服務的質(zhì)量。
參考文獻
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作者單位
Abstract: For the special power environment, power environmental monitoring system has been designed which is based on wireless communication technology. The system is based on MSP430F149 microcontroller as the core components. Through data collection, data transmission, data storage and human-computer interaction and other modules of the design, the functions of the environmental parameters' automatic acquisition, storage, display, wireless transmission and early warning have been achieved. Data acquisition module mainly uses ATT7026A dedicated energy metering chip to collect the current, voltage, active power, reactive power, frequency and other parameters. It has high accuracy, multi-parameter measurement, remote calibration, intelligent alarm and other advantages.
關鍵詞： GSM無線通訊技術；電力環(huán)境；ATT7026A芯片；檢測報警
Key words: GSM wireless communication technology；power environment；ATT7026A chips；detection alarm
中圖分類號：TN8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2011）25-0015-02
0 引言
近年來,隨著經(jīng)濟技術的發(fā)展，電力設施在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用愈發(fā)重要，電力系統(tǒng)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。伴隨的電力設施的維護、管理也成為了一項重要的工作。電力環(huán)境的電流、電壓、有功、無功和頻率等參數(shù)是供電管理的一項重要內(nèi)容,也是電能質(zhì)量的主要指標之一。如果電流、電壓過低,供電設施將不能充分發(fā)揮其功效,有的甚至不能正常工作；反之,如果過高,將會大大縮短供電設施的使用壽命。電網(wǎng)的這些環(huán)境參數(shù)的質(zhì)量的好壞對電網(wǎng)穩(wěn)定及電力設備安全運行具有重大的影響。因此，必須對電網(wǎng)的各環(huán)境參數(shù)進行在線監(jiān)測，確保電網(wǎng)供電設施可靠運行、電能充分利用和電網(wǎng)高效、安全運營，已經(jīng)勢在必行。
通信技術的選擇是開展電力環(huán)境參數(shù)在線監(jiān)測工作的關鍵。近幾年出現(xiàn)的監(jiān)測儀的通訊技術一般有兩種方式：①人工抄表方式；②使用電力線載波。第一種人工方式存在數(shù)據(jù)采集不及、費時費力等問題，無法形成完整的監(jiān)測管理系統(tǒng)。第二種方式存在傳輸受限、脈沖干擾、高噪音、高削減和高變形等缺點。也同樣不能成為理想的通信媒介[1]。
本系統(tǒng)采用GSM無線通訊技術進行電網(wǎng)環(huán)境參數(shù)的遠程傳輸，實現(xiàn)參數(shù)的遠程雙向通信。同時，可通過核心控制中心設定預警參數(shù)，當達到預警值時，則通過GSM進行遠程報警。從而實現(xiàn)電設施的統(tǒng)一監(jiān)測和分布式管理。
1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃
監(jiān)測系統(tǒng)主要是以MSP430F149單片機為核心部件，通過對電網(wǎng)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和人機交互等模塊的設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動采集、數(shù)據(jù)存數(shù)、實時顯示、無線傳輸、遠程抄表和預警等功能。數(shù)據(jù)采集模塊主要采用ATT7026A專用電能計量芯片，進行電壓、電流、電量等各項參數(shù)的采集[2]。它具有高精度、多參數(shù)測量、遠程校表、智能報警等優(yōu)勢。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1。
本系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動采集電網(wǎng)環(huán)境參數(shù)、無線傳輸數(shù)據(jù)和自動預警。主要功能如下：①通過ATT7026A專用電能計量芯片自動采集電壓、電流和電量等參數(shù)信號。② 實時顯示ATT7026A芯片采集到的各種參數(shù)信息、時間及系統(tǒng)配置信息。③通過按鍵模塊對參數(shù)預警值、數(shù)據(jù)存儲間隔等參數(shù)進行設置。④ 通過鐵電存儲芯片將各參數(shù)信息、時間、系統(tǒng)配置等信息進行分類存儲，便于用戶查看歷史數(shù)據(jù)。⑤通過GSM模塊將各參數(shù)信息以短信的方式發(fā)送到用戶終端和監(jiān)控中心。CPU控制發(fā)送信息有兩種方式：1）定時自動發(fā)送；2）達到預警值發(fā)送，進行報警。
本文針對ATT7026A數(shù)據(jù)采集模塊和GSM無線傳輸模塊具體講解，其它模塊如人機交互，存儲模塊等與其它檢測系統(tǒng)基本相似，在此不再累述。
2 ATT7026A數(shù)據(jù)采集模塊的設計
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用珠海炬力集成電路設計有限公司所設計的ATT7026A高精度三相有功、無功電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。是由一款，適用于三相三線和三相四線制應用。ATT7026A集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，能夠測量各相和合相狀態(tài)下的有功功率、無功功率和視在功率等參數(shù)高精度計量。ATT7026A主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字處理單元通訊接口以及電源管理等組成[3]。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2.1 模擬信號采樣的設計 ATT7026內(nèi)集成了6路16位的ADC，采用雙端差分信號輸入。輸入最大的正弦信號有效值是1V建議將電壓通道Un對應到ADC的輸入選在0.5V左右而電流通道Ib時的ADC輸入選在0.1V左右。本系統(tǒng)將電壓和電流互感器檢測出的信號經(jīng)信號調(diào)理后，傳輸?shù)紸TT7026A的模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)進行ADC轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC主要實現(xiàn)對三相交流電的電壓、電流信號進行模、數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號處理DSP模塊主要實現(xiàn)對各路ADC采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進行計算和分析，得出各相的電壓、電流有效值、功率、頻率等參數(shù)[4]。ADC前端接線電路圖（圖3）。
2.2 ATT7026A通訊接口的設計 SPI通訊串行接口可以方便地與MSP430F149核心控制芯片進行通信，將各相的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能以及無功電能、電壓與電流有效值以及功率因數(shù)等電氣參數(shù)輸送到微處理器中[3]。
ATT7026A內(nèi)部集成了一個SPI串行通訊接口，ATT7026A的SPI接口采用從屬方式工作，由CS（從使能信號）、SCLK（串行移位時鐘）、DIN（串行數(shù)據(jù)輸入）和DOUT（串行數(shù)據(jù)輸出）四種信號線構(gòu)成。
通訊時，數(shù)據(jù)由DOUT輸出，DIN輸入，數(shù)據(jù)在時鐘的上升或下降沿由DOUT輸出，在緊接著的下降或上升沿由DIN讀入，這樣經(jīng)過8/16 次時鐘的改變，完成8/16 位數(shù)據(jù)的傳輸。SPI讀操作時序如圖4所示。
通過SPI寫入1個8 Bits的命令字之后，可能需要一個等待時間，然后才能通過SPI讀取24 Bits的數(shù)據(jù)。在SCLK低于200KHz時可以不需要等待。SCLK頻率高于200KHz時則需要等待大約3us。
3 GSM無線通訊模塊的設計
本系統(tǒng)設計為通過GSM模塊向用戶和控制中心發(fā)送電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)。發(fā)送方式有兩種：①定時發(fā)送；②達到預警值，發(fā)送信息進行報警。本系統(tǒng)可以通過按鍵模塊設置發(fā)送方式、方式1的時間間隔以及方式2的預警值等。
本系統(tǒng)采用Siemens公司生產(chǎn)的新一代無線通信GSM模塊, 可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)傳輸功能。它設計小巧、功耗很低，模塊的工作電壓范圍為3.3~5.5V，主要工作于4.2V。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。
3.1 GSM模塊硬件連接電路 GSM模塊主要由GSM基帶處理器、電源模塊（ASIC）、內(nèi)部Flash、40腳的ZIF連接器、射頻天線等部分組成[5]。GSM模塊共有40個引腳，通過ZIF（Zero Insertion Force）連接器與電路連接，分別為：電源電路、啟動與關機電路、串行通信電路、單片機電路、SIM卡電路、等，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)及控制信號的雙向傳輸功能。可實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。其中GSM基帶處理器是核心部件，它的作用相當于一個協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。
射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換。ZIF插座是提供給用戶的應用接口[6]，通過連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。其中40腳的ZIF插座，包含的引腳功能有：模擬音頻輸入輸出接口；標準的RS232信號接口，共8個引腳。
GSM模塊、有標準的RS-232接口，通信接口為標準異步RS-232全雙工方式，通信字格式采用GSM支持的10位編碼格式：1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗，波特率為9600bps；幀格式采用標準的AT命令結(jié)構(gòu)：幀頭（固定為AT）+指令（參考AT指令集）+結(jié)束標志（固定為）。硬件接口電路如圖5所示。
3.2 GSM模塊的軟件程序設計 本系統(tǒng)采用的GSM模塊支持AT命令集來實現(xiàn)對短信的發(fā)送功能。AT(Attention)指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標準開發(fā)的一種 SMS Block Mode協(xié)議，通過終端設備來完全控制SMS[7]。GSM模塊實現(xiàn)短信收發(fā)功能只須放進SIM卡即可使用，與單片機采用串行異步通信接口。利用GSM模塊的串行接口，MSP430F149單片機向GSM模塊發(fā)送了一系列的AT命令，就能達到控制GSM模塊發(fā)送SMS的目的。本系統(tǒng)通過AT命令將GSM模塊設置為PDU短信息收發(fā)模式。PDU模式是基于十六進制形式字符的，數(shù)據(jù)和代碼都經(jīng)過編碼，通過PDU編碼的短信息內(nèi)容既可以是中英文字、聲音或圖像。PDU模式被所有手機支持，可以使用任何字符集，也是手機默認的編碼方式。PDU數(shù)據(jù)包SMS服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務時間等信息。待發(fā)送的消息以 UCSII 碼的形式進行發(fā)送。
3.2.1 PDU數(shù)據(jù)包的編碼 假設中心號碼是8613800312500，目標號碼是6813931692769，消息內(nèi)容是：“警告”。從GSM模塊發(fā)出的PDU數(shù)據(jù)包是：0891 683108301105F0 11000D91 683139612967F9 000800 04 8B66544A。其中，①6831 08301105F0和683139612967F9是通過將中心號碼和目標號碼進行編碼所得。具體編碼格式如下：將目標號碼和中心號碼的后面加“F”，再將相鄰的兩位數(shù)字一組，高低位互換，得到的所需號碼；②8B66544A是“警告”漢字的Unicode編碼；③04是發(fā)送信息即“警告”的Unicode碼的長度除以2，以十六進制表示。
3.2.2 發(fā)送短信程序設計 在串口通信過程中，每發(fā)出一條AT命令后都必須等待模塊的響應，若在模塊響應之前發(fā)出下一條AT命令，則后一條命令不會被執(zhí)行。所以，MSP430F149單片機必須在發(fā)下一條AT命令前檢測上一條命令的執(zhí)行結(jié)果，或者等待足夠長的時間（試驗證明1秒的等待是必須的）后再發(fā)新的AT命令，收發(fā)短信息流程如圖6所示。
4 結(jié)論
本系統(tǒng)利用ATT7026A數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對電網(wǎng)的各重要電力參數(shù)（電流、電壓、有功、無功、頻率等）的實時采集功能；利用GSM模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的定時遠程傳輸和實時預警功能；通過液晶和按鍵模塊的軟件控制實現(xiàn)人機雙向溝通功能，從而達到對遠程參數(shù)、預警值、定時時間等參數(shù)的設置及控制的目的。本系統(tǒng)和維護時間等特點。本系統(tǒng)不僅通信快速、費用低、安全可靠，而且節(jié)省人力資源、縮短修護時間、節(jié)省專線建設成本,還能大大提高系統(tǒng)的工作效率和整體性能，對保障設備的正常運轉(zhuǎn)具有積極意義。
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作者：胡展銘姜文博江偉偉陳元陳偉斌單位：國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心
技術特點
本系統(tǒng)水下無線通信采用的是水聲通信技術，相比較水下電磁波和水下光通信技術，聲波在水中衰減最小，因此聲波是目前水中信息傳輸?shù)闹饕d體，并且水聲通信是當前唯一可在水下進行遠程信息傳輸?shù)耐ㄐ判问剑?］。本系統(tǒng)綜合應用浮標和海床基，相比較浮標、海床基、船舶和潛標單站監(jiān)測方式，是一種無線觀測鏈的監(jiān)測方式。這種方式可提高監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量、擴展監(jiān)測范圍和監(jiān)測信息，并可在監(jiān)控終端準實時獲取遠程、長期水下監(jiān)測數(shù)據(jù)，也符合海洋環(huán)境監(jiān)測具有覆蓋面廣、站位分散、數(shù)據(jù)間斷和頻繁少量的特點。
技術原理
第二代GSM技術利用SMS(短消息)進行數(shù)據(jù)傳輸和雙向控制，系統(tǒng)通過發(fā)送和接收短消息進行數(shù)據(jù)傳輸，依靠2個或以上的GSM通信模塊實現(xiàn)，開發(fā)相對簡單，傳輸成本相對較高;第二代GPRS技術引入智能天線、雙頻段等技術，有快速登陸、永遠在線、高速傳輸和按流量計費而節(jié)約成本的優(yōu)勢;第三代技術是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術，速率一般在幾百kb/s以上，主要優(yōu)點是能極大地增加系統(tǒng)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并且利用不同網(wǎng)絡間的無縫漫游技術可將無線通信系統(tǒng)和Internet連接起來;第四代TD-LTE-Advanced技術可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡中提供無線服務，具有非對稱的超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，比通常意義上的3G快50倍，下載速度最高可達100Mb/s、上傳速度最高可達20Mb/s，可極大的滿足海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸要求。目前第二代和第三代技術已趨于成熟，基站已基本形成對我國近海的全覆蓋，相應的通信技術已在港口航道、海水浴場、水產(chǎn)養(yǎng)殖、能源開發(fā)等海洋領域廣泛應用;第四代技術已形成，但國際標準仍未統(tǒng)一，尚不具備推廣應用條件。水聲通信技術水聲通信是通過聲波在海水里傳播實現(xiàn)。工作原理是首先將文字、語音、圖像等信息轉(zhuǎn)化成電信號，發(fā)射換能器又將電信號轉(zhuǎn)化為聲信號，聲信號通過海水介質(zhì)以應答或自動方式傳遞到接收換能器，這時聲信號又轉(zhuǎn)化為電信號，解碼器將數(shù)字信息破譯后，經(jīng)電接收機轉(zhuǎn)為文字、語音、圖像等信息。水介質(zhì)與空氣介質(zhì)的特性不同，水聲信道與空氣中的無線電信道具有許多明顯的差異。水下聲信道是時間散布快速衰落信道，具有多普勒不穩(wěn)定性［9］。水聲通信的衰耗因素較多，特別是在海水中傳播，聲傳播損失不僅與頻率有關，而且還受海水的鹽度、溫度、密度、深度以及傳播距離等因素的影響，造成中遠程水聲信道帶寬極其有限。水中的聲速計算公式可見下式:c=1449．2+4．6T－0．055T2+(1．34－0．010T)(S－35)+0．016D(1)其中:T是海水溫度，S是鹽度，D是深度。海水中不均勻分布的聲速剖面造成聲線的彎曲，而聲波的界面反射和隨機散射又引起聲波接收信號的多途效應。在實現(xiàn)高速通信時，有限的信道帶寬和信號的多途傳輸會引起嚴重的碼間干擾，造成接收數(shù)據(jù)的嚴重誤碼［10］。同一聲源發(fā)出的聲波，在不同的海區(qū)或不同的季節(jié)，傳播情況可能都不同。從信道中的各種限制因素到時變、空變性，水聲信道都遠比無線電信道復雜。
基于通信技術的監(jiān)測系統(tǒng)應用
系統(tǒng)水下通信采用美國Linquest公司的UWM2000聲學調(diào)制解調(diào)器(全方向模式、波束寬度210°，在比較復雜的環(huán)境條件下允許有相對的運動);水上移動通信采用GSM通信模塊。系統(tǒng)可對剖面流速、流向、溫度等環(huán)境參數(shù)和儀器姿態(tài)進行數(shù)據(jù)實時傳輸，通信技術可在赤潮、溢油、危險化學品泄露等海洋突發(fā)污染事件應急監(jiān)測中應用，管理者可根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場指揮和快速決策;也可在海水浴場、海水養(yǎng)殖區(qū)、海洋保護區(qū)等功能區(qū)監(jiān)測和入海污染物質(zhì)輸運監(jiān)測中應用，獲取定點、實時和連續(xù)的監(jiān)測資料。本系統(tǒng)若結(jié)合地理信息系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術，將改變現(xiàn)有的海洋環(huán)境監(jiān)測狀況。通過無線通信方式形成一個基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中監(jiān)測信息，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測和管理［11］。
結(jié)語
由于海洋環(huán)境監(jiān)測的特點和發(fā)展趨勢，適合以水聲通信和移動通信作為數(shù)據(jù)傳輸載體，因此結(jié)合海床基和浮標，基于水聲和移動通信技術構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)，應用于海洋環(huán)境監(jiān)測領域是完全可行的。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對海洋環(huán)境的智能監(jiān)測，并將監(jiān)測終端數(shù)據(jù)異地可視化，達到動態(tài)監(jiān)測海洋環(huán)境的功能，通過改變監(jiān)測終端傳感器的類型可實現(xiàn)功能更全面的監(jiān)測，該系統(tǒng)可提高監(jiān)測效率、運行成本較低，具有一定的推廣價值。隨著通信、地理信息系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，未來的海洋環(huán)境監(jiān)測無線通信網(wǎng)既可以實時獲取大范圍的海洋信息，也可以快速、便捷地傳遞、控制和管理各種信息。因此，通信技術必將在海洋環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮越來越重要的作用。
關鍵詞：云平臺 農(nóng)田環(huán)境 無線監(jiān)測 嵌入式
中圖分類號：TP274；S126 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0140-02
1 引言
21世紀的農(nóng)業(yè)是信息高度集成化的智慧農(nóng)業(yè)，在農(nóng)業(yè)領域中充分發(fā)揮科技的力量勢在必行。智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)需要大量有效和及時準確的農(nóng)田環(huán)境信息，獲取農(nóng)田環(huán)境信息是智慧農(nóng)業(yè)實現(xiàn)的關鍵之一。近年來，農(nóng)田環(huán)境信息獲取的方法和手段不斷提高和豐富，但從總體上看，還存在一些問題有待解決，如：環(huán)境信息采集過程應用的手段還相對落后、采集效率不高；傳輸方式受布線難、傳輸距離短、現(xiàn)場環(huán)境復雜等限制；同時由于農(nóng)田分散、且多無人看管、設備多，管理工作需要進一步完善。
為此，筆者設計了基于GPRS、云平臺和無線傳感器網(wǎng)絡技術的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境的各種參數(shù)，以解決上述問題。對于提高農(nóng)業(yè)耕作精細化程度，減少人力資源投入，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的研究等都具有重要的科學意義，對智慧農(nóng)業(yè)的推廣發(fā)展具有深遠影響。
2 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由云服務器、網(wǎng)站、移動客戶端、無線通訊網(wǎng)絡、智能終端和環(huán)境監(jiān)測傳感器構(gòu)成。在大棚和農(nóng)田里安裝的是農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測智能終端，它由太陽能電池板供電，無需外接電源，并且由程序控制為低能耗節(jié)能模式可常年累月運行，保證對農(nóng)作物整個生長周期進行無縫監(jiān)控。智能終端可以同時配備溫度、濕度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤酸堿度、污染物（COD、BOD）等傳感器。用這些傳感器感知作物生長土壤、空氣、光照等環(huán)境參數(shù)，轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)形式，通過GPRS無線通信網(wǎng)絡上送到云服務器，進行分類、存儲、統(tǒng)計和分析。
通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器訪問平臺網(wǎng)站，或者手機客戶端查詢相應農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的變換和報警信息。大量智能終端安裝到農(nóng)田大棚，長時間運行后，云服務器就會存儲海量的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)科研專家通過建立農(nóng)作物生長模型分析這些海量數(shù)據(jù)，對歷年作物品質(zhì)、產(chǎn)量、環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析對照，預測作物生長及產(chǎn)量情況，及時提出合理的農(nóng)田耕作和管理的指導建議，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展精準農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)提供技術支撐和科學依據(jù)。
2.1 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測參數(shù)選擇
影響農(nóng)田環(huán)境的參數(shù)很多，我們從中選取了對植物影響重要，而且便于在線測量如農(nóng)田環(huán)境地表空氣溫度、濕度、CO2、NO2，表面光照、土壤溫度、土壤含水量、土壤養(yǎng)分、土壤酸堿度等參數(shù)作為農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測量。
2.2 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成
農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由云服務器、網(wǎng)站、移動客戶端、無線通訊網(wǎng)絡、智能終端和環(huán)境監(jiān)測傳感器以及環(huán)境監(jiān)測分析軟件以及移動設備客戶端軟件等構(gòu)成。
監(jiān)測終端是采用嵌入式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成了GPRS通訊設備；16路0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA等模擬量信號傳感器接口；6路IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等通訊信號傳感器接口；并提供鋰電池、太陽能等電源輸入接口和DC3.3V1A或DC5V0.5A或DC24V0.1A電源輸出接口。測控終端除了具有監(jiān)測終端的功能外，還帶有8路繼電器、2路PWM控制接口。
環(huán)境傳感器選擇有線的，DC3.3V或DC5V或DC24V供電，并且支持0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等信號接口之一的傳感器，無需任何信號轉(zhuǎn)換器就可以直接與監(jiān)測終端連接。如果選擇其他信號接口的傳感器，需要外加信號轉(zhuǎn)換器。
2.3 系統(tǒng)工作原理
在待測農(nóng)田、大棚等相應位置安裝農(nóng)田環(huán)境傳感器、監(jiān)測終端以及太陽能板。如果需要，還可以安裝一塊或多塊本地公共顯示屏，用作實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析情況。
環(huán)境傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換成0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB之一的電信號，通過測控終端采集變?yōu)閷崟r數(shù)據(jù)，經(jīng)過嵌入在終端內(nèi)部的硬件和軟件數(shù)據(jù)濾波后加上時間戳和物理量類型，形成數(shù)據(jù)記錄，保存在測控終端的Flash存儲器中，同時由GPRS通訊上送到云服務器和本地公共顯示屏。
云服務器收到測控終端上送的數(shù)據(jù)，進行分類、匯總保存到云數(shù)據(jù)庫中。遠程計算機的測試分析軟件系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS，訪問云服務器數(shù)據(jù)庫，進行綜合分析，將分析結(jié)果送回云服務器，供研究分析、本地公共顯示屏顯示、遠程或移動客戶端查詢用。
3 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)處理
3.1 監(jiān)測終端數(shù)據(jù)濾波
受地域或自然環(huán)境影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)極易受到農(nóng)田勞作、環(huán)境擾動等的外界因素干擾。要想反映實際情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要將采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理，因此，除了在硬件電路對采集量進行濾波外，還必須針對不同監(jiān)測量，在軟件上通過相應的數(shù)字濾波[2]進行處理。
采集終端將采集到的空氣溫濕度、土壤溫度、含水量和光照強度等模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過公式計算出的環(huán)境參數(shù)的平均變化率。
監(jiān)測終端根據(jù)其平均變化率，自動選擇合適的數(shù)字濾波方法。例如像溫度、濕度等大部分農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化緩慢的監(jiān)測量，即當
（1）
其中，y（t）為濾波后的當前采集值，f（x）為當前實測值，T0為滑動濾波長度。系統(tǒng)軟件將新數(shù)據(jù)放入到濾波隊列的隊尾，扔掉最早采集的數(shù)據(jù)，濾波后的輸出總是固定濾波長度的算術平均值。
當0.25
當0.55
3.2 監(jiān)測結(jié)果
利用客戶端分析軟件從云端服務器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，從中選取了一塊具有代表性的農(nóng)田大棚，安裝了一套監(jiān)測終端，運行一段時間后，摘錄了其中24小時的棚內(nèi)空氣溫度、濕度、CO2含量和土壤溫度、含水量、光照強度等參數(shù)監(jiān)測曲線如圖1所示。
4 結(jié)語
通過GPRS網(wǎng)絡和云服務器，該系統(tǒng)可以無線遠程實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)農(nóng)田環(huán)境采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)減少人力和物力投入，縮短環(huán)境信息采集周期；與已有的無線采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)對信號處理具有更好的收斂性，且通過云服務器存儲數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定且智能。該系統(tǒng)對于發(fā)展精準農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)起一定推動作用。
參考文獻
[1]陳艷秋.基于WebGIS的田間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)平臺的設計與實現(xiàn)[D].東北農(nóng)業(yè)大學，2012.
關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；ZigBee；WiFi；無線網(wǎng)關
中圖分類號：X83 文獻標識碼：A
引言
隨著環(huán)保意識的日益加強，對于環(huán)境的監(jiān)測要求越來越高，不僅監(jiān)測的參數(shù)越來越多，而且監(jiān)測范圍越來越細，手段也更加靈活。因此，用信息技術來提升環(huán)境監(jiān)測設備不僅可能而且必要。早期環(huán)境監(jiān)測設備中的監(jiān)控數(shù)據(jù)多采用有線傳輸或者人工抄表，因其布線繁冗，成本高，位置固定，靈活度低而受到很大限制。智能化的數(shù)據(jù)采集處理與無線傳輸是環(huán)境監(jiān)測設備的重要發(fā)展趨勢。
ZigBee是目前應用最為廣泛的近場無線通信技術之一，具有自組織、低成本、低功耗、高可靠性和短時延的特點，是需要較多傳感控制節(jié)點應用的首選。ZigBee工作在2.4GHz ISM頻段，最多可容納65536個節(jié)點，節(jié)點不僅能進行數(shù)據(jù)采集，還能以多跳的方式承擔網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。但ZigBee單跳通信距離較短，數(shù)據(jù)傳輸速率最高僅為250kb/s@2.4GHz且不能直接與Internet互聯(lián)[1]。
為了拓展通信距離和實現(xiàn)遠程應用，文獻【2】直接給出了基于WiFi的監(jiān)控方案，但是WiFi節(jié)點功耗相對較高，組網(wǎng)方式限制了其覆蓋范圍。文獻【3】采用ZigBee和以太網(wǎng)相結(jié)合的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠程應用，具體是通過ARM+Linux控制通信模塊，如GPRS/CDMA或其他以太網(wǎng)接口來實現(xiàn)的。ARM芯片分別與ZigBee和通信模塊相連，通過運行ARM中Linux平臺上的代碼進行總體控制和協(xié)議轉(zhuǎn)換，此類方案雖可實現(xiàn)ZigBee與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，但是網(wǎng)關的功耗大，成本高，協(xié)議轉(zhuǎn)換效率低，可靠性與穩(wěn)定性相對較差。
為充分利用ZigBee和WiFi的優(yōu)點，實現(xiàn)設施環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與Internet無縫鏈接，拓展設施環(huán)境監(jiān)測設備的應用范圍。本文給出并實現(xiàn)了一種新的ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關，該網(wǎng)關以STM32W108及AX22001為核心芯片，通過固化在芯片中的代碼實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與WiFi網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換，經(jīng)測試，該無線網(wǎng)關穩(wěn)定可靠，功耗低，能夠滿足設現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測對數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和數(shù)據(jù)遠程應用的要求。
1.網(wǎng)關硬件設計與實現(xiàn)
ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關位于ZigBee網(wǎng)絡和WiFi網(wǎng)絡之間，實現(xiàn)兩種不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換。本文設計并實現(xiàn)的網(wǎng)關既是ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，負責構(gòu)建和配置整個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，又是WiFi的無線節(jié)點，具有收集分發(fā)ZigBee節(jié)點數(shù)據(jù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。其結(jié)構(gòu)和功能如圖1所示：
圖1 ZigBee-WiFi網(wǎng)關結(jié)構(gòu)能功能
ZigBee部分以STM32W108CBU61為核心芯片，它是集成了符合IEEE 802.15.4標準2.4GHz收發(fā)器的32位ARM Cortex-M3微處理器，固化了Ember ZigBee協(xié)議棧，支持星型、樹狀和網(wǎng)狀三種ZigBee基本網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[6]。
網(wǎng)關中ZigBee射頻部分在使用片內(nèi)功率放大器時，無阻擋傳輸距離約為75M，能夠滿足布局簡單，范圍較小的場合。
網(wǎng)關中WiFi部分主控核心芯片AX22001是內(nèi)置802.11無線網(wǎng)MAC/基帶雙CPU架構(gòu)的TCP/IP微處理器，其中MCPU負責應用程序和TCP/IP協(xié)議處理，WCPU則負責WLAN協(xié)議處理以及以太網(wǎng)封包格式的轉(zhuǎn)換，支持軟件設置TCP 服務器、TCP客戶端以及UDP工作模式。WiFi射頻部分的核心芯片是AL2230S，它工作于2.4GHz頻段，支持802.11b/g。STM32W108與AX22001間的數(shù)據(jù)交換通過UART完成。
ZigBee和WiFi都使用2.4GHz ISM頻段，其間干擾是影響網(wǎng)關穩(wěn)定工作的重要因素。ZigBee將工作得2.4GHz頻段劃分為16個信道，信道帶寬為2MHz；WiFi則將該頻段劃分為11個信道，信道帶寬為22MHz。ZigBee與WiFi有12個信道重疊，無重疊信道最多有4個，如圖2所示。
圖2 WiFi與ZigBee信道分配圖
雖然ZigBee信號相對于WiFi屬于窄帶干擾源，WiFi通過擴頻技術可以充分抑制ZigBee信號。同時ZigBee網(wǎng)絡在信道訪問上采用了CSMA-CA碰撞避免機制，通過檢測信道上能量判斷信道狀態(tài)，這種信道占用檢測和動態(tài)信道選擇的方式對ZigBee和WiFi抗同頻干擾，實現(xiàn)共存非常重要[7] 。在網(wǎng)關的硬件設計中仍需盡可能的將ZigBee和WiFi模塊隔開且用鐵殼覆蓋以減少輻射外泄，軟件設置ZigBee與WiFi信道選擇范圍，以減少二者信道相互重疊的可能性。此外，ZigBee和WiFi模塊分別單獨供電，軟件實現(xiàn)“時分復用”，盡可能避免出現(xiàn)ZigBee和WiFi同時發(fā)送數(shù)據(jù)的情況出現(xiàn)，提高網(wǎng)關無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。
2.網(wǎng)關軟件設計與實現(xiàn)
ZigBee采用IEEE 802.15.4協(xié)議，根據(jù)節(jié)點地址進行通信，WiFi采用TCP/IP協(xié)議，根據(jù)IP地址進行通信。ZigBee傳感節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)按照IEEE 802.15.4協(xié)議傳送到網(wǎng)關，網(wǎng)關解析出數(shù)據(jù)的有效載荷并轉(zhuǎn)發(fā)給WiFi網(wǎng)絡。當WiFi網(wǎng)絡需要發(fā)送數(shù)據(jù)給ZigBee中節(jié)點時，網(wǎng)關會根據(jù)TCP/IP數(shù)據(jù)包中含有的ZigBee節(jié)點地址將有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定節(jié)點。網(wǎng)關軟件通過調(diào)用協(xié)議棧建立并維護網(wǎng)絡通信，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在應用層上實現(xiàn)。
網(wǎng)關中ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器，負責ZigBee網(wǎng)絡的建立，信息接收、匯總及傳輸。協(xié)調(diào)器上電后掃描信道創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡，選定一個PANID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡標識，創(chuàng)建路由表，廣播網(wǎng)絡允許節(jié)點加入網(wǎng)絡。ZigBee模塊的工作流程如圖3所示：
圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖
WiFi模塊負責WiFi網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)收發(fā)，支持AD-HOC直連和基礎網(wǎng)絡模式兩種通信模式。本文將WiFi節(jié)點配置成基礎網(wǎng)絡模式，通過無線路由與上位機進行數(shù)據(jù)交換。WiFi模塊上電后，初始化硬件和網(wǎng)絡協(xié)議棧，設置模塊參數(shù)，掃描信道加入無線局域網(wǎng)絡。圖4為WiFi模塊工作流程圖：
圖4 WiFi模塊工作流程圖
ZigBee向WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)：網(wǎng)關內(nèi)的ZigBee協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)后將其與發(fā)送節(jié)點地址通過UART發(fā)送給AX22001主MCU，運行在主MCU中的程序?qū)?shù)據(jù)及節(jié)點地址打包通過WiFi發(fā)送出去。WiFi向ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)：AX22001主MCU將接收到的IP數(shù)據(jù)包解包提取目的節(jié)點地址和數(shù)據(jù)，通過UART將其發(fā)送給網(wǎng)關內(nèi)的ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)目的節(jié)點地址將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定節(jié)點上。
3.系統(tǒng)測試與結(jié)果分析
為測試ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關的運行情況，本文采用多線程技術開發(fā)了上位機監(jiān)控測試程序，其中主線程用來接收數(shù)據(jù)，發(fā)送線程用來發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee-WiFi網(wǎng)關與測試程序之間通信通過Socket套接字來完成，網(wǎng)關運行在服務器模式下，測試程序運行在客戶端模式下，通信流程如圖5所示。
圖5 socket通信流程圖
測試時將ZigBee采集節(jié)點設置為全功能路由節(jié)點，外接溫濕度、光強、二氧化碳濃度傳感器。在一112M×49M食品生產(chǎn)車間中布置15個數(shù)據(jù)采集結(jié)點，測試程序運行在PC上，配置PC使得ZigBee-WiFi網(wǎng)關和PC工作在同一無線網(wǎng)絡中。ZigBee-WiFi網(wǎng)關首先加電啟動，然后運行位于WiFi網(wǎng)絡中PC上的測試程序，輸入指定的IP地址和端口后，點擊連接。接收數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。
圖6 上位機接收數(shù)據(jù)
接收到的數(shù)據(jù)包括ZigBee節(jié)點64位全球唯一的物理地址地址，如圖中“0080E102001BC0A8”，接收到的信號的強度RSSI，該參數(shù)可被用來判定鏈接質(zhì)量，其余分別為傳感器測得的環(huán)境參數(shù)值。同時上位機通過WiFi向ZigBee中所有節(jié)點循環(huán)依次發(fā)送數(shù)據(jù)，ZigBee節(jié)點均可正確接收。經(jīng)多天連續(xù)運行測試，數(shù)據(jù)傳輸多在單跳內(nèi)完成且時延小于10ms，丟包與信號強度及頻率有關，據(jù)測試結(jié)果可知網(wǎng)關丟包率小于1%。上述結(jié)果表明設計的網(wǎng)關節(jié)點功能符合要求且系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。
4.結(jié)論
本文以STM32W108及AX22001為核心芯片設計并實現(xiàn)了一個用于環(huán)境監(jiān)測中的ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關。該網(wǎng)關能夠滿足ZigBee與WiFi兩種不同網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)互聯(lián)要求，實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡與WiFi網(wǎng)絡的無縫連接，拓展了ZigBee網(wǎng)絡的覆蓋范圍，方便與遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。同時，該網(wǎng)關較其他方案具有功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)方便等特點。
參考文獻：
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關鍵詞： 農(nóng)場監(jiān)控； 無線傳感網(wǎng)絡； ZigBee； 組態(tài)王
中D分類號： TN915?34； TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）02?0137?04
Abstract： An intelligent monitoring system is studied， in which the ZigBee wireless sensor network is applied to the farm environment monitoring. The system structure， network topology structure and hardware structure of the ZigBee wireless sensor network in farm environment were designed. The minimum system of the main controller， radio frequency circuit， power supply circuit， humiture sensing and acquisition circuit， illumination intensity sensing and acquisition circuit， soil moisture sensing and acquisition circuit， and communication device hardware were designed. The KingView software is used to design the upper computer software interface for farm monitoring. The monitoring software interface is divided according to the functions， which contains the monitoring main interface， farm environment real?time data curve interface， farm environment history data curve interface， farm environment history data report interface and farm environment history alarm data report interface. The experimental results show that the design has reached the expected target.
Keywords： farm monitoring； wireless sensor network； ZigBee； KingView
0 引 言
農(nóng)業(yè)從最初的原始農(nóng)業(yè)發(fā)展到了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，同時隨著科學技術的發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐漸開始替代了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，成為農(nóng)業(yè)未來的主要發(fā)展形式[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術逐漸發(fā)展的過程中需要實時、精確以及動態(tài)地獲取田間信息。其中田間信息主要包含作物生長信息，光照強度、濕度以及空氣溫度等農(nóng)田周圍環(huán)境信息，地理位置信息以及土壤水分、電導率、pH值等土壤屬性信息。應當通過無線處理、分析和傳輸所采集的數(shù)據(jù)，進而管理田間農(nóng)業(yè)，這樣對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)管理有非常積極的作用[2]。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
為了對農(nóng)作物生長的最佳條件進行確定，需要對二氧化碳濃度、光照強度、空氣溫濕度、降水量、土壤養(yǎng)分以及土壤水分等因素進行測量，這樣在調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中就能夠通過參考這些數(shù)據(jù)來提升經(jīng)濟效益、調(diào)節(jié)生長周期以及改善農(nóng)作物品質(zhì)。通常情況下農(nóng)田具有較廣的覆蓋面積，但是不具有較大的地勢起伏，同時農(nóng)田周圍具有較為空曠的環(huán)境，高壓電塔以及基站等不會造成相應的干擾，所以利用無線通信技術來對農(nóng)作物環(huán)境信息進行獲取具有較強的實用效果[3]。
監(jiān)理網(wǎng)關以及采集區(qū)域是整個無線傳感網(wǎng)絡的農(nóng)場智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分。農(nóng)田中ZigBee節(jié)點組成了采集區(qū)域，能夠?qū)r(nóng)田環(huán)境的相關信息進行采集，進而利用節(jié)點間路由關系有效地傳輸數(shù)據(jù)，這樣網(wǎng)關節(jié)點就可以獲取相關的信息[4]。
農(nóng)場監(jiān)控傳感節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
單個無線傳感采集節(jié)點主要由主控芯片和各個傳感電路組成，實現(xiàn)對農(nóng)場環(huán)境的溫濕度、光強度、土壤水分及pH值進行實時監(jiān)測。
接收無線網(wǎng)絡傳感器所采集的信息主要通過監(jiān)測網(wǎng)關來實現(xiàn)，同時對這些信息進行處理。另外區(qū)域經(jīng)緯度信息也能夠通過GPS模塊進行測量。這樣就可以對采集區(qū)域的具置進行確定，另外還能夠精確地定位農(nóng)田中的傳感器節(jié)點[5]。
ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，星型網(wǎng)絡主要包含多個從屬設備以及一個協(xié)調(diào)器。其中網(wǎng)絡的控制和啟動由協(xié)調(diào)器來負責，協(xié)調(diào)器能夠直接實現(xiàn)與網(wǎng)絡內(nèi)設備的通信，同時還能夠通過協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。但是這種網(wǎng)絡受到通信范圍的影響，在小范圍無線通信系統(tǒng)中應用比較廣泛。
樹狀網(wǎng)中，終端設備、協(xié)調(diào)器以及若干路由節(jié)點是樹狀網(wǎng)絡的主要組成部分。網(wǎng)絡初始參數(shù)的設定以及網(wǎng)絡的建立由協(xié)調(diào)器來負責。通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點能夠?qū)W(wǎng)絡通信范圍進行擴展，因此網(wǎng)絡通信具有較好的同步性，能夠?qū)W(wǎng)絡內(nèi)設備的休眠進行控制以達到節(jié)省功耗的目的。由于其具有擴展性好以及網(wǎng)絡通信范圍廣的特點，因此在一些大范圍無線系統(tǒng)中應用比較廣泛[6]。網(wǎng)狀網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)完全的點對點通信。信標無法在網(wǎng)絡中定期的發(fā)送，各個網(wǎng)絡節(jié)點之間無法同步地進行通信，另外還需要應用同步機制來對網(wǎng)絡進行維持。但是這種網(wǎng)絡路由選擇具有多樣化的特點，同時具有較廣的通信范圍，因此在一些比較復雜的無線通信系統(tǒng)中應用比較廣泛。
在距離較近以及圓形分散的無線傳感器網(wǎng)絡中星型網(wǎng)絡比較適合。樹狀網(wǎng)絡在多終端節(jié)點網(wǎng)絡中比較適合應用。多跳式路由通信在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中應用比較廣泛，在一些比較分散以及距離較遠的無線傳感器網(wǎng)絡中應用比較廣泛。因此本文使用樹狀拓撲網(wǎng)絡。
ZigBee無線網(wǎng)絡中，路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器、終端設備為主要設備。在整個 ZigBee網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)器發(fā)揮著非常關鍵的作用，是網(wǎng)絡建立的基礎。在完成初始化以后協(xié)調(diào)器就能夠?qū)⒕W(wǎng)絡設備中的網(wǎng)絡地址進行分配，進而對物理通道進行確定。終端設備短地址的收回以及分配由路由節(jié)點來負責，另外還可以將網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。其中數(shù)據(jù)無法通過終端設備來轉(zhuǎn)發(fā) [7]。
2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點硬件系統(tǒng)
通信裝置以及無線傳感節(jié)點是系統(tǒng)的硬件M成部分。終端節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡中節(jié)點的三種主要類型。采集控制模塊、終端節(jié)點以及路由節(jié)點是無線傳感節(jié)點的主要構(gòu)成模塊。GPRS 通信模塊以及協(xié)調(diào)器是通信裝置的主要組成部分。
無線傳感網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡節(jié)點能夠?qū)r(nóng)場的環(huán)境狀態(tài)進行檢測。通過網(wǎng)絡協(xié)議能夠?qū)⒚總€農(nóng)場區(qū)域的傳感節(jié)點組合成ZigBee網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的主控節(jié)點為通信裝置，這種路由既能夠?qū)W(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行維持，又作為Internet和網(wǎng)絡節(jié)點的接口，網(wǎng)絡節(jié)點和后臺服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸能夠通過該模塊實現(xiàn)。
農(nóng)場智能監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件設計主要包括：對主控器最小系統(tǒng)、無線射頻電路、供電電路以及傳感采集電路進行設計。本文研究的農(nóng)場智能監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的節(jié)點中實驗TI 公司2.4 GHz射頻芯片 CC2530作為主控芯片。
（1） 主控器最小系統(tǒng)。CC2530最小系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。最小系統(tǒng)電路是保證主控器正常運行最基本的電路[8]。
（2） 無線射頻電路。在進行無線射頻電路設計時，使用巴倫電路實現(xiàn)雙端口轉(zhuǎn)換單端口從而完成天線和饋線匹配最優(yōu)。無線射頻匹配電路如圖3所示，當需要CC2530 模塊向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，差分射頻端口 RF_P，RF_N將數(shù)據(jù)發(fā)送至巴倫電路轉(zhuǎn)換為單端信號，再由天線發(fā)射。當需要CC2530 模塊接收數(shù)據(jù)時，天線接收到的信號由巴倫電路進行轉(zhuǎn)換并發(fā)送至RF_P，RF_N 端口，完成接收[9]。
（3） 供電電路。供電電路由220 V交流電源供電，通過變壓器、橋堆和穩(wěn)壓芯片LM7812轉(zhuǎn)換為供給控制器工作的12 V直流電源以及供給傳感采集電路的5 V直流電源。5 V直流電源再經(jīng)過LM1117?3.3芯片轉(zhuǎn)換為供給CC2530芯片及電路工作的3.3 V直流電源。
（4） 溫濕度傳感采集。本文通過SHT10溫濕度傳感器采集農(nóng)場環(huán)境的溫濕度。如圖4所示。
SHT10傳感器的數(shù)據(jù)端口DATA和SCK與CC2530芯片的P1_4和P1_5端口連接[10]。
（5） 光照強度傳感采集。本文使用光敏電阻MG45作為農(nóng)場環(huán)境光強度的檢測器件，光敏電阻能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)對光強度的檢測。光強度對于農(nóng)場作物生長具有重要作用，因此需要實時地對農(nóng)場環(huán)境的光強度進行監(jiān)測，為農(nóng)作物葉面指數(shù)的監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。光敏電阻MG45傳感器的數(shù)據(jù)端口與CC2530芯片的P0_0端口連接。如圖5所示。
（6） 土壤水分傳感采集。本文使用SWR?2型水分傳感器對土壤中水分進行實時監(jiān)測。水分傳感器SWR?2與CC2530芯片連接如圖6所示，傳感器的數(shù)據(jù)端口與CC2530芯片的P0_6和P0_7端口連接[11]。
（7） 通信裝置硬件。通信裝置硬件的主控芯片使用LPC2368芯片，與CC2530實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。通信裝置使用華為 GTM900C 無線模塊作為GPRS模塊。通信裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。
3 農(nóng)場監(jiān)控上位機軟件設計
本文使用組態(tài)王軟件設計農(nóng)場監(jiān)控上位機軟件的界面。通過功能劃分監(jiān)控軟件界面，監(jiān)控軟件界面主要包括監(jiān)控主界面、農(nóng)場環(huán)境實時數(shù)據(jù)曲線界面、農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)曲線界面、農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表界面以及農(nóng)場環(huán)境歷史報警數(shù)據(jù)報表界面等[12]。監(jiān)控主界面用于顯示當前農(nóng)場的總體概況和各個監(jiān)測點的運行狀況。監(jiān)控主界面如圖8所示。
農(nóng)場環(huán)境實時數(shù)據(jù)曲線能夠顯示最近2 h內(nèi)的農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)監(jiān)測間隔為2 min。溫度實時數(shù)據(jù)曲線如圖9所示。光強度實時數(shù)據(jù)曲線如圖10所示。
農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)曲線界面通過調(diào)用組態(tài)王中的歷史曲線控件實現(xiàn)，歷史曲線控件能夠記錄農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)并以數(shù)據(jù)曲線形式直觀顯示，并可對農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表界面通過調(diào)用組態(tài)王中的歷史報表控件實現(xiàn)，歷史報表控件能夠記錄農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)并以報表形式顯示，并可對數(shù)據(jù)報表進行打印、保存以及按時間查詢等。1號節(jié)點的農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表如圖11所示。
農(nóng)場環(huán)境歷史報警數(shù)據(jù)報表界面能夠?qū)⒔M態(tài)王中的事件報警控件記錄的異常報警事件以報表形式進行顯示，異常報警事件通常包括無線節(jié)點信號丟失、傳感節(jié)點數(shù)據(jù)超過設定的上下限值。
4 結(jié) 論
本文研究一種將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡應用到農(nóng)場環(huán)境監(jiān)測的智能監(jiān)控系統(tǒng)，對農(nóng)場環(huán)境ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)以及硬件結(jié)構(gòu)進行了設計。使用組態(tài)王軟件設計農(nóng)場監(jiān)控上位機軟件的界面。通過功能劃分監(jiān)控軟件界面，監(jiān)控軟件界面主要包括監(jiān)控主界面、農(nóng)場環(huán)境實時數(shù)據(jù)曲線界面、農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)曲線界面、農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表界面以及農(nóng)場環(huán)境歷史報警數(shù)據(jù)報表界面等。
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關鍵詞：鄱陽湖；通用分組無線服務技術；無線傳感器網(wǎng)絡；遠程監(jiān)控中心
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）34-7896-02
無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的體積小、成本低，具有魯棒性、分布式、隱蔽性等特點的傳感器節(jié)點所組成，這些節(jié)點具有通信能力和計算能力，通過多跳無線通信方式構(gòu)成網(wǎng)絡系統(tǒng)，對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測對象信息實時感知、采集和處理，并傳送到網(wǎng)絡終端用戶。被廣泛的應用于環(huán)境監(jiān)測、智慧醫(yī)療、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)等方面。鄱陽湖（如圖1所示）水域?qū)掗煟?水質(zhì)采樣困難、數(shù)據(jù)實時處理差、水質(zhì)監(jiān)測對象復雜多變、監(jiān)測點分散、分布范圍廣、環(huán)境較惡劣。監(jiān)測主要采用的人工采樣或便攜式監(jiān)測儀采集數(shù)據(jù)，采樣點有限，不能實現(xiàn)實時高效的水環(huán)境信息監(jiān)控的需求。該文在深入研究無線傳感器網(wǎng)絡的基礎上，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的鄱陽湖水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，對水環(huán)境監(jiān)測中的幾個重要指標水溫、pH值、電導率、溶解氧和濁度等進行遠程實時監(jiān)測，實現(xiàn)鄱陽湖水環(huán)境信息的自動化采集，遠程傳輸，批量處理，海量存儲，優(yōu)化顯示，及時，為鄱陽湖水環(huán)境的保護和合理開發(fā)提供參考。
1 系統(tǒng)總體設計
整個信息監(jiān)控系統(tǒng)由信息采集終端節(jié)點、傳感器網(wǎng)絡、監(jiān)測區(qū)域中心節(jié)點數(shù)據(jù)遠程傳輸和遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心四個部分組成，系統(tǒng)總體構(gòu)架圖如圖1所示。傳感器終端節(jié)點主要負責傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理；無線傳感器網(wǎng)絡負責實現(xiàn)傳感器終端節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)過路由節(jié)點發(fā)送監(jiān)測區(qū)中心節(jié)點，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集。監(jiān)測區(qū)中心節(jié)點數(shù)據(jù)遠程傳輸部分主要負責將中心節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡以TCP協(xié)議的形式傳送到internet遠程數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心負責接收來自不同監(jiān)測區(qū)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行加工處理，并實時到互聯(lián)網(wǎng)平臺。
2 信息采集終端節(jié)點設計
信息采集終端節(jié)點主要以CC2530 為核心控制芯片，實現(xiàn)傳感器信息的采集，信號的放大處理，模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。是傳感器網(wǎng)絡中最基本節(jié)點部分，也是最重要的節(jié)點部分。整個水環(huán)境信息采集終端節(jié)點可劃分為傳感器數(shù)據(jù)采集和信號處理模塊、模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換模塊、8051單片機數(shù)據(jù)處理模塊、射頻無線通信收發(fā)模塊以及供電系統(tǒng)模塊如圖2所示。
傳感器數(shù)據(jù)采集和信號處理模塊主要使用各種水環(huán)境信息采集傳感器采集信息，由于傳感器采集的信號一般比較微弱，直接輸入到單片機是無法處理，所以需要設計一個放大電路以保證傳感器采集的信號經(jīng)過放大能被單片機接收和處理。
模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換模塊，大部傳感器輸出的都是模擬信號，而單片機只能處理數(shù)字信號，所以需要對信號進行模擬轉(zhuǎn)數(shù)字的處理。
8051單片機數(shù)據(jù)處理模塊是信息采集終端節(jié)點的核心部分，接收來自模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的采集數(shù)據(jù)并對其進行格式等處理，然后保存在存儲器中。
射頻無線通信收發(fā)模塊負責將信息采集終端節(jié)點數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)皆摬杉瘏^(qū)域的數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點，實現(xiàn)了信息采集終端節(jié)點與采集區(qū)域的數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點、信息采集終端節(jié)點與中繼節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換功能。
供電系統(tǒng)模塊負責整個信息采集終端節(jié)點的電源。
3 無線傳感器網(wǎng)絡設計
3.1 數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點程序
數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點主要負責建立無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)其他節(jié)點能夠加入或者退出該網(wǎng)絡的功能，同時負責接收來自其他節(jié)點的的數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行整理和規(guī)范化并通過串口傳輸?shù)紾PRS模塊。具體程序主要有各個節(jié)點模塊的的初始化程序、各個節(jié)點組網(wǎng)程序和匯聚數(shù)據(jù)信息的遠程發(fā)送和接收遠程數(shù)據(jù)信息程序等。
3.2中繼路由節(jié)點程序
中繼路由節(jié)點的程序和數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點的程序總體上變化不大，只是在文件配置上有一些小的區(qū)別，根據(jù)使用的先后順序，它可以成為中繼路由節(jié)點，實現(xiàn)接收信息采集終端節(jié)點數(shù)據(jù)并發(fā)送到數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點。上電后，中繼路由節(jié)點發(fā)現(xiàn)該無線傳感器網(wǎng)絡就主動加入該網(wǎng)絡，并將自己和找到的第一個協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點進行連接，然后等待其他節(jié)點加入。中繼路由節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡中主要起到路由的作用，同時還負責網(wǎng)絡通信的正常維護。
3.3信息采集終端節(jié)點程序
信息采集終端節(jié)點主要負責傳感器信息采集，并將這些信息經(jīng)中繼路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點。信息采集終端節(jié)點首先加入該無線傳感器網(wǎng)絡，然后將自己和第一個取得聯(lián)系的的數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點或中繼路由節(jié)點進行綁定，這樣就可以進行數(shù)據(jù)信息發(fā)送與接收。
4 監(jiān)測區(qū)域中心節(jié)點數(shù)據(jù)遠程傳輸
監(jiān)測區(qū)中心節(jié)點主要負責匯聚監(jiān)測區(qū)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)并通過GPRS模塊以TCP協(xié)議的方式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。
4.1 TCP協(xié)議簡介
TCP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇中的協(xié)議之一，是傳輸控制協(xié)議的簡稱，這種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸是一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸模式，通過該協(xié)議能實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡終端和Internet網(wǎng)絡主機終端的數(shù)據(jù)可靠傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸前要先建立邏輯連接，然后再傳輸數(shù)據(jù)，最后釋放連接3個過程。該協(xié)議的特點：（1）面向連接的傳輸；（2）端到端的通信；（3）高可靠性，確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，不出現(xiàn)丟失或亂序；（4）全雙工方式傳輸；（5）采用字節(jié)流方式，即以字節(jié)為單位傳輸字節(jié)序列；（6）緊急數(shù)據(jù)傳送功能。
4.2 GPRS模塊與遠程監(jiān)控中心主機TCP協(xié)議通信
設置遠程監(jiān)控中心主機IP為192.168.2.10，端口號為12345，實現(xiàn)GPRS模塊TCP遠程通信步驟如下：（1）ATE1 握手并設置回顯；（2）AT+CSQ 查詢當前信號質(zhì)量；（3）AT+CGREG？ 查詢模塊是否有注冊網(wǎng)絡；（4）AT+CGATT？ 查詢模塊是否附著 GPRS 網(wǎng)絡；（5）AT+CSTT 設置APN；（6）AT+CIICR 激活移動場景；（7）AT+CIFSR 獲得本地IP地址；（8）AT+CIPSTART="TCP"，"192.168.2.10"，12345 建立TCP/IP連接；（9）AT+CIPSEND 模塊向遠程監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。（10）遠程監(jiān)控中心向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；（11）AT+CIPCLOSE關閉TCP連接。
5 遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心設計
監(jiān)控中心系統(tǒng)的設計包括基礎數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理單元、水環(huán)境系統(tǒng)管理模塊、水環(huán)境監(jiān)測點信息管理模塊、水環(huán)境決策
信息服務模塊、水環(huán)境用戶管理模塊等。（1）數(shù)據(jù)信管理模塊主要包括對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分類顯示和歷史數(shù)據(jù)進行查詢、編輯、修改、刪除。（2）數(shù)據(jù)處理模塊主要包括對數(shù)據(jù)進行加工處理，并按年、月、日進行統(tǒng)計，將統(tǒng)計后的結(jié)果按照圖形圖表方式顯示、打印，實現(xiàn)對報警記錄的查詢、處理。（3）系統(tǒng)管理模塊主要包括設定浮標工作模式、傳感器的采樣周期和通信端口，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)信息查詢、管理。（4）決策支持信息服務模塊主要包括對歷史數(shù)據(jù)進行歸納分析，預測水質(zhì)變化趨勢，為決策層提供水環(huán)境數(shù)據(jù)分析結(jié)果及依據(jù)，便于決策層制定決策。（5）用戶管理模塊；實現(xiàn)用戶添加、刪除、修改密碼、權限管理等功能。根據(jù)不同用戶賦予相應訪問權限，為查詢系統(tǒng)和決策支持信息服務提供了基本的安全保障。
6 結(jié)束語
本文利用無線傳感器網(wǎng)絡的特點將傳感器節(jié)點相連接，實現(xiàn)了一個鄱陽湖水環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，能高效地監(jiān)控遠程監(jiān)測區(qū)域的水環(huán)境狀況，實現(xiàn)監(jiān)控的自動化、遠程化、實時化、信息化。符合當前的技術發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)水環(huán)境保護、恢復和開發(fā)利用的重要手段和關鍵環(huán)節(jié)。
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【關鍵詞】GPRS技術；城市環(huán)境；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
1.GPRS技術概述
GPRS是英文General Packet Radio Service的縮寫形式，譯成中文為通用分組無線業(yè)務，它屬于GSM向3G的過渡技術。其在當前GSM的基礎上擴充了以下功能：分組控制單元、GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點以及服務支持節(jié)點等，并在原有軟件的基礎上也進行了相應的升級，以分組交換技術代替了GSM獨占電路的交換方式，可以用戶端到端的無線IP連接。GPRS網(wǎng)絡與傳統(tǒng)GSM CSD最大的不同之處在于，GPRS業(yè)務全部是以數(shù)據(jù)流量進行計費的，這種計費方式非常適合數(shù)據(jù)通信的特點。不僅如此，GPRS的業(yè)務速度也較GSM CSD有了很大程度的提高，正常情況下，GPRS能夠提供高達115kb/s的傳輸速率，最高值可以達到384kb/s。
GPRS可以有效利用當前的GSM網(wǎng)絡，能夠使運營商在全國范圍內(nèi)以最小的投入為用戶提供全方位的數(shù)據(jù)業(yè)務。現(xiàn)如今，利用移動電話和便攜式電腦進行無線上網(wǎng)的用戶數(shù)量不斷增加，GPRS網(wǎng)絡也隨之獲得廣大用戶的青睞。GPRS用戶只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時才會占用相關的資源，也就是說若干個用戶可以高效率地共享一個無線通道，這極大程度地提高了資源的利用效率，而且用戶只需要根據(jù)數(shù)據(jù)通信流量進行付費，并不需要支付占用鏈路期間的費用，簡單來講，就是不產(chǎn)生GPRS流量不需要支付任何費用，這大幅度降低了用戶的使用成本，所以GPRS的用戶群體不斷擴大。目前，隨著GPRS技術的不斷發(fā)展和完善，使其在遠程數(shù)據(jù)傳輸中的應用越來越廣泛，圖1為基于GPRS網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。從圖1中可以清楚的看到，遠程數(shù)據(jù)采集或是控制模塊借助GPRS無線終端登錄到GPRS網(wǎng)絡當中，并與Internet上的數(shù)據(jù)中心建立端到端的連接，這樣一來便能夠?qū)崿F(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集控制模塊與數(shù)據(jù)中心之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。
圖1 基于GPRS網(wǎng)絡的無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖
由于GPRS技術能夠提供性能可靠、成本低廉的無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，使其被廣泛應用于諸多領域當中，如電力監(jiān)控、工業(yè)控制、無線定位、水文監(jiān)測、自動抄表等等。而將GPRS技術應用于城市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，則能夠?qū)崿F(xiàn)對多個測點的無線控制及數(shù)據(jù)傳輸，這也是本文研究的重點。
2.基于GPRS技術的城市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建
2.1系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設計
本文在基于GPRS技術的基礎上，對城市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行設計，系統(tǒng)主要由計算機（數(shù)據(jù)中心）和環(huán)境監(jiān)測儀（嵌入式ARM系統(tǒng)）兩部分構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)中心即上位機，處于系統(tǒng)管理層的上層，具體負責對監(jiān)測儀進行管理與控制；監(jiān)測儀即下位機，處于管理層的下層，受數(shù)據(jù)中心控制，主要負責對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集和傳輸。下位機通常都是分布在各個環(huán)境監(jiān)測點，并采用嵌入式技術予以實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信是其較為重要的兩個模塊，下面分別對其功能進行介紹：
2.1.1數(shù)據(jù)采集模塊
模塊主要是借助專用的傳感器和變送器對相關的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，如水質(zhì)、溫度、濕度、煙塵等等，然后將采集回來的信號轉(zhuǎn)換成為能夠被計算機處理的電信號，再由CPU對對這些電信號進行二次處理，使之轉(zhuǎn)化為與標準相符的數(shù)據(jù)，并存儲在芯片中，以備分析之用。由于整個數(shù)據(jù)采集過程中全部是借助傳感器和變送器來實現(xiàn)的，所以它們的選擇尤為重要，通常應當選用大廠家的產(chǎn)品，這樣能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量。
2.1.2數(shù)據(jù)通信模塊
在整個監(jiān)測系統(tǒng)當中，該模塊主要起著橋梁的作用，通過該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)中心與采集模塊之間的通信，其具體負責將相關環(huán)境數(shù)據(jù)按照上位機的請求通過GPRS上傳給上位機，并將由上位機發(fā)出的指令傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊。通常情況下，上位機可在用戶計算機上實現(xiàn)及運行，只需要聯(lián)入到互聯(lián)網(wǎng)即可。
2.2硬件設計
在本系統(tǒng)中，下位機的嵌入式硬件平臺主要由以下幾個部分構(gòu)成：微處理器、GPRS通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源、看門狗和JTAG。下面分別進行介紹：
2.2.1微處理器
本系統(tǒng)的CPU采用的是飛利浦公司出品的LPC2132芯片，其具有性價比較高、寄存器容量大、尋址方式簡單、長度指令固定、功耗低、體積小等等。
2.2.2 GPRS通訊模塊
本系統(tǒng)的GPRS采用的是SIEMENS公司出品的MC35i作為通訊模塊，其不但支持語音通訊，而且還具有GPRS、CSD和USSD三種數(shù)據(jù)傳輸方式，同時還具備SMS和FAX兩大功能，是一款非常強大的產(chǎn)品。MC35i的工作電壓為3.3-4.8V之間，最大工作電流為2A，屬于低功耗產(chǎn)品，可在EGSM900和GSM1800兩個頻段下工作，利用AT指令進行控制。此外，MC35i擁有多達40腳的ZIF接口，其中主要包括電源接口、RS232雙向串行接口、SIM 3V接口以及模擬語音接口等等。
2.2.3串口電路
RS232一直都是通信工業(yè)和PC機中使用最多的串行接口，GPRS終端可通過RS232接口與數(shù)據(jù)采集模塊進行通訊，并借助電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。
2.2.4電源轉(zhuǎn)換單元
本系統(tǒng)的硬件平臺中需要使用4.2V和3.3兩種電壓，GPRS通訊模塊的工作電壓為4.2V，而微處理器的工作電壓則為3.3V，為此需要設置電源轉(zhuǎn)換電路，本系統(tǒng)采用的是TPS7133和LM2596兩個芯片來實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的。
2.2.5看門狗
為了進一步確保本系統(tǒng)的安全、可靠運行，決定采用外接看門狗芯片TPS3705，以此來提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。該芯片具有上電復位、電壓比較和手動復位等功能，上電復位延遲為200ms。
2.2.6 JTAG接口單元
通過IEEE1149.1-1990標準，可對帶有JTAG接口的芯片的硬件電路進行掃描和檢測。
2.3系統(tǒng)軟件設計
在本系統(tǒng)的軟件設計中，GPRS模塊設置是重點環(huán)節(jié)，下面對此進行詳細介紹。當全部硬件連接完畢后，在進行GPRS上網(wǎng)操作之外，應當先對GPRS模塊進行相應設置，這一過程主要是借助AT指令來實現(xiàn)的，具體設置流程如下：
首先設置通信波特率，可采用AT+IPR=38400命令，將其設定為38400b/s；隨后設置移動終端類別，即AT+CGCLASS=“B”，終端類別為B類，該類別具體是指同時對多種業(yè)務進行監(jiān)控，但僅能夠運行一種業(yè)務，也就是說在同一時間段內(nèi)，只可以使用GPRS上網(wǎng)或是進行語音通信；再設置接入網(wǎng)關，即AT+CGD CODT=1，“IP”，GPRS的接入網(wǎng)關為移動互聯(lián)網(wǎng)，完成該步驟后需要對GPRS進行測試，看該服務是否開通，命令為AT+CGACT=1，1；若是返回OK則表明成功連接至GPRS網(wǎng)絡，如果失敗便會返回ERROR，那么此時需要檢查GPRS天線，看安裝是否正確，同時查看SIM卡是否開通GPRS業(yè)務；成功連接GPRS后，便可以進入到數(shù)據(jù)傳輸模式。
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本預案適用于在本市行政區(qū)域內(nèi)人為或不可抗力造成的廢氣、廢水、固廢（包括危險廢物）、危險化學品、有毒化學品、電磁輻射，以及核、生物化學等環(huán)境污染、破壞事件；在生產(chǎn)、經(jīng)營、貯存、運輸、使用和處置過程中發(fā)生的爆炸、燃燒、大面積泄漏等事故；因自然災害造成的危及人體健康的環(huán)境污染事故；影響飲用水源地水質(zhì)的其它嚴重污染事故等。
二、組織機構(gòu)
市環(huán)境保護局成立市環(huán)境污染事故應急處理領導小組，由市環(huán)保局局長XX同志任組長，下轄市環(huán)境監(jiān)察應急小組和市環(huán)境監(jiān)測應急小組。領導小組負責受理轄區(qū)內(nèi)環(huán)境污染和生態(tài)破壞事故報告，調(diào)查事故原因、污染源性質(zhì)及發(fā)展過程，立即作出應急處置措施反應；及時向市政府報告轄區(qū)內(nèi)重大環(huán)境污染和生態(tài)破壞事故及其處理情況；組織轄區(qū)內(nèi)重大環(huán)境污染及生態(tài)破壞事件的現(xiàn)場監(jiān)察、監(jiān)測及處理；領導市環(huán)境監(jiān)察應急小組和市環(huán)境監(jiān)測應急小組的應急處理工作。
市環(huán)境監(jiān)察應急小組由市環(huán)保局污染控制科和市環(huán)境監(jiān)察大隊組成。負責應急事故的現(xiàn)場調(diào)查、取證；提供應急處置措施建議；協(xié)助有關單位做好人員撤離、隔離和警戒工作；立案調(diào)查事故責任；做好應急處理領導小組交辦的其它任務。
市環(huán)境監(jiān)測應急小組由市環(huán)保局自然保護科和市環(huán)境監(jiān)測站組成。負責污染物的現(xiàn)場快速定性分析、為應急處理提供依據(jù)；對環(huán)境污染物的性質(zhì)、危害程度做出準確的認定；對環(huán)境恢復、生態(tài)修復提出建議措施等；辦好應急救援領導小組交給的其它任務。
三、工作程序
（一）任務受領及要求
市環(huán)境污染事故應急處理領導小組在接到污染事故發(fā)生的警報后，應立即通知市環(huán)境監(jiān)察應急小組和市環(huán)境監(jiān)測應急小組趕赴現(xiàn)場，當出現(xiàn)重、特大突發(fā)性環(huán)境污染事件時，領導小組應有一名以上成員到現(xiàn)場指揮應急救援工作。
市環(huán)境監(jiān)察應急小組受領導任務后，應盡可能了解以下內(nèi)容并及時向市環(huán)境污染事故應急救援領導小組匯報：
（1）事故發(fā)生的時間、地點、性質(zhì)、原因以及已造成的污染范圍；
（2）污染源種類、數(shù)量、性質(zhì)；
（3）事故危害程度、發(fā)展趨勢、可控性及預采取的措施；
（4）本小組基本任務、到達時限等要求；
（5）友鄰小組的任務，可能得到的支援及協(xié)同規(guī)定；
（6）上級指揮機構(gòu)（指揮員）位置、指揮關系、聯(lián)絡方法；
（7）受領任務后48小時內(nèi)發(fā)出速報，報告事故發(fā)生的時間地點、污染源、經(jīng)濟損失、人員受害情況等；
（8）其它需要清楚的情況。
市環(huán)境監(jiān)測應急小組受領任務后、應盡可能做好以下工作并及時向市環(huán)境污染事故應急救援領導小組匯報：
（1）一般情況下，水污染在4小時內(nèi)，氣污染在2小時內(nèi)定性檢測出污染物的種類及其可能的危害；
（2）一般情況下，24小時內(nèi)定量檢測出污染物的濃度、污染的程度和范圍，并發(fā)出監(jiān)測報告；
（二）趕赴現(xiàn)場
市環(huán)境污染事故應急處理領導小組按指定路線組織環(huán)境監(jiān)察和環(huán)境監(jiān)測應急人員和車輛趕赴現(xiàn)場，明確途中聯(lián)絡方法，靈活果斷地處置開進途中情況，確保按時到達應急地區(qū)。
（三）應急處置
環(huán)境監(jiān)察和環(huán)境監(jiān)測應急小組到達現(xiàn)場附近后，應根據(jù)危害程度及范圍、地形氣象等情況，組織個人防護，進入現(xiàn)場實施應急。要盡快弄清污染事故種類、性質(zhì)，污染物數(shù)量及已造成的污染范圍等第一手資料，經(jīng)綜合情況后及時向領導小組提出科學的污染處置方案，經(jīng)批準后迅速根據(jù)任務分工，按照應急與處置程序和規(guī)范組織實施，并及時將處理過程、情況和數(shù)據(jù)報指揮部。
1、現(xiàn)場污染控制
（1）立即采取有效措施，與相關部門配合，切斷污染源，隔離污染區(qū)，防止污染擴散；
（2）及時通報或疏散可能受到污染危害的單位和居民；
（3）參與對受危害人員的救治。
2、現(xiàn)場調(diào)查與報告
（1）污染事故現(xiàn)場勘察；
（2）技術調(diào)查取證；
（3）按照所造成的環(huán)境污染與破壞的程度認定事故等級，共分四級。根據(jù)《報告環(huán)境污染與破壞事故的暫行辦法》進行報告。
（4）環(huán)境監(jiān)測應急小組應采取污染跟蹤監(jiān)測，直至污染事故處理完畢、污染警報解除。
四、后勤保障
（一）通信保障
1、應急啟動時的通信保障。應急通知下達與接收以有線通信為主，利用辦公電話，實現(xiàn)應急信息快速傳輸。在外應急員的聯(lián)絡以移動電話等無線通信為主，確保應急通知快速下達。
2、開進中的通信保障。以無線通信為主。應急指令的下達與接收，事故現(xiàn)場應急信息的通
報與反饋，主要利用移動通訊。3、處置中的通信保障。采取無線通信、有線通信與運動通信相結(jié)合的方式，以無線通信為主。指揮部（或應急辦）可利用現(xiàn)場臨時架設開通有線電話指揮網(wǎng)、固定電話、移動電話，實現(xiàn)上情下達；應急小組在應急過程中，主要是利用移動電話，輔以運動通信，實現(xiàn)信息雙向交流。
（二）運輸保障
運轉(zhuǎn)的確認和調(diào)度由局應急領導小組組織實施。平時各應急車輛須保證100公里以上的行車用油。開進中根據(jù)實際情況由局應急領導小組統(tǒng)一組織交通等勤務保障。
（三）其他保障
關鍵詞：自動控制技術；環(huán)境監(jiān)測；環(huán)境管理；數(shù)據(jù)管理
中圖分類號：X830 文獻標識碼：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.08.150
隨著科學技術的日新月異，信息化時代已經(jīng)到來，各行業(yè)領域的自動化水平逐步提高，環(huán)境監(jiān)測領域面臨著巨大發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。如何將現(xiàn)代化技術與生態(tài)環(huán)境的保護工作完美地融合在一起，是政府部門和研究人員應努力解決的問題，從而開發(fā)新型的自動控制技術，提升環(huán)境監(jiān)測工作的質(zhì)量和效率，轉(zhuǎn)變行業(yè)現(xiàn)狀。
1自動控制新技術的應用現(xiàn)狀
雖然自動控制新技術在環(huán)境監(jiān)測領域的應用時間不長，但其運用范圍較大，且影響較大。自1999年起，我國環(huán)保部就已開始建立水質(zhì)自動檢測站，主要集中于松花江、長江、淮河流域。經(jīng)過近30年的發(fā)展后，我國已有40座自動檢測站投入使用，比如天津市濱水水質(zhì)檢測中心、上海黃浦江區(qū)域檢測中心等。而在社會發(fā)展的過程中，空氣污染越來越嚴重，霧霾等惡劣天氣逐漸增多。因此，大氣環(huán)境的監(jiān)測工作力度不斷加大，比如，北京市已建立了26個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站，江蘇省以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，在絕大多數(shù)市、縣建立了空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站。從國外的應用情況看，以美國為代表的發(fā)達國家早在20世紀70年代就開始將自動控制新技術應用于環(huán)境保護工作，形成了完整的環(huán)境監(jiān)測體系。至今為止，美國已設立了6000個監(jiān)測點，其中，國家級監(jiān)測點有350個；而荷蘭等國家設立了覆蓋全國的空氣質(zhì)量監(jiān)測點。
2自動控制技術在環(huán)境監(jiān)測領域的應用
自動控制新技術在環(huán)境監(jiān)測領域的應用主要包括寬帶高速技術、數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)技術等，其都以計算機、互聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)為基礎，能準確地為監(jiān)測工作提供數(shù)據(jù)。寬帶高速技術又可分為無線GRPS和有線Modem。目前，使用較廣泛的是無線GRPS，其受環(huán)境因素的影響小、靈活性高，不需要考慮頻道干擾和網(wǎng)絡費用等問題。在環(huán)境監(jiān)測領域中，自動控制通信技術主要應用于大氣、水質(zhì)等的檢測，它突破地域空間的限制，動態(tài)監(jiān)測污染源，且在對噪聲污染等突發(fā)性信息的傳輸上有獨特優(yōu)勢。隨著衛(wèi)星業(yè)務的發(fā)展，我國設立了80多個監(jiān)測水質(zhì)自動站，提升了通信技術在環(huán)境監(jiān)測領域的應用水平。數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)技術（DDN）主要的優(yōu)勢為速度快，特別適用于我國的監(jiān)測子站。
2.1遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用
遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是自動控制技術的重要組成部分之一，主要包括中心站控制、通信技術和遠程視頻。其中，核心是中心站控制，其主要完成環(huán)境監(jiān)測信息的處理，通過監(jiān)控現(xiàn)場圖像、協(xié)調(diào)控制信號等方式，最終實現(xiàn)遠程動態(tài)監(jiān)測。在環(huán)境監(jiān)測領域，遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要應用于監(jiān)測子站，能及時了解水質(zhì)監(jiān)測子站水資源的變化情況、空氣污染程度等。
2.2組態(tài)軟件的應用
組態(tài)軟件以圖形技術、控制技術、數(shù)據(jù)庫技術等基礎，能快速采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時進行數(shù)據(jù)處理，特別是組態(tài)報表功能，不僅儲存各類報表，比如環(huán)境日報、季報等，且能在報表中加入更清晰的圖像，比如折線圖、柱狀圖等，從而實時為用戶提供數(shù)據(jù)，其主要構(gòu)成如圖1所示。
2.3GIS地理信息系統(tǒng)的應用
GIS地理信息系統(tǒng)的應用對環(huán)境監(jiān)測有較大的影響，它能幫助控制室找出污染源因素，并通過計算機等技術模擬排放過程，以動態(tài)的形式向人們展示環(huán)境監(jiān)測過程。特別是在城市環(huán)保信息系統(tǒng)中，GIS地理信息系統(tǒng)通過收集原始數(shù)據(jù)，可幫助環(huán)保部門快速整理資料，進行等標負荷、監(jiān)測點點位、排污申報、空氣質(zhì)量周報、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化輸出等方面的分析，并建立環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、基礎圖形庫、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等，從而對環(huán)境規(guī)劃進行實時調(diào)整，為新型城市化建設提供數(shù)字化、自動化和信息化基礎。
3自動控制新技術的應用流程
自動控制新技術在環(huán)境監(jiān)測領域中主要用于水質(zhì)、空氣和污染源質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)。
3.1自動控制新技術在環(huán)境決策中的應用
隨著可持續(xù)綠色發(fā)展理念的普及，我國的經(jīng)濟生產(chǎn)模式逐漸從粗獷型轉(zhuǎn)變?yōu)榧s型。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能實時觀察環(huán)境的變化情況，其決策工作主要包括環(huán)境政策的制訂、環(huán)境技術支持等，在此過程中加入自動控制技術能更加準確地預測環(huán)境發(fā)展的方向。
3.2自動控制新技術在數(shù)據(jù)收集中的應用
環(huán)境監(jiān)測工作通過自動控制新技術能收集大量的原始數(shù)據(jù)，研究人員需要對這些數(shù)據(jù)進行科學分類和整理。需要注意的是，人們的環(huán)保意識在逐步增強，環(huán)境監(jiān)測工作應結(jié)合人們的實際需求，利用自動控制收集、技術，并賦予人們環(huán)境知情權；組織人們參與環(huán)境監(jiān)測過程，這有利于監(jiān)督自動監(jiān)測工作，從而提升環(huán)境保護工作的質(zhì)量。
3.3自動控制新技術在保護環(huán)境中的應用
傳統(tǒng)的環(huán)境保護主要是在室內(nèi)實驗室進行的，這是因為受到自然因素和人為因素的影響，研究人員無法深入實地考察。但隨著自動控制新技術的應用，擴大了環(huán)境監(jiān)測的范圍，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方式的技術瓶頸，借助GPS等系統(tǒng)避免了人為失誤的出現(xiàn)。
4結(jié)束語
綜上所述，在環(huán)境監(jiān)測領域中應用自動控制新技術能有效保護生態(tài)環(huán)境，及時跟蹤、解決保護環(huán)境過程中出現(xiàn)的新問題。因此，環(huán)保部門應加大對自動控制技術的研發(fā)力度，積極借鑒國內(nèi)外的先進經(jīng)驗創(chuàng)新自動控制技術，深入生態(tài)環(huán)境復雜的地區(qū)，基于區(qū)域整體視角，制訂系統(tǒng)的環(huán)境保護措施，實時監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量的變化情況，從而改善生態(tài)環(huán)境，協(xié)調(diào)人與自然的關系。
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