无人值守综合监控系统可在比较复杂环境中实现无人值守检测，集中式管理与分布式监控远程设备。对于无线远程实施监控系统来讲，在系统内充分运用了诸多先进技术，如无线通信技术、现代传感技术及环境测试技术等，可将其大致划分为三部分，即以Web为基础的数据与分析模块、服务器端接收存储模块及终端采集发送模块。本文基于MSP430探讨环境监测系统的设计路径。
1.系统分析与模块介绍
1.1系统总体设计
无线环境监测系统设计中，选用节点寻址技术，实施多节点通信。手机无线通信距离外的各节点数据，乃是无线实时检测系统所需解决的关键问题，也就是监控终端采用切实办法对无线通信距离之外的探测节点数据进行实时收集，有别于其它类型的预设路由的接力数据传输方式，对于覆盖区域相应拓展问题给予了有效解决，在运行中，监控终端始终均为主控，能够收集制定区域框架内各探测节点的实时数据，而对于特殊情况，针对所接收到的远端请求，能以被动的方式来接受，若在节点发生紧急情况，能够及时作出处理。而对于探测节点，其处从属地位，监控终端对其实施控制，在紧急状况下，可调整至主动发送，保证能够及时上报可能出现的环境污染因子。
1.2系统硬件设计
1.2.1硬件设计思路
无论是探测模块还是监控模块，均需由MCU实现，本文均选用MSP430F1611单片机（TI公司），将其当作控制器，对于MSP系列单片机来讲，其实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机，其具有比较底的功耗消耗，此点对于本系统设计，对于本次设计尤为重要。对于环境监测模块而言，可监测二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息，而对于其它类环境信息的测量，在本系统中快速植入。定点采集及轮询等方式，各节点实现有序通信，而通过运用预设路由的接力数据传输方式，能够较好的且系统化的解决覆盖范围拓展问题，对于监控终端，还有屏显与键盘功能，本文选用128×64液晶屏显及4×4按钮键盘。
1.2.2无线通信模块
对于环境监测数据，其实为静态信息，具有相对不高的数据传输速度要求，在对无线通信模块进行设计时，则可将nkF24L01数字无线收发器作为优选。此接收器其实为一款低成本无线收发器，即为工业级内置硬件链路层协议。此器件于2.4GHz工作，在ISM频段全球开放，内部设置有多种功能模块，如调制器、晶体振荡器、功率放大器及频率合成器等，并且其中还内置有ShockBurst技术（增强型），另外，可通过程度配置方式，确定通信频道与输出功率。可直接连接于单片机I/O，具有较少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比较低，若将发生功率{整至-6dBm，则工作电流便会维持在8mA：若处于接收状态，电流则维持在12.2mA，通过各种低功率工作模式的运用，可更好的开展节能设计。
1.2.3监控模块
对于监控模块，对于其核心处理器的选用，通常以MSP430F1611单片机为基础，实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机。监控模块当中的液晶显示与键盘，能够操作各种菜单功能，另外，还可进行数据与信息的实时查询。在内容上，还包含有基于本地环境的监测模块，类似一节点。
1.2.4环境监测模块
环境监测模块的核心处理器也采用的是MSP430F1611单片机，能够测量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在检测二氧化硫、二氧化氮和臭氧时，分别选用紫外荧光传感器、化学发光传感器和紫外吸收传感器，测量范围为0-500ppb，通过与SPI形成兼容效应，用微型SOT23-6来封装。通常情况下，化学发光法传感器测量范围为0-500ppb。
2.系统功能设计
2.1轮询模式
先选择“数据采集”，从中找出“轮询模式”，然后进至此模式，对于其中各个节点，需逐个访问，针对各节点的执行，需要做到与定点采集模式相同，首先从节点1进行定点采集之后以自动的方式在，在需要访问的后续地址上加一，也就是节点2，以此方式类推，直至最后节点。最后屏显所测数据，以便清晰观察分析。探测时，如若在等待时间上超出终端，便会向下节点自动跳转，并继续进行访问，在终端数据上予以显示，从中便可查知此节点所存在的故障，所以，此模式能够对各及诶单正常工作与否进行检测。
2.2自动接收
对于自动接收模式而言，其能够将监控模块，时刻控制在等待接收状态，各探测节点依据实现设定好的顺序，将环境数据信息定时发送。为不出现冲突，即大于2个节点同时进行数据发送，当进至自动接收模式时，监控模块会将一个启动时钟发送至全部探测节点，将其为基准，各个探测点延时后，会将环境数据信息自动发送。
3.环境监测系统覆盖范围扩展
随着武器装备的更新换代，大量高新技术装备不断列装部队。因此，精度高、技术复杂、价格昂贵的装备维修器材在存储和运输过程中，由于不当操作或处置，受到过度冲击、振动以及存储环境不达标等情况影响，有可能造成部分装备器材的非预期失效，造成较大经济损失，影响装备保障能力。
针对贵重易损装备器材存储环境监测的需求，利用无线传感技术，搭建装备器材存储环境实施监测系统，实时监测环境和器材状态，提供监测装备器材的温度、湿度和振动等重要存储环境参数，并对这些参数超限进行实时报警，为部队实施装备器材存储环境实时监测提供重要技术手段和数据论据支撑。
器材封存环境无线监测系统总体结构
器材封存环境无线监测系统由无线数据采集节点、数据网关、监控软件构成。数据采集前端具有不同的功能和参数。数据通讯网关是中心监测平台计算机与无线数据网络通讯的桥梁，具有标准串行通讯口与计算机通讯，同时具有无线网络接入功能，充当无线网络的管理者角色，实现平台计算机与无线数据采集终端的双向数据传输和无线网络管理功能。中心监测平台为安装有应用软件的微机，用以对整个系统构成和参数配置，并能够实时显示采集数据及其趋势图，具有对数据进行存储、报警等功能。
器材封存环境无线监测系统运行在监测中心平台PC终端上，通过网络与数据通讯网关连接，实现对无线传感器节点的参数配置，并接收无线传感器节点上传的实时监测数据。系统配置实时监测中心平台计算机，安装实时监测系统应用软件，用于显示和记录前端无线采集节点所采样的数据；系统支持通过该中心平台下发指令，让采集前端发出声、光提示；系统配置数据通讯网关设备实现中心平台与无线数据采集网络之间连接；系统配置集成温度、湿度、气压、振动等传感器为一体的采集节点若干，模拟实现存储环境参数的采集任务。
器材封存环境无线监测系统的主要功能
器材封存环境无线监测系统主要实现以下功能：配置无线传感器节点的数据采集周期和各项数据的报警上下限；远程定位无线传感器节点；显示无线传感器节点的实时数据及报警信息，当数据发生变化达到报警阈值时，需要立刻在节点发出声光报警；提供对历史数据及历史报警信息的查询；根据之前一段时间的历史数据，预测设备是否可能出现故障。
系统配置模块主要完成对网关、传感器节点等相关硬件运行参数的配置和检验功能。系统通过局域网与网关进行通信，发送网关和节点参数到网关寄存器，或从网关寄存器获取参数；网关与节点之间通过无线网络基于Zigbee协议进行通信，节点按照预设周期到网关寄存器中获取用户设置的节点参数。系统可同时与若干个网关进行通信，接收监测数据，选择某个网关，即以表格形式显示与其通信的所有监测节点的信息。
实时监测模块主要完成对节点监测数据和报警状态的实时获取、存储、显示。采集节点按照采集周期实时向网关发送最新监测数据和报警状态。系统按照设置的网关上传周期实时到网关查询各采集节点的监测数据和报警状态。系统接收到节点监测数据后，在显示的同时，将数据存人数据库；系统接收到节点报警状态后，进行判断，如果报警状态与上一个状态相比发生变化，记录各节点的报警状态的变化，将报警记录显示并存人数据库，并由系统向用户发出报警提示音及某种形式的可视化提示。系统根据监测数据的监测时间判断节点离线时，同样进行报警提示、记录、存储。
查询统计模块主要完成设定条件下历史监测数据和报警记录进行查询和统计，以及可视化形式显示功能。系统根据用户输入的条件查询历史监测数据，将查询结果以曲线图的形式可视化显示，并以表格形式提供详细数据，可显示温度、湿度、振动、气压中的某一种或所有数据的曲线图。选择某个网关和节点，可以查询该节点在某段时间的报警记录，系统提供报警记录的网关ID、节点ID、节点位置描述、报警时间、报警类型、报警值等信息。
数据管理模块主要完成数据备份、年度设置和年度转换的功能。数据备份、还原是保证数据安全性的重要方式。系统应提供对实时监测数据和历史监测数据的备份功能，并能在需要时对备份的数据进行查询和统计。因为监测数据量较大，长期存储占据空间大，系统只存储当前监测年度及上一年度的监测数据及报警记录，以进行查询和统计。年度转换时，清空上一年历史数据表，将当年数据保存至历史数据表，并清空实时数据表。
器材封存环境无线监测系统的技术方案
器材封存环境无线监测系统的主要设备包括无线传感器节点、数据收集器、数据网关和传感器接入设备。传感器节点是监测系统的核心部件，主要由可扩展传感器模块、处理器模块、无线通信模块、预警模块和电源组成。传感器节点将采集信息实时传输到基站，并且在所处环境超过所设限值可自主发出报警信息。传感器节点设计应尽可能小、便于布设、能耗低、具有一定的抗干扰能力和安全性，且根据实际需求方便接入不同的传感器，用于不同的监测需求。将传感器节点预置于器材的内包装，通过监测包装内的温湿度数据预测器材发生霉变的可能，对于一些气相封存的器材可通过监测封存包装内气体含量监测封存质量。同时，传感器节点还能实时监测器材收到的冲击振动情况，在遭遇过大冲击振动时及时发出警报。
系统网络结构由无线传感节点、数据收集器、数据网关组成。无线传感节点采集环境信息，并将信息数据汇聚到数据收集器，然后通过网络至数据网关，用户终端通过数据网关获取传感器信息。该结构的特点是各种无线传感器独立，使用灵活方便；增加数据收集器设备，方便声光电报警的位置部署；多种网络拓扑，可适应复杂应用环境，如包装密封、监测位置不固定、环境监测周期短、采集周期要求不高。系统网络结构也可以由传感器接入设备、数据网关组成，传感器接入设备采集传感器信息，并将信息汇聚至数据网关，用户终端通过数据网关获取传感器采集的信息。该结构的特点是传感器节点的集成度更高；无线网络拓扑简单，更稳定；传感器扩展灵活度高。该结构适用于监测环境固定的场景。
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）01-00-03
0 引 言
健康舒适的室内环境对任何一种建筑来说都尤为重要，实验室作为人员密集型建筑，良好的室内环境有助于提高学生的学习效率。如果温度过高或过低，湿度过湿（高于70%）或过燥（低于30%），光照的过明或过暗，都会使学生产生不适感，影响正常排汗和情绪、降低注意力。由此可见，实验室环境的不尽人意，在无形中影响了学生的健康和学习效率。因此，开发了室内环境质量无线监测系统，以便24小时监控实验室的环境质量参数。本无线检测系统的主要特点如下：（1）该系统可以延长实验室里面设备的使用寿命，为设备提供一个安全的使用环境；（2）该系统能够提高管理效率，温湿度数据可以远程传输，管理人员在巡查的时候不必到机房去就可以远程了解实验室的环境问题；（3）本系统可以代替管理人员24小时监控非上班时间实验室存在的安全隐患，达到对实验室远程监控的目的。
1 系统总体设计
在日常生活中，由于存在个体差异，在各种条件下要找到一个单一的指标来准确反映人体对环境的舒适性是很困难的。因此，在环境舒适性的检测过程中，我们往往关注三个比较重要的影响环境舒适性的因素：温度、湿度、照度。所以本系统针对实验室的环境分别采集温度、湿度、照度这三个因素来衡量实验室环境的舒适性。系统的总体设计框图如图1所示。
图1 室内环境无线监测系统的总体设计框图
本文所述的室内环境无线监测系统分为硬件设计方案和软件设计方案两部分。
1.1 硬件设计方案
该系统采用模块化的硬件设计，由STC12系列单片机微控制器、温湿度传感器、光照传感器、CC2530芯片的ZigBee收发模块、液晶显示模块、电源模块等组成。该终端具有室内环境参数的自动采集、计算处理等功能，它可以连续自动地测量温度、湿度、光照这些指标，各种要素经过传感器将模拟量转化成相应数字量，供采集器定时处理后给单片机进行处理，实现数据的采集、显示及无线传输。
1.2 软件设计方案
室内环境无线监测系统的软件设计由主程序、温湿度传感器驱动子程序、光照传感器驱动子程序、LCD12864液晶显示子程序、串口通信子程序等组成。对于硬件方案用到的编程软件其中包括对于微控STC12C5A60S2进行C语言程序编译的Keil软件，将Keil软件生成的.hex头文件烧录至MCU中的下载软件STC-ISP中。
2 室内环境质量无线监测系统的硬件设计
实验室室内环境质量无线采集系统在硬件设计过程中，使用了模块化的设计方法，分别为微处理器电路设计、数据采集模块电路设计、显示模块电路设计、串口通信电路设计、无线收发模块。在本系统中，对实验室室内环境质量参数数据的采集主要依靠各种传感器，如温湿度传感器AM2301、照度传感器模块GY30。这些传感器的工作原理是利用物质各种物理性质随环境变化的规律把温度、湿度、照度等转换为模拟量或数字量进行输出，通过单片机采集这些电量数据并对其进行计算即可确定各环境参数的数值。在室内环境质量无线监测系统的设计中，本文使用了STC12C5A60S2单片机进行设计。具体包括：单片机最小系统，温湿度接口电路，光照接口电路，接口电路，电源电路，串口通信接口电路。
2.1 MCU的选型
本系统设计采用的是STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2 在众多的51系列单片机中，算是国内STC 公司的1T增强系列中更具有竞争力的一种，因为他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内具有Flash工艺的大容量程序存储器。如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60 K的 FlashROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可进行加密，很好地保护了用户的劳动成果。
2.2 温湿度传感器AM2301
DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
2.3 光照传感器模块GY30
本系统采用新型单片测光芯片GY30模块，该模块的工作电压为3.3 V，内置了BH1750芯片，可以对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，实现了照明度（1～65 536勒克斯）数字值的直接输出。主控器通过I2C（Inter-Integrated Circuit） 通讯接口读取GY30采集到的数据，然后按照用户要求的形式通过界面将数据呈现出来。
2.4 ZigBee数据传输模块选型
本系统中所使用的ZigBee模块为某电子公司的无线模块，该无线模块在产品类型中分为三种：ZigBee（Coordinator-协调器）模块、ZigBee Router（路由器）模块、ZigBee End Device（终端设备）模块。 ZigBee能耗无线监测终端的硬件设计中，无线ZigBee模块（Router-路由器）的功能是以无线方式发送数据资料包，并寻找最适合的路由路径，当有其他终端节点加入时，其也可为其他终端节点分配地址。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，其内部包含一个8051 CPU，且系统内可编程，其支持TI官方指定的IAR编译软件，并具备8 KB RAM，因此，CC2530是一个完整的SoC解决方案。通过其可以建立强大的无线传感器网络。
2.5 ST7920型12864液晶显示模块
为了在节约硬件资源的基础上可以得到更丰富的显示内容，并考虑到低功耗的要求，本系统设计中的显示电路采用ST7920型12864带字库的液晶显示模块。
3 室内环境质量无线监测系统软件设计
本节的主要内容是进行室内环境质量无线监测系统的软件设计，软件设计的核心为底层硬件温湿度传感器AM2301模块、光照传感器GY30模块、LCD12864液晶、串口通信等编写驱动程序，使得监测系统在上电后可以分别正常监测温湿度值、光照值的显示，及进行串口通信。室内环境质量无线监测系统主控程序流程图如图2所示。
图2 室内环境质量无线监测系统主控程序流程图
3.1 温湿度传感器AM2301驱动子程序设计
DATA数据线用于MCU与 AM2301之间的通信。四十比特完整的数据=十六比特的湿度数据值+十六比特的温度数据值+八比特校验和。例如，接收四十比特的数值，温湿度传感器AM2301的数据格式如图3所示。
图3 温湿度传感器AM2301的数据格式
空闲时总线为高电平，通讯开始MCU拉低总线1～10ms，然后释放总线，延时20～40 μs后主机开始检测响应信号。从机AM2301的响应信号是一个80 μs左右的低电平，随后从机在拉高总线80 μs左右代表即将进入数据传送。长的高电平代表的是信号1；短的高电平代表的是信号0。温湿度传感器AM2301数据传输的时序图如图4所示。
图4 温湿度传感器AM2301的数据传输时序图
3.2 光照传感器GY30驱动子程序设计
GY30与主控器之间的通讯使用I2C通讯协议。时钟线为高电平时，数据线由高电平向低电平变化表示开始信号；时钟线为高电平期间，数据线由低向高变化表示结束信号。I2C通讯协议的起始信号与终止信号时序图如图5所示。
图5 I2C通讯协议的起始信号与终止信号时序图
3.3 串口通信子程序设计
上位机对单片机所存储的数据的读取是通过USART实现的。由于单片机内部集成有USART模块，因此MCU只需要连接MAX232芯片，就能和PC通信。首先，单片机要设置异步通信的比特率数据位、停止位、校验方式等，最后才打开中断。在本系统中，异步串口通讯模块比特率设置为9 600，通信模式采用模式l，即每次发送的有效数据为8位，另加一位停止位。串口通信的软件设计流程图如图6所示。
4 结 语
本文针对室内环境质量的关键问题，基于物联网技术，采用无线数据采集与传输等先进信息技术手段，准确采集室内环境质量数据，使实验室室内环境质量在计量、采集、统计方面更加完善，同时确保实验室的正常、高效、健康、稳定地运行。管理人员只需要通过网络就可以了解实验室环境的实际情况，从而极大地减轻对实验室的管理工作，实现实验室的科学管理。
图6 串口通信的软件设计流程图
参考文献
[1]叶剑军，叶倩，李景广，等.室内环境自动监测系统的数据分析研究[J].绿色建筑，2010（2）：43-47.
[2]颜丽娜，王顺忠，张铁民.基于DHT11温湿度测控系统的设计[J].海南师范大学学报（自然科学版），2013，26（4）：397-399.
2数据采集功能
无线传感器模块是养殖环境监测系统的基础，在养殖池适当的区域安放温度、溶解氧、pH值及光照数据的无线传感器网络节点，准确采集水产养殖环境的数据信息。无线传感器模块的设计框图如图2所示。图中包括传感器、处理器、通信功能以及电源4个子模块。由于实际要求的差异，无线传感器模块4个子模块的硬件构成不尽相同，然而各子模块的功能基本相同。传感器子模块实现养殖环境的数据采集功能，并将采集到的信息转换成处理器可以识别的信息；处理器子模块调节整个无线传感器模块的工作状态，完成对自身采集信息和来自其他模块数据的处理，并实现与其他模块间的信息交流；通信功能子模块完成与其他模块间的信息通信以及收发采集到的数据；电源子模块主要负责提供模块正常工作需要的能量，一般使用微型电池。本文选用Ateml公司生产的AVR系列高性能、低功耗8位单片机ATmega128L，该芯片是一颗真正的系统芯片；在芯片内部集成了128KB的可编程闪存，具有独立锁定位、可选择的启动代码区进而通过片内的启动程序实现系统内编程，同时，其电压工作范围为2．7～5．5V。传感器采集到的数据信息通过AT－mega128L进行AD转换为数字信号，由无线通信模块负责将得到的数字信号输出。
3信息通信功能
3．1无线传感器网络
无线传感器网络的拓扑结构采用星网结合，各个采集点单独形成局部的无线传感器网络，通过中继节点将局部网络传出的数据汇聚传送到信息中心。各个采集点的无线传感器网络中都布置了传感器，这些传感器负责完成养殖环境的信息检测，即对池水温度、溶解氧浓度、pH值以及光照强度的信息采集。传感器采集到原始信号后，只有将模拟信号转换为数字信号才能通过无线网络进行传输，转换过程需要模拟信号放大器、A／D转换器、信号处理器等。传感器节点通过自组织功能将采集到的数据以单跳或者多跳的形式发送给中继节点。
3．2Wi－Fi传输
通常架设无线网络的基本配备是无线网卡及一台AP，足以实现无线模式，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。中继节点汇集到信息后通过Wi－Fi无线网络传输到信息处理中心，通过Wi－Fi接入点实现无线传感网之间的信息通信以及数据处理功能，Wi－Fi接入点既有普通站点的特点，同时可以实现接入到分配系统的功能。
4信息处理中心
4．1数据库管理
应用软件使用ADO设计连接ORACLE，具有采集信息的存档、当前或者历史信息的检索功能，实现对采集点采集到的数据的处理与存储。ADO设计开发中采用了较多的Command对象，同时采用ANSISQL语句实现对数据库的控制。鉴于实际操作中数据库中需要存档的数据量较大，因此数据的访问能力非常重要。而Command类的重复应用性比较好，可以把数据库的细节封入SQL里，当数据链表的内容改变时，可以只改正SQL语句就可以保证应用程序架构的稳定性。
4．2监控系统
为提高养殖人员对养殖环境的监视效率，本系统提供了良好的人机交互模块，含有信息实时显示、数据的历史查询模块、巡检人员的路径显示模块等功能。
中图分类号：TP212.9
文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8012502
1引言
近些年来，空气污染问题日益严重，室内有害气体污染状况不容乐观，引起室内空气污染的物质多种多样，最普遍的当属甲醛。国内现有气w检测设备研发起步较晚，稳定性不足，通信能力差。因此研发一款具有无线传输功能的气体检测设备是极其重要的。
设计并研发了基于STM32的无线环境监测系统，仪器核心为STM32微处理器，运用甲醛传感器实时采集室内甲醛浓度信号，将数据显示在液晶屏，同时又具有远程监测功能。
2系统总体设计
采用高精度甲醛传感器进行系统前端信号采集，将甲醛浓度物理信号转换为电信号传输给微处理器控制部分进行处理和运算，在液晶显示屏上显示室内甲醛实时浓度数值。另一方面，用户可通过智能手机等无线设备向WIFI模块发送指令，单片机接收指令后再做出相应操作，可实现远程监控。系统总体架构框图如图1所示。
3系统硬件设计
开发的硬件主要包括：微处理器最小系统、电源供电模块、中文液晶显示屏、甲醛采集模块、温湿度采集模块、WIFI模块、蜂鸣报警模块等。硬件架构如图2所示。
本系统采用ST公司出品的STM32F103C8T6微处理器，具有低功耗、最大集成度、结构简单、处理速度快、性价比高等优点。其最小系统的电路原理图如图3所示。
甲醛传感器采用的型号是MS1100-P111VOC，该型号传感器具有灵敏度高、准确度高等优点，是一种进口的半导体式传感器。具体电路图如图4所示。
温湿度传感器采用的型号是DHT11，该传感器电路简单、稳定性好、功耗很小，可以自动休眠，具体电路图如图5所示。
显示屏采用Usart-GPU串口液晶屏，由于价格低
廉，受到广大用户喜爱，无需转编号，支持直接汉字驱动、真彩图形显示。显示屏与STM32微处理器的接口原理图如图6所示。
4系统软件设计
本系统采用模块化和层次化的设计方法，使用C语言进行代码编写。基于软件模块化开发和设计，编写了STM32硬件初始化模块、甲醛传感器采集模块、温湿度传感器采集模块、Usart-GPU串口液晶显示模块、蜂鸣报警模块等的驱动程序。软件流程图如图7所示。
该系统样机软硬件已经设计制作完毕，同时进行了设备的测试，结果显示该系统可以完成甲醛浓度、温湿度采集，液晶显示屏实时显示当前室内空气质量情况。如果甲醛浓度超标，蜂鸣器则发出声音告警信息，提示用户。该系统实物照片如图8所示。
5结语
研制和开发了基于STM32的无线环境监测系统，采用甲醛传感器、温湿度传感器进行信号采集，并将甲醛的浓度值、温湿度值实时显示在液晶显示屏上，可以通过WiFi无线网络技术将监测结果发送到移动设备上，实现了远程监测。如果空气中甲醛超过国家标准安全阈值，系统会立刻进行蜂鸣报警，以实现对室内空气污染物实时监测和预警。测试结果证明，所有功能能够完整地实现，可靠性高，该系统具有良好的应用前景。
参考文献：
[1]
徐科军.传感器与检测技术[J].北京：电子工业出版社，2011：202～260.
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0012-02
目前，环境日趋恶劣，越来越多的人开始关注周围的环境，因为这直接关系到每个人的切身利益，但是由于我国人口密度较大、污染物空间分布非均匀性较强、污染监控点布设不合理、经济技术条件比较落后等客观因素，造成以现有方式获取的数据不具有代表性。为解决以上问题，本文决定研究和开发具有高性价比的智能环境监测系统，以实现监测系统的小型化、个人化、智能化的目标，满足每个人对周围环境的知情权与监督权。
随着科技日新月异的变化，环境检测由经典的化学分析逐渐发展为传感器检测，无线传输技术也以其安装方便、灵活性强、性价比高等特性得到了各行各业的广泛接受。这些都为环境的无线智能监测提供了极大的可能。
1 总体方案设计
整个环境监测系统分为两个子系统——监测终端子系统和探测节点子系统，这两个子系统各需要一个主控芯片进行数据处理，该系统统一选用TI公司推出的16位超低功耗、具有精简指令集的MSP430F5xx系列单片机，该款单片机的超低功耗的特点对于本设计很重要。在信号调制方面，鉴于低功耗、方便易行的考虑，采用了OOK调制方案。为了实现友好的人机交互，采用了电容式触摸液晶屏，以充分发挥其操作新奇、不易误读、耐用度高的优势。无线通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，与四双向模拟开关IC——CD4066，由MSP430单片机进行控制。最后确定通信协议方案，设计思想是由终端发出一个同步传输的信号，节点接收并与自己的“身份”进行校对，验证完毕后，探测节点将检测到的环境信息以数据帧的形式向监测终端发送。通过相关的选择与设计，整个系统的结构设计如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 无线通信模块
该系统设计主要包括监测终端信息处理和探测节点信息采集，两者之间信息的交互采用无线通信的方式。该无线通信模块使得探测节点将环境信息以数据帧的形式传送给监测终端，以便将其显示在触摸液晶屏上，同时也可以使监测终端对探测节点进行身份校验。
无线通信模块的载波信号由基于DDS数字频率载波的AD9854芯片产生，其输出频率范围为0-120 MHz，综合各方面因素，只需使其产生稳定的30 MHz正弦波信号即可。此载波信号进入四双向模拟开关CD4066，再通过天线发射出去。该模拟开关可作为模拟或数字信号的多路传输，待传输的模拟信号的上限频率应为40 MHz，各开关间的串扰很小，典型值为-50dB。
2.2 环境检测模块
为满足环境监测系统实时、便捷、高性价比的要求，应充分利用目前发展较为成熟的传感器技术。对于SO2浓度的检测，本系统采用3SF CiTicel传感器，它是一种新型的定电位电解化学气体传感器，通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度。而对于灰尘粉尘的检测采用DSM501传感器，它的特点是采用粒子计数原理，PWM脉宽调制输出，便于进行数字信号处理。温湿度的检测采用SHT15传感器，SHT15是基于CMOSens技术的单片全校准数字式温湿度传感器，具有高精度、高集成度、反应迅速、低功耗等特点。检测太阳光紫外线强度总量用到UVM-30传感器模块，它响应极快、全互换性好，实现了测量紫外线指数（UVI）的高可靠性和精确性。对于风速的检测，本系统采用WS-01传感器。WS-01风速传感器采用传统三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动好；精密信号处理单元可根据场合需要输出各种信号。
2.3 人机交互模块
该系统中人机交互模块包括微控制器部分（MSP430F5xx单片机）、触摸显示部分（触摸液晶屏）、上限报警部分。MSP430F5xx作为人机交互模块的主控芯片，与触摸液晶显示子模块、上限报警子模块连接，负责实现触摸液晶屏的读入与显示、上限报警功能。当MSP430F5xx接收到来自探测节点的环境信息时，对其进行数据处理后，驱动触摸液晶屏进行相应的字符及图形显示操作，同时当用户完成相应的菜单选择后，也可以接收到相应的触摸信号，对需要显示的信息以及是否开启上限报警功能进行切换。
3 系统的软件设计
本系统采用层次化、模块化结构设计，主要包括基于MSP430F5xx的无线收发模块子程序、环境参数采集模块子程序、触摸液晶屏硬件驱动模块子程序以及上限报警模块子程序等。软件流程图如图2所示。
图2 软件流程图
4 理论分析
4.1 低功耗分析
在本系统中，MSP430F5xx单片机的供电电压为3.3 V，并提供32.768 kHz和14.7456 MHz无源晶振各自产生的两组时钟，以及DCO数字振荡器产生的时钟。当MSP430F5xx单片机在3.3 V供电电压下，以1 MHz的速度运行时，典型的电流值约为210 μA。此外，MSP430单片机还具有5种低功耗模式LPM0～LPM 4，节电方式下的最低电流可达0.1μA。硬件上的设计确定之后，在不同的情况下将通过软件控制系统的工作时钟和工作模式，并且大多数情况下，单片机在执行完相关操作后立即进入低功耗模式，以便于控制总体功耗。
要想降低功耗，一方面在于微处理器的设计，另一方面也要关注电源的管理和功耗电路的接口设计。例如，无线通信模块采用9600bit/s的波特率， 传输速度快， 完成数据通信后立即进入睡眠模式，以尽可能地保证系统的低功耗。
4.2 通信协议
由于待传输的数据信息比较长，而已有的通信协议又无法完全满足要求，因此本文将另行设计一套通信协议，以满足该系统的通信要求。在发送信息时，首先发送一个中断使能脉冲，随后发送一个16位的地址码，接收的数据为若干帧16位的数据码。地址码与数据码格式分别如表1、表2、表3、表4所示。
表1 16位地址码
表4 16位数据码3
4.3 载波信号
为得到相应的载波信号，应通过单片机对AD9854芯片的频率控制字（FSW）进行控制。其中，AD9854产生所需要的输出信号频率fout的计算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32为AD9854相位全加器位数。
5 结束语
本文设计了基于MSP430F5xx单片机的无线低功耗智能环境监测系统。在该系统中，监测终端既负责完成人机交互又需要控制探测节点，探测节点主要是将环境检测模块所测得的环境信息通过无线方式传输给监测终端，从而实现高效、实时地对周围环境进行智能监测，具有广阔的发展前景。该系统很容易实现探测节点与监测参数的拓展，以满足更大范围、更多参数的监测要求。
基金项目
天津市高等学校部级大学生创新创业训练计划（201310065037）；天津市自然科学基金（13JCYBJC15800）。
参考文献
1.引言
我国的煤炭生产主要来源于地下开采，井下生产条件很恶劣，如：噪声大、粉尘浓度和有毒气体浓度较高。长期在这种环境中从事生产工作，会影响矿工的身心健康，同时给煤矿安全生产也带来隐患。由于矿井结构的复杂性，井下的重要环境信息如温度、湿度、压力、风速以及有毒气体浓度等，很难用有线通信手段实时地监控。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）作为一种新型的无线通信技术，应用于矿井环境监测系统的分析和设计之中，不仅为矿井安全生产管理和事故救援提供可靠的技术支持，而且为类似矿井的环境监测系统的分析和设计提供理论基础和应用实例。
2.无线传感器网络分析
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量传感器节点通过自组织方式构成的网络系统，各个节点协作地感知、收集和处理被监测区域中感知对象的信息，通过对这些信息的协作式处理，获得感知对象的准确信息。因此，传感器、感知对象和观测者构成了WSN的三要素[1]。
2.1 无线传感器网络体系结构
2.1.1 无线传感器网络的一般结构
典型的传感器网络由传感器节点、汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等部分构成。传感器节点随机部署在被监测区域内，节点以自组织形式构成网络，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到汇聚节点和其他相邻节点。汇聚节点直接与互联网或通信卫星相连，通过互联网或通信卫星实现任务管理节点与传感器节点之间的通信。用户通过管理节点对传感器网络进行管理和配置，监测任务并收集监测数据。
2.1.2 传感器节点的功能模块结构
无线传感器网络的关键设备是传感器节点。一般来说，传感器节点由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。其中传感器模块由各类传感器及数模转换设备组成，主要用于感知被监测区域的环境信息，并将其感知到的信息数据传送给处理器模块；处理器模块主要负责协调节点各部分工作，如对感知模块获取的信息进行处理、保存，控制数据采集操作和电源的工作模式等；无线通信模块主要负责与其它传感器节点及观测者的通信；能量供应模块提供传感器节点正常工作所必需的能源，它是影响节点寿命的关键因素。无线传感器节点结构如图1所示。
图1 传感器节点结构示意图
2.2 无线传感器网络的特点
2.2.1 传感器节点体积小，成本低，具有自适应性
无线传感器中应用的传感器节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点。传感器网络是由大量的传感器节点组成，制造成本低。此外，传感器网络可在比较恶劣环境下工作，比如矿井、矿山，经常有节点失效或新节点加入网络，使网络的拓扑结构动态变化，因此，传感器网络具有很好的可靠性和自适应性。
2.2.2 电源能量是网络寿命的关键
无线传感器网络通常部署在恶劣环境或人不宜到达的区域，电池能量有限，且一般无补充能源，传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此如何提高电源效率是设计节点考虑的关键因素。
2.2.3 数据管理与处理是传感器网络的核心
无线传感器网络最鲜明的特点就是以数据为中心，传感器网络的设计必须以对感知数据的管理和处理为核心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术等几个方面考虑其系统实现。
3.MEMSoWSN系统方案设计
MEMSoWSN是基于无线传感器网络的矿井环境监测系统的简称，系统方案基于无线传感网络技术构建，以实现对矿井环境监控和管理。
3.1 系统结构分析设计
图2为矿井环境及人员监测系统整体结构图。该监测系统可分为两个子系统，采集与传输系统（井下部分）和监测与管理系统（地面部分）。
图2 MEMSoWSN整体结构示意图
3.2 采集与传输系统
采集与传输系统主要包括移动节点、路由节点以及汇聚节点，实现对矿井生存环境等信息的采集与传输。其中，移动节点和路由节点都是传感器节点，主要收集井下环境信息，不参与多跳转发，只将本节点感知的信息发送给邻近路由节点；路由节点参与多跳转发，并感知矿井空气中有害气体的浓度和成分（瓦斯、一氧化碳等）以及矿井中空气的物理状态（如风速、负压、温湿度等），将感知的数据根据路由协议发送出去；汇聚节点的作用是实现传输系统和管理系统之间的数据传输，相当于系统之间的一个网关节点。
3.3 监测与管理系统
监测与管理系统包括监控中心计算机网络、数据库和监控软件等，无线传感器网络收集的数据通过汇聚节点传给监控中心并存入数据库，监控软件对数据进行分析处理，并根据数据的变化对人员及井下环境进行管理控制。
3.4 数据处理流程设计
MEMSoWSN系统的数据处理流程是：首先由传感器节点进行井下环境信息实时采集，经其内置的处理单元简单处理后发送给邻近路由节点，路由节点通过多跳转发的方式将数据发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据转发给地面信息监控中心，信息监控中心将接收到的汇聚节点的数据存入数据库，并对数据进行分析，以得到有用的井下环境信息，最后将分析结果展现给管理员。
3.5 传感器节点设计
根据无线传感器网络的通信原理和单片机知识，可设计如图3所示的传感器普通节点，图4所示的汇聚节点。
图3 普通节点示意图
图4 汇聚节点结构示意图
3.6 信息监控中心设计
信息监控中心主要功能是接收汇聚节点监测的数据，分析井下环境状况。它主要由网关服务器、数据库服务器、信息监控服务器等组成。网关服务器用来与汇聚节点进行通信，实现协议转换；数据库服务器用来分类存储传感器网络发来的井下信息，同时与信息监控服务器进行通信；信息监控服务器运行监控软件，分析并显示井下环境状态。
监控软件是信息监控中心的关键部分。它由实时显示模块、数据查询模块、数据统计模块、告警管理模块和系统维护模块组成，如图5所示。实时显示模块动态显示井下环境信息；数据查询模块实现矿工信息精确查询、路由节点工作状态查询以及所关心节点传感器数据的查询等；数据统计模块统计系统工作情况；告警管理模块对各种传感器数据进行阈值限制，当出现非正常情况时进行告警，以便使管理员及时做出响应；系统维护包括登录人员管理、系统界面维护以及系统密钥管理等。
图5 监控软件功能模块结构示意图
3.7 实用性和可行性分析
底下矿井空间狭窄、密闭、地质状况多样，不易布设有线设备监测点，无线传感器网络中的传感器节点体积小，成本低，可以随意撒放于任何不规则空间，它们感知被测区域信息并相互传递，使有线设备难以获取的数据通过汇聚节点和路由节点最终到达监控中心，实现矿井环境信息的实时监测。
设计无线传感器网络应用或试验时，通常使用ZigBee通信技术。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。同时，考虑到井下通信的一些特殊要求，比如：矿井巷道的半封闭空间结构以及煤的电介质特性使得矿井在频率较高的情况下类似于波导，可以在2.4GHz频段工作，使高频无线电信号在矿井中更为有效地直接传输。许多学者已经对无线信号在矿井中的传输进行了试验，结果证明其传播性能较好[2]。2.4GHz频段又是全球通用的工业、科学、医学（ISM，Industrial，Scientific and Medical）频段，免付费、免申请，在此频段上天线尺寸和芯片功耗可以设计的更小，井下通信非常适合用。在实验室，应用OPNET（Optimal Network Engineering Tools）仿真开发工具OPNET Modeler，即可进行仿真实验。
4.总结与展望
本文结合矿井环境的特点，通过分析无线传感网络的技术特征，分析设计了基于无线传感器网络的矿井环境监测系统模型，结合相应的无线通信技术及其路由协议即可进行仿真。
随着无线传感器网络的发展及矿井环境检测手段的不断提高，今后的研究工作还将进一步扩展。可从以下几个方面提升系统的整体功能，如增加传感器节点的功能，引入声音和视频等多媒体传感器，使管理人员对井下情况一目了然。结合WSN数据融合技术，提高数据收集效率，获得更准确的井下信息，节省节点的能量延长其寿命等。
参考文献：
[1]李建中,李金宝,石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J].软件学报,2003,14(10):
关键词：Zigbee;环境监测;节点;多参数
中图分类号：TP212
文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0039-03
0 引 言
伴随世界经济与工业的快速发展，世界环境问题日益突出，环境监测逐步受到越来越多的重视[1]。当前，环境监测发展过程中的一个亟待解决的问题是开发功能强大并且价格低廉的无线远程监测系统，而环境监测过程中的首要任务就是准确获取监测节点环境参数，以便进行后期的分析、整理和改进等工作。
物联网（the internet of things，IoT）技术的出现很好地促进了环境监测的发展。简而言之，物联网就是物物相连的互联网。物联网的核心在于感知地球，通过物联网平台可以大范围无线远程监控环境参数，通过数据融合，可以为国家和企业进行环境监测、环境治理、环境规划等工作提供理论依据[2]。
近年来，随着传感器技术和集成电路、嵌入式技术的发展，生产功耗低、体积小、具有感知及信息处理能力的传感器已经可以实现[3]。然而在实际运用中我们需要的不止一个环境参数，而是需要多个传感器同时工作[4]，采集多个环境参数的数据[5]。基于这个目的，我们迫切地需要一种设备能够连接多个传感器同时进行准确、高效的数据采集、整理以及传输。故本文针对环境监测过程中的多传感器和多参数情况运用了Zigbee技术方案进行了解决，通过CC2530连接各个传感器组建节点实时采集温度、湿度、烟雾和RSSI值等数据。
一个功能完善的无线环境监测节点除了传统意义上的环境参数采集之外，应该能够提供一个测距定位功能。本文所提出的基于Zigbee的多参数无线环境监测节点通过硬件自身系统在不添加任何额外硬件的情况下通过数据包发送RSSI值可以进行测距定位[6]。
监测系统总体结构如图1所示。
图1 总体结构图
1 Zigbee与CC2530
1.1 Zigbee简介
Zigbee是基于IEEE802.15.4工作组制定的低功耗个域网标准协议，Zigbee技术正是由此而来的一种短距离、低功耗的双向无线通信技术[7]。Zigbee技术的特点是低复杂度，自组织，低成本，低功耗，低数据速率和近距离。由一个协调器组织的大容量Zigbee网络最多可以容纳65 535个网络节点，从而扩展了单个节点间75 m的标准通信距离，达成了Zigbee网络的远距离通信，满足了大多数通信网络的需求。工作在2.4 GHz频段的Zigbee拥有16个自主定义的独立信道，通过切换信道，有效地提高了通信过程中的抗干扰性。与此同时，Zigbee使用了标准的载波监听多路访问/冲突防止（CSMA/CA）方式，有效地避免了信道竞争和冲突，以保证数据传输的可靠性。
Zigbee的网络结构如图2所示，分为一个协调器负责组网以及和上位机通信，若干个路由器负责转发以及拓展网络容量，多个终端节点负责发送以及接收信息。
图2 Zigbee网络结构
1.2 CC2530简介
CC2530是德州仪器公司根据Zigbee技术实际应用而开发的一个价格低廉并且功能强大的片上系统解决方案，因此它显然是工作在2.4 GHz并且符合IEEE802.15.4的协议标准[8]。CC2530能够通过自身I/O口连接多个传感器建立功能完善的无线环境监测节点。
CC2530 结合了增强型8位8051 CPU，最高256 KB的系统内可编程闪存，8 KB的RAM 和21个可编程数字I/O引脚。CC2530芯片采用7 mm×7 mm QLP（方型扁平式）封装，共有 40个引脚。所有引脚可都分为21个I/O端口线引脚、13个电源线引脚和6个控制线引脚共3类。
通过同样是德州仪器公司推出的目前应用最广泛的Zigbee 协议栈（Z-StackTM），CC2530提供了功能强大且应用宽广的Zigbee 解决方案。协议栈采用查询操作系统，在系统初始化完成后就进入操作系统并不停地轮转查询用户自定义的任务来执行。
2 传感器
一个好的环境监测系统离不开多个好的传感器，这些功耗低、体积小的传感器能够将温度、湿度和烟雾等多个环境参数信息准确地采集至监测节点。本节中所介绍的DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器正具备了这些优点。
2.1 DHT11
DHT11温湿度传感器可以同时采集环境温度和湿度，它输出的是经过内部校准的数字信号。它是应用程序先进的数字模块采集技术和温度、湿度传感技术，在硬件电路简单的同时保证了传感器的可靠性和稳定性。测量范围：湿度20%90% RH，温度050℃;测量精度：湿度±5% RH，温度±2℃。DHT11温湿度传感器模块的硬件电路如下图3所示。
图3 DHT11硬件电路图
2.2 MQ-2
MQ-2半导体式烟雾传感器拥有很宽的监测范围（30010 000 ppm），其优点是稳定性好，使用寿命长，灵敏度高，响应速度快，驱动电路简单。它输出的是模拟信号，提供一个烟雾报警信息，可用于各种液化气，酒精，烟雾，烟尘等气体监测的环境。MQ-2烟雾传感器模块的硬件电路如下图4所示。
图4 MQ-2硬件电路图
3 软件设计与测试
3.1 软件代码编写
在开发软件上我们使用了德州仪器公司跟CC2530配套的IAR Embedded Workbench，利用Z-Stack 协议栈，添加自己的任务，使传感器设备正常工作采集数据，节点接收和发送数据，协调器接收数据并上传上位机。
CC2530节点发送数据的代码如下所示：
1）定义一个数组;
2）写入温湿度数据;
3）根据有无烟雾报警信号写入0或1;
4）调用Z-Stack发射函数进行发送。
{ uint8 T_H[5];
T_H[0]=wendu_shi+48;
T_H[1]=wendu_ge%10+48;
T_H[2]=shidu_shi+48;
T_H[3]=shidu_ge%10+48;
if（LIGHT==1）
{ T_H[4]=1;//有烟雾 }
else
{ T_H[4]=0;//没烟雾 }
if （ AF_DataRequest（ &Point_To_Point_DstAddr，
&SampleApp_epDesc，
SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID，
5，
T_H，
&SampleApp_TransID，
AF_DISCV_ROUTE，
AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS ）。
CC2530协调器接收代码如下所示：
1）验证是否为自身网络内节点发送来的数据;
2）若是，则获取数据，串口进行打印。
switch （ pkt->clusterId ）
{case SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID：
msgrssi=pkt->rssi;
msgrssi=0xff-msgrssi;
_ltoa（msgrssi，myrssi，10）;
HalUARTWrite（0，"RSSI is：-"，9）;
HalUARTWrite（0，myrssi，osal_strlen（myrssi））;
HalUARTWrite（0，" Temp is："，9）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，2）;
HalUARTWrite（0，" Humidity is："，13）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[2]，2）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[0]，2）;
HalUARTWrite（0，" Humidity is："，13）;
HalUARTWrite（0，&pkt->cmd.Data[2]，2）;
if（pkt->cmd.Data[4]）
HalUARTWrite（0，" Got bad Air＼n"，13）;
else
HalUARTWrite（0，" No bad Air＼n"，12）;
Break。
3.2 节点测试
节点采集到环境信息后发往协调器经由串口传输至上位机，故我们只须监测上位机串口即可测试整套系统的可行性及稳定性。
图5和图6为实验室内部无障碍情况下节点距离协调器1 m处和3 m处连续监测5 min后的测试数据。
图5 1 m处节点数据
图6 3 m处节点数据
通过监测可以看到节点在距离协调器1 m处和3 m处均能够稳定正常工作，采集所需的环境参数，并且能够发送自身的RSSI值给协调器节点进行测距定位。
4 结束语
针对环境监测过程中的无线环境、多传感器、多参数的情况和对距离的需要，本文提出了一种基于Zigbee的多参数无线环境监测节点。设计中采用了德州仪器公司CC2530作为节点通过多个传感器对温度、湿度、烟雾和RSSI值等多个参数进行了采集和无线传输，最后在上位机进行显示和综合分析整理。由于Zigbee技术具有成本低，功耗低，数据传输可靠，大容量的网络，良好的兼容性等特点，应用在环境监测领域将具有极大的优势。
参考文献：
[1]
赵燃，崔再斌.中国环境监测技术的现状及其发展[J].农村经济与科技，2012，23（6）：20-21.
[2] KANG H，LEE J，HYOCHAN B，et al.A design of IoT based agricultural zone management system[M]//JAMES J，JONGSUNG K，ZOU Dengqi，et al.Information Technology Convergence，Secure and Trust Computing and Data herlands：Springer， 2012： 9-14.
[3] WANG L，AKILYDIZ I F.Survey on sensor networks[J].IEEE Communication Magazine，2002，40（8）： 102-114.
[4] 王殊，阎毓杰，胡富平.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 辛颖，谢光忠，蒋亚东.基于 ZigBee 协议的温度湿度无线传感器网络[J].传感器与微系统，2006，25（7）： 82-84.
（下转第 页）
[6] 朱明辉，张会清.基于 RSSI 的室内测距模型的研究[J].传感器与微系统，2010 （8）： 19-22.
[7] TEXAS I.A true system-on-chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications[EB/OL].（2011-03-28）[2014-04-10].http：//.cn/cn/lit/ds/swrs081b/swrs081b.pdf.
[8] 王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.
作者简介：
陈国平（1976），男，重庆合川人，博士，副教授，主要研究方向为电磁/声学主被动原定位与成像。
基金项目：基于物联网技术的智能环保系统研发项目（工信部2012-10号）。
Design of multi-parameter wireless monitoring node based on Zigbee
CHEN Guoping1， YANG Ningyu1， ZHU Wenchao1， Huang Zhihui2
（1. College of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065，P.R. China
关键词： GSM无线通讯技术；电力环境；ATT7026A芯片；检测报警
Key words: GSM wireless communication technology；power environment；ATT7026A chips；detection alarm
中图分类号：TN8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）25-0015-02
0 引言
近年来,随着经济技术的发展，电力设施在工农业生产中的作用愈发重要，电力系统正面临着前所未有的挑战。伴随的电力设施的维护、管理也成为了一项重要的工作。电力环境的电流、电压、有功、无功和频率等参数是供电管理的一项重要内容,也是电能质量的主要指标之一。如果电流、电压过低,供电设施将不能充分发挥其功效,有的甚至不能正常工作；反之,如果过高,将会大大缩短供电设施的使用寿命。电网的这些环境参数的质量的好坏对电网稳定及电力设备安全运行具有重大的影响。因此，必须对电网的各环境参数进行在线监测，确保电网供电设施可靠运行、电能充分利用和电网高效、安全运营，已经势在必行。
通信技术的选择是开展电力环境参数在线监测工作的关键。近几年出现的监测仪的通讯技术一般有两种方式：①人工抄表方式；②使用电力线载波。第一种人工方式存在数据采集不及、费时费力等问题，无法形成完整的监测管理系统。第二种方式存在传输受限、脉冲干扰、高噪音、高削减和高变形等缺点。也同样不能成为理想的通信媒介[1]。
本系统采用GSM无线通讯技术进行电网环境参数的远程传输，实现参数的远程双向通信。同时，可通过核心控制中心设定预警参数，当达到预警值时，则通过GSM进行远程报警。从而实现电设施的统一监测和分布式管理。
1 监测系统整体结构的规划
监测系统主要是以MSP430F149单片机为核心部件，通过对电网环境参数的数据采集、数据传输、数据存储和人机交互等模块的设计，实现系统的自动采集、数据存数、实时显示、无线传输、远程抄表和预警等功能。数据采集模块主要采用ATT7026A专用电能计量芯片，进行电压、电流、电量等各项参数的采集[2]。它具有高精度、多参数测量、远程校表、智能报警等优势。系统整体结构见图1。
本系统主要实现自动采集电网环境参数、无线传输数据和自动预警。主要功能如下：①通过ATT7026A专用电能计量芯片自动采集电压、电流和电量等参数信号。② 实时显示ATT7026A芯片采集到的各种参数信息、时间及系统配置信息。③通过按键模块对参数预警值、数据存储间隔等参数进行设置。④ 通过铁电存储芯片将各参数信息、时间、系统配置等信息进行分类存储，便于用户查看历史数据。⑤通过GSM模块将各参数信息以短信的方式发送到用户终端和监控中心。CPU控制发送信息有两种方式：1）定时自动发送；2）达到预警值发送，进行报警。
本文针对ATT7026A数据采集模块和GSM无线传输模块具体讲解，其它模块如人机交互，存储模块等与其它检测系统基本相似，在此不再累述。
2 ATT7026A数据采集模块的设计
本系统的数据采集模块采用珠海炬力集成电路设计有限公司所设计的ATT7026A高精度三相有功、无功电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。是由一款，适用于三相三线和三相四线制应用。ATT7026A集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相和合相状态下的有功功率、无功功率和视在功率等参数高精度计量。ATT7026A主要由模数转换单元、数字处理单元通讯接口以及电源管理等组成[3]。其原理结构图如图2所示。
2.1 模拟信号采样的设计 ATT7026内集成了6路16位的ADC，采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是1V建议将电压通道Un对应到ADC的输入选在0.5V左右而电流通道Ib时的ADC输入选在0.1V左右。本系统将电压和电流互感器检测出的信号经信号调理后，传输到ATT7026A的模数转换器内进行ADC转换。模数转换器ADC主要实现对三相交流电的电压、电流信号进行模、数转换。数字信号处理DSP模块主要实现对各路ADC采集的数据结果进行计算和分析，得出各相的电压、电流有效值、功率、频率等参数[4]。ADC前端接线电路图（图3）。
2.2 ATT7026A通讯接口的设计 SPI通讯串行接口可以方便地与MSP430F149核心控制芯片进行通信，将各相的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能以及无功电能、电压与电流有效值以及功率因数等电气参数输送到微处理器中[3]。
ATT7026A内部集成了一个SPI串行通讯接口，ATT7026A的SPI接口采用从属方式工作，由CS（从使能信号）、SCLK（串行移位时钟）、DIN（串行数据输入）和DOUT（串行数据输出）四种信号线构成。
通讯时，数据由DOUT输出，DIN输入，数据在时钟的上升或下降沿由DOUT输出，在紧接着的下降或上升沿由DIN读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。SPI读操作时序如图4所示。
通过SPI写入1个8 Bits的命令字之后，可能需要一个等待时间，然后才能通过SPI读取24 Bits的数据。在SCLK低于200KHz时可以不需要等待。SCLK频率高于200KHz时则需要等待大约3us。
3 GSM无线通讯模块的设计
本系统设计为通过GSM模块向用户和控制中心发送电网监测数据参数。发送方式有两种：①定时发送；②达到预警值，发送信息进行报警。本系统可以通过按键模块设置发送方式、方式1的时间间隔以及方式2的预警值等。
本系统采用Siemens公司生产的新一代无线通信GSM模块, 可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据传输功能。它设计小巧、功耗很低，模块的工作电压范围为3.3~5.5V，主要工作于4.2V。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。
3.1 GSM模块硬件连接电路 GSM模块主要由GSM基带处理器、电源模块（ASIC）、内部Flash、40脚的ZIF连接器、射频天线等部分组成[5]。GSM模块共有40个引脚，通过ZIF（Zero Insertion Force）连接器与电路连接，分别为：电源电路、启动与关机电路、串行通信电路、单片机电路、SIM卡电路、等，实现电源连接、指令、数据及控制信号的双向传输功能。可实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。其中GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。
射频天线部分主要实现信号的调制与解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。ZIF插座是提供给用户的应用接口[6]，通过连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。其中40脚的ZIF插座，包含的引脚功能有：模拟音频输入输出接口；标准的RS232信号接口，共8个引脚。
GSM模块、有标准的RS-232接口，通信接口为标准异步RS-232全双工方式，通信字格式采用GSM支持的10位编码格式：1位停止位，8位数据位，无校验，波特率为9600bps；帧格式采用标准的AT命令结构：帧头（固定为AT）+指令（参考AT指令集）+结束标志（固定为）。硬件接口电路如图5所示。
3.2 GSM模块的软件程序设计 本系统采用的GSM模块支持AT命令集来实现对短信的发送功能。AT(Attention)指令集是调制解调器通信接口的工业标准开发的一种 SMS Block Mode协议，通过终端设备来完全控制SMS[7]。GSM模块实现短信收发功能只须放进SIM卡即可使用，与单片机采用串行异步通信接口。利用GSM模块的串行接口，MSP430F149单片机向GSM模块发送了一系列的AT命令，就能达到控制GSM模块发送SMS的目的。本系统通过AT命令将GSM模块设置为PDU短信息收发模式。PDU模式是基于十六进制形式字符的，数据和代码都经过编码，通过PDU编码的短信息内容既可以是中英文字、声音或图像。PDU模式被所有手机支持，可以使用任何字符集，也是手机默认的编码方式。PDU数据包SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等信息。待发送的消息以 UCSII 码的形式进行发送。
3.2.1 PDU数据包的编码 假设中心号码是8613800312500，目标号码是6813931692769，消息内容是：“警告”。从GSM模块发出的PDU数据包是：0891 683108301105F0 11000D91 683139612967F9 000800 04 8B66544A。其中，①6831 08301105F0和683139612967F9是通过将中心号码和目标号码进行编码所得。具体编码格式如下：将目标号码和中心号码的后面加“F”，再将相邻的两位数字一组，高低位互换，得到的所需号码；②8B66544A是“警告”汉字的Unicode编码；③04是发送信息即“警告”的Unicode码的长度除以2，以十六进制表示。
3.2.2 发送短信程序设计 在串口通信过程中，每发出一条AT命令后都必须等待模块的响应，若在模块响应之前发出下一条AT命令，则后一条命令不会被执行。所以，MSP430F149单片机必须在发下一条AT命令前检测上一条命令的执行结果，或者等待足够长的时间（试验证明1秒的等待是必须的）后再发新的AT命令，收发短信息流程如图6所示。
4 结论
本系统利用ATT7026A数据采集模块实现对电网的各重要电力参数（电流、电压、有功、无功、频率等）的实时采集功能；利用GSM模块实现对数据的定时远程传输和实时预警功能；通过液晶和按键模块的软件控制实现人机双向沟通功能，从而达到对远程参数、预警值、定时时间等参数的设置及控制的目的。本系统和维护时间等特点。本系统不仅通信快速、费用低、安全可靠，而且节省人力资源、缩短修护时间、节省专线建设成本,还能大大提高系统的工作效率和整体性能，对保障设备的正常运转具有积极意义。
参考文献：
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中图分类号：TP274；S126 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0140-02
1 引言
21世纪的农业是信息高度集成化的智慧农业，在农业领域中充分发挥科技的力量势在必行。智慧农业是农业发展的新潮流，是未来农业可持续发展的必经之路。发展智慧农业需要大量有效和及时准确的农田环境信息，获取农田环境信息是智慧农业实现的关键之一。近年来，农田环境信息获取的方法和手段不断提高和丰富，但从总体上看，还存在一些问题有待解决，如：环境信息采集过程应用的手段还相对落后、采集效率不高；传输方式受布线难、传输距离短、现场环境复杂等限制；同时由于农田分散、且多无人看管、设备多，管理工作需要进一步完善。
为此，笔者设计了基于GPRS、云平台和无线传感器网络技术的监测系统，能够实现实时监测农田环境的各种参数，以解决上述问题。对于提高农业耕作精细化程度，减少人力资源投入，农业生产大数据的研究等都具有重要的科学意义，对智慧农业的推广发展具有深远影响。
2 农田环境监测系统
农田环境监测系统主要由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器构成。在大棚和农田里安装的是农田环境监测智能终端，它由太阳能电池板供电，无需外接电源，并且由程序控制为低能耗节能模式可常年累月运行，保证对农作物整个生长周期进行无缝监控。智能终端可以同时配备温度、湿度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤水分、土壤养分、土壤酸碱度、污染物（COD、BOD）等传感器。用这些传感器感知作物生长土壤、空气、光照等环境参数，转变成数据形式，通过GPRS无线通信网络上送到云服务器，进行分类、存储、统计和分析。
通过互联网浏览器访问平台网站，或者手机客户端查询相应农田环境数据的变换和报警信息。大量智能终端安装到农田大棚，长时间运行后，云服务器就会存储海量的农田环境数据。农业科研专家通过建立农作物生长模型分析这些海量数据，对历年作物品质、产量、环境数据进行分析对照，预测作物生长及产量情况，及时提出合理的农田耕作和管理的指导建议，为农业生产、发展精准农业、智慧农业提供技术支撑和科学依据。
2.1 农田环境监测参数选择
影响农田环境的参数很多，我们从中选取了对植物影响重要，而且便于在线测量如农田环境地表空气温度、湿度、CO2、NO2，表面光照、土壤温度、土壤含水量、土壤养分、土壤酸碱度等参数作为农田环境的监测量。
2.2 农田环境监测系统构成
农田环境监测系统由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器以及环境监测分析软件以及移动设备客户端软件等构成。
监测终端是采用嵌入式结构，内部集成了GPRS通讯设备；16路0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA等模拟量信号传感器接口；6路IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等通讯信号传感器接口；并提供锂电池、太阳能等电源输入接口和DC3.3V1A或DC5V0.5A或DC24V0.1A电源输出接口。测控终端除了具有监测终端的功能外，还带有8路继电器、2路PWM控制接口。
环境传感器选择有线的，DC3.3V或DC5V或DC24V供电，并且支持0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等信号接口之一的传感器，无需任何信号转换器就可以直接与监测终端连接。如果选择其他信号接口的传感器，需要外加信号转换器。
2.3 系统工作原理
在待测农田、大棚等相应位置安装农田环境传感器、监测终端以及太阳能板。如果需要，还可以安装一块或多块本地公共显示屏，用作实时显示监测数据和分析情况。
环境传感器将各种物理量转换成0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB之一的电信号，通过测控终端采集变为实时数据，经过嵌入在终端内部的硬件和软件数据滤波后加上时间戳和物理量类型，形成数据记录，保存在测控终端的Flash存储器中，同时由GPRS通讯上送到云服务器和本地公共显示屏。
云服务器收到测控终端上送的数据，进行分类、汇总保存到云数据库中。远程计算机的测试分析软件系统，通过互联网或GPRS，访问云服务器数据库，进行综合分析，将分析结果送回云服务器，供研究分析、本地公共显示屏显示、远程或移动客户端查询用。
3 农田环境监测数据处理
3.1 监测终端数据滤波
受地域或自然环境影响，监测数据极易受到农田劳作、环境扰动等的外界因素干扰。要想反映实际情况的监测数据，需要将采集到的数据进行滤波处理，因此，除了在硬件电路对采集量进行滤波外，还必须针对不同监测量，在软件上通过相应的数字滤波[2]进行处理。
采集终端将采集到的空气温湿度、土壤温度、含水量和光照强度等模拟信号转换成数字量后，通过公式计算出的环境参数的平均变化率。
监测终端根据其平均变化率，自动选择合适的数字滤波方法。例如像温度、湿度等大部分农田环境参数变化缓慢的监测量，即当
（1）
其中，y（t）为滤波后的当前采集值，f（x）为当前实测值，T0为滑动滤波长度。系统软件将新数据放入到滤波队列的队尾，扔掉最早采集的数据，滤波后的输出总是固定滤波长度的算术平均值。
当0.25
当0.55
3.2 监测结果
利用客户端分析软件从云端服务器获取监测数据，进行统计分析，从中选取了一块具有代表性的农田大棚，安装了一套监测终端，运行一段时间后，摘录了其中24小时的棚内空气温度、湿度、CO2含量和土壤温度、含水量、光照强度等参数监测曲线如图1所示。
4 结语
通过GPRS网络和云服务器，该系统可以无线远程实时监测农田环境数据。与传统农田环境采集系统相比，该系统减少人力和物力投入，缩短环境信息采集周期；与已有的无线采集系统相比，该系统对信号处理具有更好的收敛性，且通过云服务器存储数据更加稳定且智能。该系统对于发展精准农业和智慧农业起一定推动作用。
参考文献
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-02
0 引 言
随着社会的不断发展及人口数量激增，粮食已成为关系国计民生的重要产品。成品粮仓储是粮食物流的重要环节。为保证成品粮安全，需要周期性检测仓库多位置的温度、湿度数据。近年来，由于传感器技术、计算机技术、集成电路技术和网络通信技术的发展，国内也渐渐出现了丰富的数字传感器配套产品，技术比较成熟，使监测系统可广泛应用于物流仓储等方面，成品粮仓储监测技术的研究在软硬件等方面都取得了很大进展[1，2]。
传统的仓储粮温湿度在线监测系统主要分为有线与无线两种。对于大型的成品粮库，有线方式受布线、安装等条件所限应用受到较多限制。现有大型仓储系统布点的监测只采用有线方式无法完成，因此基于ZigBee的无线传感器网络成为仓储系统、监测系统发展的重要趋势[3]。
本文基于无线传感器网络提供了一种成品粮仓储环境温湿度监测系统，并配合插补算法计算所监测到现有数据的均值得出变量的缺失值，绘制温湿度曲线，实现仓储环境温湿度监测，保证数据的实时性和可靠性。
1 监测系统的结构
1.1 监测系统总体结构
成品粮仓储温湿度监测系统的架构包括上位机与下位机两部分。基于上位机使用Qt平台进行软件系统开发，并与数据库连接，实现数据的存储。下位机由温湿度无线传感器节点组成，通过无线传感器网络实现温湿度数据的采集，并传输到上位机。系统架构如图1所示。
1.2 监测系统功能结构
成品粮温湿度监测系统软件由数据采集与存储、温湿度实时监测、过限报警、历史查询和温湿度场拟合五个子系统组成。该系统功能的实现有利于仓储的现代化管理，提高了仓储环境监测的效率、实时性与准确性。系统功能结构图如图2所示。
2 监测系统设计
2.1 监测系统硬件
无线传感器网络节点基于ZigBee协议，采用ATmel公司的ATmega1281V微处理器和AT86RF射频传输芯片，具有128 KB Flash存储器，无线传输速率可达2 Mb/s。监测系统由8个温湿度传感器节点与一个汇聚节点构成，温湿度传感器使用SHT10。
2.2 监测系统软件设计
无线传感器汇聚节点通过串口与上位机连接。上位机部分软件要对采集的数据进行校验，校验无误后对有效字段进行提取，提取的信息包括温度、湿度和节点信息，并在实时监测界面显示，存储到数据库中。如果温度超限，系统会报警提示。实时监测界面如图3所示，界面运行流程如图4所示。该监测系统还能够实现对历史数据的查询与曲线分析，界面分别如图5、6所示。
在成品粮仓库中，温湿度场的分布对安全储藏影响较大，然而在实际情况中传感器布置不可能无限布点，温湿度分布在空间范围内不会跃变，因此可以采用插补方法[4]，通过有限点拟合温湿度的分布。均值插补算法以总体的平均值作为该变量所有缺失值的替代值，经计算，以总体均值替代全部缺失值，通过计算现有数据的均值就可以得出量的缺失值，在算法的实践中也较容易。因此在监测系统中采用均值插补获取温湿度的分布。温湿度在仓内纵向分布拟合如图7所示。
基于无线传感器网络的成品粮仓储环境温湿度监测系统经测试，成功运行。
3 结 语
本文设计了基于无线传感器网络的成品粮仓储环境温湿度监测系统，完成了成品粮库温湿度数据的实时采集、存储与显示，并能够进行超限报警、历史数据查询与曲线分析，同时为获得温湿度分布采用插补方法对温湿度数据进行拟合，该系统运行成功，为成品粮安全储藏提供了有效的监测手段。
参考文献
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