无线环境监测篇（1）

1 研究背景及意义

近年来新兴了一种性能稳定、传输效果较好的无线数传网络，主要用于传感器间近距离无线通信连接。基于这种无线的传输技术而开发的硬件模块，具有低成本，低功耗，协议简单，安全可靠，自动组网等特点。目前，此项技术已经日趋成熟，并被应用于多种行业。

传统的环境监测的过程一般为接受任务，现场调查和收集资料，监测计划设计，优化布点，样品采集，样品运输和保存，样品的预处理，分析测试，数据处理，综合评价等。同时监测地域的分散性，环境变化过程的缓慢性，监测的时间跨度也很大，所以目前常采取的是周期性的间断监测。传统的监测方法，对突发状态现象调查无法完成，而应用这种无线传输技术的监测平台可以随时不间断的进行监测。

2 基于无线传输的环境监测系统

本文将无线传输技术用于环境监测，搭建环境监测平台，该平台将具备连续性、追踪性的特点，对突发环境事件的研究提供帮助。将来随着该平台研究更加成熟，还将具备综合性特点，非常符合环境监测的要求。首先将开发的微传感器节点模块按照一定要求布置在监测环境中，实时采集各类环境数据，然后通过中心节点（具有协调器和路由的功能）将数据传递给网关，最后网关将收集到的整个子网络的信息通过系统内网传给基站。基站与一个数据库和 Internet 网联接，将收集到的数据进行相应的处理。最后，终端用户可以通过 Internet 网访问数据库得到自己感兴趣的信息，并且能够根据需要作出下达指令，控制节点运行。实现对环境的实时监测以及下达控制操作的目的。

1）无线技术综述：Zigbee 技术是专门为了低功耗的无线传感器网络研发的通信协议，通过对比 Zigbee技术和其它无线通信技术的特点，总结出 Zigbee 技术是无线传感器网络的最优选择。本文重点从整个构架上阐述了基于 Zigbee 环境监测平台的系统研究。为了适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求，传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求快速的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。Zigbee 协议应运而生，它继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。

2）系统建设：通过 Zigbee 协议采用自组网和多跳的通信方式将环境的变化量传送给了它的上一级网关，网关将收集到的所有子网络的信息，通过事先编译好的系统内网传给更上一级的中心服务器。中心服务器有一个数据库专门存放这些环境的变化量，将它和 Internet 网连接。这样，用户终端就可以通过手机或 PC 机通过相应的服务程序直接访问到 Internet 网数据库得到用户所需要的外界环境的信息。当然，随着这一技术的不断深入发展，用户终端只需按下键盘在千里之外的办公室就可以实现对智能节点的控制。

3 智能节点硬件设计

智能节点的硬件设计包括主控制器模块选择，通信模块选择，各种环境监测传感器选择等。通过比较选择了环境监测中用到的几种传感器，分析它们的型号、特点、输出模式以及外部接口电路。

1）智能节点的设计：智能节点的设计是整个系统硬件设计最核心的部分，它直接放置在监测环境内部，负责数据的采集、处理和传输等功能。节点的设计必须满足具体应用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并为节点配备合适的传感器、必要的计算功能、内存资源以及适当的通信设备。传统的无线传感器网络节点由四个模块组成：传感器模块（A/D 转换、传感器）、处理器模块（微处理器、存储器）、无线通信模块（无线网络、MAC、收发器）、电源供应模块（电池、AD-DC）。本设计在原有基础上添加标准化的接口平台和控制平台，实现更多应用的传感器的添加，以及用户可以下达命令对开关量，模拟量和数字量执行控制。

2）微控制器选择：微控制器模块是环境监测平台节点的核心部分，在微控制器的选择上，需要综合考虑其存储、处理、接口和功耗等多方面因素对硬件平台实现功能的支持。我们选用了 Texas Insterument MSP 430 微控制器芯片，它是专门为嵌入式应用而设计的超低功耗控制器。采用 16 位 RISC 核，时钟频率较低（4MHz），可以适用于不同类型设备的指令集。它以可变的片上 RAM（存储范围为 2～10KB）、几个 12 位模/数转换器和一个实时时钟为特征。它的功能很强大，可以执行一个标准无线传感器节点的基本计算任务

3）通信模块选择：通信模块是传感器组网的必备条件，使得独立的传感器节点之间可以互相连接，并能借助多跳将数据回传到节点，即数据汇聚节点。在环境监测中，大量的节点被放置在被监测领域内，能量消耗以及外部对信号的干扰，选择芯片时要充分考虑通信模块抗干扰能力以及能量消耗问题，即在满足信号处理要求的同时尽可能地抵抗干扰和降低系统能耗，延长平台工作时间。

4）传感器模块：传感器是环境监测平台中负责采集监测对象相关信息的组件，与应用紧密相关，不同的应用对涉及的检测量也不相同，有可能是一个模拟量（温度、湿度、光强、气体含量等），也有可能是一个数字量（信号链路质量）或者是一个布尔值（阈门开关、电闸的开合和继电器的位置等）。在环境监测中，传感器模块主要添加的常用传感器有全光谱光强度传感器、可见光谱光强度传感器、有毒气体监测传感器、温湿度传感器等。

5）控制平台：大多数的环境监测，数据采集和传输是系统的主要工作，尽量避免对环境监测对象造成影响，以保证数据采集精度。但是，对于诸如农业环境监控之类，用户希望不仅可以了解农田的各种环境参数变化，而且可以根据采集信息的变化情况对农田环境进行相应调整。例如，在蔬菜大棚内，温湿度是影响蔬菜生长的一些重要因素，当监测平台监测到温湿度高于或低于适合蔬菜生长的范围时需要采取一定的措施来改变大棚内环境温湿度，比如控制喷淋开或关，这就需要引入执行器进行控制。在不同应用中，执行器的功能与作用各不相同，可能是一个继电器开关，也可能是一组运动装置或数控设备，具体需要由系统应用所针对的对象决定。

6）电源模块：电源模块是环境监测平台的能量来源，电源技术的好坏决定了网络工作时间的长短和系统运行成本。目前还没有找到更高效使用时间更长的高能量电池，我们使用的是两节AA 电池，实验效果显示可以维持一个节点工作半个月时间。

7）其他硬件设计：节点模块采用 USB 口作为其程序调试下载端口。使用FTDI USB控制器芯片控制器和主机通讯，为了和节点通讯，必须在FTDI设备上安装FTDI驱动。节点模块将会在windows设备管理器中以串行口出现。并行的无线传感器可以同时连接到一台电脑的USB口，每个点，将会接收到不同的串行通信口标识符。天线节点模块的内置天线是一个倒F型的微波传输带，它从电路板底部伸出，远离电池组。倒F型天线是有线单极子，它顶部的截面被折叠下来与地线平行。在读出或写入闪存中数据的时候必须要谨慎，因为它是和无线电通信交叉存取的。这是总线在微控制器上的典型软件应用。

4 平台软件设计

该环境监测平台的软件设计主要通过操作系统 TinyOS 和编程语言 NesC 来完成。本章通过典型应用分析了模块化、基于组件的编程案例。将模块化的程序设计移植于环境监测领域，列出了该平台的软件流程图。最后通过网络数据库的应用开发了一套可视化数据监测平台，实现了远程监测。该平台的软件开发通过开源式 TinyOS 操作系统和基于组件的 NesC 编程语言来实现环境监测数据的发送和接收功能，程序开发周期短，便于修改，对于各种环境监测传感器的添加也很方便。网络数据库的应用开发使人们在办公室就可以直观的看到各种传感器采集的环境监测数据，足不出户就可以对数据进行提炼分析，观测环境变化的一举一动，实现了 24 小时不间断监测，对突发环境情况变化的研究提供了可能。

5 总结与展望

本文设计并实现了一种基于无线传输技术的环境监测系统，它通过使用由大量微型传感器节点组成的环境监测网络，可以对所监测的环境进行不间断的高精度信息采集。本文在以下一些方面做了基础性研究和探讨。搭建了基于无线传输技术的环境监测平台，这个平台具有数据采集和上传、网络可视化、远程控制等功能。在过去智能节点的硬件设计上存在接口不容易扩展问题，主要是由于环境监测中需要添加的传感器类型不同导致输出信号格式不同，另外还有主控芯片输入接口不够用等问题。针对这些展开研究，设计了标准化接口电路，实现了接口扩展。最后需要利用该平台进行了一系列的试验和调试，对采集的数据进行了分析，将该平台应用于环境监测是具有一定科研意义的。

参考文献

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无线环境监测篇（2）

关键词：井场环境监测；无线通信技术；ZigBee；数据采集

项目资助：本研究受油气消防四川省重点实验室开放基金项目（No. YQXF201602），2016部级级大学生创新创业训练计划项目 （项目号：201610615030）资助。

1引言

随着能源危机的到来，对石油资源的长期、安全、高效开采，已成为大家研究的话题。井场环境条件恶劣，危险性高，需要监控参数多。由于对相关参数的控制不及时而造成的一些或大或小的事故，造成这些事故的原因除了所处地质的本身条件外，很多时候都是由于对采油参数的控制不及时而造成的。进入21世纪，他们不仅使用无线通信技术来对井场环境进行监测，而且在钻井技术方面也实现了自动化。但是在井场环境中有线方式在一些应用中存在一定局限性，如需经过强腐蚀地段等。因此无线通信技术得到高度重视。无线通信技术具有低功耗、低成本和动态性等优点[1]。它们能够很好的应用到环境无线监测，因此，研究基于无线传感网的井场环境监测系统具有十分重要的作用和意义。

2 井场环境无线监测系统的硬件设计

2.1 系统硬件的设计框架

本系统采用固定端采集模式，分为终端、路由器、协调器、上位机四部分。在网络中，传感器节点分布在井场内的各个地方，根据网络的覆盖性以及实际井场的面积，计算出总共需要多少个传感器节点。[2]这些传感器节点对井场环境的温湿度、光照强度以及各种有害气体进行实时采集。当协调器上电时，开始对网络进行建立，然后通过ZigBee的方式与传感器节点进行无线连接。系统组成如图1所示：

2.2 网络节点的硬件设计

2.2.1 网络节点整体设计

该设计针对的是井场环境参数的监测，井场环境一般较恶劣，需要采集的环境参数包括可燃气体（甲烷）、温湿度、光强、有毒气体硫化氢以及烟雾等等。在该设计中，整个网络的主控芯片采用CC2530，它能很好地适应井场环境的监测。除此之外，网络还应具有传感器模块、射频模块、电源模块、通信串口以及天线等来满足整个网络数据的无线通信功能[3]。传感器模块主要包括MQ-2型气体传感器、温湿度传感器SHT11、光电传感器和硫化氢传感器。传感器与CC2530芯片都集成在同一块PCB板子上。通信串口使用RS232。

2.2.2 传感器电路设计

本设计研究的井场环境无线监测系统，主要是对井场的环境参数进行采集、监测，需要对网络节点配置相应的传感器电路。传感器模块主要包括MQ-2型气体传感器、温湿度传感器SHT11、CH4传感器、光电传感器和硫化氢传感器。

2.2.3 串口通信电路

本设计的串口通信采用串行通信。这种通信方式可以节约通信成本，但是传输速度比并行慢。串口通信电路就是为了使协调器与上位机相连，通过上位机对数据进行显示。

2.2.4 其他电路

天线线路使通讯信号能从一节点通过无线方式发送至另一节点；电源转换电路使9V直流电压转换电路转换成5V直流电压与3.3V直流电压。

3 井场环境无线监测系统的软件设计

3.1 单片机端软件设计框架

单片机端软件的基本思想是：首先对整个系统上电复位初始化，然后启动A/D转换，该A/D转换器是利用CC2530的电路来实现的，利用相应的传感器对环境参数进行采集，将采集到的数据送给CC2530进行存储、数据处理，最后利用CC2530的RF收发器对数据进行发送，然后另外的CC2530进行接收。

3.2 上位机端软件设计框架

计算机端软件就是对数据进行无线接收，然后通过串口助手对其进行显示，再利用上位机对数据进行处理、保存、报警等功能。

3.3 上位机实现

在该设计中，利用的是LabVIEW来实现的，该界面包括用户登陆界面，串口配置界面，数据与波形显示界面，同时还具有数据保存功能。

4系统测试

4.1 模块测试

（1）数据采集模块测试

由于实验限制，本设计在测试的时候仅仅只选用了温湿度传感器SHT11和光电传感器。

（2）通信模块测试

利用两块CC2530模板，一个下载终端节点程序，一个下载协调器程序，并将协调器与上位机通过串口线连接。给协调器与终端节点上电，观察两个模块LED显示情况以及串口助手显示情况。通过模块测试，系统能够正常工作运行。

4.2 整体测试

此时点击文件路径处，选择文件保存的位置，当停止运行时，可以查看历史数据。该图显示每隔1秒采集一次参数，且节点1和节点2的参数能够很直观的显示，通^对历史参数的保存，就能对其进行数据分析，发现故障。

4.3环境实测

为了验证系统的可靠性，利用它在实验室外进行了测试。我们先完成终端、协调器与路由器的程序下载。之后，我们布置各终端节点、协调器、路由器。再对各节点进行供电，上位机采用电脑进行代替。随即，我们进行环境参数的采集。

测试结果表明，该系统能够对户外环境进行实时监测，当环境参数超过设定的值时，LabVIEW界面相应的位置就会进行报警。

5结论

本文介绍的基于ZigBee技术的井场环境无线监测系统。采用无线ZigBee技术作为传输方式，同时结合了虚拟仪器技术，对上位机界面进行了设计。经过现场实验表明，该套系统测试过程稳定，结果可靠，同时抗干扰能力较强。不仅如此，本系统还可以应用于多种户外环境参数的采集与监测。

参考文献

无线环境监测篇（3）

 

1 前言

环境保护越来越受到重视，环境监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学的依据。目前无线传感器网络在环境监测中发挥着越来越重要的作用。与传统的环境监测手段相比，使用无线传感器网络进行环境监测有三个显著优势[1]：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对被检测环境的人为影响很小。二是传感器节点数量大，分布密度高，每个节点可以采集到某个局部环境的详细信息并汇总融合后传到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，探测精度高的特点。三是传感器节点本身具有一定得计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的检测，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。因为传感器网络节点对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，所以无线传感器网络适用于多种环境监测应用中。

2 环境监测应用中无线传感器网络节点的硬件设计

图1节点硬件组成

微处理器采用TI公司的超低功耗的MSP430系列处理器，功能完善、集成度高，而且根据存储容量的多少提供多种引脚兼容。

无线通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通过SPI接口与MSP430相连接。

电源用电池供电，使用AA电池。

传感器节点可以不在节点中包含模数转化器，而是使用数字换能器接口。

3 无线传感器网络用于环境监测中的关键技术

3.1 节点部署

好的无线传感器的节点部署必须同时考虑覆盖和连通两个问题。覆盖要求在感知中的每个地方都能至少被一个节点监视到，而连通要求在网络通信上不被分割。覆盖受节点的敏感度影响，而连通受到节点的通信距离影响。

因监测环境的复杂性和监测环境对于外来设备的敏感性、为了获得周围环境的确切参数和为了延长传感器网络部署的有效时间、增强传感器网络的实用性，所以用于环境监测的传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长的要求。

选择可替换、高精度的传感器对于环境监测来说至关重要。一般来说，同类的传感器测得数据之间误差应不超过3%，这样通过一定得补偿机制可以将误差控制在1%之内。选择传感器的另一个重要因素是传感器的启动时间。在启动时间内传感器需要一个持续的电流作用，因此需要采用启动时间较短的传感器以节省能量。

3.2 能量管理

无线环境监测篇（4）

0 引言

在很多情况下，监控中心都需要对周边及关键位置的环境信息（如温度、照度、湿度等）进行监测和处理。各探测点信息采用有线传输是一种可靠的方法，但受建筑物装修要求和环境障碍等因素限制，不宜采用有线方式传输时，使用无线方式传输无疑是一种经济适用的选择。本装置要求能在5秒钟内完成对255个探测节点环境温度和光照信息的无线探测，并自动巡回或手动选择显示相关环境信息。

1 系统方案设计

根据设计要求，为便于对周边多点环信息进行探测，实现监测终端与各探测节点之间信息的无线传输，本装置由探测节点分机和监测终端两大部分组成。探测节点分机由单片机、温度检测电路、照度检测电路、无线发射电路和接收电路等组成；监测终端由单片机、无线发射电路、无线接收电路和显示电路等组成。系统结构如图1所示。各探测节点分机完成对环境温度和照度信息的采集与处理，并适时向监测终端和邻近检测节点发送信息；监测终端完成探测命令的、探测信息的处理、存储与显示。

1.1 信息传送与转发方案 为防止某个探测节点在上传信息时发生碰撞，系统采用“时分复用”信道的通信方式。约定每个节点必须在规定的时隙ΔT内完成信息发送。某个节点接收到监测终端发来的“探测命令”时，或接收到邻近节点转来的第一个“探测命令”时。启动定时，定时时间到便开始发送信息。定时时长根据每个节点地址不同或是否能直接接收终端“探测命令”为依据决定。

当监测终端需要探测环境温度和照度信息时，便以广播通信方式向各个探测节点“探测命令”。能直接接收终端“探测命令”的节点同时启动定时，某个探测节点定时时间到，便开始向终端和邻近节点发送信息（含地址、温度和照度信息）。终端将信息接收下来送单片机存储、处理；不能直接接收“探测命令”的节点（如地址序号为j的节点），在接到第一个邻近节点（如地址序号为i的节点）发出的信息时，便认为收到了“间接探测命令”，于是开始启动定时。由于每转发一个节点信息需要两个ΔT，因此转发节点j的定时时长

T=（256-i+2j）ΔT。

定时时间到，便发送含有i节点地址、j节点地址与环境数据的信息。此时，若i节点收到j节点发出的含有本节点（i节点）地址的信息，表明j节点需要本节点转发信息；若i节点收到的j节点信息中不含有本节点（i节点）地址的信息，表明j节点不需要本节点转发信息。

1.2 信息处理与显示方案 由于要求在5秒内完成对255个探测节点环境信息的探测，考虑到最多可能有254个节点的信息需要转发。这样，监测终端对每个节点的探测时间只有几十毫秒，这么短的时间无法实现“即时检测即时显示”，只能将地址信息和环境信息全部接收下来处理后，再根据需要送显示器显示。显示方式有三种选择：一是自动巡回显示，二是手动设定/选择显示，三是报警节点优先显示。

1.3 通信协议

1.3.1 数据包格式 本系统的信令和数据包由同步码WS、功能码FC、数据包长度码SIG、数据包内容DIGI和校验码CHECK五部分组成。数据包格式如下：

■

1.3.2 SPL编解码与数据包传输 ①SPL编码与数据包的发送。数据包WS、FC、SIG、DIGI、DHECK的发送是由单片机的通用输出端口从高位到低位串行逐位发送的，发送完WS以后，发真正的信令码FC、SIG、DIGI、DHECK时，将进行SPL编码，按照1变为01，0变为10的原则，FC由原15位变成30位。②SPL解码与数据包的接收。数据包的接收是发送的逆过程，是由单片机的通用接收端串行接收的，当单片机串行接收到WS后，即着手接收已经过SPL编码的FC、SIG、DIGI、DHECK。如果按照011，100的原则进行SPL解码，若出现00或11的情况，认为接收端出错，若出错两次，则信令无效，若只有一次，则暂时按000，111处理，留待下一步校验码纠错。③差错控制编码检错与纠错。差错控制的基本思路是，在发送端根据要传输的数据系列加入多余码元，使原来不相干的变为相干的数据，即编码。传输时将多余码元和信息码元一并传送。接收端根据信息码元和多余码元间的规则进行检验，即译码。根据译码结果进行差错检测。当发现差错时，由译码器自动将错误纠正。这种多余码元就是校验码。

2 电路与程序设计

2.1 发射电路 各探测节点和检测终端的发射电路可采用相同的电路结构。电路一般由脉冲产生电路、脉冲整形电路、调制与发射电路构成。

载波频率的稳定与否是发射电路能否稳定、可靠地工作的关键，本设计采用振晶与高速与非门构成的振荡器来产生稳定的载波信号。

信号的发射是通过线圈耦合的方式实现的，因而射频功放应选择谐振功放。谐振功放有A、B、C、D类，综合考虑电路的复杂程度及效率问题，本设计选用三极管构成的C类放大器对高频信号进行射频功率放大和发射。

常用的数字调制方式主要有ASK、FSK和PSK。相比而言，FSK、PSK电路比较复杂，本设计选择100%ASK调制。100%ASK以100%的能量进行数据传输，保证了信号的较高抗干扰性，解调容易，在一定程度上提高了通信的可靠性。

2.2 接收电路 各探测节点和检测终端的接收电路可采用相同的电路结构。电路主要由混频器、本机振荡器、中频放大器、检波器、低频放大器和脉冲整形电路构成。

混频器的作用是提高接收电路的灵敏度、选择性。如果没有混频电路，接收电路将直接放大接收到的高频信号，将会出现灵敏度低、选择性差的问题。采用混频器后，将高频信号变为固定的中频，故在混频器后设置中频放大器，中频放大器在固定中频上放大信号，放大电路可以设计得最佳，使放大器的增益做得更高且不易自激。本设计中频放大器中设置了一个藕合谐振电路和一个选频网络，以进一步提高接收电路的选择性和抗干扰能力。由于检波出来的信号较弱，须经低频放大以后才能进行比较判决。因此解调电路部分应包括由检波器、低频放大器和脉冲整形电路。解调出来的数据信号送单片机进行处理。

2.3 系统软件设计

2.3.1 监测软件设计 终端单片机节点完成探测命令、探测到的节点信息的处理和显示。当需要探测节点信息时，终端以广播方式发出探测命令，并启动定时，定时时长为512ΔT（ΔT为一个节点上传信息所需时间），确保255节点在转况下都能可靠探测。当探测到节点信息时，将该节点信息进行存储、处理。全部节点的信息都接收下来处理完后，将地址信息、温度信息和光照信息依序送显示器显示。然后再进行下一循环的探测。主要程序流程如图2所示。

2.3.2 节点软件设计 探测节点单片机完成对环境温度、照度信息和电池电压的采集与处理，适时向终端和邻近节点发送信息，并根据临近节点的需要及时向终端转发信息。主要程序流程如图3所示。

3 结束语

本装置为一模拟实验系统，由于各探测节点能够接收和转发邻近节点传来的信息，不仅数据传送可靠，而且通信距离远比点对点大。测试结果表明：该装置能够准确完整地监测和处理各探测节点的环境信息。只要适当增加发射电路的载波频率和发射功率就能增加探测距离和范围，以适应实际应用要求。

参考文献：

无线环境监测篇（5）

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0192-01

1 方案设计与论证

1.1 无线收发模块

（1）方案比较：方案一：采用编解码集成电路PT2262/2272，其为CMOS工艺制造，具有低功耗、外部元器件少，工作电压范围宽：2.6～15v等特点，应用于车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率传输器、单片无线收发芯片XE1209，其适用于小范围低频、音频资料传输系统，可以实现2次连续相位频率位移键控调制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的单片射频收发芯片TH7122作为主要芯片，其工作频率范围在27MHz～930MHz，具有很宽的调谐范围。可以工作在4种不同的状态下：待机状态、发送状态、接收状态和空闲状态。（2）方案确定：综合分析以上三种方案的优缺点，方案三具有更大的优越性、灵活性，因此我们采用方案三作为具体实施的方案。

1.2 处理器比较与选择

由于本系统中的两个探测点采用两节1.5V干电池供电，并要求尽量降低各探测节点的功耗，因此采用一般的C51单片机并不满足要求。而ARM微控制器STM32系列虽然具有丰富的资源、强大的功能与低功耗等特点，但是其性价比相对来说比较高，整机电路也比较复杂，故也不选取。因此在保证满足要求的前提下，我们选择了适合于许多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了许多系统级的功能，大大减少了元件的数目并降低系统的成本。

1.3 显示器比较与选择

（1）方案比较。方案一：采用DM-162液晶显示模块，具有低功耗、模块结构紧凑、轻巧、装配容易等特点，但是其界面比较小，不能达到比较好显示的效果。方案二：采用汉字图形点阵液晶显示模块RT12864M，可显示的内容非常丰富，但是其功耗相对高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手机液晶，其驱动采用低功耗的CMOS LCD控制驱动器PCD8544，所有的显示功能集成在一块芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案确定。综合以上分析，从功耗与性价比的角度来考虑，我们选择方案三作为显示模块。（3）信道调制方式。由于无线收发芯片已经确定使用了单片射频收发芯片TH7122，其在发射模式下产生载波频率，可以采用FSK/ASK/FM三种调制方式，但是在本系统中我们固定了载波频率为27MHz，再综合这三种调制方式的特点，另外FSK对鉴频器的参数非常高，对调试不是很方便，因此在这里采用ASK调制方式作为具体实现的方案。（4）总体方案根据以上分析与论证，我们确定了总体设计方案：监测终端硬件以P89LPC922为主控制器，以液晶5110、无线收发模块为受控模块。探测点也以P89LPC922为主控制器，以无线收发模块、光电传感器与温度传感器为受控模块。（如图1）

2 系统测试及数据分析

2.1 测试仪器及设备

（1）UT30D数字万用表。（2）SS-7802 20M数字示波器。

2.2 测试方法及数据

（1）测试方法。1）分模块进行测试：对探测节点的光照检测进行测试，验证它是否能正常工作；对探测节点的温度检测进行测试，验证它是否能正常工作；对无线通信模块进行测试，验证是否能正常通信。2）保证各模块正常工作之后，再进行整机测试。（2）数据记录。直接对单个光敏电阻进行光照变化时的阻值测量，记录数据如下：（如表1）

2.3 数据分析

以上对光敏电阻阻值的测量，由于光敏电阻本身的特性与操作方法的原因，所记录的数据只是针对于某个特定情况之下，其实光敏电阻的阻值是随光照强度的变化而变化的。

3 结语

本系统主要由P89LPC922微控制器、单片射频收发芯片TH7122、低耗电数字温度传感器TMP102等构成，很好地实现了外部环境的监测：光照与温度，并且性能比较好。很有市场前途。

参考文献

无线环境监测篇（6）

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2013）003008202

0 引言

近年来我国以大棚和温室为主体的设施农业正在迅速发展，但与国外相比，我国的设施农业普遍存在科技含量低、生产水平和效益低下等缺点，因此，迫切需要提高我国设施农业的整体水平。信息技术在农业领域中的应用是提高设施农业科技水平的重要环节。我国作为一个农业大国，农业分布呈“小而散”的特点，存在很多小型化的温室生产模式。因此，研制成本低廉、操作简单、可靠性高的设施农业环境监测控制系统是我国现代化设施农业的一个关键。

目前，传统的农业领域自动监测方法通常是通过有线方式将传感器采集的信号传到监测中心。由于农业生产环境分布范围广、地形复杂、环境温度变化大、空气潮湿等因素的影响，极易导致信号传输电缆的老化，从而降低监测系统的可靠性。随着无线通信技术的日趋多元化结合，ZigBee 作为一种近距离、低功耗、低传输速率、低成本、高可靠性的无线通信技术，特别适用于现代设施农业的无线环境数据采集与监测。

1 系统结构

结合设施农业环境监测应用需求，本文构建的基于Zigbee传感器网络的农业环境监测系统的结构如图1所示。

该系统整个监测网络由传感器节点、路由节点、协调器节点和监测平台四部分组成。监测平台是系统的管理中心和数据汇聚中心，协调器节点负责协调和管理网络通信，初始化和启动整个网络后控制路由节点的数据传输。传感器节点位于最前端，用于采集农业环境物理量信息，并通过网络把数据传输至路由节点；路由节点再将收到的各种数据传送给协调器节点。

2 监测传感器节点设计

2.1 节点硬件设计

传感器节点的主要功能是负责采集设施农业生产环境监测区温湿度、光照强度、土壤pH值等物理量信息，并将采集的数据传输给路由节点。整个传感器节点系由传感器模块、处理器模块、无线射频模块、电源管理模块等四部分组成。监测传感器节点结构框图如图2所示。

传感器节点各硬件模块功能简介如下：

（1）传感器模块。该模块主要集成了各种传感器，对温度、湿度、光照强度、土壤PH值等物理量进行采集，由 AD 转换器将模拟电信号转换成数字信号。其中温湿度传感器采用的是数字温湿度传感器DHT21，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器；本方案中选择TSL2561作为光强度传感器，它具备高速、低功耗、宽量程、可编程且可以根据用户灵活配置等优势；CO2浓度传感器采用超低功耗红外二氧化碳传感器COZIR-A，其他传感器接口已经留出，方便以后进行扩展。

（2）处理器模块。该模块负责控制整个传感器节点的操作、数据的存储和处理，是传感器节点的核心。在农业环境监测系统中根据低功耗和处理能力的需要，本系统采用TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149。它具有RISC CPU内核，内部集成了12Bit模数转换器、内部温度传感器、16位定时器A和定时器B、串行异步通信端口UART0和UART1（软件可选择UART/SPI模式）、硬件乘法器，多达48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空间和2kB的数据空间等诸多外设，可直接用JTAG仿真调试。MSP430F149具有多种模式可选，在设施农业环境监测系统中，可根据不同的需要，切换模式以降低系统功耗。

（3）无线射频模块。无线射频模块主要是控制信息的无线收发。无线通信模块消耗了整个传感器节点的绝大部分能量，故选择低功耗、高性能的射频模块是整个系统的关键之一。基于现代设施农业环境监测的实际情况，本系统无线射频模块采用CC2430无线射频芯片。无线射频模块采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430内部集成了RF收发模块，利用2.4GHz公共频率，应用于监视、控制网络时具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势；该芯片性能稳定，具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，正常工作时需要的外部元器件极少，与主控制器接口简单，特别适合低功耗的无线传感器网络的应用。

（4）电源管理模块。电源管理模块为系统其它各模块提供持续、稳定的能量供应，由于此监测终端为户外不间断工作，为降低功耗，电源管理模块加入低功耗的管理和控制，通过软件机制实现多种工作模式（包含正常模式和休眠模式），当节点不工作时系统即进入休眠模式。考虑到系统将长期使用，可以通过外接电源或外接蓄电池和太阳能电池板以保证系统的持续供电。

2.2 节点软件设计

基于环境监测系统长时间工作的需要，传感器节点软件系统设计的关键是在保证能有效实现必要功能的前提下最大限度地减小节点的能耗。无线传感器网络中监测节点的能耗主要集中在通信能耗和传感器模块的能耗，而通信能耗要远大于传感器模块能耗。因此，节点电源打开后，完成ZigBee模块和传感器模块的初始化，建立通信链路后，设置唤醒时钟并进入休眠模式。节点软件设计程序流程如图3 所示。

3 网络拓扑结构

一般设施农业监测的规模和范围不大，因此本系统的网络拓扑选择简单的星型网络结构，通过对多个监测节点发送的数据进行分析可以判断环境监测区域的状态。系统启动后，根据网络协议组建网络，为节点分配地址。当监控平台查询数据时，系统根据地址分配执行数据采集。

4 结语

将无线传感器网络应用于现代设施农业环境信息检测具有传统农业监测方式无法比拟的优势。本文提出了基于ZigBee传感器网络的设施农业环境信息实时监测系统的设计方案。介绍了系统的总体结构和传感器节点的硬件及软件系统设计。本文提出的这一无线传感器监测系统，具有低成本、低功耗、可靠性强等特点，为现代设施农业生产环境信息监测提供了一种有效的解决方案。

参考文献：

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＼[3＼] 周秀辉.无线传感器网络技术及在环境检测中的应用研究＼[D＼].成都： 电子科技大学，2006.

＼[4＼] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例＼[M＼].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

＼[5＼] 徐志国.基于无线传感器网络的噪声监测系统的设计＼[J＼].皖西学院学报，2009（6）.

无线环境监测篇（7）

1 概述

目前，国内外已经普遍将无线传感网络用于环境监测方面，通过部署大量无线传感节点以无线通信的形式构成自组织无线通信网络。文章提出一种基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统的设计方法。

2 无线环境监测系统的硬件构成

无线环境监测系统中的无线传感节点主要由信息采集单元、信息处理单元、通信单元和电源单元这四部分构成。按照ZigBee协议栈构建无线传感网络，则网络中的节点按照功能划分可分为三种类型的节点，如图1所示，颜色最深的节点为协调节点Co-ordinator，颜色较浅的节点为路由节点Router，颜色最浅的节点为终端节点End Device。以2.4GHz载频作为无线环境监控系统的通信频段，利用终端节点进行环境信息采集，利用路由节点对接收到的环境监测信息进行转发，利用协调节点作为桥梁与计算机交互数据。

2.1 信息采集单元的设计

文章将温度作为监测对象，采用DS18B20温度传感器作为无线传感网络的温度信息采集单元，该传感器采用T0-92的封装形式，温度监测的范围为-55℃-120℃，温度精确度可达0.005℃。DS18B20可以将输出的引脚与A/D转换器相连。

2.2 信息处理单元的设计

信息处理单元为ARM系列的LPC2138嵌入式处理器，该处理器内部资源丰富，包括SPI、GPIO、RTC、TIMER、PWM、ADV等，很方便对节点的工作方式、发射功率、接收灵敏度、信息传输与处理等进行控制，同时可以对节点电源进行动态管理，实现节点能耗的控制。

2.3 通信单元的设计

通信单元采用的芯片型号为JN5139，它兼容IEEE 802.14.4无线通信协议和IEEE 802.15.4的2.4GHz收发器，其内部结构包括192KB FLASH，能够内置完整的ZigBee协议栈。通信单元与信息处理单元通过SPI接口连接，实现数据的交互。

2.4 电源单元的设计

电源单元的供电电路采用的是DC-DC MAX756模块，MAX756是性能优越的3.3V/5V的升压转换模块，其最低的输入电压可至0.7V，开关频率可达500KHz，该模块也可以对电池的容量进行实时监测。

3 ZigBee协议栈的自动组网的实现

ZigBee网络包括3种拓扑结构，如图1所示从左到右分别为星形、树形和网形。在覆盖范围内，采用AODV路由协议查询信息接收节点和信息传输路径，直至搜索到合适的节点和路径，得到应答信号，最后应答信号会反馈到信息发送节点，并保留该路由信息。系统运行一段时间后，若该条路由信息失效，则搜索新的路由信息，从而保证信息传输路径的有效性。

3.1 无线环境监测系统网络的构建

在基于ZigBee协议栈的无线环境监测网络中，只有协调节点能够构建无线通信网络，网络建立的过程是通过原语完成的，具体方法如下所述：在协调节点的应用层对NLME_NETWORK_FORMA TION.request原语进行调取，下达构建网络的指令，该条指令被发送到网络层，向MAC层下达信道能量扫描的指令，调用MLME_SCAN. Request 原语，搜寻到能量值低于预设值的信道，并将扫描结果标记为可用信道，可以使用这些可用信道寻找通信节点，从而搜寻到一个最优信道，该信道中包括最少的通信节点，然后任意选取一个不发生冲突的PAN，并在MAC层标记该ID信息，通过ID信号可以发送MLME_START.request 原语，得到PAN ID和信道扫描结果，并使用confirm原语将扫描结果通知上层。获得PAN的使用情况后，NLME利用NLME_NETWORK_FORMA TION.request原语向应用层下达构建网络的指令。

3.2 无线传感节点的加入

通过上述方法构建无线环境监测系统网络后，终端节点和路由节点可以通过关联法的方式加入协调节点构建的ZigBee网络，具体过程如下所述：（1）协调节点调用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语，网络层接收到该条指令后，会在MAC层进行扫描，当MAC层结束扫描，就会发送MLME_SCAN.confirm原语向网络层反馈该信息，网络层发送NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语向应用层反馈该信息，应用层根据该信息调用NLME_JOIN.request原语，重新扫描可加入的无线传感节点。如果无线传感节点成功加入网络，网络层接收MLME_ASSOCIATE.confirm原语，将包括该无线传感节点的16位的逻辑地址，在网络层中设置与其它节点的关系，同时在网络中加入该新的无线传感节点。（2）假设无线传感节点通过路由的形式加入到无线环境监测网络中，它的应用层将向网络层发送NLME_STAT_ROUTER.request原语，接着网络层向MAC层发送MLME_STAT.request原语，网络层接收到MLME_START.confirm原语后发送同样状态值的MLME_START.ROUTER.confirm原语。

4 结束语

为了适应当前环境检测的需求，文章提出一种基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统设计方法，对硬件和软件的设计方法进行了详细阐述。与传统的系统相比，本系统具有自主组网、自动路由的功能优势，节点能量消耗低，并且无线传感节点可自由加入，从而实现了更节能环保、更智能的环境监测。

参考文献

无线环境监测篇（8）

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

随着国家对煤矿安全生产日益重视，研究新型技术保证煤矿安全生产成为关注热点。矿井监测系统在采掘巷道采用有线传输方式存在的局限性一是采掘过程中巷道结构不断变化导致线缆同步延伸麻烦、成本高[1]，二是对移动机械设备和一些特殊角落难以布置监测节点实现矿井全方位监测[2]。由于ZigBee无线通信技术具有低功耗、低成本、应用简单等特点，本文设计了基于ZigBee技术的矿井环境监测系统。

2 矿井监测系统总体设计

矿井监测系统的系统结构及在井下布置情况如（图1）所示，它分为井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485总线。因为矿井主巷道服务年限长，环境较好，采用有线方式不易损坏且长期不用移动。

采掘巷道采用zigbee无线通信方式，Zigbee采用网型组网方式，里面有三种类型节点。

（1）协调节点。协调节点连接到主巷道的RS-485总线接口上，它负责上位机和ZigBee网络中未挂接到RS-485总线上的节点之间的数据转发。

（2）路由节点。路由节点必须依次在巷道里面较为固定位置布置从而保证巷道里面任何位置都有路由节点对无线信号进行路由中转。

（3）终端节点。终端节点可布置在移动机械设备上，或布置在一些会随时移动布置位置的特殊位置。

Zigbee节点间传输距离可达10-100m，如果增大发射功率后可达1-3km以上，由于zigbee网络采用网型结构可通过路由节点实现信息的多级跳转，因而能够达到采掘巷道一般网络传输距离不小于10km的要求。

根据现场实际需要，沿坑道每隔一定距离（50-500米）在坑道顶部设置一个ZigBee节点（采用电池或其他电源供电），环境条件比较好的地方可以距离放得远一点环境条件比较恶劣的地方可以距离放得近一点，同时在其他需要定位的地方也设置一个ZigBee节点，比如巷道拐弯处或者危险区域，巷道分支处应设置节点。注意保证每个节点在它前面和后面都至少能与两个以上的节点进行通信，这样当任意1个节点发生故障时，可跳过这个节点与下1个节点直接通信，即避免单线联系从而保证ZigBee网络通信的可靠性。

采掘巷道本身是一个回路，可以将zigbee网络的两端都连接到RS-485总线上形成一个环形结构，这样当采掘巷道内某个地方出现塌方等事故时后面的zigbee节点可从另一端将采集数据传输给RS-485总线。

2.2 井上部分

上位机通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上，采用LabView软件进行数据接收、存储和显示。

3 监测节点硬件设计

挂接在RS-485总线上的监测节点结构框图如（图2）所示，其它监测节点没有RS-485驱动器模块。

4 矿井监测系统软件设计

4.1 ZigBee模块设计

本系统所有节点网络类型都设为网状网，发送模式都设为主从模式，数据源址输出都设为不输出。

4.2 Modbus协议格式

由于矿井环境监测系统数据传输量较大，因而本系统通信协议采用Modbus协议的RTU模式。主机发送的查询指令、从机返回的正常响应数据帧和异常响应数据帧格式分别如（表1、2）和（表3）所示。

查询指令的功能代码为在用户定义区域中自定义的一个，这里设置为0x60，表示查询监测节点各端口的监测数据。数据指的是欲查询监测节点的地址。

正常响应数据帧的数据为5路监测数据。

异常响应数据帧的功能代码为在查询指令里的功能代码基础上，对其最高位置1，即将0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示异常响应，因而不需要带监测数据。

4.3 系统通信实现过程

根据监测系统中各节点的功能实现过程可以把这些节点分为三类：第一类是通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上的上位机，作为主机；第二类是各采掘巷道ZigBee网络里挂接到RS-485总线上的节点，作为从机；第三类是各采掘巷道ZigBee网络里未挂接到RS-485总线上的节点，作为监测节点，监测节点包括路由节点和终端节点，路由节点在进行信息路由时是由ZigBee模块自动完成的，不需要STM32参与数据转发，因而这两种节点的STM32功能实现过程相同。下面是这三类节点的功能实现过程。

（1）主机。主机采用轮询的方式依次发送查询指令给各监测节点并接收、存储、显示监测数据（如图3）。

（2）从机。从机主要起两个功能，一个是转发主机的查询指令给对应地址的监测节点，另一个是转发监测节点的返回数据帧给主机。数据帧的起始和结束为3.5个字符时间，波特率设为9600，计算确定该时间可取5ms。从机设定一个变量值time_5ms为定时时间是否到标志，如果定时5ms到则置1，否则为0。当定时器定时5ms到了表示一个数据帧接收完成然后执行查询指令，基于中断处理要短的原则，在中断处理里将time_5ms置1并停止定时器定时，将接收数据帧数组指针指到最前面，将监测环境信息或转发查询指令标志置1，然后在主程序里循环判断标志位执行相应操作。

（3）监测节点。监测节点与从机通信不需进行Modbus协议CRC校验（ZigBee协议内部已经进行CRC校验了），但仍采用其数据帧格式使得从机转发时不需对数据帧处理（如图4、图5）。

5 实验测试

实验测试时，LabView显示界面如（图6）所示，能准确可靠显示监测节点的五路监测数据和历史变化曲线，证实了该方案可行。

参考文献

[1]张嘉怡，刘建文，伍川辉.ZigBee技术在煤矿安全监测中的应用[J].中国测试技术，2008.

[2]覃磊，张杰.基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测系统[J].计量与测试技术，2007.

[3]赵铁锤.煤矿井下安全避险“六大系统”建设指南[M]北京：煤炭工业出版社，2012.

无线环境监测篇（9）

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2012）15－3334-02

Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

YANG Fang

（School of Physics and Mechanical ＆ Electrical Engineering， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract： For farmland environmental conditions，monitoring was difficult，a farmland information monitoring system based on sensor wireless sensor networks was designed targeted the status of farmland environmental conditions． The system used sensor nodes to collect the farmland environmental parameters and send them to the control center for further analysis and processing by the ZigBee technology． Farm managers could precisely and intuitively control the key parameters in the process of crop planting and it has good practical value．

Key words： farmland environmental parameters； wireless sensor networks； sensor nodes； real－time monitoring； ZigBee

我国是农业大国，农业是国民经济的基础产业，农业生产受到温度、湿度、水分等多种农田环境因素的影响。因此，在农业生产过程中引入现代信息技术，可以准确、高效地收集农田信息，对提高农产品产量具有重要意义。

针对农田环境复杂、监测难度大等特点，充分利用无线传感器网络灵活而强大的组网功能，设计了基于ZigBee无线传感器网络的农田环境监测系统，该系统由传感器节点、汇聚节点、互联网和用户终端等组成［1］，利用安装在被监测区的传感器节点采集农田环境参数后，通过ZigBee技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的空气温度、相对湿度、CO2含量、水位等关键参数，对在农业生产过程中实现增产节能有着很好的实用价值［2］。

1 农田环境监测系统总体结构设计

ZigBee技术是一种短距离、低速率的无线通信技术，被广泛应用在无线传感网络的组建中。与其他无线通信技术相比，ZigBee具有网络容量大、工作频段灵活、架构简单、功耗低、成本低、可靠性高、组网能力强和安全等优点［3，4］；ZigBee由终端设备、协调器和路由器构成。终端设备是指传感器节点，将其按一定规律安装在农田里，配备低功耗的微处理器，监测空气温度、相对湿度、CO2含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量等参数。一定区域内的传感器节点构成一个簇，这些节点又分为簇首和普通节点。簇首主要进行数据的融合及转发，能把簇中普通节点采集到的信息发送到上级的协调器，也能把协调器接收的信息在簇内进行传播；普通节点只能与本簇的簇首交换信息。协调器把监测到的信息传输到网关，然后网关通过GPRS把数据传送到监控中心。ZigBee网络主要有网状和星状，星状拓扑结构简单，但是覆盖能力差，且只要簇首出现故障整个网络就瘫痪；网状拓扑覆盖能力强、可靠性好，但结构复杂［5］。农田区域环境复杂，存在很多不利因素，为提高ZigBee的精确性，该设计采用星状—簇首—路由拓扑结构［6］（图1）。

2 功能模块设计

2．1 硬件结构设计

1）传感器节点。ZigBee无线传感器网络由传感器节点组成，传感器节点一般由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块组成（图2）。

无线环境监测篇（10）

中图分类号：TP274.4

设施农业是近年来在农业科技发展基础上所形成的一种概念，其以高端工程技术为媒介，通过专业设施的投入，人为改变环境因子，创设有利于农作物生长的环境，从而打破了地域、季节和自然环境限制，对农业的发展起到了积极的推助作用。无线监测及预警系统是设施农业的重要保障，是有效控制环境因子的重要手段。结合现有的技术条件，设计具有低风险、高效能的无线监测及预警系统，对推进我国的设施农业发展具有重要意义。

1 设施农业环境因子的无线监控结构

无线监控是捕捉环境因子信息的重要设施，常用于两个及两个以上的温室群。在结构设计方面，无线监控由两大主体系统构成，连接这两大主体系统之间的媒介即GSM网络。

1.1 设施农业、网关节点及终端检测节点的配置。（1）设施农业基本架构。设施农业的核心是与农业相关的温室、畜室和菇房，但目前趋于大众化的设施农业仅针对农作物种植温室而言。其基本原理是利用覆盖材料对农作物进行保护，从而改变环境因子，对农作物实施冬天保温防冻和夏天降温防苔措施，即人们常说的温室（大棚）。环境因子控制是设施农业建设的关键因素，如土壤、水分和光照等等。当前，我国大多数地区实行节源型设施农业运作，即以最少的人力资源来维系最多的温室运行。由此，这也决定了在设施农业建设中必须采用无线监控设施来控制环境因子。（2）网关节点的基本结构。设施农业中的网关节点主要是指无线传感器节点，其主体包括终端用户、电源、串口模块、USB系统、定位引擎、天线和晶振组成。在设施农业的运作过程中，网关节点的主要功能在于接受终端检测节点所采集的环境因子信息，并通过GSM网络信号，将信息传送给无线监测设施，如图1所示。（3）终端监测节点的基本结构。终端检测节点是收集环境因子信息的重要设施，基于设施农业对环境因子信息采集的要求较高，因此在设计终端检测节点时可考虑采用CC2430系统芯片，并采用SHT11数字型温湿传感器。

1.2 无线监测设施配置。设施农业中的无线监测设施主要包括用户手机和远程数据监测系统。在实践应用中，两种无线监测设施的运用方式相同，但由于信号接收功能的强弱，因此，手机的性能则远远不如专业的远程数据监测系统。

远程数据监测系统的主要功能是接收由终端检测节点所传送的温室环境因子信息，同时对网关节点和终端检测节点进行控制，其主体是通过ASP・NET+SQL编程所构建的，其中，ASP动态服务页面负责与远程数据监测系统的数据库进行交互，从而提供实时数据显示；NET操作平台负责远程数据监测系统与网关节点的协同工作，通过人为操作，提供数据分析和历史查询服务；而SQL数据库则负责储存终端检测节点所传送的各种数据，并提供实时查询服务。

2 设施农业环境因子预警系统设计

环境因子预警系统是建立在无线监控基础上的，严格来说，是无线监控功能的延伸。在对设施农业环境因子的无线监控中，由于无线监控仅能掌握环境变化的当前和历史数据，而不能对突发状况作出预警，因此，科学设计设施农业环境因子预警系统，对完善设施农业中的“设施”具有重要意义。

2.1 DSS决策预警系统的功能概述。决策预警系统（Decision Support System 简称DSS）是一种全新的设施农业环境因子预警系统，其主要功能是捕捉温室环境因子的变化，为设施农业的各项决策提供预警服务。DSS决策预警系统的优势在于：（1）能够提高设施农业建设中各项决策的有效性；（2）在用户各类决策变更中具有高度的灵活性和适应性；（3）具有广阔的应用空间和高度的应用价值。

2.2 DSS决策预警系统的基本结构。DSS决策预警系统主要采用两库结构，其基本结构主要包括人机交换系统、模型库管理系统、模型库、数据库管理系统和数据库五大主体此外，DSS决策预警系统的基本结构还具有另一种系统形式，其主体包括语言处理系统、问题处理系统和知识系统，结构方式与前者大体一致。此外，两种基本结构都是建立在以用户为媒介这一基础上的。

但在实践中，环境变因子是千变万化的，实践证实，固定、单一的常规预警系统很难适应千变万化的环境状况，因此，这就需要在此基础上进一步健全预警系统，即对DSS决策预警系统进行完善处理。对此，本文建议将人机交换系统与模型库管理系统、数据库管理系统和决策预警相融合，使其能够应对更多的环境变化。

2.3 DSS系统的环境因子预测与模型建立。由于设施农业的操作性较强，技术含量较高，因此，在温室建设中极易产生漏洞，这些漏洞会严重影响DSS预警系统的性能。因此，在开展DSS决策预警系统设计时必须要结合设施农业的建设状况，以及结合当地的实际情况，设计不同的硬件设施和预警系统来匹配相应的自然环境。实现DSS决策预警系统的环境因子预测需要一定的模型预测支撑，在实践中，用户可首先测量当地的早、午、晚温差，其次利用温差数据建模，评测预警系统的反应能力。而对于四季不明显、早晚温差较小的区域，如我国南方地区，则需要一周、一月或更长的时间来采集更多的数据。

2.4 DSS决策预警系统的环境因子预警流程。DSS系统预警是由环境因子各项参数的设定值来决定的，农作物对环境变化的适应能力较强，环境因子变化不明显，则设定值较高，反之，则需设定较低的预警参数。其主要流程主要包括两个方面。首先，设定环境因子预警参数值，并通过终端预测节点获得实际检测数据；其次，通过DSS决策预警系统，其一将监测数据反映给报警灯，并显示结果，其二将数据传送给数据库，通过数据库对当前数据和历史数据进行对比，将新数据储存到历史数据库，最后刷新数据，通过数据库反映出来。经实践证实，DSS决策预警系统能够有效弥补无线监测的不足，使用户对温室能够形成24小时监控和不间断预警，从而能够及时获取环境因子的动态，作出具有针对性的决策。

3 结束语

当前，我国的设施农业建设正由原来的个体化逐渐向着市场化的方向过渡，因此，只有积极探索设施农业发展的新路径，才能充分发挥我国农业的优势，让农业带动其他产业发展，形成蕴含巨大潜力的新的产业链

参考文献：