基于无线传感器网络的智能环境监控系统

摘　要：随着科技的日新月异和生产力的飞速发展，生产环境的重要性越来越被人们所重视。本文提出通过无线传感器模块Zigbex构成树状拓扑无线传感器网络，实现网络中各个节点之间信息的传输与通讯，对监测环境状态的实时监测，并以LabVIEW软件为实验开发平台创建了基于LabVIEW软件的数据采集、处理、监控及显示系统。该系统界面友好、易拓展、使用成本低，实现了对环境的远程及智能监控。

关键词：Zigbee；无线传感器网络；LabVIEW；环境实时监控

0引言
　　目前,无线传感器网络由于其结构的可变性、动态性、灵活性、以及节能性等优点,在工业测量与控制、环境监测等方面具有广泛的应用, 各种需要集中监测与控制的现场对无线传感器网络有极大的需求。同时花木大棚对温度和湿度的要求很严格，湿度和温度的合适与否将直接影响到农作物的生长，所以本课题针对花木大棚设计了一智能环境监控系统。该系统采用韩伯电子技术研究所研发的Zigbex Mote无线传感器模块构成一个无线传感器网络。其目的是，通过无线传感器模块Zigbex节点构成无线传感器网络，对各个节点覆盖范围内的温度、湿度、光照强度等信息进行实时采集并传给上位机，应用LabVIEW软件编写上位机程序完成数据的实时显示、分析、存储, 以及对异常情况的报警,使管理员实现对环境的远程以及智能监控。
1基于Zigbex的无线传感器网络的构建
      1.1 Zigbex Mote节点
　　Zigbex Mote模块由微控制器（ATmega128L）、无线通信芯片（CC2420）、传感器、天线等构成，包括可以进行程序设计和与主电脑之间进行通信的接口。ZigbeX Mote设备作为可以构成传感器网络的最基本模块，安装了各种的功能选项传感器板来获取多种传感器信息。Zigbex Mote以IEEE 802.15.4为通信标准，支持ZigBee通信协议。多个Zigbex Mote模块之间实现多跳通讯，构成无线传感器网络系统。基于Zigbex的无线传感器网络具有体积较小、功耗极低以及适配能力强的优点。
      1.2 ad-hoc无线网络组建
      1.2.1 树路由的多跳实现
　　所谓树路由，就是指汇节点与周边节点形成树状结构网络的路由协议，树路由与无线传感网络一样，最终目的节点为汇节点。图 1 显示了树路由协议中形成的拓扑结构。在树状拓扑结构中，其特点是路由路径不能形成循环。而且，在向上层的父节点传输数据的过程中，最终具有向汇节点——主节点传输数据的特点。各节点针对多跳树路由无需保持复杂的路由路径，只需要保持自身的上层父节点的地址实现多跳路由。

      1.2.2 组网流程
　　由于本网络系统采用树状拓扑结构结构，所以，ZigBee协调器必须知道每个传感器节点的网络地址，这就需要每个传感器在加入网络后，都要把网络地址发送给协调器，协调器收到传感器的网络地址后，便可建立地址表并存储起来。其实现流程如图 2 所示。

2 基于LabVIEW上位机监控系统的设计
      2.1 VISA简介
　　LabVIEW提供了功能强大的虚拟仪器软件规范(virtual instrument software architecture，VISA)，VISA是用于仪器编程的标准I/O函数库及其相关规范的总称。VISA总线软件是一种虚拟仪器系统的综合I/O接口软件，不受平台、总线和环境的限制，可用来对USB，GPIB，串口，VXI，PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。在本系统中采用VISA来对串口进行读写操作。
      2.2 LabVIEW编程实现
      2.2.1 VISA串口读写
　　在本无线传感器网络系统中，实现VISA与无线传感网络正常的数据传输与通信可分为以下几个步骤：（1）设置好数据缓冲区，用于临时存放串口过来的数据；（2)初始化串口，通过 VISA Configure Serial Port 对串口通道与波特率、数据位、停止位和缓存大小等指标进行配置，使串口的通信参数与Zigbex Mote模块的串口参数一致；（3）向Zigbex Mote模块主节点发送查询指令；（4）设置延迟时间，等待Zigbex Mote模块执行命令，并返回指令参数；（5）从串口读取返回指令参数，并提取该节点地址缓存中发送的监测数据进行识别，每隔一个扫描周期重复操作（4），并提取数据；（6）关闭VISA。
      2.2.2 LabVIEW 程序设计
　　鉴于本无线传感器网络系统由多个节点模块构成，为了确保有序准确的观测到每个Zigbex模块所传回的数据，必须执行分开的读与写操作，因此整个框架可采用顺序结构。其实现的功能如下：1）利用VISA实现串口通信，读取数据；2）将数据格式转换并显示；3）存储数据至文本文件。由于，该系统设计应用于花木大棚中，而花木大棚对温度和湿度两个指标要求非常严格。因此，将网络中各个节点中实时监测的温度、湿度与预置的正常值进行比较，若超出正常值范围将自动点亮相应的报警灯以提醒管理员采取相应措施。基于LabVIEW的上位机监控系统前面板如图3所示。                       

3 实验环境的搭建与测试
　　在室外空地上搭建一个3.5m*2m*2m的塑料薄膜大棚，里面摆放二十五盆花草，以模拟现实中的花木大棚。将连接好的Zigbex无线传感网络中的一个节点放入其中，对大棚内环境进行二十四小时的实时监控，并在上位机上进行观察。
　　实验结果表明，大棚内的实时温度较室外高二至三度，而湿度差异则随天气变化而变化。而且本无线传感网络系统所监测得到的数据均与网上提供的当天数据接近，所得结果准确。
4 结束语
　　本课题设计了一种传输途径基于Zigbex Mote无线传感网络，数据采集显示处理基于LabVIEW的上位机监控系统，实现了对环境的实时智能监控。实验证明，该无线传感网络系统具有极强的可操作性以及可靠性。如在Zigbex模块附上其他功能传感器模块即可增加该无线传感器网络的适用性。
　　在今后的社会变更和发展中，鉴于无线传感网络技术具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性、安全性、实现成本低等诸多优点，无线传感网络必将被广泛应用于数字家庭领域、工业领域、智能交通等若干领域。
参考文献:
杨乐平,李海涛等.LABVIEW程序设计与应用.电子工业出版社,2002.