一种基于无线传感器网络的大气环境监测系统

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1、一种基于无线传感器网络的大气环境监测系统摘要：介绍了无线传感器网络在环境监测领域的应用背景和国内外研究现状。对大气环境监测用无线传感器网络的节点硬件结构进行了设计，提出了基于无线传感器网络的大气环境监测系统的网络构建方案，并对系统的软件进行了分析和设计。展望了无线传感器网络在其它相关领域的应用前景。关键词：无线传感器网络；通信节点；sink节点；大气环境监测；路由技术中国分类号：TP393文献标识码：A一、引言随着人们对环境的H益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛，而无线传感器网络在环境研究方血的应用也随之增加。例如，基于无线传感器网络的ALERT系统中就有数种传感器用來监测雨量、河水水

2、位和土壤水分，并以此预测爆发山洪的可能性。无线传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告，无线传感器节点被随机密布在森林中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些无线传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。无线传感器网络还有一个重要的应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生态监测。美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛(GreatDuckIsland)上部署了一个多层次的无线传感器网络系统，用来监测岛上海燕的生活习性。Intel公司在2002年10M24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划雹该

3、计划宣称‘Intel将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。目前，所有美国著名院校儿乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。我国的中科院上海微机电研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，清华大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京邮电大学、西北工业大学、国防科技大学和天津大学等院校在国内也较早的开展了无线传感器网络的研究。二、网络体系结构1、节点组成结构在所需监测大气环境质量的区域分布有大量大气环境监测所需传感器、电流/电压转换器、中央处理器、无线收发器和高效电池组成的微型模块，

4、这些微型模块按照一定的协议组成无线网络。每个微型模块代表网络中的一个通信节点，且每一个通信节点具有唯一的地址标识（ID）o其硬件框图如图1所示。通信节点的数据采集可以根据大气环境监测的需要选定合适的传感器，如温度、气压、总可吸入颗粒物、SO2、NO2或其它需要监测气体等，本设计所选取的监测对象为大气的温度和大气屮的S02、N02浓度。因为大气中的S02和N02浓度值很低，而且平时的浓度值和突发环境污染事件吋的浓度值相差巨大，这就要求所选取的S02和N02气体传感器具有高精度和大量程的特点。瑞士membrapor公口1的电化学SO2传感器SO2/CF-100型号和电化学NO2传感器NO2/M

5、-20是很好的选择。这两种型号的电化学传感器的工作原理均为空气中的监测气体与传感器的电极发生化学反应输出与气体浓度大小成正比例的电流信号均有测量数据准确的优点，且价格便宜的优点。二者的性能参数参见表1。气压传感器采用VTI公司的高精度气压传感器，无须额外的供电，输出0〜3V电压，精度18pao温度传感器与微处理器模块和无线通信模块集成，测量范围-45〜100撥，精度0.1癡。气压值和温度值用于对气体浓度值的修正。电流/电压转换电路将SO2和NO2传感器输出的微弱电流信号转换为符合A/D模块输入要求的0〜3.3V电压信号，该电路由两级集成运算放大器组成，具有放大倍数大，温漂和零漂小的特点。通

6、信节点主要由两打模块组成，即微处理器模块和无线通信模块。微处理器模块主要由A/D转换电路和微处理器组成。A/D转换电路具有6路外部输入通道，四个传感器传回的0〜3.3V的电压信号由A/D转换电路进行量化、编码，生成10位的数字信号，并将该信号传给微处理器。微处理器采MATMEL公司的ATmegal28型号高性能、低功耗AVR8位增强型单片机，该单片机具有速度快、抗干扰能力强、可C语言编程等优点。ATmegal28釆用先进的RISC精简指令集结构，具有133条功能强大的指令，这些指令大部分可以在一个吋钟周期内执行，片内带有32?8个通用工作寄存器和执行吋间为两个周期的硬件乘法器；具有128K

7、在线可重复编程Flash、4K字节EEPROM和4K内部SRAM,具有JTAG,可通过JTAG接口对Flash>EEPROM熔丝位和加密位进行编程；ATmega内含两个8位定时/计数器、两个扩充的带有预分频器、比较和模式捕获模式的16位定时/计数器、独立振荡器的实时计数器、二通道8位PWM、6通道2〜16位精度PWM、8通道10位A/D转换器、输出比较调节器、8个单通道、7个微分通道、2个增益位l/10x/200x的微分