張新耀　馮啟朋　霍鵬　王亞慧

摘要：室內(nèi)環(huán)境與人的生活、工作密切相關(guān)，一般具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜及區(qū)域差異性大的特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有感知能力、計(jì)算能力、無線通訊能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的智能網(wǎng)絡(luò)，可以有效地監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)變化，并能夠?qū)Νh(huán)境異常做出實(shí)時(shí)處理，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的分區(qū)域環(huán)境監(jiān)控，由此設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的智能室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)。文章通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、軟硬件實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析研究，最終證明了由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)可以高效地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)；環(huán)境監(jiān)控；環(huán)境參數(shù)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）30-0030-03

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)于一體，它由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其具有成本低、能耗小等特點(diǎn)，已經(jīng)展現(xiàn)了非常廣闊的應(yīng)用前景，參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)

[2]中分別介紹了其在農(nóng)業(yè)與醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。2003年MIT技術(shù)評(píng)論Technology Review在預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，將其列為改變世界的十大新技術(shù)之一。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及生活條件的改善，人們對(duì)工作和生活環(huán)境的安全性和舒適度提出了更高的要求，而室內(nèi)環(huán)境與人們的生活與工作息息相關(guān)，因此室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)各式各樣的生活與工作要求，室內(nèi)環(huán)境的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，正是這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣性及區(qū)域差異性，給室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制帶來了諸多挑戰(zhàn)。但是，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，這些挑戰(zhàn)均迎刃而解。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的監(jiān)控功能主要利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、下位機(jī)和上位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)：作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，它可以利用搭載的多種傳感器來獲取室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，通過微機(jī)電系統(tǒng)將這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理，并打包通過無線通訊模塊發(fā)送至下位機(jī)。

下位機(jī)：作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，下位機(jī)起著承上啟下的作用。它既能夠通過無線通訊模塊與諸傳感器節(jié)點(diǎn)通訊，又能通過串口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互，最終實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的協(xié)調(diào)。

上位機(jī)：作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。通過對(duì)下位機(jī)呈遞的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，上位機(jī)能夠提取各環(huán)境參數(shù)信息，并將其圖形化顯示。此外，通過設(shè)置環(huán)境參

數(shù)閾值，上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)功能介紹

環(huán)境參數(shù)采集與圖形化顯示：傳感器節(jié)點(diǎn)通過搭載的各類傳感器可以采集各類環(huán)境參數(shù)，例如溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量等，并通過無線傳輸將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)通過解包提取各環(huán)境參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行圖形化顯示。通過圖形化顯示，可以直觀地得到環(huán)境參數(shù)的變化過程，便于發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常及對(duì)環(huán)境變化趨勢(shì)做出合理判斷。

異常處理：當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則判定為異常狀態(tài)。此時(shí)，可以通過上位機(jī)軟件，調(diào)整相應(yīng)節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備的工作狀態(tài)，以使環(huán)境參數(shù)恢復(fù)正常。

雙重工作模式：上位機(jī)軟件設(shè)置有雙重工作模式，即自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式。在自動(dòng)工作模式下，上位機(jī)會(huì)根據(jù)閾值判斷當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境是否發(fā)生異常，從而對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，使室內(nèi)環(huán)境維持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。在手動(dòng)模式下，可以根據(jù)當(dāng)前的需要，主動(dòng)干預(yù)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)某些特殊條件下特殊要求。

3 硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件的設(shè)計(jì)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：由5個(gè)基本部分組成，分別為傳感器檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元、控制單元和電源供應(yīng)單元。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點(diǎn)的處理器使用綜合性能較好的ATMEL的AVRmega16單片機(jī)。本節(jié)點(diǎn)擬設(shè)計(jì)為通用節(jié)點(diǎn)，可拓展為8路開關(guān)/模擬量輸入、8路輸出外接控制器、2路占空比可調(diào)PWM，可接多種多個(gè)傳感器，擴(kuò)展性強(qiáng)。傳輸采用AM2400BS-R（NRF2401）無線通信模塊，收發(fā)頻率為2.4～2.524GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率最快為1M/bps，可以傳輸較大的數(shù)據(jù)包，發(fā)射功率最大為0dB，傳輸距離遠(yuǎn)。節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3所示?？刂茊卧衫^電器、排氣扇、風(fēng)扇（可由PWM控制轉(zhuǎn)速）、白熾燈、火警報(bào)警器等組成。電源根據(jù)具體情況可以采用220V交流電、蓄電池、太陽(yáng)能電池、USB等供電，省電也是本系統(tǒng)考慮的主要因素。

通信協(xié)議：分為無線通信協(xié)議和串口通信協(xié)議。無線通信協(xié)議分為上行和下行協(xié)議，上行協(xié)議用于節(jié)點(diǎn)到下位機(jī)的數(shù)據(jù)信息傳輸，下行協(xié)議用于下位機(jī)到節(jié)點(diǎn)的控制命令傳輸。上下行協(xié)議中預(yù)留了保留位，方便進(jìn)行系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。下位機(jī)與上位機(jī)之間采用RS232串行通信協(xié)議。

3.2 軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件：采用Visual C#語(yǔ)言編寫，在Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖5所示。主要包括用戶登錄界面、區(qū)域選擇界面和參數(shù)顯示界面。用戶登錄界面用于設(shè)定用戶權(quán)限，保證系統(tǒng)安全；區(qū)域選擇界面有利于用戶快速定位目標(biāo)區(qū)域，保證系統(tǒng)快捷方便；參數(shù)顯示界面可以記錄并顯示參數(shù)歷史信息，并提供參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線和控制按鈕，方便用戶對(duì)參數(shù)未來的變化趨勢(shì)進(jìn)行合理預(yù)測(cè)和對(duì)異常情況進(jìn)行處理。

Internet的創(chuàng)新性應(yīng)用：可在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行拓展，不僅可以方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可以擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，使該系統(tǒng)擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

為了進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，設(shè)計(jì)了一套模擬系統(tǒng)，該模擬系統(tǒng)包括3個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)搭載溫濕度傳感器、光照傳感器和煙霧報(bào)警模塊。

通過對(duì)3個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢，測(cè)試得到最大的無線通訊有效距離約為30米。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)低功耗，低成本，便于安裝。通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)功能實(shí)用可行，是對(duì)室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的重大改進(jìn)。對(duì)室內(nèi)環(huán)境可以全面的了解和掌握，對(duì)異常情況可以做出正確的判斷和實(shí)時(shí)有效的處理，使室內(nèi)環(huán)境的安全性及舒適度得到大幅改善。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：中國(guó)海洋大學(xué)“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目資助（編號(hào)：100082491002）

作者簡(jiǎn)介：張新耀（1990-），男，山東兗州人，中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：海洋技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）