無線環境監測范文

導語：如何才能寫好一篇無線環境監測，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：環境監測；實時監控；無線通信；接力傳輸

無人值守綜合監控系統可在比較復雜環境中實現無人值守檢測，集中式管理與分布式監控遠程設備。對于無線遠程實施監控系統來講，在系統內充分運用了諸多先進技術，如無線通信技術、現代傳感技術及環境測試技術等，可將其大致劃分為三部分，即以Web為基礎的數據與分析模塊、服務器端接收存儲模塊及終端采集發送模塊。本文基于MSP430探討環境監測系統的設計路徑。

1.系統分析與模塊介紹

1.1系統總體設計

無線環境監測系統設計中，選用節點尋址技術，實施多節點通信。手機無線通信距離外的各節點數據，乃是無線實時檢測系統所需解決的關鍵問題，也就是監控終端采用切實辦法對無線通信距離之外的探測節點數據進行實時收集，有別于其它類型的預設路由的接力數據傳輸方式，對于覆蓋區域相應拓展問題給予了有效解決，在運行中，監控終端始終均為主控，能夠收集制定區域框架內各探測節點的實時數據，而對于特殊情況，針對所接收到的遠端請求，能以被動的方式來接受，若在節點發生緊急情況，能夠及時作出處理。而對于探測節點，其處從屬地位，監控終端對其實施控制，在緊急狀況下，可調整至主動發送，保證能夠及時上報可能出現的環境污染因子。

1.2系統硬件設計

1.2.1硬件設計思路

無論是探測模塊還是監控模塊，均需由MCU實現，本文均選用MSP430F1611單片機（TI公司），將其當作控制器，對于MSP系列單片機來講，其實際就是功耗超低、擁有精簡指令集且為16位的混合型單片機，其具有比較底的功耗消耗，此點對于本系統設計，對于本次設計尤為重要。對于環境監測模塊而言，可監測二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息，而對于其它類環境信息的測量，在本系統中快速植入。定點采集及輪詢等方式，各節點實現有序通信，而通過運用預設路由的接力數據傳輸方式，能夠較好的且系統化的解決覆蓋范圍拓展問題，對于監控終端，還有屏顯與鍵盤功能，本文選用128×64液晶屏顯及4×4按鈕鍵盤。

1.2.2無線通信模塊

對于環境監測數據，其實為靜態信息，具有相對不高的數據傳輸速度要求，在對無線通信模塊進行設計時，則可將nkF24L01數字無線收發器作為優選。此接收器其實為一款低成本無線收發器，即為工業級內置硬件鏈路層協議。此器件于2.4GHz工作，在ISM頻段全球開放，內部設置有多種功能模塊，如調制器、晶體振蕩器、功率放大器及頻率合成器等，并且其中還內置有ShockBurst技術（增強型），另外，可通過程度配置方式，確定通信頻道與輸出功率。可直接連接于單片機I/O，具有較少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比較低，若將發生功率{整至-6dBm，則工作電流便會維持在8mA：若處于接收狀態，電流則維持在12.2mA，通過各種低功率工作模式的運用，可更好的開展節能設計。

1.2.3監控模塊

對于監控模塊，對于其核心處理器的選用，通常以MSP430F1611單片機為基礎，實際就是功耗超低、擁有精簡指令集且為16位的混合型單片機。監控模塊當中的液晶顯示與鍵盤，能夠操作各種菜單功能，另外，還可進行數據與信息的實時查詢。在內容上，還包含有基于本地環境的監測模塊，類似一節點。

1.2.4環境監測模塊

環境監測模塊的核心處理器也采用的是MSP430F1611單片機，能夠測量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在檢測二氧化硫、二氧化氮和臭氧時，分別選用紫外熒光傳感器、化學發光傳感器和紫外吸收傳感器，測量范圍為0-500ppb，通過與SPI形成兼容效應，用微型SOT23-6來封裝。通常情況下，化學發光法傳感器測量范圍為0-500ppb。

2.系統功能設計

2.1輪詢模式

先選擇“數據采集”，從中找出“輪詢模式”，然后進至此模式，對于其中各個節點，需逐個訪問，針對各節點的執行，需要做到與定點采集模式相同，首先從節點1進行定點采集之后以自動的方式在，在需要訪問的后續地址上加一，也就是節點2，以此方式類推，直至最后節點。最后屏顯所測數據，以便清晰觀察分析。探測時，如若在等待時間上超出終端，便會向下節點自動跳轉，并繼續進行訪問，在終端數據上予以顯示，從中便可查知此節點所存在的故障，所以，此模式能夠對各及誒單正常工作與否進行檢測。

2.2自動接收

對于自動接收模式而言，其能夠將監控模塊，時刻控制在等待接收狀態，各探測節點依據實現設定好的順序，將環境數據信息定時發送。為不出現沖突，即大于2個節點同時進行數據發送，當進至自動接收模式時，監控模塊會將一個啟動時鐘發送至全部探測節點，將其為基準，各個探測點延時后，會將環境數據信息自動發送。

3.環境監測系統覆蓋范圍擴展

本文所設計的無線傳輸模塊，主要將nRY24L01芯片作為其核心，其工作狀態，滿足于各種低功率要求，能夠有效開展節能設計。但低功耗也存有些許問題，比如在傳輸距離方面相對有限，通常情況下，維持在～100m，針對此監測系統來講，其覆蓋范圍為100m，因此，此狀況會對環境監測系統的效用，產生某種趨向范疇內的嚴重制約。而在接力數據傳輸方式方面，如若選用預設路由，便能將覆蓋不足的缺陷給予有效解決。對于此種傳輸方式，能夠為把處于遠端，并且不在監控范圍之內的各節點，結合上級節點相應指定，與監控模塊間形成數據傳輸。由于環境監測系統，在環境數據量方面比較少，因此，也就具有比較小的無線通信數據量，而運用此方式，不會由于節點的增加，而造成通信阻塞狀況。

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關鍵詞：無線傳感器網絡，關鍵技術，傳感器節點

 

1 前言

環境保護越來越受到重視，環境監測是環境保護的基礎，其目的是為環境保護提供科學的依據。目前無線傳感器網絡在環境監測中發揮著越來越重要的作用。與傳統的環境監測手段相比，使用無線傳感器網絡進行環境監測有三個顯著優勢[1]：一是傳感器節點的體積很小且整個網絡只需要部署一次，因此部署傳感器網絡對被檢測環境的人為影響很小。二是傳感器節點數量大，分布密度高，每個節點可以采集到某個局部環境的詳細信息并匯總融合后傳到基站，因此傳感器網絡具有數據采集量大，探測精度高的特點。三是傳感器節點本身具有一定得計算能力和存儲能力，可以根據物理環境的變化進行較為復雜的檢測，傳感器節點還具有無線通信能力，可以在節點間進行協同監控。因為傳感器網絡節點對環境變化、傳感器網絡自身變化以及網絡控制指令做出及時反應，所以無線傳感器網絡適用于多種環境監測應用中。

2 環境監測應用中無線傳感器網絡節點的硬件設計

圖1節點硬件組成

微處理器采用TI公司的超低功耗的MSP430系列處理器，功能完善、集成度高，而且根據存儲容量的多少提供多種引腳兼容。

無線通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通過SPI接口與MSP430相連接。

電源用電池供電，使用AA電池。

傳感器節點可以不在節點中包含模數轉化器，而是使用數字換能器接口。

3 無線傳感器網絡用于環境監測中的關鍵技術

3.1 節點部署

好的無線傳感器的節點部署必須同時考慮覆蓋和連通兩個問題。覆蓋要求在感知中的每個地方都能至少被一個節點監視到，而連通要求在網絡通信上不被分割。覆蓋受節點的敏感度影響，而連通受到節點的通信距離影響。

因監測環境的復雜性和監測環境對于外來設備的敏感性、為了獲得周圍環境的確切參數和為了延長傳感器網絡部署的有效時間、增強傳感器網絡的實用性，所以用于環境監測的傳感器節點需要滿足體積小、精度高、生命周期長的要求。

選擇可替換、高精度的傳感器對于環境監測來說至關重要。一般來說，同類的傳感器測得數據之間誤差應不超過3%，這樣通過一定得補償機制可以將誤差控制在1%之內。選擇傳感器的另一個重要因素是傳感器的啟動時間。在啟動時間內傳感器需要一個持續的電流作用，因此需要采用啟動時間較短的傳感器以節省能量。

3.2 能量管理

目前的傳感器節點大多使用兩節AA電池供電，這樣的電力在3V情況下大約是2200mAh。如果需要持續工作9個月，每個節點平均每天只有8.148mAh的電量。表列出了傳感器節點常用操作消耗的能量。實際應用中需要仔細地在本地計算、數據采集和通信之間分配能量

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關鍵詞：無線傳感器網絡；考古發掘現場；環境監測

中圖分類號：K879.21 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0113-07

引 言

我國是文化遺產大國，地下文物數量巨大，分布廣泛，埋藏環境復雜，文物保存環境差異明顯，保護難度大。盡管近30年來隨 著我國經濟的不斷發展，科技水平有了很大的提高，但是文物發掘保護手段的發展依然滯后于社會經濟發展和學科需求[1]。

文物經過處于地下一段時間后，埋藏環境漸趨于穩定，文物也處于相對的動態平衡之中。隨著考古發掘工作的進行，文物已形成的固有平衡被破壞，所處環境的溫濕度、光輻射、氧氣等因素突變，極易導致文物的毀壞，加之出土后文物所處環境條件的反復波動，加快了破壞反應的進程。同時文物內部也存在肉眼看不見的細微變化，緩慢地影響著文物的保存狀況，如遺址土壤內部的溫濕度、含水率等。全面而準確地了解文物實時變化，有利于對文物實施精確的保護措施。除此之外，大型不可移動文物，如壁畫等，在發掘及存放過程中也會出現空鼓、起甲等現象，而這類病害的發展過程緩慢，無法使用人工進行長時間連續監測。全面了解文物存放環境的長期變化狀態也有助于采取相應的調控措施，將文物的損害發展過程延長至極限。因此對考古發掘現場動態環境進行實時監測，以制訂相應的出土文物保護策略是考古發掘的重要工作之一。通過環境監測精確掌握文物埋藏環境參數，為后期文物保護環境的控制提供最佳保存環境的參數依據。

目前考古發掘現場缺乏實時性強的在線監測系統。如果使用有線方式將多個傳感器連接起來，通過有線網絡將數據傳送至終端進行環境狀態監測，則布線工作復雜、工作量大。尤其當發掘工作深入開展，場地發生變化時，需要重新部署網絡，人力物力投入量大，很大程度上增加了考古發掘現場文物保護的難度和成本。

相比有線網絡，無線傳感器網絡[2，3]能夠避免有線網絡的上述缺點，且傳感器節點具有價格低廉、部署方便、實時性好、集成化程度高、具有自組織等特性。而且根據傳感器種類的不同還能夠針對考古發掘現場的各類參數進行實時監測。通常使用的傳感器除針對溫度、濕度、光照、降塵和有害氣體進行實時監測的溫濕度、光照紫外線及二氧化碳、二氧化硫傳感器，還有實時監測土遺址裂隙發展狀況的裂隙監測傳感器、傾角傳感器等（圖1）。

通過對考古發掘現場綜合環境動態監測并建立相應的參數數據庫，不僅能夠從大量的數據中揭示其變化規律，為后期文物保護環境的控制提供最佳保存環境的參數依據，能夠對發掘現場環境進行實時監控，還可為遺址類文物的保護加固提供基礎數據，必要時能夠起到及時的預警作用。通過對實時數據庫的綜合采集、挖掘和分析估計，最終實現對考古發掘現場的有效控制，達到提高效率、降低成本、減少損害、節省資源的目的。

一 無線傳感器節點結構設計

1.1 節點硬件結構設計

如圖2所示，無線傳感器節點的硬件設計采用模塊化設計思想，支持多種不同總線傳感器的分立式結構，不僅可方便支持多種不同總線傳感器，更可避免傳統的一體化設計中傳感器驅動電路在傳感節點睡眠狀態下的漏電流問題，從而降低了睡眠狀態下的功耗，大大延長了無線傳感網絡中傳感節點的壽命。節點主要由三個模塊構成：電源模塊、傳感器模塊、處理及傳輸模塊。

電源模塊采用2塊3.6V的鋰電池供電。

傳感器模塊采用多種類型傳感器，如溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤含水量傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器等。以溫濕度傳感器為例，節點采用數字溫濕度傳感器SHT15[4]通過無線網絡對監測區域內溫度和濕度進行數據采集，具有極高的安全性、可靠性和穩定性。與同系列的溫濕度傳感器SHT11相比，SHT15具有更優越的性能，其供電電壓為2.4-5.5V，測濕精確度為±2.0%RH，在溫度為25℃時測量精度為±0.3℃，封裝形式采用了SMD（LCC）貼片封裝。

處理及傳輸模塊由TI公司的CC430F5137單片機[5]組成，用于處理及傳輸傳感器采集到的數據。CC430F517是TI公司MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發器相結合的產品，可以實現極低電池供電的無線網絡應用，具有很強的穩定性和可靠性。CC430 F5137為16位超低功耗MCU，具有16KB閃存、AES-128位加密、2KB RAM和CC1101射頻收發器，其工作電壓為1.8-3.6V，工作頻率為433MHz，正常工作模式下耗電電流為160μA/MHz。

1.2 節點軟件結構設計

無線傳感器節點內采用了元智公司自主知識產權的、專門面向無線傳感網絡的、層次化的、可動態改變內核的實時嵌入式操作系統WiseZ。與傳統無線傳感網絡操作系統相比較，使用層次化的設計更有利于提高操作系統的運行效率、減小系統尺寸和增強跨平臺特性；較傳統無線傳感網絡操作系統，可動態改變的內核使操作系統的適用性更強，柔性更好。

二 系統體系結構設計

如圖3所示，考古發掘現場（以下簡稱發掘現場）動態監測系統由發掘現場動態環境監測系統和發掘現場無線實時監測平臺兩部分組成。

2.1 發掘現場無線實時監測平臺

發掘現場無線實時監測平臺的作用是為發掘現場監測子系統提供實時的數據支持，由發掘現場硬件平臺和發掘現場軟件平臺兩個部分組成。

發掘現場無線實時監測硬件平臺由傳感器節點、中繼節點和網關三個部分組成：布置在現場的數據采集節點負責采集實時環境數據（如大氣溫濕度、光照強度、降塵和有害氣體等），按照一定的路由規則將數據發送至通信范圍內的父節點，然后通過中繼節點的相互中繼，將數據不斷轉發直至到達網關節點。網關節點通過遠程通信方式，如衛星通信、Internet、GPRS等手段，將數據傳送至遠程客戶終端。其中各個數據采集節點和中繼節點根據RSSI（接收信號強度指示）和跳數來選擇合適的中繼節點作為父節點，并以此在數據采集節點和中繼節點間建立簇內星狀網絡拓撲結構，中繼節點之間則根據RSSI值建立樹狀網絡拓撲結構。每個傳感器節點和中繼節點在上電后自動加入網絡，并定期將采集到的數據沿最優路由方向傳送至網關。

發掘現場實時監測軟件平臺則由中間件、數據庫和數據采集接口三個部分組成。數據采集接口將接收到的實時監測數據存入數據庫中，中間件的作用則是將數據庫中保存的監測數據取出，并提供給用戶和子系統。

2.2 發掘現場環境監測系統

由于監測系統需要對發掘現場的內外環境同時進行監測，因此發掘現場監測子系統由環境監測子系統和氣象監測子系統組成。

環境系統檢測子系統主要是針對文物所處環境參數，如大氣溫度、大氣相對濕度、土壤溫度、土壤水分含量、文物表面溫度、文物表面濕度、大氣二氧化碳濃度、有機揮發物總量等參數進行監測。

氣象監測子系統主要是針對發掘現場所處小環境的氣象參數，如光照度、紫外線強度、風速、風向、降雨量等參數的實時監測。

監測系統的目的在于對文物所處環境的各種參數進行數據挖掘整理，精確掌握文物埋藏的環境參數，實現對出土文物在第一時間的檢測分析以及文物出土環境參數的采集，建立環境參數歷史數據庫，為文物預防性保護提供技術支撐，并為文物保護措施的制訂提供科學依據。

三 案例研究

3.1 鳳棲原文物保存環境監測數據分析

鳳棲原張安世墓葬遺址屬于西漢宣帝時期的重臣、被封富平侯的大司馬將軍張安世。張安世在西漢的地位舉足輕重，其墓葬的出土文物進一步證實了這一點，出土的很多隨葬品都屬于西漢皇帝御賜物件。

根據發掘現場實際狀況及需要，目前已部署七個監測點，監測時段大約在八個月左右，監測點部署圖如下（圖4）。

數據記錄及分析

3月份期間，鳳棲原張安世墓葬遺址氣象站監測數據存在較大波動（圖5）。其中3月19日-3月21日期間，環境溫度基本保持在4℃左右，環境濕度基本保持在100%，波動均不大，光照變化范圍也縮減至0-2000lx之間。結合當時的天氣變化，3月天氣剛剛由寒轉暖，氣候變化較頻繁，3月19日-3月21日是降雨天氣，持續陰天，光照度較低，導致空氣中水分蒸發較少。3月22日停止降水后，光照開始恢復，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升（因水分揮發緩慢，恢復的較為遲緩）?？傮w來看，3月份氣象站的大氣溫度變化為0℃到23℃之間，大氣濕度在16%到75%之間，每天的照度變化最大范圍0lx到8500lx內，氣象站數據與環境數值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環境變化正常，期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的。

查看這一段時間82號監測點的土壤溫度和含水量的變化，遺址坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖6），其中3月19日-3月21日土壤水分含量逐漸升高（由4.34%上升至4.65%），土壤溫度也隨之逐漸降低（由10.5℃下降至5℃）。結合氣象站的監測結果看，3月天氣變化頻繁，3月19日-3月21日為降雨天氣，室內土壤雖然不直接受到降雨給監測數據帶來的驟然變化，但由于受到外界土壤水分的滲透作用，土壤溫度和水分含量也隨之以相同的趨勢逐漸變化。3月22日停止降水后，土壤水分含量逐漸下降，土壤溫度也逐漸回升?？傮w來看，土壤溫度在5.2℃到13℃范圍之間、土壤含水在4.3%到4.65%范圍之間保持著較為穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

查看這一段時間90號監測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖7）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至1℃，大氣濕度由41%驟升至98%，變化顯著。結合氣象站的監測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響帶來的突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。總體來看，大氣環境溫度在1℃到22℃范圍內、大氣環境濕度在20%-98% 范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

查看這一段時間92號監測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖8）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至0℃，大氣濕度由50%驟升至100%，變化顯著。結合氣象站的監測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響導致突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化?？傮w來看，大氣環境溫度在0℃到22.5℃范圍內、大氣環境濕度在20%-100%范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

總結對比4個監測點的數據變化，監測點的傳感量數據變化和環境變化保持一致，并且與當時的天氣環境較一致，說明數據正確反映了監測區域的環境變化。

3.2 高陵張棟家族墓文物保存環境監測數據分析

2011年陜西考古研究院專家在高陵縣涇河工業園發現一處罕見的完整明代家族墓園。據墓志記載，墓主人張棟生前為秦藩王府知印。這一發現對研究明代墓葬制度、風俗文化具有重要作用。

根據發掘現場實際狀況及需要，目前已部署十一個監測點，監測點部署圖如下（圖9）。

說明：

100號監測點：自動氣象站--監測外界環境。

52、53、54、55號監測點：大氣溫濕度傳感器--其中53號監測點監測墓室底部到地表中間部位的環境，其他監測點監測墓室中的環境。

61、62、63、64、65號監測點：土壤溫度、土壤水分含量傳感器--其中65號監測點監測墓室底部到地表中間部位的環境，其他監測點監測墓室中的環境。

71號監測點：二氧化碳傳感器--監測墓室中二氧化碳含量。

數據記錄及圖形分析

查看這一段時間52號監測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖10）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82%-93%之間，溫度在17.5℃-22.5℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至88%，溫度由25℃降至最低17℃。結合氣象站的監測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，光照逐漸充裕，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢?？傮w來看，當月大氣環境溫度在16℃到35℃范圍內、大氣環境濕度在20%到98%范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據進行對比）。

查看這一段時間71號監測點的二氧化碳含量變化，5月期間遺址環境的二氧化碳含量波動較大（圖11）。以5月9日為分界，5月1-9日二氧化碳含量在200-450ppm之間波動較大且均值偏高，5月9-20日二氧化碳含量在200-330ppm之間波動較小且均值偏低。經調查，5月1-9日，71號監測點放置于M4考古發掘現場，現場白天有大量工作人員活動，白天由人體排放的二氧化碳使得空氣中二氧化碳濃度較高，夜晚則恢復至正常水平；5月9日之后，為防止因挖掘工作破壞監測設備，工作人員將其挪至無人活動的M5內，并以不透氣薄膜覆蓋，給71號監測設備營造出密閉的微環境，故而二氧化碳含量偏低且波動較小。其中5月1日-5月3日期間，二氧化碳含量在300-430ppm之間變化幅度相對較小，基本保持在高濕、低溫、高濃度二氧化碳的水平。經分析，因期間有降雨，空氣流通不暢，故而空氣中二氧化碳含量一直保持在較高水平且波動較小。結合氣象站的監測結果看，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化，并且三者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化進行對比）。

查看這一段時間53號監測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖12）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在60%-100%之間，溫度在16-28℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差相對較?。?月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至100%，溫度由25℃降至最低17℃，之后的3天內，濕度的最高值均能達到100%。結合氣象站的監測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并伴隨偶爾降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，氣溫呈緩慢上升趨勢。結合監測點的布設位置（53號節點布設在墓底部和地表中間位置），且通風不暢導致濕度在降雨之后的3天內并沒有立即回落，而是逐漸降低且較其他監測點數據高?？傮w來看，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化，環境變化正常。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

查看這一段時間65號監測點的土壤溫度和含水量的變化，坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖13），5月1-11日土壤水分含量保持在20-43%之間，土壤溫度變化范圍維持在18-21℃之間；5月12日土壤水分含量由15%突升至42%，土壤溫度峰值也由29℃大幅降至23.5℃，之后逐漸恢復至平均水平。經調查，5月1-11日監測設備放置于墓室內，故而受外界降雨等影響較小且緩慢，5月12日之后設備被挪至墓室外環境，由于當日有降雨，室外濕度較大，所以監測數據突增?？傮w來看，土壤溫度在19.5℃到29.5℃之間、土壤含水率在15%到43%之間保持著較為穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

5月份期間，高陵張棟家族墓遺址內氣象站監測數據存在較大波動（圖14）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82-100%之間，溫度在15-23℃之間，照度在0-5000lx之間，基本保持在高濕、低溫、弱光照的水平，晝夜溫差和濕度差較??；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由60%升至100%，溫度由22℃降至最低12℃，光照度變化范圍也縮減至0-4200lx。結合當時的天氣變化，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，持續陰天，光照度較低，氣溫降低。無降水期間，光照逐漸充裕，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢?？傮w來看，氣象站的大氣溫度在12-32.5℃之間，大氣濕度在18%-100%之間，照度變化最大范圍為0-9000lx，氣象站數據與環境數值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環境變化正常，期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的。

總結對比4個監測點的數據變化，監測點的傳感量數據變化和環境變化保持一致，并且與當時的氣候環境較一致，說明數據正確反映了監測區域的環境變化。

四 結語

本文針對目前考古發掘現場的環境狀況，采用高集成度的傳感器節點作為數據采集源，利用無線傳感器網絡的特點以及優勢，將傳統文物保護與現代傳感器技術相結合，設計了考古發掘現場動態環境監測系統。監測系統向文物保護工作者提供相關的采集數據，為其研究文物發掘及文物保護技術提供了重要依據。

參考文獻：

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[3]李善倉，張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

篇4

Abstract: For the special power environment, power environmental monitoring system has been designed which is based on wireless communication technology. The system is based on MSP430F149 microcontroller as the core components. Through data collection, data transmission, data storage and human-computer interaction and other modules of the design, the functions of the environmental parameters' automatic acquisition, storage, display, wireless transmission and early warning have been achieved. Data acquisition module mainly uses ATT7026A dedicated energy metering chip to collect the current, voltage, active power, reactive power, frequency and other parameters. It has high accuracy, multi-parameter measurement, remote calibration, intelligent alarm and other advantages.

關鍵詞： GSM無線通訊技術；電力環境；ATT7026A芯片；檢測報警

Key words: GSM wireless communication technology；power environment；ATT7026A chips；detection alarm

中圖分類號：TN8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2011）25-0015-02

0 引言

近年來,隨著經濟技術的發展，電力設施在工農業生產中的作用愈發重要，電力系統正面臨著前所未有的挑戰。伴隨的電力設施的維護、管理也成為了一項重要的工作。電力環境的電流、電壓、有功、無功和頻率等參數是供電管理的一項重要內容,也是電能質量的主要指標之一。如果電流、電壓過低,供電設施將不能充分發揮其功效,有的甚至不能正常工作；反之,如果過高,將會大大縮短供電設施的使用壽命。電網的這些環境參數的質量的好壞對電網穩定及電力設備安全運行具有重大的影響。因此，必須對電網的各環境參數進行在線監測，確保電網供電設施可靠運行、電能充分利用和電網高效、安全運營，已經勢在必行。

通信技術的選擇是開展電力環境參數在線監測工作的關鍵。近幾年出現的監測儀的通訊技術一般有兩種方式：①人工抄表方式；②使用電力線載波。第一種人工方式存在數據采集不及、費時費力等問題，無法形成完整的監測管理系統。第二種方式存在傳輸受限、脈沖干擾、高噪音、高削減和高變形等缺點。也同樣不能成為理想的通信媒介[1]。

本系統采用GSM無線通訊技術進行電網環境參數的遠程傳輸，實現參數的遠程雙向通信。同時，可通過核心控制中心設定預警參數，當達到預警值時，則通過GSM進行遠程報警。從而實現電設施的統一監測和分布式管理。

1 監測系統整體結構的規劃

監測系統主要是以MSP430F149單片機為核心部件，通過對電網環境參數的數據采集、數據傳輸、數據存儲和人機交互等模塊的設計，實現系統的自動采集、數據存數、實時顯示、無線傳輸、遠程抄表和預警等功能。數據采集模塊主要采用ATT7026A專用電能計量芯片，進行電壓、電流、電量等各項參數的采集[2]。它具有高精度、多參數測量、遠程校表、智能報警等優勢。系統整體結構見圖1。

本系統主要實現自動采集電網環境參數、無線傳輸數據和自動預警。主要功能如下：①通過ATT7026A專用電能計量芯片自動采集電壓、電流和電量等參數信號。② 實時顯示ATT7026A芯片采集到的各種參數信息、時間及系統配置信息。③通過按鍵模塊對參數預警值、數據存儲間隔等參數進行設置。④ 通過鐵電存儲芯片將各參數信息、時間、系統配置等信息進行分類存儲，便于用戶查看歷史數據。⑤通過GSM模塊將各參數信息以短信的方式發送到用戶終端和監控中心。CPU控制發送信息有兩種方式：1）定時自動發送；2）達到預警值發送，進行報警。

本文針對ATT7026A數據采集模塊和GSM無線傳輸模塊具體講解，其它模塊如人機交互，存儲模塊等與其它檢測系統基本相似，在此不再累述。

2 ATT7026A數據采集模塊的設計

本系統的數據采集模塊采用珠海炬力集成電路設計有限公司所設計的ATT7026A高精度三相有功、無功電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。是由一款，適用于三相三線和三相四線制應用。ATT7026A集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路，能夠測量各相和合相狀態下的有功功率、無功功率和視在功率等參數高精度計量。ATT7026A主要由模數轉換單元、數字處理單元通訊接口以及電源管理等組成[3]。其原理結構圖如圖2所示。

2.1 模擬信號采樣的設計 ATT7026內集成了6路16位的ADC，采用雙端差分信號輸入。輸入最大的正弦信號有效值是1V建議將電壓通道Un對應到ADC的輸入選在0.5V左右而電流通道Ib時的ADC輸入選在0.1V左右。本系統將電壓和電流互感器檢測出的信號經信號調理后，傳輸到ATT7026A的模數轉換器內進行ADC轉換。模數轉換器ADC主要實現對三相交流電的電壓、電流信號進行模、數轉換。數字信號處理DSP模塊主要實現對各路ADC采集的數據結果進行計算和分析，得出各相的電壓、電流有效值、功率、頻率等參數[4]。ADC前端接線電路圖（圖3）。

2.2 ATT7026A通訊接口的設計 SPI通訊串行接口可以方便地與MSP430F149核心控制芯片進行通信，將各相的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能以及無功電能、電壓與電流有效值以及功率因數等電氣參數輸送到微處理器中[3]。

ATT7026A內部集成了一個SPI串行通訊接口，ATT7026A的SPI接口采用從屬方式工作，由CS（從使能信號）、SCLK（串行移位時鐘）、DIN（串行數據輸入）和DOUT（串行數據輸出）四種信號線構成。

通訊時，數據由DOUT輸出，DIN輸入，數據在時鐘的上升或下降沿由DOUT輸出，在緊接著的下降或上升沿由DIN讀入，這樣經過8/16 次時鐘的改變，完成8/16 位數據的傳輸。SPI讀操作時序如圖4所示。

通過SPI寫入1個8 Bits的命令字之后，可能需要一個等待時間，然后才能通過SPI讀取24 Bits的數據。在SCLK低于200KHz時可以不需要等待。SCLK頻率高于200KHz時則需要等待大約3us。

3 GSM無線通訊模塊的設計

本系統設計為通過GSM模塊向用戶和控制中心發送電網監測數據參數。發送方式有兩種：①定時發送；②達到預警值，發送信息進行報警。本系統可以通過按鍵模塊設置發送方式、方式1的時間間隔以及方式2的預警值等。

本系統采用Siemens公司生產的新一代無線通信GSM模塊, 可以快速、安全、可靠地實現系統方案中的數據傳輸功能。它設計小巧、功耗很低，模塊的工作電壓范圍為3.3~5.5V，主要工作于4.2V。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現電源連接、指令、數據、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。

3.1 GSM模塊硬件連接電路 GSM模塊主要由GSM基帶處理器、電源模塊（ASIC）、內部Flash、40腳的ZIF連接器、射頻天線等部分組成[5]。GSM模塊共有40個引腳，通過ZIF（Zero Insertion Force）連接器與電路連接，分別為：電源電路、啟動與關機電路、串行通信電路、單片機電路、SIM卡電路、等，實現電源連接、指令、數據及控制信號的雙向傳輸功能?？蓪崿F電源連接、指令、數據、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。其中GSM基帶處理器是核心部件，它的作用相當于一個協議處理器，用來處理外部系統通過串口發送過來的AT指令。

射頻天線部分主要實現信號的調制與解調，實現外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。ZIF插座是提供給用戶的應用接口[6]，通過連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。其中40腳的ZIF插座，包含的引腳功能有：模擬音頻輸入輸出接口；標準的RS232信號接口，共8個引腳。

GSM模塊、有標準的RS-232接口，通信接口為標準異步RS-232全雙工方式，通信字格式采用GSM支持的10位編碼格式：1位停止位，8位數據位，無校驗，波特率為9600bps；幀格式采用標準的AT命令結構：幀頭（固定為AT）+指令（參考AT指令集）+結束標志（固定為）。硬件接口電路如圖5所示。

3.2 GSM模塊的軟件程序設計 本系統采用的GSM模塊支持AT命令集來實現對短信的發送功能。AT(Attention)指令集是調制解調器通信接口的工業標準開發的一種 SMS Block Mode協議，通過終端設備來完全控制SMS[7]。GSM模塊實現短信收發功能只須放進SIM卡即可使用，與單片機采用串行異步通信接口。利用GSM模塊的串行接口，MSP430F149單片機向GSM模塊發送了一系列的AT命令，就能達到控制GSM模塊發送SMS的目的。本系統通過AT命令將GSM模塊設置為PDU短信息收發模式。PDU模式是基于十六進制形式字符的，數據和代碼都經過編碼，通過PDU編碼的短信息內容既可以是中英文字、聲音或圖像。PDU模式被所有手機支持，可以使用任何字符集，也是手機默認的編碼方式。PDU數據包SMS服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務時間等信息。待發送的消息以 UCSII 碼的形式進行發送。

3.2.1 PDU數據包的編碼 假設中心號碼是8613800312500，目標號碼是6813931692769，消息內容是：“警告”。從GSM模塊發出的PDU數據包是：0891 683108301105F0 11000D91 683139612967F9 000800 04 8B66544A。其中，①6831 08301105F0和683139612967F9是通過將中心號碼和目標號碼進行編碼所得。具體編碼格式如下：將目標號碼和中心號碼的后面加“F”，再將相鄰的兩位數字一組，高低位互換，得到的所需號碼；②8B66544A是“警告”漢字的Unicode編碼；③04是發送信息即“警告”的Unicode碼的長度除以2，以十六進制表示。

3.2.2 發送短信程序設計 在串口通信過程中，每發出一條AT命令后都必須等待模塊的響應，若在模塊響應之前發出下一條AT命令，則后一條命令不會被執行。所以，MSP430F149單片機必須在發下一條AT命令前檢測上一條命令的執行結果，或者等待足夠長的時間（試驗證明1秒的等待是必須的）后再發新的AT命令，收發短信息流程如圖6所示。

4 結論

本系統利用ATT7026A數據采集模塊實現對電網的各重要電力參數（電流、電壓、有功、無功、頻率等）的實時采集功能；利用GSM模塊實現對數據的定時遠程傳輸和實時預警功能；通過液晶和按鍵模塊的軟件控制實現人機雙向溝通功能，從而達到對遠程參數、預警值、定時時間等參數的設置及控制的目的。本系統和維護時間等特點。本系統不僅通信快速、費用低、安全可靠，而且節省人力資源、縮短修護時間、節省專線建設成本,還能大大提高系統的工作效率和整體性能，對保障設備的正常運轉具有積極意義。

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篇5

關鍵詞：ZigBee協調器；路由器；STM32F107；Cortex網關

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0284-02

物聯網目前的應用已遍及智能交通、環境監測、智能家居、智能醫療等多個領域，它的三項基本技術分別為傳感器技術、RFID技術以及嵌入式系統技術。隨著物聯網技術的普及，在互聯網+技術的推動下，物聯網對環境監測有了更加積極的作用。本文主要講述的是物聯網技術在環境監測及火災防控方面的作用，環境監測系統是專門為森林環境監測、糧倉環境監測、智能樓宇環境監測等開發設計的智能控制系統。物聯網技術應用到環境監測以后，既可以有效減少資源損失也可以降低因為火災引起的人員傷亡。

本文主要針對環境監測系統的物聯網網關的設計展開，從 STM32+uC/OS-2軟硬件平臺的搭建到uC/OS-2操作系統上應用程序的設計等，旨在實現一個基于ZigBee無線傳輸技術的網關設計，詳細分析ZigBee協調器與Cortex網關的串口通信實現、網關對ZigBee數據包的分解、uC/GUI界面設計、uC/OS-2操作系統多任務的實現及網關對ZigBee節點的反控過程。

1 系統硬件平臺

該環境監測系統是基于STM32F107芯片構建，運行uC/OS-2嵌入式操作系統。利用ZigBee技術組建無線傳感器網絡，實現對各個環境數據的監測和采集，匯總各監測節點的數據到協調器，經處理后顯示在uC/GUI界面上，最后通過串口發送到上位機。

1.1 STM32F107微處理器

STM32F107芯片集成了各種高性能工業標準接口，且STM32不同型號產品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應更多的應用。STM32F107連接線系列采用高性能的ARM Cortex-M3 32位處理器，高速嵌入式儲器（快閃存儲多達256個字節與64字節），所有設備提供通用16位定時器，以及標準和先進的通訊接口。

1.2 網關的硬件接口

1.2.1 網關與ZigBee協調器的硬件接口設計

Cortex-M3網關與ZigBee協調器模塊通過串口實現通信，ZigBee協調器的串口0通過擴展插槽連接Cortex-M3網關的串口4。ZigBee協調器的硬件接口圖如圖2所示，CC2530的P0.2和P0.3是串口0的接收發送管腳。

1.2.2 LCD硬件接口設計

LCD采用128×64液晶顯示屏，CC2530之間通信時采用串行接口，進行信息顯示時需要進行LCD庫函數的移植，在應用層調用庫函數，以實現用戶需要顯示的信息。其中LCD_RS是Data與Command的切換信號，對LCD的控制IC初始化。LCD_WR的作用是寫入數據。

2 系統軟件設計

系統的軟件平臺基于uC/OS-2操作系統，uC/OS-2是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務內核、具有高度可移植性的實時操作系統。uC/OS-2可以視為一個多任務調度器，具體實現系統啟動任務、網關對ZigBee協調器數據包的分解任務、觸摸屏顯示任務和蜂鳴器報警任務。

2.1 ZigBee協調器數據處理過程

路由器監測節點加入ZigBee網絡后，采集環境數據發送至協調器，協調器封裝監測節點的數據依次串口傳輸至Cortex-M3網關，同時協調器還可以接收網關發送的指令對監測節點進行反控。

2.2 網關對ZigBee協調器數據包的分解

網關對ZigBee協調器數據包接收通過UART4中斷服務函數實現，在中斷的處理函數中，把接收到的數據依次發送至上位機，同時每接收一個節點的10字節的數據就拋出消息郵箱。網關主程序端通過申請接收消息郵箱獲取每個節點的環境數據，并顯示在uC/GUI界面上。

2.3 網關主程序設計

網關主程序的設計圍繞著系統硬件的初始化、GUI庫的初始化、uC/GUI界面的顯示、uC/OS-2多任務的處理來設計。網關uC/GUI界面能夠顯示每個監測節點的溫濕度，火焰，光照等數據。超過設定溫度報警數值，蜂鳴器報警。uC/GUI界面操作可以對ZigBee監測節點進行反控。

3 實驗結果

ZigBee網絡構建后，ZigBee節點加入該網絡并進行數據傳輸。網關的ZigBee模塊接收到數據后對其進行處理，并按照在ZigBee數據處理任務函數里邊規定的輸出方式進行輸出，在網關uC/GUI界面上進行顯示，并通過串口在上位機上顯示。下圖為環境監測系統的網關界面：

4 結束語

本文主要設計一個基于ZigBee技術的無線環境監測系統。該系統監測節點采用CC2530單片機作為MCU，并且結合ZigBee協議架構進行編程設計，來構建ZigBee傳感器監測節點。實現基于CC2530的傳感器數據采集系統設計，并在IAR集成開發環境中進行基于ZigBee架構的編程，節點模塊的調試。實驗過程中各方面運行良好，且成本較低，可以實現在智能樓宇、森林火情、糧倉環境等領域中的環境監測。

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篇6

1.1探針核酸監測技術

探針核酸檢測技術是使用特定核苷酸序列出現特異性互補已知核苷酸片段作為探針，主要分析片段長度的多樣性，被標記的探針可以使用在植物細胞組織內、探測溶液、固定生物膜同源核酸序列[1]。探針核酸監測技術有高度靈敏性以及特異性，當前在環境微生物監測中廣泛使用。

1.2PCR技術

PCR（PolymeraseChainReaction）技術是指生物學的聚合酶鏈式反應，主要是指在聚合酶的催化中將特定的引物設置為監測起點，通過延伸、退火以及變性等步驟將DNA體外復制，可以快速的在異地使用體外復制所有目的的DNA[2]。聚合酶鏈式反應有特異性強、靈敏度高優勢，可以在監測大量評價樣品以及環境中的污染。

2在大氣污染中的實踐

大氣污染是指使用生物監測對大氣質量進行分析研究，確定環境污染程度。在生物系統中，大氣污染給動植物的生存帶來了嚴重的污染，因為植物有在固定的溫度、濕度中生長的特征，導致植物沒有科學辦法避免有害物質污染。植物對大氣中有害物質有一定敏感性，所以在環境監測中便于監測以及管理，環境監測中現代生物技術在大氣污染中的實踐中可以使用采取植物葉子的方式當做需要監測的樣品。植物可以通過大氣污染程度完整的反應出來，在大氣污染實踐中常用的監測植物有以下種類：

2.1氟化物指示植物

通過植物可以反映出氟化物的對象主要有：苔蘚、金線草、唐菖蒲、大蒜、郁金香以及梅樹等植物。通常情況下，使用現代生物技術監測受污染比較明顯的植物，葉子形狀轉變為尖形，并且葉面上有一定程度的傷斑，出現在葉脈上的癥狀則比較少。受環境污染的傷斑是淺褐或者紅褐色。

2.2二氧化碳所指示植物

二氧化碳污染指示的植物主要有海棠、煙草、向日葵、番茄以及柑橘等。通常受環境污染比較明顯，癥狀主要是植物葉子上出現不規則的傷斑，顏色主要是白色、棕色以及黃褐色等，同時植物葉子上也不同程度的出現點狀傷斑。

3在水體污染中的實踐

3.1微生物群監測

水體系統中比較重要的組成部分是微生物群，微生物群在水體出現污染時可以快速的感應。一般情況下在環境監測中使用的監測手段是泡沫塑料塊聚氨酯法，該手段是在水體中投入一定量含有聚氨酯的塑料塊，對水體中微生物群落收集監測。和傳統水體環境監測方式對比，這種方法速度快、經濟、準確，同時還可以在污染監測中廣泛使用。

3.2生物法監測

使用生物法監測水體污染的方式主要是使用生物監測方式對水體監測。使用現代生物科技中的生物法對水體污染情況進行分析。生物法監測水體污染情況可以將水體污染帶來的不利影響全面展示出。水體污染比較嚴重、可以反映出的生物有蚊幼蟲、小顫藻以及顫蚓類生物。

4在土壤污染中的實踐

4.1動物監測法

使用動物監測法控制土壤受污染的情況，使用這種方式進行監測時，通常情況下可以將蚯蚓當作監測對象，因為蚯蚓有比較高的敏感性，可以覺察到土壤中是否含有農藥、鉛等有害物質。除此之外，使用現代生物技術進行土壤污染監測時因為土壤中有一定鎘物質含量，和蚯蚓體內鎘物質含量有一定關聯性，因此蚯蚓在土壤污染的應用中具有一定意義。

4.2植物監測法

使用微生物監測法對土壤污染進行監測主要是指使用土壤指示植物對土壤受污染情況進行監測。如果土壤遭到一定污染，受到污染的微生物會出現一定程度的反應，并且有污染比較明顯的植物出現代謝異常的癥狀。比如遭到土壤污染的植物表面出現明顯傷斑、構成成分發生改變、呼吸作用不斷加強或者減弱、發育減慢等情況。

4.3微生物監測法

現代生物技術監測土壤污染情況可以通過微生物監測法對土壤進行監測，土壤污染源主要是人類糞便、尿液等污染源，同時灌溉過程中使用污水也會對土壤造成不同程度的污染，使用微生物監測可以對土壤污染的狀況和程度全面評價。

5結語

篇7

傳統測向站建設大致包括：天線選型、場地平整、天線架設、基礎建設、設備調試、系統測試等六個步驟，其中前四個環節的建設會對測向精度產生影響，后兩個環節主要用于建設后期系統指標的優化和驗證。根據測向場區周邊環境實際情況，我合設計單位對場地的實際情況進行了測向精度仿真，為場地建設和天線孔徑的設計提供了可靠的理論依據，保證了測向系統的性能指標。本文采用一種新型的短波大基礎測向天線陣寬帶一體化仿真技術[4]，在測向陣地真實環境下，實現測向天線陣、真實地面、障礙物、測向算法等寬頻帶、一體化高精度建模仿真，并最終提供全頻段、全方位測向精度等關鍵性測向指標評估，為測向陣地規劃與建設提供最直觀的參考數據和有效的技術支撐。仿真實驗主要分析了天線陣元分布、地面傾斜、存在圍墻、存在地上中心機房等情況下測向精度的影響。

1.1應用仿真技術指導天線陣選型空間譜測向技術通過天線的幾何布陣獲得來波信號到達每個陣元的不同幅度/相位值，再根據空間譜算法計算來波方向?？臻g譜測向系統可以使用任意形狀的天線陣列，只需考慮陣列的幾何結構及陣元特性就可以了，這是空間譜估計測向技術相對于其它測向技術的優勢所在[5]。我臺測向站場區為菱形，占地30畝。建設之初，為最大利用現有測向陣地，提高空間譜估計測向系統的測向性能，項目組在場地平整、天線架設、基礎建設等均為理想條件時，針對采用不同類型天線陣的測向系統進行了性能評估，主要選取了目前常用的20元單層非均勻圓陣和9元雙層非均勻圓陣兩種天線陣，進行仿真評估。仿真結果如表1所示。仿真結果表明，采用20元非均勻圓陣的測向系統精度可達0.5901°，而采用雙層9元非均勻圓陣的測向系統精度為0.9386°。同時，在工程中應用分層測向天線陣的目的主要是解決短波高頻段測向模糊的問題，而20元非均勻圓陣由于天線元數的增加，也可避免短波高頻段測向的模糊。根據仿真結果分析，以及技術風險、工程應用成熟度等情況綜合考慮，系統建設時選擇單層20元非均勻圓陣(100m)，天線單元采用短波單極子分節負荷天線（非平衡輸出），天線陣孔徑100m。并且天線采用垂直斜面架設，地網沿斜面鋪設，可以減少信號相位誤差，提高測向精度。天線陣示意圖如圖2所示。

1.2仿真分析傾斜場地對測向精度的影響我臺原始場地高差達4.5m，平整后場地不共面高差小于30cm，坡度小于1.7°，斜面沿西南向東北方向傾斜。針對場地平整環節，項目組對天線場地傾斜面的上述數據進行了精度仿真。仿真數據如表2所示。數據柱狀圖如圖3所示。仿真結果表明：在排除場地周圍自然環境因素影響的情況下，實際天線陣地因斜面坡度引入的額外測向精度均方根誤差為0.16°。

1.3探索國標電磁環境要求限制下圍墻對測向精度的影響出于實際安全的需要，測向站建設往往要考慮圍墻的修建。針對天線陣地四周建設高2m、厚0.5m的圓形混凝土圍墻(磚結構，內部沒有鋼筋)的情況，特意進行了圍墻與天線陣不同距離(d=10m、20m、50m)的仿真實驗。評估不同位置圍墻存在對測向陣地測向性能的影響程度，為測向天線陣及圍墻的建設提供可信的依據。圍墻示意圖如圖4所示。仿真數據表明：間距10m圍墻對測向系統額外引入的測向精度誤差為0.082°，間距20m圍墻存在時額外誤差為0.059°，間距50m圍墻存在時額外誤差為0.057°。由此可見，圍墻存在對測向性能影響較小，而且隨著圍墻與天線陣距離的增加，圍墻引起的測向精度影響逐漸減小。在系統性能允許的前提下，測向場區一定距離范圍內修建圍墻在實際工程中可以考慮。

1.4仿真分析地上機房對測向精度的影響為避免前端機房對接收信號的遮擋，影響測向精度，通常采用地下（或半地下）建筑的設計方案，但該方案易受暴雨洪澇災害的影響。無線電測向理論要求前端機房高度不得超過其到天線系統距離的二十分之一，寬度不得超過上述距離的十分之一。我臺天線陣直徑100m，對應機房高度為2.5m，結合設備安裝及操作維護空間的考慮，前端機房設計3m高（3m×3m×3m），其尺寸相對于10m天線有效高度及100m孔徑而言較小。為了評估中心機房對測向天線陣測向性能的影響程度，特對中心地上機房進行了仿真，為測向陣中心機房的建設提供可靠的依據。測向天線陣與地上中心機房分布示意圖如圖5所示。仿真結果表明，建設中心機房對部分高頻信號產生的測向誤差小于0.5°，繞射能力強的低頻信號測向精度不受影響。地上機房測向方位角誤差曲線如圖6所示。我臺測向站首次采用仿真技術對圍墻及地上建筑對測向精度的影響進行了定量分析，首次探索了國標電磁環境要求限制的具體影響。仿真結果表明，我臺復雜場地條件、圍墻及地上建筑對測向精度均有影響，但以傾斜場地為主。因此，在保證測向系統性能的前提下，可綜合考慮技術指標、場地地形、安全需要、經濟成本等各種因素以確定最優建設方案，為今后同類測向站建設提供了新的思路。

2傾斜場地下MUSIC算法優化

傳統MUSIC算法是一種基于矩陣特征空間分解的方法，利用信號子空間和噪聲子空間的正交特性構造空間方位譜，通過搜索譜峰值估計信號的方位角和仰角[6]。為了能夠準確估算信號的方位角，要求所有天線陣元在同一水平面上。然而，實際情況中不能完全保證所有陣元都位于同一斜面上，從而導致方位校正不夠精確。由前文可知，測向場地傾斜是引起測向額外誤差的主要因素，測向系統因斜面額外引入的測向精度均方根誤差為0.16°。針對這種情況，項目組對空間譜MUSIC算法進行了優化改進。根據MUSIC算法對天線陣列的形式并未做任何強制要求，對于各陣元不在同一水平面上也是適用的。假設傾斜陣地上，以圓陣中心為坐標原點建立直角坐標系,虛線的圓為位于X-Y軸所在的水平面內，如圖7所示。建立以天線陣圓心為參考點的坐標系，精確測量每個陣元的高差和方位，構建傾斜場地上天線陣完整的三維地理信息，根據該信息結合理想場地的方向矢量計算出不同方位角、仰角對應的校正因子曲線。通過該曲線獲得校正后的方向矢量，估算出水平場地下的來波信號方位角及仰角，進而校正傾斜測向場地帶來的測向誤差，降低天線陣元不共面對測向精度的影響。校正因子曲線如圖9所示。仿真結果表明，算法優化后理論上可完全消除上述因斜面額外引入的0.16°測向誤差。

3系統測試

項目組結合實際場地及地形，從距離、高度落差及遮擋情況三個方面，對測向系統進行長期、全面、系統的測試，評估山丘及溝壑對測向精度的影響，驗證復雜地理環境的測向系統性能。測試采用地波、天波相結合的方式。地波測試主要考察測試點距離的遠近、阻擋情況及高度差對測向精度的影響；天波測試主要考察實際短波廣播信號的測向精度。測試結果如下：1.地波測試：選取不同地貌的9個近場點和9個遠場點進行測試，地波信號測向精度均方根誤差為0.67°~0.74°，符合測向系統設計指標(RMS＜1.0°)。2.天波測試：通過對天波信號的測試，得到中央臺信號測向均方根誤差為1.18°、國際臺信號測向均方根誤差為0.74°，滿足系統設計指標要求(RMS＜1.5°)。測試結果表明：我臺測向站達到了系統預期的各項性能指標，實現了復雜地理環境下短波測向站的首次建設。

4結論

篇8

[關鍵詞] 上?！∥锪鳂I　環境分析　策略建議

現代物流(Logistics)是物品從供應地向接收地的實體流動過程，是根據實際需要，將運輸、儲存、裝卸搬運、包裝、流通加工、配送和信息處理等基本功能實施有機的結合(國家質最技術監督局，2001)。它主要包括四個方面：實質流動、實質存儲、信息流通和管理協調?，F代物流業的出現是社會分工細化演進的必然結果，科學技術的發展、市場競爭的加劇、城市化與工業化的相互作用共同促進了它的快速發展，并逐步形成一個新興產業體系。相關研究表明，現代物流業不僅降低加工成本，而且能夠降低交易成本(吳敬璉，2{)05)，它的發展水平與經濟增長和人均國內生產總值的提升有很高的相關性。大力推進上?，F代物流業的發展，對于率先轉變經濟增長方式，加快形成以服務經濟為主的產業結構，提升城市綜合服務功能，增強城市國際競爭力具有十分重要的意義。

一、上?，F代物流業發展回顧

1、規模繼續擴大

2006年，全市貨物運輸總量7.26億噸，同比增長5.6％；港口貨物吞吐量5.37億噸，同比增長21.3％，連續兩年位居全球首位；集裝箱吞吐量2171.9萬標準箱，同比增長20.1％；航空貨郵量252.73萬噸，同比增長14.0％。

2、物流園區綜合服務功能提升

西北綜合物流園區已經建成近40萬平方米標準化物流倉儲設施，承擔了全國60％的醫藥物流和全市75％以上的連鎖超市配送物流業務；外高橋保稅物流園區實施“區港聯動”，在海關完善監管工作的同時，做好配套服務，顯著提高貨物流轉和通關效率；洋山保稅港區實施集裝箱裝卸、運輸全程信息化管理，為提高集裝箱中轉能力奠定基礎。目前已有13個航運、物流、加工項目和55家商貿型企業入駐；浦東空港物流園區規劃和建設同步進行，貨物集散能力不斷增強。信息平臺建設已經啟動。

3、物流基地與產業基地開始形成聯動發展機制

上?；^學習借鑒世界級大型化工園區的成功經驗，從化工企業集群的物流需求特點出發，實施“物流傳輸一體化”，積極引進專業化第三方物流企業，對碼頭、管網、儲罐、鐵路、倉庫等物流設施進行集中投資建設和統一經營管理，構建起對外交和內部循環相協調的物流體系。第三方物流公司在為化工生產企業提供服務的同時，經營業績呈現穩步上升的良好發展勢頭。

4、第三方物流服務水平和能力提高

在為外商投資制造業或商貿企業提供物流服務過程中，一批第三方物流企業注重供應鏈管理和物流信息化建設，物流服務能力明顯提高。安吉天地物流整合汽車生產零部件人廠、售后和進出口等供應鏈管理環節，已成為國內領先的第三方汽車物流供應商，整車物流服務占國內市場約35％；北芳物流已經承接了30多家全球企業的物流項目業務，在提供較高效率物流服務的過程中，不僅不斷提高自身供應鏈物流服務水平，也增強了客戶競爭力。如為菲利浦亞明照明公司節約物流成本30％。佳吉快運依托品牌輸出管理，已建立覆蓋全國900多個縣級以上城市的服務網絡，每月承接100萬票業務，2006年營業收入將接近12億元，2007年第三次被評為中國物流百強企業。

二、上?，F代物流業發展環境分析

1、有利因素

(1)經濟實力雄厚，現代物流需求巨大。1992年以來，上海經濟已連續15年保持兩位數增長。2006年，全市實現生產總值10296.97億元，首次突破1萬億元，按可比價格計算，比上年增長12％。按常住人口和當年匯率折算的上海人均生產總值，1990年首次突破1000美元，1995年躍上2000美元臺階，1999年再上3000美元新臺階，至2006年實現歷史性跨越，達到7189美元，相當于世界中等國家的水平。正在向現代化國際大都市目標邁進的上海，肩負著面向世界、服務全國、聯動“長江三角洲”的重任，在全國經濟建設和社會發展中具有十分重要的地位和作用。在這個土地面積僅占全國0.06％、人口占全國1％的城市里。完成的財政收入占全國的八分之一，港口貨物吞吐量占全國的十分之一，口岸進出口商品總額占全國的四分之一。同時，上海不斷促進產業結構優化升級，先進制造業和現代服務業加快發展。2006年，第二產業實現增加值4997.81億元，按可比價格計算，比2000年增長1.1倍，平均每年增長13.2％；第三產業實現增加值5205.35億元，比2000年增長86.9％，平均每年增長11％。三次產業的比例關系為0.9:48.5:50.6，第三產業比重已連續8年保持在50％以上。上海綜合經濟實力顯著增強，產業結構日趨合理，將創造出巨大的對現代物流的需求，直接推動現代物流快速發展。

(2)地理位置優越，基礎設施完善。上海地處太平洋西岸，亞洲大陸東沿，長江三角洲前緣，東瀕東海，南臨杭州灣，西接物阜民豐的江浙兩省，北臨長江人?？冢梦挥谖覈媳被⌒魏０毒€中部，交通便利，腹地廣闊，是名副其實的黃金水道樞紐。上?；A設施完善,已經形成樞紐型、功能性、網絡化交通基礎設施，使得全世界50％左右的人口可以在5小時之內到達。

(3)擁有大量的素質較高、成本較低的綜合人力資源。上海人口整體文化素質不斷提高。據2005年1％人口抽樣調查，上海6歲及以上常住人口中，具有大專及以上文化程度的人口占18.1％，與2000年第五次人口普查相比提高6.7個百分點；高中文化程度人口占24.8％，提高1個百分點。2006年，上海義務教育入學率達到99.9％，高中階段入學率達到99％，高考錄取率81.7％。另外，中高端物流管理人才也占有較高的比例。

(4)上海市政府和多個管理部門聯合推進，為上?，F代物流業的順利發展創造了良好的外部環境。上海市政府在充分調研論證的基礎上，結合本地實際，制定了《上海市現代物流業發展“十一五”規劃》，并以市政府文件的形式(滬府發[2007]17號，2007年4月27日)，下發至各區、縣政府，市政府各委、辦、局，對“十一五”期間的上海現代物流業的發展作了全面部署，指明了方向。市委組織部和市人事局支持市經委委托復旦大學上海物流發展研究院首次組織高層物流管理人員赴日本、新加坡開展專題學習考察，了解國際現代物流先進管理理念，推進了物流企業之間的業務合作。市發展改革委已組織完成制定《上海市“十一五”現代物流產業發展重點專項規劃》。市建設交通委、

市經委、市交通局和市公安局結合實施道路交通管理條例和整治“客車載貨”行為，進一步分析城市配送物流需求，研究完善管理措施。市財稅局研究制定完善《上?，F代服務業發展引導資金管理辦法》，積極推薦第二批稅收試點物流企業。數量明顯增加。上海海關大力推動上?！按罂诎丁⒋笸P、大平臺、大物流”建設，營造高效率口岸通關環境。同時，繼續支持區港聯動試點，推動保稅區功能轉型和保稅物流業發展。

2、不利因素

(1)規模偏小。隨著經濟全球化的不斷發展，大型跨國公司成為大多數生產經營企業發展的方向，而生產經營的國際化則要求物流商擁有全球化的運作網絡為其提供物流支持。目前上海的物流企業規模偏小，不能提供這方面的支持，而且企業規模越小，運營成本往往就越高，進而影響企業的經營效益和長遠發展。

(2)物流成本較高。企業物流成本由運營成本、庫存資金成本、資本成本和分攤的管理費用四部分組成。據調查，上海制造企業物流成本中庫存資金成本和物流管理費用占比分達到25％以上，總體上說原材料和產成品庫存較大，占壓資金較多。另外，物流企業中還普遍存在著重復征稅的現象。

(3)推動信息化、標準化的步伐緩慢。信息網絡技術是現代物流的基礎，也可以說是第一要素，上海物流企業與國外物流企業的差距，最大的在兩個方面：一是信息網絡技術落后；二是服務理念太差。這幾年，信息網絡技術普遍受到重視，企業物流信息平臺推進速度較快，社會公共物流信息平臺也在規劃建設，已涌現了一批優秀案例，但由于主觀認識差異與實際困難(如缺乏資金等)，這項工作差距很大，需要有一個過程才能解決。標準化對物流業的發展生命攸關，沒有標準化，物流全過程與供應鏈全過程將無法進行，將加大物流運作成本，而使現代物流失去意義。

三、上?，F代物流業發展策略建議

1、加快物流基礎設施建設

構建以港口、機場設施為核心，公路、鐵路和內河航運為依托，高效、便捷的多式聯運物流網絡。一是推進洋山深水港區二期及后續工程、浦東機場擴建工程、虹橋綜合交通樞紐、浦東鐵路二期、鐵路集裝箱中心站、長江隧橋工程、內河航道改造等重大基礎設施建設，推動公、鐵、河、海、空相銜接的多式聯運發展。二是進一步擴展和強化港口、航空運輸網絡，開辟新的航線，完善國際與國內、干線與支線之間的銜接，不斷提高國際中轉物流能力和水平。三是根據長三角地區港口建設規劃，同步設計和建設多式聯運系統，重點推進水水中轉、水鐵中轉。四是完善相關物流節點的配套功能，有效發揮上海機場、港口、鐵路以及高速公路網等交通設施的輻射作用。

2、積極培育物流主體

推動上海物流企業運用現代物流理念，整合運輸、倉儲、配送、貨代、批發、零售以及信息服務等領域的資源，促進相關行業物流功能整合和服務延伸，加快傳統物流企業向現代物流企業的轉變。實力雄厚的物流企業還應積極整合各種資源，爭取早日成為上市公司。一是抓住經濟社會發展中不斷增長的物流需求，積極吸引國內外物流企業特別是總部型物流企業落戶上海。二是支持物流企業開展業務流程、服務模式、應用技術集成創新，進一步擴大物流市場規模、提升物流服務水平，逐步建立海外營銷渠道。三是形成一批服務水平高，國際競爭力強的物流骨干企業，努力使上海成為中外物流企業的總部集聚地和系統集成營運中心。

3、優化供應鏈管理，降低物流成本，提升上海物流企業的國際競爭力

通過優化供應鏈管理，控制存貨，提高效率，物流成本將有明顯的下降空間。上海部分流通企業的配送中心經過升級改造，已經擁有先進的倉儲設施和信息管理系統，建立了支撐業務發展、具有先進水平的物流配送網絡。上海醫藥物流中心自2月份試運營以來，已承擔上醫股份70億元藥品銷售的物流業務，預計全年藥品庫存占用資金可下降33％。可的供應鏈管理中心通過精益物流管理，加強成本控制，物流配送成本比同行低30％，訂單滿足率達到98％，接近國際先進水平。聯華超市配送中心發揮現代物流設施的功效，庫存商品資金下降45％，商品損耗率從萬分之三降到萬分之零點一六。通過物流管理降低成本，加快周轉，將進一步提升上海物流企業的國際競爭力，轉變經濟增長方式，提高經濟增長質量與效益。

4、提高物流信息技術應用水平

加強信息技術在物流領域的基礎應用，推進各類物流信息資源的整合和利用。一是充分利用信息化建設成果，深化上海電子口岸建設，規范物流各環節公共信息交換標準，建立以公共信息交換系統為核心，具有供應鏈管理、業務協同和專業化服務等功能的現代物流公共信息服務平臺，實現各類物流信息資源的整合，推動與國內外物流信息網絡互聯互通，為長三角地區乃至全國的物流發展提供服務。二是不斷提高企業物流管理信息化水平，促進先進物流信息系統和裝備設施的廣泛應用，鼓勵企業運用倉儲管理系統(WMS)、運輸管理系統(TMS)、電子訂貨系統(EOS)等信息管理系統，以及自動立體化倉庫(ASW)、自動導向車(AGV)、射頻識別技術(RFID)等裝備技術，進一步提高物流的速度和效率，降低企業物流成本。三是積極組織相關科研機構、高校、企業、中介組織進行產學研合作，參與物流前沿技術研制和開發，使上海成為物流信息技術的研發高地。

5、加大物流標準化工作力度

以物流信息標準、服務標準和管理標準為切入點，參照國際通行標準，集中精力研究制定一批對上海物流產業發展和服務水平提升有重大影響的物流標準。一是積極參與相關物流國家標準的研究制定和宣傳推廣，爭取先試先行。上海市標準化研究院已積極參與制定《物流中心作業通用規范》、《物流中心分類與基本要求》、《物流服務合同準則》、《第三方物流服務質量規范》等4個國家標準。安吉天地制定的汽車倉儲、運輸和裝卸等作業標準已成為全國行業標準。二是在本市重點物流園區和骨干物流企業啟動一批物流標準化示范工程，重點推動口岸物流、制造業物流、城市配送物流標準化示范工程建設，不斷提高上海物流標準化的水平。三是建設物流標準信息庫，推進物流標準咨詢、實施及認證等配套服務工作，適應物流企業的標準化服務需求。

篇9

關鍵詞：無線傳感器網絡;匯聚節點;水環境;實時監測

中圖分類號：TP393 文獻標志：A 文章編號：2095-1302（2014）12-00-03

0 引 言

隨著工業化的發展，水環境的狀況越來越惡劣。實時監測水環境中的各項參數對水環境本身有著重要的意義。

目前針對水環境的數據采集有兩種主要方式：一是建立觀測站，其破壞性大、監測實時性不強、成本高、移植性差。二是人工取水樣，采集至實驗室分析，其勞動強度大、采集時間長、數據不準確且受天氣、地域、時間等限制。本文提出采用無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network ，WSN）實現實時監測水環境中各項參數。WSN具有成本低廉、移植性好、實時性強的特點。系統包括節點、匯聚節點、上位機三部分的設計。它采用ZigBee協議自動組網和將CC2530作為主控芯片對水環境參數監測的節點及匯聚節點的軟硬件進行了設計，匯聚節點收集各個節點的采集數據，然后通過GSM/GPRS傳送至上位機平臺。上位機平臺的軟件對傳感器節點采集的參數信息和節點本身信息作相應的數據分析與處理，實現實時監測水環境中的參數、污染物排放情況、水質情況以及水環境中突發狀況。整個系統實現了無線傳感器網絡的遠程水環境參數實時監測。

1 水環境中參數實時監測系統概述

本文提出的水環境中參數實時監測節點主要應用于建立河流水庫等大范圍、具有自組網絡、動態拓撲、多跳傳輸和自修復功能的基于無線傳感網絡的ZigBee自動組網和GSM/GPRS實時傳輸的系統，如圖1所示。

WSN系統包括了節點、匯聚節點、網關及處理平臺。其中節點采用人工的方式均勻部署，WSN通過ZigBee協議自組織網絡，節點采集數據傳送給匯聚節點，匯聚節點再通過GSM/GPRS傳輸到遠端的水質監控中心，之后將由監測管理計算機負責對數據進行數據整理、數據分析比較與數據存儲工作。一旦數據出現異常，則提示操作人員注意對應區域的環境狀況，從而實現遠程實時監測[1]。

圖1 WSN系統示意圖

無線傳感網絡節點可根據水環境中參數實時監測要求，安裝在河流、水庫、工業廢水排污口等地點并以野外無人值守方式工作，通過傳感器采集監測水環境區域中的離子濃度、鹽度、電導率、濃度等的參數。為了建成一個針對不同測試環境可任意組合的多功能實時監測無線傳感網絡節點平臺，設計需求如下：

（1）多種指標監測：依據各行業廢水參數主要在線監測指標可知，對于不同區域的水質，所需要測量的指標也不同。要求同時監測多種水質指標，并根據不同區域選擇不同的傳感器組合。

（2）節點電源模式：由于監測網絡節點安裝在戶外，分布較散，只能采用電池電源供電。為延長網絡的生命周期，在軟件上優化或采用太陽能供電。

（3）多拓撲多節點無線通信：為實施對某片水域的水環境參數進行實時監測，需要在目標流域內部署無線傳感網絡節點，各節點將采集到的參數傳送到中央控制系統，從而完成目標流域的數據采集。因處于不同的監測環境，節點的空間分布差異較大，例如對水庫湖泊環境的監測，需要將大量監測節點在水域內均勻分布;對江河流域水質的監測，則需要將他沿著河岸分布，形成鏈狀結構;若是監測排污口，則節點主要分布于排污口附近區域。因此要求監測網絡節點可實現多種拓撲結構連接，并實現多節點接力通信的功能。

（4）設備成本：傳感器無線網絡需要大量節點，因此應考慮成本問題，盡可能精簡設計，降低節點的總成本。

2 無線傳感網絡節點設計

2.1 系統結構

匯聚節點核心模塊由主控MCU STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530組成，普通節點由CC2530連接若干種針對不同監測項目的傳感器，通過這些傳感器實現對不同測試環境可任意組合的無線傳感網絡監測系統，不同水環境可選擇不同的傳感器組; ZigBee網絡管理和數據收發主要由CC2530模塊負責，利用Z-Stack協議棧的API接口，模塊實現了ZigBee無線網絡的動態組網、網絡自恢復、數據發送和數據接收等任務[2];傳感器模塊的接口按照標準的工業通信接口設計，保證了設計的標準化和平臺化，具有良好的可擴展性和可移植性。系統流程圖如圖2所示。參數檢測傳感器所采集的數據通過信號調理電路，若為數字信號則直接送至CC2530單片機;若為模擬信號則需先經信號調理電路放大、濾波，再發送給CC2530的內置AD轉換器。CC2530節點自動組網絡通過RS 232接口與匯聚節點中的主接芯片STC89C52連接。匯聚節點接GSM模塊，該模塊通過GPRS將數據以無線方式發送至上位機，上位機再將數據存儲并分析。

圖2 數據流向圖

2.2 傳感器節點硬件設計

2.2.1 節點設計

ZigBee無線通信模塊選用德州儀器（TI）ZigBee處理芯片CC2530，該芯片是專為ZigBee及IEEE 802.15.4應用設計的SoC芯片。CC2530適用于有低功耗工作需求的設備，具有多種低功耗操作模式，通過設置芯片內部的電源管理控制器可關閉芯片部分內部時鐘和射頻模塊的電源，使芯片進入不同程度的低功耗模式，并且可以在各種低功耗模式間進行快速切換，進一步降低電流損耗。CC2530的8051內核通過芯片中設置的RF指令集處理數據收發、中斷、DMA和FIFO等硬件抽象層的工作。CC2530在應用層到硬件抽象層之間加入了Basic RF層，對CC2530進行ZigBee數據傳輸的編程時，利用Basic RF層提供的通信API函數，可以極為便捷地實現用戶的程序工作量，無需進行硬件抽象層的各種繁雜設置和狀態處理[3]。

匯聚節點中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長時間工作的場合。匯聚節點負責各個節點的數據接收、發送以及收發命令。

本設計方案將STC89C52與CC2530結合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數據通過GSM/GPRS傳輸到上位機，監測數據的無線發送與命令接收。

2.2.2 傳感器模塊

傳感器模塊是監測水環境參數的關鍵。用戶可根據不同的水環境選擇監測不同的參數。主要監測數據有離子濃度、鹽度、電導率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導率傳感器為自制傳感器，下文將詳細介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據相關化學知識可知，兩個金屬棒在水體中會發生陽離子和陰離子的移動，產生電流形成恒流源。若在兩個金屬棒上串聯一個阻值合適的精密電阻，則可監測污染物排放后水體的導電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會改變水的導電性能，該排放物濃度越高，水的導電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產生的電流越大，導電性能就越好。再通過污染物擴散，傳感器節點測得各點位置的導電率后可實時預估污染源的位置及污染程度。自制電導率傳感器如圖3所示。

圖3 電導率傳感器模塊

2.2.3 電源模塊

結合無線傳感網絡節點對電源系統要求的低功耗、長時間工作、低成本的特點，節點電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615（鉛酸蓄電池能量小、重量大、對環境腐蝕性強、電解液需要定期維護，同時太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇）在本設計中，匯聚節點由STC89C52和CC2530組成。普通節點僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設計，在節點采集、傳輸數據時進入工作模式，傳輸完成后進入節能模式，可大幅度降低系統的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長時間工作的要求，且有效降低節點的體積和重量[4]。

2.3 節點軟件設計

基于無線傳感網絡的監測節點主要利用單片機STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負責信息的采集控制與無線網絡傳輸。CC2530負責采集節點上各個水環境中參數實時監測傳感器的數據并對每個數據進行測量值到理化值的數據轉換[5]，然后再按一定格式打包，通過UART接口發送到STC89C52單片機，最后經過GSM/GPRS模塊向遠程上位機進行傳輸;ZigBee模塊由主控單片機發送初始化自組網命令和自恢復命令，實現初始組網與自動檢測恢復，負責網絡組網與連接[6]。軟件工作流程見圖4。每個傳感器節點具有簡單的分布式處理數據的能力。如對監測數據的比較，可知是否有參數超標，若有則預警，若無則連接網絡發送數據。同時也有優化軟件，使其功耗最小化。

3 結 語

本文將無線傳感網絡與水環境參數監測相結合，利用ZigBee無線傳感網絡實現自組網與通信，而使得無線傳感器節點可以大范圍鋪設，不受區域限制，可實現其對水環境中各類參數的實時采集。同時也可以作為工業農業生產中參數的實時監測。

圖4 節點軟件流程圖

參考文獻

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Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

篇10

技術特點

本系統水下無線通信采用的是水聲通信技術，相比較水下電磁波和水下光通信技術，聲波在水中衰減最小，因此聲波是目前水中信息傳輸的主要載體，并且水聲通信是當前唯一可在水下進行遠程信息傳輸的通信形式［7］。本系統綜合應用浮標和海床基，相比較浮標、海床基、船舶和潛標單站監測方式，是一種無線觀測鏈的監測方式。這種方式可提高監測數據質量、擴展監測范圍和監測信息，并可在監控終端準實時獲取遠程、長期水下監測數據，也符合海洋環境監測具有覆蓋面廣、站位分散、數據間斷和頻繁少量的特點。

技術原理

第二代GSM技術利用SMS(短消息)進行數據傳輸和雙向控制，系統通過發送和接收短消息進行數據傳輸，依靠2個或以上的GSM通信模塊實現，開發相對簡單，傳輸成本相對較高;第二代GPRS技術引入智能天線、雙頻段等技術，有快速登陸、永遠在線、高速傳輸和按流量計費而節約成本的優勢;第三代技術是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術，速率一般在幾百kb/s以上，主要優點是能極大地增加系統容量和提高數據傳輸速率，并且利用不同網絡間的無縫漫游技術可將無線通信系統和Internet連接起來;第四代TD-LTE-Advanced技術可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網絡中提供無線服務，具有非對稱的超過2Mb/s的數據傳輸能力，比通常意義上的3G快50倍，下載速度最高可達100Mb/s、上傳速度最高可達20Mb/s，可極大的滿足海洋監測數據的傳輸要求。目前第二代和第三代技術已趨于成熟，基站已基本形成對我國近海的全覆蓋，相應的通信技術已在港口航道、海水浴場、水產養殖、能源開發等海洋領域廣泛應用;第四代技術已形成，但國際標準仍未統一，尚不具備推廣應用條件。水聲通信技術水聲通信是通過聲波在海水里傳播實現。工作原理是首先將文字、語音、圖像等信息轉化成電信號，發射換能器又將電信號轉化為聲信號，聲信號通過海水介質以應答或自動方式傳遞到接收換能器，這時聲信號又轉化為電信號，解碼器將數字信息破譯后，經電接收機轉為文字、語音、圖像等信息。水介質與空氣介質的特性不同，水聲信道與空氣中的無線電信道具有許多明顯的差異。水下聲信道是時間散布快速衰落信道，具有多普勒不穩定性［9］。水聲通信的衰耗因素較多，特別是在海水中傳播，聲傳播損失不僅與頻率有關，而且還受海水的鹽度、溫度、密度、深度以及傳播距離等因素的影響，造成中遠程水聲信道帶寬極其有限。水中的聲速計算公式可見下式:c=1449．2+4．6T－0．055T2+(1．34－0．010T)(S－35)+0．016D(1)其中:T是海水溫度，S是鹽度，D是深度。海水中不均勻分布的聲速剖面造成聲線的彎曲，而聲波的界面反射和隨機散射又引起聲波接收信號的多途效應。在實現高速通信時，有限的信道帶寬和信號的多途傳輸會引起嚴重的碼間干擾，造成接收數據的嚴重誤碼［10］。同一聲源發出的聲波，在不同的海區或不同的季節，傳播情況可能都不同。從信道中的各種限制因素到時變、空變性，水聲信道都遠比無線電信道復雜。

基于通信技術的監測系統應用

系統水下通信采用美國Linquest公司的UWM2000聲學調制解調器(全方向模式、波束寬度210°，在比較復雜的環境條件下允許有相對的運動);水上移動通信采用GSM通信模塊。系統可對剖面流速、流向、溫度等環境參數和儀器姿態進行數據實時傳輸，通信技術可在赤潮、溢油、危險化學品泄露等海洋突發污染事件應急監測中應用，管理者可根據實時監測數據現場指揮和快速決策;也可在海水浴場、海水養殖區、海洋保護區等功能區監測和入海污染物質輸運監測中應用，獲取定點、實時和連續的監測資料。本系統若結合地理信息系統和物聯網技術，將改變現有的海洋環境監測狀況。通過無線通信方式形成一個基于物聯網的海洋環境監測系統，可采集和處理網絡覆蓋區域中監測信息，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監測和管理［11］。