基于無線傳感器網絡和3G/4G的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

王德麾+馮軍帥+宋海亮+謝志梅

摘 要：針對現有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有線傳輸的的缺點，提出一種基于無線傳感器網絡和3G/4G的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點和數據中心構成，傳感器節(jié)點對采集到的環(huán)境信息進行加密、編碼等處理，通過近程無線通信模塊上傳至數據中心；數據中心編碼、加密、壓縮多個傳感器節(jié)點上傳的信息，通過3G/4G無線網絡上傳至數據服務器。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、環(huán)保、可靠的優(yōu)點，可廣泛應用于遠程環(huán)境監(jiān)測。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網絡；3G/4G；遠程控制

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

環(huán)境監(jiān)測網絡是一種在線自動監(jiān)測方式，它利用傳感器對環(huán)境進行測量并將數據通過網絡發(fā)送到監(jiān)測中心，實時地對被監(jiān)測地點的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素進行檢測，可減少工作人員的工作量；通過分析數據，可及時確定環(huán)境質量及其變化趨勢，廣泛用于災害預測、空氣質量監(jiān)測、酸雨監(jiān)測、輻射監(jiān)測、水質監(jiān)測等重要領域[1]。目前，現有的環(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，現有的監(jiān)測節(jié)點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，因此現有系統(tǒng)還存在不便于維護的缺陷。

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絡和3G/4G技術的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器對環(huán)境數據進行實時監(jiān)測，通過3G/4G模塊實現數據的無線通信，通過太陽能電池和蓄電池供電，能克服現有系統(tǒng)存在的問題，兼具環(huán)保和低功耗等特點，還可實現對遠距離環(huán)境的監(jiān)測。

1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）是由部署在被監(jiān)測區(qū)域內大量靜止或運動的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其作用是協(xié)調感知、采集、處理和傳輸被檢測區(qū)域內被監(jiān)測對象的信息，并將這些數據傳送至網絡的數據中心。目前被廣泛應用于軍事、救災、環(huán)境、醫(yī)療、工業(yè)等方面。

WSN的顯著特點是電池能量有限、部署迅捷、高容錯性和強隱蔽性的自組織的網絡拓撲結構[3]。由于傳感器節(jié)點電池能量有限，因此在非工作狀態(tài)下，傳感器節(jié)點應處于休眠狀態(tài)以減少功耗。傳感器節(jié)點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網絡能及時對環(huán)境的變化、網絡自身的變化、網絡控制指令做出反應，特別適合在惡劣環(huán)境下工作。

2 系統(tǒng)結構設計

本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所用的WSN由傳感器群（節(jié)點）和至少1臺匯聚設備（匯聚節(jié)點）組成。它們之間采用ZigBee協(xié)議進行自組網和無線數據傳輸。

匯聚設備配有3G/4G模塊，負責將采集的環(huán)境信息通過互聯網上傳至數據中心。

數據中心為TCP/IP服務器或UPD服務器，與傳感器匯聚節(jié)點通過無線移動公網進行數據交換。其本身則通過無線、專線或Internet接入無線移動公網。本系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

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

圖2 遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構框圖

3.1 傳感器群

傳感器群由若干傳感器單位組成，分布于匯聚設備周圍。每個單元采集至少1種環(huán)境信息，并通過ZigBee無線數據網絡傳送數據至匯聚設備，并接收由匯聚設備轉發(fā)的遠程控制指令；每個傳感器單元能夠自動進行功耗管理，以延長工作時間。

3.2 通信模塊

用于發(fā)送傳感器數據和接收遠端指令。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絡覆蓋的地區(qū)，降低數據傳輸成本，提高系統(tǒng)安裝的便捷性。遠程無線通信可以采用3G/4G網絡，使用TCP/IP協(xié)議或UDP協(xié)議接入互聯網，保證數據傳輸速度和質量。通信模塊需要在雷雨天氣下傳輸數據，是雷擊目標，可通過并聯防雷模塊保證其安全性。

3.3 電源管理模塊及太陽能電池

電源管理模塊內部包括充電電路及電壓轉換電路，負責將太陽能電池板發(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備供電，具有充放電過保護功能和充放電穩(wěn)壓功能，避免蓄電池過度充電和過度放電，保證充放電質量，延長電池使用壽命。

3.4 機體設計

為系統(tǒng)在野外環(huán)境下提供長期有效防護，防止機箱內進水、腐蝕、蟲咬，可采用鋁合金材料或經熱浸鋅處理的鋼材料，開合處加密封墊或其他密封材料，機箱與外部接線的孔用橡膠環(huán)并灌注密封膠。機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)軟件設計

4.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)中，傳感器群和匯聚設備間采用ZigBee協(xié)議，該協(xié)議適用于低速短距傳輸的無線傳感器網絡，具有低功耗、低成本、短時延、大容量、安全性好的優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)自動化智能化等領域。在本系統(tǒng)中，采用ZigBee協(xié)議還可以根據不同需求對傳感器節(jié)點實現任意增減或者改變網絡的拓撲結構。

4.2 軟件流程設計

圖3 軟件流程設計框圖

5 結 語

本文提出了基于WSN和3G/4G的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了有線傳輸布局范圍小、維護困難等問題，實現了對被監(jiān)測點的實時監(jiān)測，在很大程度上節(jié)省了人力成本，便于對環(huán)境信息進行統(tǒng)一管理。同時，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。

參考文獻

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