基于无线传感器网络的实验实训场所环境监测系统

孔德丽

（南京机电职业技术学院,江苏南京,211135）

1 系统总体设计

实验实训场所环境监测系统是一个层次型网络结构，如图1所示。最底层为部署在实际监测区域中的传感器节点，负责采集监测区域中温度、湿度、粉尘含量等环境参数值；其次为部署在监测区域相对中心位置的汇聚节点，负责接收各传感器节点反馈的有效数据，并充当网关；第三层为传输网络，负责协同各网关节点连接到上层传输网络上，将传感器节点搜集到的数据通过基站连接到Internet，并传送到数据库服务器。最后一层为监控终端，通过终端接入，实现了监控数据的实时显示、存储、分析以及异常报警提示等功能。

图1 系统总体结构图

1.1 监测节点的设计

监测节点的主要功能是采集并发送监测数据，同时一并发送节点的Id 编号，系统通过识别Id 编号来确认对应实验实训场所环境变化情况，达到实时监控实验实训场所环境的目的。监测节点体系结构如图2 所示。

图2 监测节点系统结构图

1.2 无线网络的搭建

本系统选用ZigBee 技术，搭建无线传感器网络。由于该网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，采用能量有限的电池供电，计算能力和通信能力十分有限。为延长整个网络的生存时间，在拓扑的结构的选取上，本系统采取星型拓扑结构，要求各监测节点相互之间不通信，而是直接与汇聚节点进行通信。在监测区域，各底层监测节点一直处于休眠状态，当接收到查询命令后，才与区域中的汇聚节点建立通信，将采集到的数据发送给汇聚节点，从而减小节点间的通信干扰，降低数据冗余度，保证网络的连通性，提高网络通信效率。

1.3 无线网络拓扑控制

与底层的监测节点长时间保持休眠的情况不同，为能及时接收到各监测节点的监测数据，汇聚节点长时间处于活跃状态接收数据，同时充当网关实现与Internet 的互联。但是，汇聚节点直接与基站进行通信，将会加大网络信道的占用比例，使得整个网络通信效率降低且数据冗余度加大，更为严重的是汇聚节点能量消耗过快，节点过早消亡。为降低节点能量开销，延长网络生命周期，系统采用LEACH(low energy adaptive clustering hierarch)算法进行网络拓扑控制，其基本思想是以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载均匀分配到网络中的每个传感器节点上，从而达到降低网络能耗，提高网络生存周期的目的。整个执行过程是周期性的，分成簇的建立和稳定的数据通信两个阶段。在簇的建立阶段，节点动态的形成簇，并产生一个簇头；稳定的数据通信阶段，簇内其它节点将数据发送给簇头，由簇头与基站单独进行通信，两个阶段完成后，则进入下一个周期。该拓扑控制算法，保证了各汇聚节点等概率的担任簇头，使得网络中的节点能量相对均衡的消耗，延长了网络的生命周期。网络的能量消耗情况如图3 所示。

图3 网络的能量消耗情况

2 系统功能的实现

系统采用B/S 架构，通过JSP 程序语言进行设计，分成监测模块、显示模块、报警模块三大功能模块。

监测模块：主要通过对指定节点发送命令，激活处于休眠期的监测节点，实现对节点所在场所多个环境参数的监测，并将监测数据发送给数据库服务器。监测命令发出后，系统开始初始化，相应的传感器节点开始启动，ZigBee 初始化并启动，同时系统开始设置各端口、串口、串口波特率以及各监测数据阀值等。传感器启动后，依次采集温度、湿度、含尘量等环境参数，并传送给所在区域的汇聚节点，汇聚节点根据簇头竞争原则，再次将数据传送给本轮竞争中的簇头节点，由簇头节点转发给数据中心服务器。

表1 12h 内不同时刻的环境数据

显示模块：主要是将节点的监测数据进行分析并可视化显示。模块采用数字形式直观显示实时监测值，采用折线图形式显示新旧数据以及设置阀值之间的对比情况，并把数据分析对比结果作为报警模块的判定依据。

报警模块：主要是根据用户设置的阀值与监测数据进行比对，判断监测结果是否超过警戒值，并根据判定结果决定是否作报警提示。

3 应用测试

为验证本系统的功能，在实验室环境下，监测系统对实验室中的两个相对独立区域的温度、湿度、含尘量进行了监测，并设置了温度的上下阀值，验证温度超过阀值时是否报警提示。监测结果如表1 所示。

从实验数据可以看出，该系统稳定性良好，能够实现实时监测环境中的相关参数，有效分析监测到的数据等功能，并在超警戒情况发生时及时报警。

4 结束语

本文设计了基于无线传感器网络的实时监控系统，该系统能够实时、有效的对实验实训场所的环境进行监测，并具备监控、显示、报警等功能。同时通过LEACH 算法，对系统的拓扑结构进行了优化，有效降低了系统的功耗，延长了系统的生命周期。相对传统的监测方式，该系统具有更好的实时性、拓展性和稳定性，并且通过外接不同的传感器，可适用于多种不同场合的监测监控。

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