基于无线传感器网络的室内环境监测系统
摘要——提出了一种新的基于无线传感器网络（WSN）的室内环境监测系统的设计方法，该系统实时，按需，周期性地对数据进行分析。该系统的目的是通过Android应用程序远程监控室内环境。这个系统包括Crossbow Iris motes，MTS400传感器板，由加州大学伯克利分校和因特尔设计的数据520指控板，以及一个用来监测环境参数的基站，例如光，压力，温度和湿度。该系统利用微尘视图软件从无线传感器网络获取数据。在后端，已经开发了一个数据库来加载微尘视图的数据并且系统将数据从数据库推送到为系统设计的安卓软件。这个系统可以使用户能在手机上监测他们的室内环境。
关键词：室内环境监测，无线传感器网络和安卓
- 介绍
无线传感器网络（WSN）通常包括大量的传感器节点。每个传感器节点被连接到一个或多个节点来感知现象的属性，传感器节点具有多个部件，涉及到电子电路，接口与电池源，无线电接收器和微控制器。传感器节点大小可能有所不同，这取决于他们所使用的应用程序。无线传感器网络可以大规模部署来监控环境，用于军事侦察和监视战场，用于在开放环境终救援和搜索，用于维护工厂，用于建筑物基础设施的监测以及医疗中心的监测。部署传感器节点的几个方案可以在均匀部署和不规则随机部署之间选择。节点的移动性可以是固定的，或者移动的，或者两者的组合。传感器节点是自配置的性质，这使传感器节点延长网络生命周期。在一个标准的设置中，用户可以通过插入查询和从基站采集结果来获得信息，这作为一个接口在用户和网络之间工作。
无线传感器网络是一个新兴的领域，关于它的研究正在世界范围内进行，在几乎生活的每一步中拓展和实施这样的网络。无线传感器网络是在有限的资源上进行广泛的研究。本文旨在提出一种基于无线传感器网络的室内环境检测系统。
- 相关工作
环境监测已经是常规进行，采用有限数量的昂贵并且准确的传感单元，这种系统的结果直接从传感单元检测。无线传感器网络提供了一个替代的解决方案，其中部署了大量的传感器节点，虽然个别节点具有较低的精度，但整体网络依靠立即访问的数据，具有更好的空间分辨率。传感器网络包括那些密集部署的非常接近表面或里面的传感器节点。低成本，灵活性，容错性，高传感保真度和快速部署性能的无线网络产生了几个令人兴奋的遥感应用领域。
到目前为止，大量的环境监测项目已经完成。例如采用无线传感器网络观察环境非常恶劣和危险的通古拉瓦火山，研究人员将传感器网络定位在火山内部，采用低频声波传感器观测火山喷发，采集了54小时。又例如LOFAR项目，利用网络进行精准农业。在大规模应用上进行了初步研究，在环境监测领域的无线传感网络是Great-Duck Island，这是美国加利福利亚伯克利大学的一个项目。
- 室外环境监测
室外环境监测应用通常包括栖息地监测，危险化学品检测，地震检测，监测交通，火山爆发，天气预报和洪水检测。传感器网络正被应用于精准农业。监测土壤的湿度和温度是无线传感器网络在农业中最重要的应用之一。山体滑坡的环境监测，预报报警是一个重要的特征，它可以挽救生命，避免财产遭到破坏。监测滑坡，目测和仪器仪表有三种基本方法。
- 室内环境监测
室内监控的应用一般包括办公室和建筑物的监控。这些应用涉及传感光，温度，湿度和空气质量。大部分ZigBee协议由于其较低的功耗，都用于室内网络连接节点和发送数据。
- 系统描述
工作场所和建筑物使居民暴露在各种环境因素中，包括热，压力和湿度，这需要密切监测，因为它们可能对人体构成严重威胁。现有的系统是基于网络的，有自然地和不可拓展地复杂性。移动平台正在以巨大的速度移动，许多制造商选择移动应用程序的大部分产品。MUETSenses 旨在提供经济，可拓展的系统，可以被轻松部署。该系统采用程序化微尘，基站，服务器和安卓设备。
- 系统的体系结构
MUETSenses的系统架构如图1所示。系统包括基站和传感器节点，以及一个服务器。传感器节点是用NesC语言编写的，网状拓扑被用来在微尘之间共享和传递数据。ZigBee协议因为其高效性被应用在微尘之间。基站从所有节点获取数据，负责将数据转发到处理数据的服务器。最终用户可以从其手持设备上的安卓应用程序访问到服务器上可用的已处理数据。
图1
- 硬件描述
在这个项目中使用的环境监测硬件包括IRIS微尘、MTS 400感应板和mib520数据采集板。IRIS微尘被用于从传感器板收集数据。不同传感器上的MTS 400感应板用于测量环境参数的数据采集，MIB 520数据指控板作为基站，所有传感器发送数据，MIB520则负责发送数据到数据库。
- 软件描述
整个项目是基于软件平台和编程语言。平台和编程语言包括：
bull;远程配置
bull;微粒观
bull;Eclipse
bull;NesC
bull;Java
bull;Php MyAdmin
远程配置用于微粒负荷计划。NesC语言进行编程的传感器和可视化的数据来自不同类型的传感器。微尘视图软件用于信息传输到服务器。安卓应用程序的设计图实现在Eclipse IDE上完成。JAVA用于编码，Php MyAdmin管理数据库中存储的数据。
- 接口
传感器是用来检测和测量非物理元件的精密设备。不同类型的传感器被用于测量不同范围内的参数，然后被转换成电信号做进一步处理。传感器需要有一个高精度的边际误差，这可能有一个极端的效果。传感器可以根据其性质和功能分类在不同的组。许多传感器可以安装在一个单一的板上。
IRIS微尘在这个工程中被应用。它是一个2.4GHz的模块，用于部署低功耗无线传感器网络。微尘有众多新功能特征，这提高无线传感器网络的功能。微尘需要编程操作，这有两种方法。
bull;局部编程
bull;远程编程
在这个项目中微尘使用局部编程技术来编程。MTS400传感器与IRIS节点和读数集成是通过基站观察的，这是连接到PC主机的接口，如图2所示。基站和传感器节点显示和USB端口显示连接到服务器。
图2
- 结果和讨论
传感器节点部署在计算机系统中，是该大学，巴基斯坦在不同的地点范围内的环境因素。环境因素包括温度，压力，和湿度，采用MUETSenses进行监测。
在图3中，网络拓扑结构的传感器节点放置在实验室中展示。在图4（a）,图4（b）和图4（c）中，从传感器获得的数据以直方图的形式显示出来。直方图概括传感器数据的分布。X轴显示数据，y轴显示每个传感器值的实例的百分比。图4（a）在x轴上存在不同的温度值，该传感器在节点部署的给定时间间隔内检测到的传感器和y轴显示在时间间隔内发生的特定值的百分比。由于温度的连续变化，直方图中发生了变化。直方图显示环境中的特殊例子，并且可以观察到不规则的价值。峰值表明在大多数的部署时间中观察到的特定温度值。同样，在图4（b）和图4（c）的压力和湿度图，这表明在环境中的压力和湿度的变化。颜色的变化代表了传感器的价值部署在不同的地方。图5和图6显示了应用程序的用户界面，显示了安卓应用程序上获得的数据，这是系统的新颖之处。该应用程序显示传感器节点部署的位置的环境条件。
图3
图4（a）
图4（b）
图4（c）
图5
图6
- 结论
基于无线传感器网络的室内环境监测系统已被成功地开发使用。传感器节点部署在实验室的计算机部门，以感知一系列的环境参数，如光，湿度，压力和温度。部署之前，传感器节点进行编程和配置。尘埃视图软件被用来可视化的直方图，图表，散点图和拓扑结构的传感器节点。通过安卓应用程序，它是可能的远程监控环境，提供一个现成的互联网连接。该程序能够显示不同的环境参数以及满足最终的用户需求。
- 未来的工作
一系列的功能可以被添加到应用程序，如智能报警，通知时，会出现一个设定的阈值，触觉反馈也可以引入。传感器节点可以被编程来控制环境以及监测它。
该系统还可以通过编程的传感器节点这样一种方式，传感器节点保持在睡眠模式，仅仅在需要时感测数据，使能源效率提高。引入此功能可以增加传感器节点的网络生命周期。
基于AT89C51单片机的温度监控系统
摘要——针对电缆接口在线实时测温的问题，设计了一种基于AT89C51单片机的检测报警系统。本系统的硬件电路由集热器，控制主机和PC机组成。通过收集，存储，转换和传输，把电缆接头的温度数据实时显示以及报警，实现了检测与报警电缆接口，有效地避免了火灾的发生。
- 介绍
在电力传输的实际过程中，每一个100米左右的长距离电缆线路中有一个电缆接口点。电缆火灾造成的内部和外部故障容易发生在众多电缆的连接处，这大约占电缆事故的50%。事实上，电缆接口故障的发展是一个渐进的过程，为了有效避免电力危害的发生，提出了一种监测电缆接口实时温度的方法，目的在于准确，全面地了解各接口的工作状况，确定服务方案，以确保电缆的安全电力传输。
该温度监测报警系统以电缆连接器和AT89C51单片机为核心。整个系统的三大部分组成分别是：温度参数的采集与转换，温度的数据传输，数据的集中显示和处理。
- 系统设计
该系统由上位PC机，主控制机和温度采集器组成。在结构上，可以将整个系统分成三层：一个是由微机系统构成上位机用户监控，一个是由AT89C51单片机构成的主控机控制层，和采集器上的一个测量电平。上位机通过GPRS与主控制机数据交换。该系统是由一台PC机和若干个集热器组成的主从结构，通过RS-485通信网络，可以远距离传输数据。系统的结构如图1所示。
图1
在这个系统中，上位PC机有规律地向主控制机发出读取温度数据的命令。在接收到这些命令之后，主机将回送从接收器读取的前数据并保存在SRAM中。完成传输后，主控制机也向每个收集器发出读取温度的命令。一旦收集器接收到它们，保存在收集器SRAM中的数据将被送回主机控制机，该主机接收并更新相关位置的原始数据。在这个对应间隙里，采集器不断读取最新的温度值，以准备实时读取主机的命令。数据的所有命令和传输都制定了严格的通信协议，采用了不同的检查方式，大大提高了传输过程的可靠性。
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- 温度采集器
该采集器主要由单片机AT89C51，测温口电路，通信电路，DS18B20传感器，预约电路，存储器电路和温度传感器六部分组成。收集器的结构图如图2所示。
图2
通过温度测量端口的选择电路，单片机控制温度传感器DS18B20采集温度，温度数据首先保存在外部存储器SRAM中，并且随时准备发送回控制主机。
温度传感器采用数字DS18B20温度采集器。DS18B20可提供9到12位的温度值，具有用户可编程温度的警告功能，无需波动，通过单总线连接可以从DS18B20发送或输出信息，因此只连接一条线即可满足。写入和读取温度变化可以由数据线本身完成，而不需要外部电源提供。因为每个DS18B20只有唯一的序列号，所以许多DS18B20可能存在于单总线上。在设计过程中，各电缆并联数十个温度采样点，构成串联线路的工作形式。该单片机发出的温度信号位数字信号，简化了A/D转换过程，提高了测量的效率和精度。
温度测量通道选择电路采用双向模拟开关CD4051多路采集CMOS器件作为转换开关。CD4051共8个组，负责控制一个单总线3-8译码器通过单片机的地址线协调负责选择CD4051通道。在设计中，每个收集器使用2片CD4051可以控制16组单总线。此外，每个采集器都有信道拓展，可以将信道拓展到64组，完全满足实际需要。
DS18B20注册端口电路完成新温度传感器的登记和预定。在开启系统和工作之前，每一个DS18B20必须先注册或预约，使单片机记录其64位串行码，以便在温度测量时才能识别。因此，登记蒲端口首先是由DS18B20温度传感器将在每个收集到微控制器设计。通过键盘建立一个逻辑地址，单片机可以读出它的串行代码，然后将它们存储在SRAM的相关单元中，以便在读取或写入传感器时使用它。
同时，在收集器里，一张32K非挥发性SRAM DCM0256也拓展为用于存储DS18B20采集多点温度数据的64位串行码的数据存储。该存储器的特点是存取速度快，在停电的情况下不丢失数据，实现了系统的实际要求。
通信模块是系统实现多机间远程传输和通信的关键。因为所需的电缆接头温度测量数据传输距离一般超过几公里，通信模块通常采用RS-485通信接口利用平衡传输和差分接收，具有干扰抑制能力。此外，该接收器灵敏度高，可检测的最低电压位200mV，因此，传输的信号可以在数公里之外恢复。
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- 主控制机
图3是主控机的结构图，主要包括通信电路，存储器电路和显示电路。主控制机的主要任务是读取和保存采集器的温度数据，然后送到上位机，便于分析，演示和用户查询。因此，主控制机实际上是一个具有存储器和通信功能的处理器。由于上位机可以与采集机进行数据交换，所以，通信选择电路可以用来改变主控制机控制系统中单片机的串行工作。
图3
主控制机与收集器之间的数据传输选择RS-485通信方式。因此，RS-485总线的应用
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