无线传感器网络的室内环境监测系统设计

张群慧

摘要：随着社会的在不断进步，人们日常生活水平显著攀升，导致产品感染引发的不良反应日益增多，通过构建室内环境监测系统，保障室内洁净无菌，降低产品污染机率成为目前迫切需要解决的关注点。然而，传统的室内环境监测系统已经无法满足当前需求，因此，构建室内环境智能化监测系统，对各行各业发展具有重要作用。

Abstract： With the continuous progress of society， people's daily life level has risen significantly， leading to increasing adverse reactions caused by product infections. By building an indoor environment monitoring system， ensuring indoor cleanliness and sterility， and reducing the probability of product contamination has become an urgent concern that needs to be addressed. However， the traditional indoor environment monitoring system can no longer meet the current needs. Therefore， building an intelligent indoor environment monitoring system plays an important role in the development of various industries.

關键词：无线传感器;室内环境;监测系统

Key words： wireless sensor;indoor environment;monitoring system

中图分类号：TP274                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0167-03

0  引言

随着科技的不断进步，无线传感器网络作为一种全新信息处理技术，是在通信技术、微电子技术、计算机技术、传感器技术等多种领域上综合发展起来的，被广泛应用于各个行业领域中，推动了生活与工作的智能化程度，促进了传感器向低功耗与多功能发展[1]。文章探讨了无线传感器网络的概念与进展，并基于该网络架构，设计了一套室内环境监测系统，以保障室内环境满足大部分行业生产需求，以此促进社会进一步发展。

1  无线传感器网络的概述

新形势下，我国在无线通信、电子技术、信息技术等多个领域中都取得了很大的发展，在此基础上，传统人工控制系统逐渐被取代，无线传感器网络顺势而为被广泛应用于工业、农业与国防等多个领域，无线传感器网络的传感器节点尺寸较小，在通信过程中，也能够及时快速感知数据、采集数据并处理，其未来将发挥更大的作用、产生更大的价值。

在学术界和工业界，对无线传感器网络的研究关注与经济投入逐渐不断增大;对于布线网络部署技术难题，也拥有了切实有效的解决方案;对于人工无法到达的地带，也能够有办法采集到相关传感器数据，实现对数据的有效收集，无线传感器网络在多种方面如森林环境的监控、气象数据的采集等都能发挥重要作用[2]。

2  无线传感器网络的室内环境监测系统的组成

2.1 室内环境监测系统的构成

在室内环境监控系统设计中，无线传感器网络作为基础，传感器对数据的采集、对环境的远程监测为整个系统应用提供了依据，为高层高效率的应用提供了数据保障。在整个室内环境监测系统中，可直接将监测系统作为一个数据采集节点，依照所采集的数据制定报警策略，也可将其拓展为多个节点构成的网络，通过将节点采集的数据相互关联，通过人机交互界面为工作人员展示室内环境相关数据[3]。

在监测系统设计中，体系结构主要包含五部分：传感器、数据处理、无线通信、数据库与用户界面，在本次室内环境监测系统设计中，数据处理、无线通信两个模块的设计最为关键。因为，在监测系统对室内环境进行监测时，传感器收集数据，数据处理和无线通信模块根据收集的数据、数据库内的数据进行处理与分析，并将结果展现在用户界面，达到监测室内环境的有效性、便利性目的。

2.2 系统参数

在监测系统对室内环境进行监测时，影响监测结果的因素较多，如：温度、有害气体的浓度、光照的强度、悬浮颗粒物的浓度、室内气压等，都直接影响着室内环境，同时，温度与风速也会影响室内环境，进而影响整个监测系统。其中，空气温湿度、颗粒物浓度与光照强度、气压等的影响最大[4]。在监测系统设计中，应了解几项参数对室内环境质量的影响。

①温度：无论是人体居住环境、农作物生长环境，还是产品生产环境等，温度是衡量环境是否适宜的指标，对各项生理活动都会带来影响，对于某些器械设备、产品质量也会产生影响。②湿度：空气湿度过高会增大病原体繁殖，破坏产品本身的质量，导致用户对产品出现不良反应。若空气湿度过低，则空气中的颗粒物将增多，还会对任意的水平衡带来影响，因此，应将室内湿度控制在合理范围。③颗粒物浓度：颗粒物浓度不仅反应了空气质量，还会威胁人体健康，是室内环境的关键指标。一旦室内颗粒物浓度过高，极易导致人体出现呼吸道等各项疾病，因此，实时监测室内颗粒物浓度，对改善室内环境具有关键作用。④光照强度：在室内环境监测中，光照大多源于人工光源，若自然光源充足，可减少人工光源的使用，节约能源，促进人们、动植物等健康成长。⑤气压：在多项产品生产中，对室内气压要求较高，若无法达到要求，极易影响质量，而气压的监测，能够实时掌握并全面控制气压变化，避免外界因素影响气压。

3  无线传感器网络的室内环境监测系统设计

3.1 室内环境监测系统总体功能设计

在本次室内环境监测系统设计中，无线传感器网络基于ZigBee技术，通过Linux开源软件操作系统平台、QT嵌入式软件开发平台实现。在系统总功能设计中，应实现以下目标：

①在ZigBee技术的基础上，设计适宜的网络拓扑结构，使整个拓扑结构覆盖整个室内，对室内环境进行全方位检测。

②ZigBee技术下的网络拓扑结构应在室内从整体和细节两个方向部署传感器节点，其中包含协调器节点、终端节点、路由网关节点，使无线传感器网络拥有自发组织功能，以此及时发现网络中的故障节点、新增节点与删除节点，以此快速链接网络，发挥自组织网络的各项功能，实现网络的自动修复与自适应能力，优化节点管理部署，全面覆盖室内空间。

③以协议栈、IAR編译环境对系统程序进行编写，保障系统对室内环境的温湿度、颗粒物浓度、光照强度等的准确及时监测。无线传感器网络应用下的室内环境监测系统主要拥有三个功能，环境信息的采集、传输与处理。

1）室内环境的信息采集功能。在室内环境监测系统设计中，信息采集功能主要利用节点部署、无线传感器实现对室内环境参数的采集，以此对室内当前温湿度、光照强度、空气颗粒物等快速采集[5]。2）室内环境信息传输功能。在无线传感器的各个节点采集室内参数信息后，数据信息会经过无线网传输至汇聚节点，保障监测系统及时将采集的室内环境信息在人机交互界面展现，以供人们观察时刻控制室内环境。信息传输需要经过如下过程：无线传感器的各个节点会对周围环境感应并量化为数据，通过有线网或无线网，节点信息被传输到ZigBee汇聚节点，后通过串口将汇聚的节点信息传输至监测系统服务器，由显示屏展示采集的实时数据。3）室内环境信息处理功能。室内环境相关参数信息被传输到环境监测装置后，若传感器发现信息值超出之前设置的临界值，检测装置应及时预警，并将相关数据存储至服务器内的数据库，便于用户观察所采集的历史信息，了解信息超出临界值的原因并解决，快速将室内环境恢复至临界值内，满足用户需求。

3.2 室内环境监测系统总体架构设计

本次设计中，为提高室内环境监测系统的可靠性、时延的短暂性、低功耗、大存量等，无线传感器网络可采用ZigBee技术。在监测系统设计中，系统应具备数据的实时、全面采集功能，以及路由节点数据的传输功能，以此便于ARM系统对数据的快速处理。ARM的应用，能够每5秒对服务器进行一次检测，以便及时对传输的数据进行处理，并快速将处理结果展示在QT平台所开发的监测系统显示屏上，便利用户对室内环境的掌握。室内环境检测系统的总体架构关系如图1所示。

在室内环境监测系统中，因系统采用了无线传感器网络，所以，系统总架构应具有三个层面：信息感知与传输层面、信息采集与处理层面、信息管理与决策层面。

①信息感知与传输层面：室内环境监测系统通过传感器节点监测室内温湿度、空气颗粒物等，并将所采集的环境信息通过ZigBee技术构建的无线网络传输至服务器。其中，传感器的节点主要是对室内温湿度、室内光照、气体浓度、颗粒物浓度等进行感知，并量化为参数信息，通过汇聚节点将所有参数信息集中，并通过路由器转发信息，实现信息数据的实时处理。

②信息采集与处理层：在此次监测系统设计中，数据信息处理采用的是ARM嵌入式技术，通过将数据结构在服务器上汇总，有效组织所采集的室内环境参数并管理，最终将数据存储在数据库内，为后续数据对比、异常数据剔除与问题解决提供数据支撑。在该层面中实现了串口设置、传感器数据的显示、信息接收与转发等功能，ARM处理器在串口对ZigBee汇聚的节点信息有效读取，为室内环境的显示提供坚实依据。

③信息管理与决策层：在对室内环境监测中，环境信息采集完成，数据处理层应将采集的信息传输至PC机，由PC机在数据库后台实现对室内环境的数据采集、数据存储、数据处理和数据管理，形成历史数据、实时数据，为室内环境监测提供管理和决策功能。例如用户可依照室内温湿度情况对室内环境进行调节，若室内湿度较低，可通过加湿器提高室内湿度。同时利用PC机可以方便信息数据的查询和解析。

3.3 系统安全架构设计

在室内环境监测中，无线传感器网络作为基础，具有无限性、广泛性与扩散性，极易跨区域，容易产生信息安全问题。对此，由无线传感器网络的安全性方面看，应重视网络安全架构设计，保障信息服务器的安全，避免服务器因黑客、病毒等导致宕机，影响整个室内环境监测系统运行。同时，还应保障无线传感器的外网安全，避免非法用户侵入系统，因此，积极利用防火墙、限制登录等方式，保障无线传输器的信息安全与完整。系统安全架构层次如图2所示。

为保障室内环境监测系统的安全架构层次完整，必须具备以下安全层面：数据加密层面、数据控制层面、用户管理层面、安全防护层面。四个层面具有如下功能：

①数据加密层面：在对室内无线传感器网络进行操作时，应保障远程接入的数据安全，以此保障室内环境监测系统监测结果的保密和准确性。②数据控制层面：若对整栋楼层的室内环境进行监测，人员较多且分布于不同的楼层，在系统网络设计中，如何有效合理控制各个节点成为关键。③安全防护层面：安全防护层主要用来预防网络病毒与黑客入侵，通过对用户认证和用户管理，避免非法入侵，保障数据传输、存储等的安全性，准确发挥室内环境监测的作用。④用户管理层面：无线传感器网络在收集各个节点各种不同的环境数据时，应对每个节点分配固定标识，依照用户信息制定访问权限，有效控制用户的访问，避免非法用户入侵系统，影响整个系统的监测结果。

3.4 系统硬件设计

①传感器模块：依照室内环境的要求，选择温湿度、空气颗粒物、气压作为关键指标，对室内环境进行监测，思考室内体积、成本消耗等因素，无线传感器网络可选择如下型号：温湿度传感器可选择DHT11，测量范围在0～50℃，湿度为20～95%;气压传感器，选择型号BMP180，测量范围在300～1100hPa;空气颗粒物传感器，型号为DSL-03，测量范围在0～999μg/m3。

3.5 室内环境监测系统软件设计

在对系统软件进行设计时，应做好传感器模块、ZigBee组网模块、网关模块的软件开发设计。在对ZigBee组网模块的软件展开设计时，应将协调器节点的软件、终端节点的软件设计包含其中。应对室内环境的空气颗粒物浓度、温湿度、气压等信息进行缓存，形成一个队列，在采集数据中，为有效去除各项因素的干扰，应利用中值滤波、滑动均值滤波算法处理数据。

4  总结

综上所述，为构建适宜所需的室内环境，文章基于无线传感器网络构建了室内环境监测系统，通过相关软硬件的设计、开发与应用，结果显示：该室内环境监测系统能够准确、及时、有效的监测室内空气温湿度、气压、空气颗粒物浓度等具体数据，为室内环境的控制提供了有效的方案和便利的措施，为生产的顺利进行、保障产品良好质量奠定了坚实的环境监控预警基础。

参考文献：

[1]马荣华，欧阳缮，王鲁豫，等.无线传感器网络环境监测系统设计与实现[J].桂林电子科技大学学报，2019（1）：23.

[2]刘秀.基于无线传感器网络的室内环境监测系统设计[D].重庆大学，2015（4）：34.

[3]薛冰心.基于无线传感器网络的室内环境监测系统的设计和实现[D].华中师范大学，2016（3）：12.

[4]崔玉凤.基于无线传感网络的室内环境测评系统[D].长春理工大学，2016（5）：25-26.

[5]徐见炜.室内环境监测系统的设计[J].电子世界，2016（1）：169-171.