基于物联网的环境监测实现研究.docx

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基于物联网的环境监测实现研究

基于物联网的环境监测实现研究

戴礼森

工作完成日期:

2010.4

报告提交日期:

2011.1

摘要

近年来物联网（TheInternetofthings）的概念和技术逐渐成为研究的热点，被认为它是继计算机、互联网与移动通信网之后信息产业发展又一次浪潮，开发应用前景巨大。

物联网是通信网络的延伸，它能够使我们的社会更加自动化，降低生产成本提高生产效率，借助通信网络随时获取远端的信息。

而作为物联网技术基础的无线传感器网络是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

本文研究了物联网技术在环境监测系统的应用，尤其是在严酷环境中对环境参数的检测和采集，对无线传感器网络的几种关键技术，如节点供电、自组织路由，以及和互联网的连接等进行了研究，给出了具体解决方案、硬件和软件路由设计等。

关键词：

物联网、无线传感网、环境监测、ZigBee、TinyOs

1前言4

2物联网与无线传感网5

1.1.环境监测典型应用6

3物联网环境监测系统设计8

3.1无线采集节点设计8

3.1.1节点结构及功能设计8

3.1.2硬件设计11

3.2节点路由协议实现13

3.3无线网关设计17

3.3.1网关与上位机通讯协议18

3.3.2网关路由协议实现22

3.4上位机通信与数据分析处理24

3.4.1上位机通信软件结构24

4结束语28

1前言

近年来物联网的概念和技术被广泛关注，普遍认为它是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业发展又一次浪潮，开发应用前景巨大。

美国研究机构Forrester预测，物联网所带来的产业价值要比互联网大30倍，将形成下一个万亿元级别的通信业务。

所谓物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制

中国政府和领导人对物联网高度重视，国家主席胡锦涛、国务院总理温家宝等领导在不同场合多次强调要依靠科技创新，引领经济发展；要注重经济结构调整和发展模式转变，重视新兴产业的发展等问题；明确提出了“感知中国”的理念，自此“物联网”提到国家议事日程。

为抢占未来信息技术的制高点，我国政府也制定了相应的物联网研究和发展计划，并提出“感知中国”的概念。

而且在2010年政府工作报告中更是指出，中国要大力培育战略性新兴产业，并特别提出要加强物联网的研发应用。

物联网研究起步于90年代末期的美国军方，2001年起DARPA每年都投入千万美元进行物联网技术研究。

麻省理工学院、加州大学伯克利分校等高校，Intel、HP等IT公司进行了大量物联网的基础理论和关键技术的研究。

我国物联网的研究与发达国家同步。

2001年中科院成立了微系统研究与发展中心。

2002年至2009年期间，国家自然基金和“863”计划共支持物联网项目144项。

中科院上海微系统所和清华、浙大、国防科大等院校较早地开展了物联网的相关研究。

国外大部分物联网产品的研发仍处于理论研究和小规模试验阶段，目前仍处于技术膨胀期，没有形成统一的技术标准，距离成熟实际应用仍需几年时间。

DustNetworks、CrossbowTechnologies等公司的物联网系列产品已走出实验室，进入应用测试阶段。

国内物联网产品的研发与标准化工作还处于起步阶段。

作为物联网技术基础的无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

它综合了传感器、RFID技术、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监控、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

本文报告了物联网技术在环境监测系统的应用，尤其是在严酷环境中对环境参数的检测和采集，对几种关键技术，如节点供电、自组织路由，以及和互联网的连接等进行了研究，给出了具体解决方案结构设计、路由设计等。

2物联网与无线传感网

一般来说，传感器网络相当于物联网中的“感知层”，对于物体的运动和所处环境通过传感器网络进行搜集和整理，数据则通过传输网络传输到应用层，进行运算、处理、反馈或者实施等等，有人把物联网等同于传感器网，这是不全面的。

以互联网为代表的计算机网络技术是二十世纪计算机科学的一项伟大成果，它给我们的生活带来了深刻的变化，然而在目前，网络功能再强大，网络世界再丰富，也终究是虚拟的，它与我们所生活的现实世界还是相隔的，在网络世界中，很难感知现实世界，很多事情还是不可能的，时代呼唤着新的网络技术。

可以预见，在不久的将来，无线传感网络将给我们的生活带来革命性的变化

图1物联网数据链

环境监测典型应用

在某些严酷环境中，如桥梁、水坝、矿山等部署相应的传感器节点，通过自组织路由形成无线传感网，再由网关接入互联网。

也同样适用远端无人值守机房、感知家庭、农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等场所。

参数传感器可以是位移传感器、震动传感器、液位传感器、压力传感器、温度传感器等。

其典型应用如图2、图3所示。

图2矿井环境检测系统

图3桥梁状态检测

举例来说，目前我国煤矿采用的煤矿支架压力监测系统都是以工业CAN总线为基础，井下监测系统与地面信息中心通过电缆或光纤连接，构成有线信息传输网络，网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求。

将带有压力传感器的节点嵌入到各支架上形成自组织路由传感器，即可有效解决压力等环境参数采集和检测任务，随着工作面的移动而通信不受影响，如图4所示。

图4.矿井环境监测系统

在图4中，各个无线矿压采集节点和无线网关之间形成一个自组织的网络，无线矿压采集节点采用电池供电，无线网关采用稳压电源供电，通过CAN总线实现地面数据监视和处理部分与井下设备通信。

系统可以通过光纤环网、电话线或者电缆实现地面系统与井下压力采集系统的通信和传输。

上位机实现数据分析与处理并接入互联网。

3物联网环境监测系统设计

作为环境参数监测的一个具体应用，在下述描述中以压力参数为例。

3.1无线采集节点设计

3.1.1节点结构及功能设计

无线传感器节点是无线传感网络的组成单元，可以看作是一种非常小型的计算机，一般由以下四个部分组成：

传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。

无线传感器网络可以在任何时刻、任何地点不需要任何现有基础网络设施，包括有线和无线设施支持的条件下，快速构建起一个移动通信网络。

网络的运行维护管理等完全在网络内部实现，网络还需要一些基站来建立传感器网络与外界的联系，但各传感器节点构成的网络依然是一个自组织的无中心的无线网络。

图5无线传感节点结构

如图5所示，传感器模块主要是用来采集各类信息，如温度、湿度、声音、加速度、全球定位信息等，并负责将模拟信息量化为数字信息，传递给其它模块进行处理；处理器模块包括处理器和存储器两部分，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需要的能量。

节点的能量靠电池提供，其能量有限由于条件的限制，难以在使用中给节点更换电池，所以传感器节点的能量限制是整个系统设计瓶颈，它直接决定了网络的工作寿命；另一方面，传感器节点的计算能力和存储能力都较低，使得其不能进行复杂的计算和数据存储，有效的路由协议是系统设计的关键。

无线传感器网络的能量管理主要体现在传感器节点电源管理上和有效节能的通信协议设计上，WSN是通过能量管理协议来负责网络能量的管理。

其中和电源单元发生关联的有很多的模块，包括感应单元、处理单元、通信单元定位系统和移动装置等模块。

其中，从传感器节点的结构来看，除了供电模块外，其它的模块都存在着电源能量消耗。

在某个传感器应用现场，节点的主要任务就是监测事件，一旦事件发生就要快速执行本地采集数据的处理，然后发送数据到目的节点。

因此，耗能可以分成三个组成部分：

感应、通信和数据处理部分。

传感器网络的协议主要考虑如何在通信部分实现有效的节能。

很多研究和测量成果都表明：

节点空闲监听会消耗接收数据所需能量的50％-100％左右。

在实际应用中，如果没有感应事件发生，节点大多数时间处于空闲模式，这是能量浪费的主要来源。

能量管理协议的核心思想就是让不执行感应任务的节点直接进入睡眠状态。

因此，无线传感网络能耗的特点如下：

①节点能耗与其操作模式关系较大，②无线传感器的能耗主要来源于无线的传输以及传输的数据量。

对于无线传感网，能量浪费主要来源于下面几个方面：

①由于数据包冲突造成的能量浪费，如多个节点向同一个节点传输数据造成数据包碰撞、重传从而造成能量浪费；②由于不必要侦听造成能量浪费，比如一个节点侦听到不是自己的数据包所造成的能量浪费；③无线模块长期处于空闲状态所造成能量浪费，节点处于空闲状态的能耗可以和接收状态及发送状态的能耗比拟，如果节点无线模块长期处于空闲状态就会造成大量能量浪费：

④由于收发节点没有协调好所造成的不必要数据发送，比如当发送端发送数据时，接收端处于睡眠状态，此时发送的数据会造成能量的浪费。

系统设计中我们采用了专为嵌入式无线传感网络设计的TinyOs操作系统。

TinyOS采用了组件的结构，它是一个基于事件的系统。

TinyOS设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用，其技术特点表现在：

轻线程：

解决节点操作可能比较频繁，线程较短，传统进程/线程调度无法满足。

主动消息：

在发送消息的同时传送处理这个消息的相应处理函数ID和处理数据，接收方得到消息后可立即进行处理，从而减少通信量事件驱动：

整个系统的运行是因为事件驱动而运行的，没有事件发生时微处理器进入睡眠状态，从而可以达到节能的目的。

组件化编程：

组件就是对软硬件进行功能抽象。

整个系统是由组件构成的，通过组件提高软件重用度和兼容性。

程序员只关心组件的功能和自己的业务逻辑，而不必关心组件的具体实现，从而提高编程效率。

依据以上设计思路，设计完成的本系统采集节点主要由处理器、通信控制器、RTC实时时钟电路、数据显示、数据存储、油压采集以及射频通信模块组成。

结构框图如图6所示。

图6环境参数采集节点功能图

各模块功能和设计：

①网络节点采用模块化设计，包含射频通讯模块、传感器AD采集模块、RTC实时时钟模块、LCD显示模块、数据存储模块。

②节点每隔规定时间（通常2秒）采集数据，并将数据记录，同时加上时间信息，然后节点尝试将数据再上传至网关。

③若上传失败，则数据将被记录在存储模块中，存储空间为128KB，等待通讯恢复后再将数据上传回来。

④每个监控节点间可以转发其它节点信息，以实现多跳的特性，节点间自动完成MESH网络，并可快速适应环境变化，保证数据传输稳定。

3.1.2硬件设计

CMOS解决方案。

如图7所示，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。

它结合一个高性能2.4GHzDSSS（）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。

CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。

图7SoC系统框图

针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位内核，运