无线传感器网络在远程环境检测中的应用

无线传感器网络在远程环境检测中的应用这些年，由于科技的发展，出现了类似互联网工作原理的技术，这就是无线传感器网络。既然出现了像网络一样的技术，这样的技术有覆盖面广，数据精确等特点。我们如今面临的环境问题一直得不到解决，为了解决使用传统有线方式监测环境的方式不仅浪费资源还甚至破坏环境，专家提出了一种利用无线传感器网络构建环境远程监测系统的设计方案。该方案是采用无线射频收发芯片和适量的外围电路来设计传感器节点和中心控制节点的硬件电路，然后设计无线传感器网络中传感器节点和中心控制节点的应用软件。传感器节点是系统的数据源，它主要由湿度、温度、烟尘等多路传感器采集模块、信号调理模块和无线收发模块组成，负责采集和上传监测区域内的各种环境参数和接收环境监控中心发送的模式控制命令。为满足野外无人值守的需求，设计可采用电池供电方式。在无线传感器网络中，传感器节点可通过飞机布撒，人工布置等方式，以一定的间隔距离分布在监控区域内。这些节点通过自组织方式构成无线网络，并以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定以及需要的信息，从而实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析这样我们就能广泛并且精确地知道当地当时环境的湿度温度以及烟尘的精确资料。这种以自组织形式构成的网络，可通过多次无线传送的方式将数据传回中心控制节点，最后将整个区域内的数据传送到远程控制中心来进行集中处理。无线传感器解决方案的体系结构由传感器节点、中心控制节点和环境信息监控中心三部分组成。如图1所示：图1中心控制节点负责启动整个网络和维护节点，采集无线传感器网络上传来的环境参数，并通过串口发送到监控中心计算机上，同时侦听串口接收中断，用以向传感器节点发送模式控制指令，因此，在中心控制节点的硬件平台上可扩展使用。考虑到功耗等问题，电源系统的设计采用稳压电源供电，这样电量较为充足，能够满足系统需求。除了上述特殊需求外，中心控制节点的结构设计与传感器节点的不同之处是其不包含传感器组和信号调理模块。传感器节点是系统的数据源，它主要由湿度、温度、烟尘等多路传感器采集模块、信号调理模块和无线收发模块组成，负责采集和上传监测区域内的各种环境参数和接收环境监控中心发送的模式控制命令。为满足野外无人值守的需求，设计可采用电池供电方式。结构框图如图2：图2传感器节点、中心控制节点之间的数据传输必须遵循一定的数据格式，才能保证传输数据的正确性和有效性。一种有效的数据帧格式对于通信网络中数据的准确传输能起到事半功倍的效果。数据帧的定义应该满足两个条件：一是要具有很好的扩展性，以方便系统扩展其他服务；二是要尽量简洁，以减少通信网络中的数据流量，使数据通信更通畅。当传感器节点向中心控制节点发送数据时，必须让中心控制节点知道自己上传数据的类型以及自己的设备特征，这样，当出现异常时，监测网络就可以报告出现异常的区域以及异常的特征。考虑到这个需求，在网络中传输的数据就必须按照网络约定的格式进行存储。中心控制节点是无线传感器网络与监控中心交互的关键部分。它作为无线传感器网络的协调器，可建立一个新的无线通信网络，以负责网络标识符的选取，并允许加入网络，实施节点绑定；接收传感器节点的环境数据，并进行预处理；同时，还通过RS232串口将数据传输到监控中心进行数据分析和处理。因此，中心控制节点应该一直处于活跃的工作状态，时刻无线数据和串口数据。中心控制节点在无线传感器网络中充当着协调器的角色，它应该具有建立一个新的网络并允许其他节点加入的能力；同时，中心控制节点还要实现无线传感器网络和监控中心计算机的数据通信功能。中心控制节点工作时，首先用电源开关S1启动监测站网关，以开始建立一个新的网络过程，并进行串口初始化。监测站网关的应用程序应通过应用层接口与协议栈连接，从而建立网络、允许加入网络和绑定等，而且这些工作应在协议栈内自动完成。初始化完毕后，中心控制节点即进入一个无限循环。在此循环中，中心控制节点首先判断是否有串口中断指令，然后响应指令，并将指令广播发送到传感器节点；若无串口中断数据，则侦听空中无线数据，若侦听到无线数据经加和校验判断为有效数据，则将数据通过串口发送到监控中心。考虑到节点对能耗的要求，节点不应该一直不停歇的对监测区域的环境参数进行采集，因此，本系统为传感器节点设计了周期采集和睡眠两种工作模式。在周期采集模式下，网络中采集数据的节点将按照设定的时间间隔和循环采集次数对环境数据进行采集和上传，当采集发送指定次数后，传感器节点自动进入睡眠模式。应用层在收到成功入网的事件消息后，将设置睡眠定时器并开启全局中断，此后节点将进入睡眠状态以实现低功耗工作。在睡眠状态下，传感器节点的大部分内部电路掉电关闭，只有上电复位、外部中断、睡眠时钟处于活跃状态，但此时传感器节点能够时刻侦听空中的无线数据。在睡眠模式下，若传感器节点侦听到无线数据，则对接收到的数据进行解析。若为有效的周期采集命令，则唤醒传感器节点进入周期采集工作模式，同时设置周期采集时间间隔和采集次数。开始循环采集上传环境数据。当采集发送到指定次数时，传感器节点又自动进入睡眠侦听模式。本文提出了无线传感器网络环境监控系统的整体架构，通过空间节点以及传感器的合理应用，可以对一些想要时刻了解环境资料的地区用这种方法去检测可以减少耗能，还能方便的操作，同时系统稳定性、响应速度等性能都可满足实际需求，这项技术将会很广泛地利用。