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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇無線環境監測，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）07-0192-01
1 方案設計與論證
1.1 無線收發模塊
（1）方案比較：方案一：采用編解碼集成電路PT2262/2272，其為CMOS工藝制造，具有低功耗、外部元器件少，工作電壓范圍寬：2.6～15v等特點，應用于車輛防盜系統、家庭防盜系統、遙控玩具、其他電器遙控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率傳輸器、單片無線收發芯片XE1209，其適用于小范圍低頻、音頻資料傳輸系統，可以實現2次連續相位頻率位移鍵控調制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的單片射頻收發芯片TH7122作為主要芯片，其工作頻率范圍在27MHz～930MHz，具有很寬的調諧范圍。可以工作在4種不同的狀態下：待機狀態、發送狀態、接收狀態和空閑狀態。（2）方案確定：綜合分析以上三種方案的優缺點，方案三具有更大的優越性、靈活性，因此我們采用方案三作為具體實施的方案。
1.2 處理器比較與選擇
由于本系統中的兩個探測點采用兩節1.5V干電池供電，并要求盡量降低各探測節點的功耗，因此采用一般的C51單片機并不滿足要求。而ARM微控制器STM32系列雖然具有豐富的資源、強大的功能與低功耗等特點，但是其性價比相對來說比較高，整機電路也比較復雜，故也不選取。因此在保證滿足要求的前提下，我們選擇了適合于許多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了許多系統級的功能，大大減少了元件的數目并降低系統的成本。
1.3 顯示器比較與選擇
（1）方案比較。方案一：采用DM-162液晶顯示模塊，具有低功耗、模塊結構緊湊、輕巧、裝配容易等特點，但是其界面比較小，不能達到比較好顯示的效果。方案二：采用漢字圖形點陣液晶顯示模塊RT12864M，可顯示的內容非常豐富，但是其功耗相對高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手機液晶，其驅動采用低功耗的CMOS LCD控制驅動器PCD8544，所有的顯示功能集成在一塊芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案確定。綜合以上分析，從功耗與性價比的角度來考慮，我們選擇方案三作為顯示模塊。（3）信道調制方式。由于無線收發芯片已經確定使用了單片射頻收發芯片TH7122，其在發射模式下產生載波頻率，可以采用FSK/ASK/FM三種調制方式，但是在本系統中我們固定了載波頻率為27MHz，再綜合這三種調制方式的特點，另外FSK對鑒頻器的參數非常高，對調試不是很方便，因此在這里采用ASK調制方式作為具體實現的方案。（4）總體方案根據以上分析與論證，我們確定了總體設計方案：監測終端硬件以P89LPC922為主控制器，以液晶5110、無線收發模塊為受控模塊。探測點也以P89LPC922為主控制器，以無線收發模塊、光電傳感器與溫度傳感器為受控模塊。（如圖1）
2 系統測試及數據分析
2.1 測試儀器及設備
（1）UT30D數字萬用表。（2）SS-7802 20M數字示波器。
2.2 測試方法及數據
（1）測試方法。1）分模塊進行測試：對探測節點的光照檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對探測節點的溫度檢測進行測試，驗證它是否能正常工作；對無線通信模塊進行測試，驗證是否能正常通信。2）保證各模塊正常工作之后，再進行整機測試。（2）數據記錄。直接對單個光敏電阻進行光照變化時的阻值測量，記錄數據如下：（如表1）
2.3 數據分析
以上對光敏電阻阻值的測量，由于光敏電阻本身的特性與操作方法的原因，所記錄的數據只是針對于某個特定情況之下，其實光敏電阻的阻值是隨光照強度的變化而變化的。
3 結語
本系統主要由P89LPC922微控制器、單片射頻收發芯片TH7122、低耗電數字溫度傳感器TMP102等構成，很好地實現了外部環境的監測：光照與溫度，并且性能比較好。很有市場前途。
參考文獻
[1]高吉祥，主編.高頻電子線路設計.北京：電子工業出版社，2007年.
【關鍵詞】無線傳感器網絡 ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 數據融合
近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展，以及人們對于環境保護和環境監督提出的更高要求，越來越多的企業和機構都致力于在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術的研究。通過在監測區域內布署大量的廉價微型傳感器節點，經由無線通信方式形成一個多跳的網絡系統，從而實現網絡覆蓋區域內感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。無線傳感器網絡技術是應用性非常強的技術，它在當前我國環境監測系統中的應用潛力是巨大的。
一、無線傳感器網絡和ZigBee
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器結點通過無線通信技術自組織構成的網絡系統。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界，在工業自動化領域，利用無線傳感器網絡技術實現遠程檢測、控制，從而極大地擴展現有網絡的功能。傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產業。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee協議
1、IEEE 802.15.4標準
IEEE標準化協會針對無線傳感器網絡需要低功耗短距離的無線通信技術為低速無線個人區域網絡（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速互連提供統一標準。同時ZigBee聯盟也開始推出與之相配套的網絡層及應用層的協議，目的是為了給傳感器網絡和控制系統推出一個標準的解決方案。該標準一出現短短一年多的時間內便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發成立了若干聯盟。IEEE 802.15.4/ZigBee協議棧結構如圖1所示。協議棧中物理層與MAC層由IEEE定義，網絡層與應用程序框架由ZigBee聯盟定義，上層應用程序由用戶自行定義。
2、ZigBee標準
ZigBee這個字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈，來通知其他蜜蜂有關花粉位置等資訊，以達到彼此溝通訊息之目的，故以此作為新一代無線通訊技術之電磁干擾。因此，經過人們長期努力，zigbee協議在2003年中通過后，于2004正式問世了。
ZigBee網絡是自組織的，并能實現自我功能恢復，動態路由，自動組網，直序擴頻的方式故非常具有吸引力。節點搜索其它節點，并利用軟件“選中”某個節點后進行自動鏈接。它指定地址，提供路由表以識別已經證實的通信伙伴。
三、無線傳感器網絡技術特點
無線傳感器網絡由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節點組成，節點通過自我組織、自我愈合的方式組成網絡。區域中分散的無線傳感器節點通過自組織方式形成傳感器網絡。節點負責采集周圍的相關信息，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網絡傳遞到遠端的監控設備。
四、系統概述
環境監測應用中無線傳感器網絡屬于層次型的異構網絡結構，最底層為部署在實際監測環境中的傳感器節點。向上層依次為傳輸網絡，基站，最終連接到Internet。傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，傳感器節點的體系結構如圖2所示。為獲得準確的數據，傳感器節點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監控區域內，從而形成多個傳感器網絡。傳感器節點將感應到的數據傳送到一個網關節點，網關節點負責將傳感器節點傳來的數據經由一個傳輸網絡發送到基站上。傳輸網絡是負責協同各個傳感器網絡網關節點、綜合網關節點信息的局部網絡。基站是能夠和Internet
相連的一臺計算機（或衛星通信站），它將傳感數據通過Internet發送到數據處理中心，同時它還具有一個本地數據庫副本以緩存最新的傳感數據。監護人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數據中心，或者向基站發出命令。基于無線傳感器網絡的環境監測系統適合于在煤礦、油田安全監測，溫室環境監測、環保部門的大氣監測、突發性環境事故的預測及分析、特殊污染企業的監測，生物群種的生態環境監測以及家庭、辦公室及商場空氣質量監測等領域應用。
五、系統應用特點及架構
1、系統特點
利用無線傳感器網絡實現環境監測的應用領域一般具有以下特點：
（1）無人環境、環境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統工業級品質安全可靠。（2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態環境監控可能反而會破壞環境的完整性，包括影響生態環境中種群的習性和分布等。（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備相對比較多，但僅僅用于監測或控制。（4）系統實施、運行費用要低，無需鋪設大量電纜，支持臨時性安裝，系統易于擴展和更新。（5）具有數據存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數據存儲到后臺或遠程數據庫，并能夠進行離線的數據挖掘，數據分析也是系統實現中非常重要的一個方面。
2、系統架構
（1）礦井安全監控
礦井利用無線傳感器網絡實現井下安全監控的系統結構框圖如圖3所示。傳感器節點負責井下多點數據采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風速和氣壓等參數，通過井場監控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監控中心。后臺監護人員通過該監測系統可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調度、安全監測，從而可以有效的防止礦井事故的發生。
（2）生態環境監測
傳感器網絡在生態環境監測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系3Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic，COA）聯合開展了一個名為“in—situ”的利用傳感器網絡監控海島生態環境的項目。該研究組在大鴨島（Great Ducklsland）上部署了由43個傳感器節點組成的傳感器網絡，節點上安裝有多種傳感器以監測海島上不同類型的數據。如使用光敏傳感器、數字溫濕度傳感器和壓力傳感器監測海燕地下巢穴的微觀環境；使用低能耗的被動紅外傳感器監測巢穴的使用情況，系統的結構框圖如圖4所不。
（3）智能家居
無線傳感器網絡還可以應用于家居中，其家用遠程環境監控系統的結構框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監控系統完成對家電的遠程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時打開空調，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環境。
六、關鍵技術研究
1、數據融合技術
環境監測應用的最終目標是對監測環境的數據采樣和數據收集。采樣頻率和精度由具體應用確定，并由控制中心向傳感器網絡發出指令。對于傳感器節點來說，需要考慮采樣數據量和能量消耗之間的折中。處于監控區域邊緣的節點由于只需要將收集的數據發送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節點由于同時還需要為邊緣節點路由數據，消耗的能量要多2個數量級左右。因此，邊緣節點必須對采集到的數據進行一定的壓縮和融合處理后再發送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel—Ziv算法對原始數據進行壓縮，使得數據通信量減少了2～4個數量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經典壓縮算法的壓縮效果。
2、安全管理
傳統網絡中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網絡，主要表現在以下四個方面：（1）無線傳感器網絡缺乏基礎設施支持，沒有中心授權和認證機構，節點的計算能力很低，這些都使得傳統的加密和認證機制在無線傳感器網絡中難以實現，并且節點之間難以建立起信任關系；（2）有限的計算和能源資源往往需要系統對各種技術綜合考慮，以減少系統代碼的數量，如安全路由技術等；（3）無線傳感器網絡任務的協作特性和路由的局部特性使節點之間存在安全耦合，單個節點的安全泄露必然威脅網絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性；（4）在無線傳感器網絡中，由于節點的移動性和無線信道的時變特性，使得網絡拓撲結構、網絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態變化之中。目前無線傳感器網絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面已經定義了完整有效的機制和算法，安全管理方面目前以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。
七、展望
環境監測是一類典型的傳感器網絡應用，在實際的應用中還有很多關鍵技術，包括節點部署、遠程控制、數據采樣和通信機制等。由于傳感器網絡具有很強的應用相關性，在環境監測應用中的關鍵技術需要根據實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網絡技術的日益成熟和完善，我們還可以在各個方面開展許多新的應用，比如軍用傳感網絡可以監測戰場的態勢；交通傳感網絡可以配置在交通要道用于監測交通的流量，包括車輛的數量、種類、速度和方向等相關參數；監視傳感網絡可以用于商場、銀行等場合來提高安全性。可以預見，隨著無線傳感設備性價比的提高以及相關研究的不斷深入和傳感網絡應用的不斷普及，無線傳感器網絡將給人們的工作和生活帶來更多的方便。
參考文獻
[1]馬祖長，孫怡寧，梅濤，無線傳感器網絡綜述.通信學報
[2]豐原.無線傳感器網絡
[3]酈亮.802.15.4標準及其應用.電子設計應用
【關鍵詞】農田環境信息監測 GPRS 無線傳感器
1 農田環境信息監測系統的簡要介紹
在應用農田環境信息監測系統的時候，能夠有效的實現農田種植的精準性，將復雜的農田系統與信息技術結合在一起，以最低的投入實現高效的農田種植，同時還可以實現農田環境的最高利用，利用各類的農業資源獲取最好的經濟效益以及環境效益。
在農田種植的過程中，農田的覆蓋面積普遍較大，種植的環境相對較差，導致在農田種植的過程中就無法廣闊的開辟農田信息的獲取途徑，并且在無形之中導致了農田種植信息采集的高成本，對農田耕作造成較大的影響，在這一問題的影響下，使用無線傳感網絡可以開辟一個全新的信息獲取以及無線通信的平臺，借此來實現各類農田環境信息的采集以及收集。
在應用無線網絡GPS/GSM技術實現遠距離通信的時候工作效率較高，但是也村子著網絡延時的問題，只是適用于農田數據傳輸量較小的情況，并且在實施農業信息系統的時候要求實時性較低，但是在應用ZigBee無線傳感網絡數據傳輸的時候可以實現長距離、大范圍的布置傳感器節點，借此來對農田種植中的各種信息，例如：土地PH值、空氣溫濕度、光照強度以及土壤溫濕度等等進行短距離以及長距離的通信，逐漸將數據采集廣泛的應用在農業控制領域中，不斷的提高農田的收成率。
2 在農田檢測系統應用ZigBee無線傳感器的設計原理以及設計結構
農田檢測系統呢主要是由ZigBee無線傳感器、嵌入GPRS的ARM網關以及上位機軟件構成，其中ZigBee無線傳感器位于核心地位，控制農田中設置的多個測量土壤PH值傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器以及土壤溫濕度傳感器等等，這樣可以將農田中有關種植的信息數據采集、數據處理、數據存儲，并向協調器傳遞數據信息，在農田信息監測系統中，ARM網關集成了ZigBee無線傳感器和GPRS模塊，借助協調器實現了微型傳感器的節點的采集，并借助網關實現與網絡系統中各個節點之間的信息交互，同時將數據分享到遠程監控中心。
上位機軟件以及服務器可以從ARM網關中接收到各類型的信息，并對所接收的信息進行數據解析、處理、查詢、統計以及查詢，同時還可以將各類型的數據制作成圖表，并通過向各個傳感器節點傳輸控制命令來實現對各類型的傳感器進行參數設置，使得每一個農田檢測系統的使用者可以在任何時間地點都登陸服務器獲取想要的服務，也就是在線的實現對農田監測信息系統中存儲的信息并進行遠程的參數設置。
3 農田監測系統的硬件結構設計
3.1 針對微型傳感器節點的設計
微型傳感器在農田信息檢測系統中主要負責農田環境信息的采集，并將獲得的信息轉化為數字信號，進行下一步的傳遞與處理。在設計微型傳感器節點結構設計的時候，必備的設備就是傳感器、信號調理電路、A/D轉換器、微型處理器、射頻通信以及電源模塊，在必備設備的基礎上，針對微型處理器的不同應用用途（例如：土壤PH值、空氣溫濕度、光照強度以及土壤溫濕度等等）實現進一步的微型處理器的結構完善，在結合實際用途的過程中，對微型處理器的能量消耗、測量范圍以及精度等基本使用屬性進行完善。
有效的處理好微型處理器結構的之后，在農田監測系統運作的過程中就能夠在各個節點之間實現相互協作完成對農田環境信息的全方位手機，并將收集到的所有數據匯集到無線傳感器的網絡協調器中。
3.2 ARM網關的結構設計
在進行ARM網關硬件結構設計的時候，必要的結構設備就是ZigBee協調器、GPRS模塊以及ARM控制器這三部分，并且ZigBee協調器是其中最核心的部位，并在協調器的部分設置一定數量的接口，最常用的接口就是串口以及通用的IO接口，總體看來，微型處理器與ARM網關硬件結構在一定程度上具有相同性，但是在軟件系統的應用上存在一定的差異，其中GPRS模塊結構選擇的是集成的SIM300模塊，內部應用的是TCP/IP協議，在運轉的過程中支持AT指令的運行，而ARM控制器的主要功能就是協調ZigBee協調器以及GPRS/GSM實現了信息之間的交互以及處理，同時利用串行口以及存儲器實現更多功能模塊的接入。
4 農田環境監測系統的軟件設計
4.1 ZigBee網絡數據采集以及傳輸程序的設計
微型傳感器采用的數據采集方式是在ZigBee 2010 PRO協議棧的基礎上完成的，一旦完成了ZigBee網站之后，微型處理器能夠通過各個節點對農田環境信息數據機進行周期性的收集，在每次信息收集完成之后，就會自動的進入到休眠的模式，這樣可以降低長時間運轉的能量消耗，降低了農田環境監測系統的運轉成本，在數據收集完成之后，將所有搜集到的數據進行整體打包，通過樹形拖布結構將數據包發送到ZigBee網站中。
4.2 上位機軟件設計
在進行上位機軟件設計的時候，是在Windows操作系統以及Qt應用開發框架的環境內實現的，上位機軟件的主要功能包括了數據管理以及遠程信息監控。
在進行數據管理模塊設計的時候，應當合理的兼顧數據接收、解析以及存儲處理等功能，其中，關于數據接收功能設計的時候采用的技術是Socket技術，并在服務器端口的輔助下將所收集到的數據傳輸到數據庫中，同時還要使用數據幀協議進行解釋。
而在進行信息檢測模塊設計的時候，要兼顧數據顯示、信息查詢以及圖標自動生成的功能，這樣能夠提高農田環境監測系統用戶對于環境信息的瀏覽以及查詢服務的質量。
參考文獻
[1]熊攀.基于ZigBee和GPRS的無線環境監測系統[D].湖北大學，2014.
[2]劉堅，陶正蘇，陳德富，等.基于GPRS的環境監測系統的設計[J].自動化儀表，2009，30（2）：30-32.
作者單位
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。可實現電源連接、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。
參考文獻：
[1]鄧文，趙偉，顧錦源等.電能自動抄表技術及相關思考[J].電測與儀表,2001，（1）:10-12.
[2]OVIDIU P, GIBRIEL C. DSP's based energy meter [C]. 26th International Spring Seminar on Integrated Manage- ment of Electronics Materials Production, 2003:235-238.
[3]炬力集成.ATT7026A用戶手冊，2005，03，28.
[4]谷延軍，申衛昌，劉驪.基于ATT7026A的高精度智能電表設計[J].電網技術，2207，4，（31）:318-320.
[5] SIEMENS Inc, SIEMENS Inc Technology product information TC35 Preliminary.
作者：胡展銘姜文博江偉偉陳元陳偉斌單位：國家海洋環境監測中心
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］。
結語
由于海洋環境監測的特點和發展趨勢，適合以水聲通信和移動通信作為數據傳輸載體，因此結合海床基和浮標，基于水聲和移動通信技術構建的監測系統，應用于海洋環境監測領域是完全可行的。該系統可實現對海洋環境的智能監測，并將監測終端數據異地可視化，達到動態監測海洋環境的功能，通過改變監測終端傳感器的類型可實現功能更全面的監測，該系統可提高監測效率、運行成本較低，具有一定的推廣價值。隨著通信、地理信息系統和物聯網技術的發展，未來的海洋環境監測無線通信網既可以實時獲取大范圍的海洋信息，也可以快速、便捷地傳遞、控制和管理各種信息。因此，通信技術必將在海洋環境監測中發揮越來越重要的作用。
關鍵詞：云平臺 農田環境 無線監測 嵌入式
中圖分類號：TP274；S126 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0140-02
1 引言
21世紀的農業是信息高度集成化的智慧農業，在農業領域中充分發揮科技的力量勢在必行。智慧農業是農業發展的新潮流，是未來農業可持續發展的必經之路。發展智慧農業需要大量有效和及時準確的農田環境信息，獲取農田環境信息是智慧農業實現的關鍵之一。近年來，農田環境信息獲取的方法和手段不斷提高和豐富，但從總體上看，還存在一些問題有待解決，如：環境信息采集過程應用的手段還相對落后、采集效率不高；傳輸方式受布線難、傳輸距離短、現場環境復雜等限制；同時由于農田分散、且多無人看管、設備多，管理工作需要進一步完善。
為此，筆者設計了基于GPRS、云平臺和無線傳感器網絡技術的監測系統，能夠實現實時監測農田環境的各種參數，以解決上述問題。對于提高農業耕作精細化程度，減少人力資源投入，農業生產大數據的研究等都具有重要的科學意義，對智慧農業的推廣發展具有深遠影響。
2 農田環境監測系統
農田環境監測系統主要由云服務器、網站、移動客戶端、無線通訊網絡、智能終端和環境監測傳感器構成。在大棚和農田里安裝的是農田環境監測智能終端，它由太陽能電池板供電，無需外接電源，并且由程序控制為低能耗節能模式可常年累月運行，保證對農作物整個生長周期進行無縫監控。智能終端可以同時配備溫度、濕度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤水分、土壤養分、土壤酸堿度、污染物（COD、BOD）等傳感器。用這些傳感器感知作物生長土壤、空氣、光照等環境參數，轉變成數據形式，通過GPRS無線通信網絡上送到云服務器，進行分類、存儲、統計和分析。
通過互聯網瀏覽器訪問平臺網站，或者手機客戶端查詢相應農田環境數據的變換和報警信息。大量智能終端安裝到農田大棚，長時間運行后，云服務器就會存儲海量的農田環境數據。農業科研專家通過建立農作物生長模型分析這些海量數據，對歷年作物品質、產量、環境數據進行分析對照，預測作物生長及產量情況，及時提出合理的農田耕作和管理的指導建議，為農業生產、發展精準農業、智慧農業提供技術支撐和科學依據。
2.1 農田環境監測參數選擇
影響農田環境的參數很多，我們從中選取了對植物影響重要，而且便于在線測量如農田環境地表空氣溫度、濕度、CO2、NO2，表面光照、土壤溫度、土壤含水量、土壤養分、土壤酸堿度等參數作為農田環境的監測量。
2.2 農田環境監測系統構成
農田環境監測系統由云服務器、網站、移動客戶端、無線通訊網絡、智能終端和環境監測傳感器以及環境監測分析軟件以及移動設備客戶端軟件等構成。
監測終端是采用嵌入式結構，內部集成了GPRS通訊設備；16路0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA等模擬量信號傳感器接口；6路IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等通訊信號傳感器接口；并提供鋰電池、太陽能等電源輸入接口和DC3.3V1A或DC5V0.5A或DC24V0.1A電源輸出接口。測控終端除了具有監測終端的功能外，還帶有8路繼電器、2路PWM控制接口。
環境傳感器選擇有線的，DC3.3V或DC5V或DC24V供電，并且支持0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等信號接口之一的傳感器，無需任何信號轉換器就可以直接與監測終端連接。如果選擇其他信號接口的傳感器，需要外加信號轉換器。
2.3 系統工作原理
在待測農田、大棚等相應位置安裝農田環境傳感器、監測終端以及太陽能板。如果需要，還可以安裝一塊或多塊本地公共顯示屏，用作實時顯示監測數據和分析情況。
環境傳感器將各種物理量轉換成0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB之一的電信號，通過測控終端采集變為實時數據，經過嵌入在終端內部的硬件和軟件數據濾波后加上時間戳和物理量類型，形成數據記錄，保存在測控終端的Flash存儲器中，同時由GPRS通訊上送到云服務器和本地公共顯示屏。
云服務器收到測控終端上送的數據，進行分類、匯總保存到云數據庫中。遠程計算機的測試分析軟件系統，通過互聯網或GPRS，訪問云服務器數據庫，進行綜合分析，將分析結果送回云服務器，供研究分析、本地公共顯示屏顯示、遠程或移動客戶端查詢用。
3 農田環境監測數據處理
3.1 監測終端數據濾波
受地域或自然環境影響，監測數據極易受到農田勞作、環境擾動等的外界因素干擾。要想反映實際情況的監測數據，需要將采集到的數據進行濾波處理，因此，除了在硬件電路對采集量進行濾波外，還必須針對不同監測量，在軟件上通過相應的數字濾波[2]進行處理。
采集終端將采集到的空氣溫濕度、土壤溫度、含水量和光照強度等模擬信號轉換成數字量后，通過公式計算出的環境參數的平均變化率。
監測終端根據其平均變化率，自動選擇合適的數字濾波方法。例如像溫度、濕度等大部分農田環境參數變化緩慢的監測量，即當
（1）
其中，y（t）為濾波后的當前采集值，f（x）為當前實測值，T0為滑動濾波長度。系統軟件將新數據放入到濾波隊列的隊尾，扔掉最早采集的數據，濾波后的輸出總是固定濾波長度的算術平均值。
當0.25
當0.55
3.2 監測結果
利用客戶端分析軟件從云端服務器獲取監測數據，進行統計分析，從中選取了一塊具有代表性的農田大棚，安裝了一套監測終端，運行一段時間后，摘錄了其中24小時的棚內空氣溫度、濕度、CO2含量和土壤溫度、含水量、光照強度等參數監測曲線如圖1所示。
4 結語
通過GPRS網絡和云服務器，該系統可以無線遠程實時監測農田環境數據。與傳統農田環境采集系統相比，該系統減少人力和物力投入，縮短環境信息采集周期；與已有的無線采集系統相比，該系統對信號處理具有更好的收斂性，且通過云服務器存儲數據更加穩定且智能。該系統對于發展精準農業和智慧農業起一定推動作用。
參考文獻
[1]陳艷秋.基于WebGIS的田間環境監測系統平臺的設計與實現[D].東北農業大學，2012.
關鍵詞：環境監測；ZigBee；WiFi；無線網關
中圖分類號：X83 文獻標識碼：A
引言
隨著環保意識的日益加強，對于環境的監測要求越來越高，不僅監測的參數越來越多，而且監測范圍越來越細，手段也更加靈活。因此，用信息技術來提升環境監測設備不僅可能而且必要。早期環境監測設備中的監控數據多采用有線傳輸或者人工抄表，因其布線繁冗，成本高，位置固定，靈活度低而受到很大限制。智能化的數據采集處理與無線傳輸是環境監測設備的重要發展趨勢。
ZigBee是目前應用最為廣泛的近場無線通信技術之一，具有自組織、低成本、低功耗、高可靠性和短時延的特點，是需要較多傳感控制節點應用的首選。ZigBee工作在2.4GHz ISM頻段，最多可容納65536個節點，節點不僅能進行數據采集，還能以多跳的方式承擔網內節點的數據轉發。但ZigBee單跳通信距離較短，數據傳輸速率最高僅為250kb/s@2.4GHz且不能直接與Internet互聯[1]。
為了拓展通信距離和實現遠程應用，文獻【2】直接給出了基于WiFi的監控方案，但是WiFi節點功耗相對較高，組網方式限制了其覆蓋范圍。文獻【3】采用ZigBee和以太網相結合的方式實現數據采集與遠程應用，具體是通過ARM+Linux控制通信模塊，如GPRS/CDMA或其他以太網接口來實現的。ARM芯片分別與ZigBee和通信模塊相連，通過運行ARM中Linux平臺上的代碼進行總體控制和協議轉換，此類方案雖可實現ZigBee與以太網之間的協議轉換，但是網關的功耗大，成本高，協議轉換效率低，可靠性與穩定性相對較差。
為充分利用ZigBee和WiFi的優點，實現設施環境監測數據與Internet無縫鏈接，拓展設施環境監測設備的應用范圍。本文給出并實現了一種新的ZigBee-WiFi無線網關，該網關以STM32W108及AX22001為核心芯片，通過固化在芯片中的代碼實現ZigBee網絡與WiFi網絡的協議轉換，經測試，該無線網關穩定可靠，功耗低，能夠滿足設現代環境監測對數據采集、無線傳輸和數據遠程應用的要求。
1.網關硬件設計與實現
ZigBee-WiFi無線網關位于ZigBee網絡和WiFi網絡之間，實現兩種不同協議的轉換。本文設計并實現的網關既是ZigBee網絡的協調器，負責構建和配置整個ZigBee無線傳感器網絡，又是WiFi的無線節點，具有收集分發ZigBee節點數據、協議轉換功能。其結構和功能如圖1所示：
圖1 ZigBee-WiFi網關結構能功能
ZigBee部分以STM32W108CBU61為核心芯片，它是集成了符合IEEE 802.15.4標準2.4GHz收發器的32位ARM Cortex-M3微處理器，固化了Ember ZigBee協議棧，支持星型、樹狀和網狀三種ZigBee基本網絡結構[6]。
網關中ZigBee射頻部分在使用片內功率放大器時，無阻擋傳輸距離約為75M，能夠滿足布局簡單，范圍較小的場合。
網關中WiFi部分主控核心芯片AX22001是內置802.11無線網MAC/基帶雙CPU架構的TCP/IP微處理器，其中MCPU負責應用程序和TCP/IP協議處理，WCPU則負責WLAN協議處理以及以太網封包格式的轉換，支持軟件設置TCP 服務器、TCP客戶端以及UDP工作模式。WiFi射頻部分的核心芯片是AL2230S，它工作于2.4GHz頻段，支持802.11b/g。STM32W108與AX22001間的數據交換通過UART完成。
ZigBee和WiFi都使用2.4GHz ISM頻段，其間干擾是影響網關穩定工作的重要因素。ZigBee將工作得2.4GHz頻段劃分為16個信道，信道帶寬為2MHz；WiFi則將該頻段劃分為11個信道，信道帶寬為22MHz。ZigBee與WiFi有12個信道重疊，無重疊信道最多有4個，如圖2所示。
圖2 WiFi與ZigBee信道分配圖
雖然ZigBee信號相對于WiFi屬于窄帶干擾源，WiFi通過擴頻技術可以充分抑制ZigBee信號。同時ZigBee網絡在信道訪問上采用了CSMA-CA碰撞避免機制，通過檢測信道上能量判斷信道狀態，這種信道占用檢測和動態信道選擇的方式對ZigBee和WiFi抗同頻干擾，實現共存非常重要[7] 。在網關的硬件設計中仍需盡可能的將ZigBee和WiFi模塊隔開且用鐵殼覆蓋以減少輻射外泄，軟件設置ZigBee與WiFi信道選擇范圍，以減少二者信道相互重疊的可能性。此外，ZigBee和WiFi模塊分別單獨供電，軟件實現“時分復用”，盡可能避免出現ZigBee和WiFi同時發送數據的情況出現，提高網關無線數據傳輸的可靠性和穩定性。
2.網關軟件設計與實現
ZigBee采用IEEE 802.15.4協議，根據節點地址進行通信，WiFi采用TCP/IP協議，根據IP地址進行通信。ZigBee傳感節點采集到的數據按照IEEE 802.15.4協議傳送到網關，網關解析出數據的有效載荷并轉發給WiFi網絡。當WiFi網絡需要發送數據給ZigBee中節點時，網關會根據TCP/IP數據包中含有的ZigBee節點地址將有效數據轉發到指定節點。網關軟件通過調用協議棧建立并維護網絡通信，數據轉換在應用層上實現。
網關中ZigBee模塊作為協調器，負責ZigBee網絡的建立，信息接收、匯總及傳輸。協調器上電后掃描信道創建ZigBee網絡，選定一個PANID作為協調器的網絡標識，創建路由表，廣播網絡允許節點加入網絡。ZigBee模塊的工作流程如圖3所示：
圖3 ZigBee協調器工作流程圖
WiFi模塊負責WiFi網絡中的數據收發，支持AD-HOC直連和基礎網絡模式兩種通信模式。本文將WiFi節點配置成基礎網絡模式，通過無線路由與上位機進行數據交換。WiFi模塊上電后，初始化硬件和網絡協議棧，設置模塊參數，掃描信道加入無線局域網絡。圖4為WiFi模塊工作流程圖：
圖4 WiFi模塊工作流程圖
ZigBee向WiFi發送數據：網關內的ZigBee協調器接收到節點傳來的數據后將其與發送節點地址通過UART發送給AX22001主MCU，運行在主MCU中的程序將數據及節點地址打包通過WiFi發送出去。WiFi向ZigBee發送數據：AX22001主MCU將接收到的IP數據包解包提取目的節點地址和數據，通過UART將其發送給網關內的ZigBee協調器，協調器根據目的節點地址將數據發送到指定節點上。
3.系統測試與結果分析
為測試ZigBee-WiFi無線網關的運行情況，本文采用多線程技術開發了上位機監控測試程序，其中主線程用來接收數據，發送線程用來發送數據。ZigBee-WiFi網關與測試程序之間通信通過Socket套接字來完成，網關運行在服務器模式下，測試程序運行在客戶端模式下，通信流程如圖5所示。
圖5 socket通信流程圖
測試時將ZigBee采集節點設置為全功能路由節點，外接溫濕度、光強、二氧化碳濃度傳感器。在一112M×49M食品生產車間中布置15個數據采集結點，測試程序運行在PC上，配置PC使得ZigBee-WiFi網關和PC工作在同一無線網絡中。ZigBee-WiFi網關首先加電啟動，然后運行位于WiFi網絡中PC上的測試程序，輸入指定的IP地址和端口后，點擊連接。接收數據結果如圖6所示。
圖6 上位機接收數據
接收到的數據包括ZigBee節點64位全球唯一的物理地址地址，如圖中“0080E102001BC0A8”，接收到的信號的強度RSSI，該參數可被用來判定鏈接質量，其余分別為傳感器測得的環境參數值。同時上位機通過WiFi向ZigBee中所有節點循環依次發送數據，ZigBee節點均可正確接收。經多天連續運行測試，數據傳輸多在單跳內完成且時延小于10ms，丟包與信號強度及頻率有關，據測試結果可知網關丟包率小于1%。上述結果表明設計的網關節點功能符合要求且系統運行穩定、可靠。
4.結論
本文以STM32W108及AX22001為核心芯片設計并實現了一個用于環境監測中的ZigBee-WiFi無線網關。該網關能夠滿足ZigBee與WiFi兩種不同網絡間數據互聯要求，實現了ZigBee網絡與WiFi網絡的無縫連接，拓展了ZigBee網絡的覆蓋范圍，方便與遠程環境監測系統實現無縫連接。同時，該網關較其他方案具有功耗低，結構簡單，組網方便等特點。
參考文獻：
[1]張榮標，谷國棟，馮友兵 等.基于IEEE802.15.4的溫室無線監控系統的通信實現[J].農業機械學報，2008，39（8）：119~122，127.
[2] 劉紅義，趙方，李朝暉 等.一種基于WiFi傳感器網絡的室內外環境遠程監測系統設計與實現[J].計算機研究與發展，2010，47（z2）：361~365.
[3]韓華峰，杜克明，孫忠富 等.基于Zigbee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J].農業工程學報，2009，25（7）：158~163.
[4]王曉喃，殷旭東.基于6LoWPAN無線傳感器網絡的農業環境實時監控系統[J].農業工程學報，2010，26（10）：224~228.
[5]陳琦，韓冰，秦偉俊 等. 基于Zigbee/GPRS物聯網網關系統的設計與實現[J].計算機研究與發展，2011， 48（z2）：367~372.
關鍵詞： 農場監控； 無線傳感網絡； ZigBee； 組態王
中D分類號： TN915?34； TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）02?0137?04
Abstract： An intelligent monitoring system is studied， in which the ZigBee wireless sensor network is applied to the farm environment monitoring. The system structure， network topology structure and hardware structure of the ZigBee wireless sensor network in farm environment were designed. The minimum system of the main controller， radio frequency circuit， power supply circuit， humiture sensing and acquisition circuit， illumination intensity sensing and acquisition circuit， soil moisture sensing and acquisition circuit， and communication device hardware were designed. The KingView software is used to design the upper computer software interface for farm monitoring. The monitoring software interface is divided according to the functions， which contains the monitoring main interface， farm environment real?time data curve interface， farm environment history data curve interface， farm environment history data report interface and farm environment history alarm data report interface. The experimental results show that the design has reached the expected target.
Keywords： farm monitoring； wireless sensor network； ZigBee； KingView
0 引 言
農業從最初的原始農業發展到了傳統農業，同時隨著科學技術的發展現代農業已經逐漸開始替代了傳統農業，成為農業未來的主要發展形式[1]。在農業生產技術逐漸發展的過程中需要實時、精確以及動態地獲取田間信息。其中田間信息主要包含作物生長信息，光照強度、濕度以及空氣溫度等農田周圍環境信息，地理位置信息以及土壤水分、電導率、pH值等土壤屬性信息。應當通過無線處理、分析和傳輸所采集的數據，進而管理田間農業，這樣對于農業生產以及農業管理有非常積極的作用[2]。
1 系統總體結構
為了對農作物生長的最佳條件進行確定，需要對二氧化碳濃度、光照強度、空氣溫濕度、降水量、土壤養分以及土壤水分等因素進行測量，這樣在調控農業生產的過程中就能夠通過參考這些數據來提升經濟效益、調節生長周期以及改善農作物品質。通常情況下農田具有較廣的覆蓋面積，但是不具有較大的地勢起伏，同時農田周圍具有較為空曠的環境，高壓電塔以及基站等不會造成相應的干擾，所以利用無線通信技術來對農作物環境信息進行獲取具有較強的實用效果[3]。
監理網關以及采集區域是整個無線傳感網絡的農場智能監控系統的主要組成部分。農田中ZigBee節點組成了采集區域，能夠對農田環境的相關信息進行采集，進而利用節點間路由關系有效地傳輸數據，這樣網關節點就可以獲取相關的信息[4]。
農場監控傳感節點的硬件結構如圖1所示。
單個無線傳感采集節點主要由主控芯片和各個傳感電路組成，實現對農場環境的溫濕度、光強度、土壤水分及pH值進行實時監測。
接收無線網絡傳感器所采集的信息主要通過監測網關來實現，同時對這些信息進行處理。另外區域經緯度信息也能夠通過GPS模塊進行測量。這樣就可以對采集區域的具置進行確定，另外還能夠精確地定位農田中的傳感器節點[5]。
ZigBee網絡拓撲結構中，星型網絡主要包含多個從屬設備以及一個協調器。其中網絡的控制和啟動由協調器來負責，協調器能夠直接實現與網絡內設備的通信，同時還能夠通過協調器進行數據的收發。但是這種網絡受到通信范圍的影響，在小范圍無線通信系統中應用比較廣泛。
樹狀網中，終端設備、協調器以及若干路由節點是樹狀網絡的主要組成部分。網絡初始參數的設定以及網絡的建立由協調器來負責。通過數據的轉發路由節點能夠對網絡通信范圍進行擴展，因此網絡通信具有較好的同步性，能夠對網絡內設備的休眠進行控制以達到節省功耗的目的。由于其具有擴展性好以及網絡通信范圍廣的特點，因此在一些大范圍無線系統中應用比較廣泛[6]。網狀網絡能夠實現完全的點對點通信。信標無法在網絡中定期的發送，各個網絡節點之間無法同步地進行通信，另外還需要應用同步機制來對網絡進行維持。但是這種網絡路由選擇具有多樣化的特點，同時具有較廣的通信范圍，因此在一些比較復雜的無線通信系統中應用比較廣泛。
在距離較近以及圓形分散的無線傳感器網絡中星型網絡比較適合。樹狀網絡在多終端節點網絡中比較適合應用。多跳式路由通信在網狀網絡中應用比較廣泛，在一些比較分散以及距離較遠的無線傳感器網絡中應用比較廣泛。因此本文使用樹狀拓撲網絡。
ZigBee無線網絡中，路由節點、協調器、終端設備為主要設備。在整個 ZigBee網絡中協調器發揮著非常關鍵的作用，是網絡建立的基礎。在完成初始化以后協調器就能夠將網絡設備中的網絡地址進行分配，進而對物理通道進行確定。終端設備短地址的收回以及分配由路由節點來負責，另外還可以將網絡中的數據進行轉發。其中數據無法通過終端設備來轉發 [7]。
2 ZigBee無線傳感網絡節點硬件系統
通信裝置以及無線傳感節點是系統的硬件M成部分。終端節點、路由節點以及協調器是ZigBee網絡中節點的三種主要類型。采集控制模塊、終端節點以及路由節點是無線傳感節點的主要構成模塊。GPRS 通信模塊以及協調器是通信裝置的主要組成部分。
無線傳感網絡中的網絡節點能夠對農場的環境狀態進行檢測。通過網絡協議能夠將每個農場區域的傳感節點組合成ZigBee網絡，網絡的主控節點為通信裝置，這種路由既能夠對網絡結構進行維持，又作為Internet和網絡節點的接口，網絡節點和后臺服務器之間的數據傳輸能夠通過該模塊實現。
農場智能監控的無線傳感網絡系統硬件設計主要包括：對主控器最小系統、無線射頻電路、供電電路以及傳感采集電路進行設計。本文研究的農場智能監控的無線傳感網絡系統的節點中實驗TI 公司2.4 GHz射頻芯片 CC2530作為主控芯片。
（1） 主控器最小系統。CC2530最小系統的硬件電路如圖2所示。最小系統電路是保證主控器正常運行最基本的電路[8]。
（2） 無線射頻電路。在進行無線射頻電路設計時，使用巴倫電路實現雙端口轉換單端口從而完成天線和饋線匹配最優。無線射頻匹配電路如圖3所示，當需要CC2530 模塊向外發送數據時，差分射頻端口 RF_P，RF_N將數據發送至巴倫電路轉換為單端信號，再由天線發射。當需要CC2530 模塊接收數據時，天線接收到的信號由巴倫電路進行轉換并發送至RF_P，RF_N 端口，完成接收[9]。
（3） 供電電路。供電電路由220 V交流電源供電，通過變壓器、橋堆和穩壓芯片LM7812轉換為供給控制器工作的12 V直流電源以及供給傳感采集電路的5 V直流電源。5 V直流電源再經過LM1117?3.3芯片轉換為供給CC2530芯片及電路工作的3.3 V直流電源。
（4） 溫濕度傳感采集。本文通過SHT10溫濕度傳感器采集農場環境的溫濕度。如圖4所示。
SHT10傳感器的數據端口DATA和SCK與CC2530芯片的P1_4和P1_5端口連接[10]。
（5） 光照強度傳感采集。本文使用光敏電阻MG45作為農場環境光強度的檢測器件，光敏電阻能夠將光能轉換為電能，實現對光強度的檢測。光強度對于農場作物生長具有重要作用，因此需要實時地對農場環境的光強度進行監測，為農作物葉面指數的監測提供數據支持。光敏電阻MG45傳感器的數據端口與CC2530芯片的P0_0端口連接。如圖5所示。
（6） 土壤水分傳感采集。本文使用SWR?2型水分傳感器對土壤中水分進行實時監測。水分傳感器SWR?2與CC2530芯片連接如圖6所示，傳感器的數據端口與CC2530芯片的P0_6和P0_7端口連接[11]。
（7） 通信裝置硬件。通信裝置硬件的主控芯片使用LPC2368芯片，與CC2530實現數據的傳輸。通信裝置使用華為 GTM900C 無線模塊作為GPRS模塊。通信裝置硬件結構如圖7所示。
3 農場監控上位機軟件設計
本文使用組態王軟件設計農場監控上位機軟件的界面。通過功能劃分監控軟件界面，監控軟件界面主要包括監控主界面、農場環境實時數據曲線界面、農場環境歷史數據曲線界面、農場環境歷史數據報表界面以及農場環境歷史報警數據報表界面等[12]。監控主界面用于顯示當前農場的總體概況和各個監測點的運行狀況。監控主界面如圖8所示。
農場環境實時數據曲線能夠顯示最近2 h內的農場環境數據，數據監測間隔為2 min。溫度實時數據曲線如圖9所示。光強度實時數據曲線如圖10所示。
農場環境歷史數據曲線界面通過調用組態王中的歷史曲線控件實現，歷史曲線控件能夠記錄農場環境歷史數據并以數據曲線形式直觀顯示，并可對農場環境歷史數據報表界面通過調用組態王中的歷史報表控件實現，歷史報表控件能夠記錄農場環境歷史數據并以報表形式顯示，并可對數據報表進行打印、保存以及按時間查詢等。1號節點的農場環境歷史數據報表如圖11所示。
農場環境歷史報警數據報表界面能夠將組態王中的事件報警控件記錄的異常報警事件以報表形式進行顯示，異常報警事件通常包括無線節點信號丟失、傳感節點數據超過設定的上下限值。
4 結 論
本文研究一種將ZigBee無線傳感網絡應用到農場環境監測的智能監控系統，對農場環境ZigBee無線傳感網絡的系統結構，網絡拓撲結構以及硬件結構進行了設計。使用組態王軟件設計農場監控上位機軟件的界面。通過功能劃分監控軟件界面，監控軟件界面主要包括監控主界面、農場環境實時數據曲線界面、農場環境歷史數據曲線界面、農場環境歷史數據報表界面以及農場環境歷史報警數據報表界面等。
參考文獻
[1] 孫玉文.基于無線傳感器網絡的農田環境監測系統研究與實現[D].南京：南京農業大學，2013.
[2] 劉志強.基于無線傳感器網絡的倉庫環境監測系統設計與實現[D].長沙：國防科學技術大學，2008.
[3] 代媛.基于ZigBee無線傳感器網絡的農田信息監測研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2010.
[4] 郭家.基于ZigBee網絡的農田信息采集系統的設計[D].鄭州：河南農業大學，2013.
[5] 杜元生.基于無線傳感器網絡的室內環境監測系統設計與實現[D].南京：南京航空航天大學，2013.
[6] 何賽.基于ZigBee的城市照明監控系統的研制[D].蘇州：蘇州大學，2012.
[7] 鄭煊，劉萌.基于ZigBee和GPRS的城市照明監控系統的設計[J].照明工程學報，2011（4）：21?25.
[8] 姜男瀾，陳仙云，蔡明.基于ZigBee和LabVIEW的新型城市照明監控系統[J].中國科技信息，2014（7）：155?157.
[9] 劉民靜.基于ZigBee無線傳感器網絡的作物生長環境監控系統[D].濟南：濟南大學，2014.
[10] 于江.基于無線傳感器網絡的農作物生長環境監測系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.
關鍵詞：鄱陽湖；通用分組無線服務技術；無線傳感器網絡；遠程監控中心
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）34-7896-02
無線傳感器網絡是由部署在監測區域內的體積小、成本低，具有魯棒性、分布式、隱蔽性等特點的傳感器節點所組成，這些節點具有通信能力和計算能力，通過多跳無線通信方式構成網絡系統，對監控區域內的監測對象信息實時感知、采集和處理，并傳送到網絡終端用戶。被廣泛的應用于環境監測、智慧醫療、智能交通、智慧農業等方面。鄱陽湖（如圖1所示）水域寬闊， 水質采樣困難、數據實時處理差、水質監測對象復雜多變、監測點分散、分布范圍廣、環境較惡劣。監測主要采用的人工采樣或便攜式監測儀采集數據，采樣點有限，不能實現實時高效的水環境信息監控的需求。該文在深入研究無線傳感器網絡的基礎上，提出了一種基于無線傳感器網絡的鄱陽湖水環境監測系統的設計方案，對水環境監測中的幾個重要指標水溫、pH值、電導率、溶解氧和濁度等進行遠程實時監測，實現鄱陽湖水環境信息的自動化采集，遠程傳輸，批量處理，海量存儲，優化顯示，及時，為鄱陽湖水環境的保護和合理開發提供參考。
1 系統總體設計
整個信息監控系統由信息采集終端節點、傳感器網絡、監測區域中心節點數據遠程傳輸和遠程數據監控中心四個部分組成，系統總體構架圖如圖1所示。傳感器終端節點主要負責傳感器數據的采集和處理；無線傳感器網絡負責實現傳感器終端節點數據經過路由節點發送監測區中心節點，實現傳感器數據的采集。監測區中心節點數據遠程傳輸部分主要負責將中心節點數據通過GPRS網絡以TCP協議的形式傳送到internet遠程數據中心。數據監控中心負責接收來自不同監測區的數據，并對數據進行加工處理，并實時到互聯網平臺。
2 信息采集終端節點設計
信息采集終端節點主要以CC2530 為核心控制芯片，實現傳感器信息的采集，信號的放大處理，模擬信號的數字化轉換和數據的存儲和轉發。是傳感器網絡中最基本節點部分，也是最重要的節點部分。整個水環境信息采集終端節點可劃分為傳感器數據采集和信號處理模塊、模擬信號的數字化轉換模塊、8051單片機數據處理模塊、射頻無線通信收發模塊以及供電系統模塊如圖2所示。
傳感器數據采集和信號處理模塊主要使用各種水環境信息采集傳感器采集信息，由于傳感器采集的信號一般比較微弱，直接輸入到單片機是無法處理，所以需要設計一個放大電路以保證傳感器采集的信號經過放大能被單片機接收和處理。
模擬信號的數字化轉換模塊，大部傳感器輸出的都是模擬信號，而單片機只能處理數字信號，所以需要對信號進行模擬轉數字的處理。
8051單片機數據處理模塊是信息采集終端節點的核心部分，接收來自模數轉換通道的采集數據并對其進行格式等處理，然后保存在存儲器中。
射頻無線通信收發模塊負責將信息采集終端節點數據通過無線傳感器網絡傳輸到該采集區域的數據匯聚中心節點，實現了信息采集終端節點與采集區域的數據匯聚中心節點、信息采集終端節點與中繼節點之間的數據交換功能。
供電系統模塊負責整個信息采集終端節點的電源。
3 無線傳感器網絡設計
3.1 數據匯聚中心節點程序
數據匯聚中心節點主要負責建立無線傳感器網絡環境，實現其他節點能夠加入或者退出該網絡的功能，同時負責接收來自其他節點的的數據，對接收到的數據進行整理和規范化并通過串口傳輸到GPRS模塊。具體程序主要有各個節點模塊的的初始化程序、各個節點組網程序和匯聚數據信息的遠程發送和接收遠程數據信息程序等。
3.2中繼路由節點程序
中繼路由節點的程序和數據匯聚中心節點的程序總體上變化不大，只是在文件配置上有一些小的區別，根據使用的先后順序，它可以成為中繼路由節點，實現接收信息采集終端節點數據并發送到數據匯聚中心節點。上電后，中繼路由節點發現該無線傳感器網絡就主動加入該網絡，并將自己和找到的第一個協調器或路由節點進行連接，然后等待其他節點加入。中繼路由節點在無線傳感器網絡中主要起到路由的作用，同時還負責網絡通信的正常維護。
3.3信息采集終端節點程序
信息采集終端節點主要負責傳感器信息采集，并將這些信息經中繼路由節點轉發給數據匯聚中心節點。信息采集終端節點首先加入該無線傳感器網絡，然后將自己和第一個取得聯系的的數據匯聚中心節點或中繼路由節點進行綁定，這樣就可以進行數據信息發送與接收。
4 監測區域中心節點數據遠程傳輸
監測區中心節點主要負責匯聚監測區終端節點的數據并通過GPRS模塊以TCP協議的方式發送到遠程監控中心。
4.1 TCP協議簡介
TCP協議是TCP/IP協議簇中的協議之一，是傳輸控制協議的簡稱，這種協議的數據傳輸是一種可靠的數據傳輸模式，通過該協議能實現GPRS網絡終端和Internet網絡主機終端的數據可靠傳輸。在數據傳輸前要先建立邏輯連接，然后再傳輸數據，最后釋放連接3個過程。該協議的特點：（1）面向連接的傳輸；（2）端到端的通信；（3）高可靠性，確保傳輸數據的正確性，不出現丟失或亂序；（4）全雙工方式傳輸；（5）采用字節流方式，即以字節為單位傳輸字節序列；（6）緊急數據傳送功能。
4.2 GPRS模塊與遠程監控中心主機TCP協議通信
設置遠程監控中心主機IP為192.168.2.10，端口號為12345，實現GPRS模塊TCP遠程通信步驟如下：（1）ATE1 握手并設置回顯；（2）AT+CSQ 查詢當前信號質量；（3）AT+CGREG？ 查詢模塊是否有注冊網絡；（4）AT+CGATT？ 查詢模塊是否附著 GPRS 網絡；（5）AT+CSTT 設置APN；（6）AT+CIICR 激活移動場景；（7）AT+CIFSR 獲得本地IP地址；（8）AT+CIPSTART="TCP"，"192.168.2.10"，12345 建立TCP/IP連接；（9）AT+CIPSEND 模塊向遠程監控中心發送數據。（10）遠程監控中心向GPRS模塊發送數據；（11）AT+CIPCLOSE關閉TCP連接。
5 遠程數據監控中心設計
監控中心系統的設計包括基礎數據管理模塊、數據處理單元、水環境系統管理模塊、水環境監測點信息管理模塊、水環境決策
信息服務模塊、水環境用戶管理模塊等。（1）數據信管理模塊主要包括對在線監測數據的實時分類顯示和歷史數據進行查詢、編輯、修改、刪除。（2）數據處理模塊主要包括對數據進行加工處理，并按年、月、日進行統計，將統計后的結果按照圖形圖表方式顯示、打印，實現對報警記錄的查詢、處理。（3）系統管理模塊主要包括設定浮標工作模式、傳感器的采樣周期和通信端口，實現監測系統信息查詢、管理。（4）決策支持信息服務模塊主要包括對歷史數據進行歸納分析，預測水質變化趨勢，為決策層提供水環境數據分析結果及依據，便于決策層制定決策。（5）用戶管理模塊；實現用戶添加、刪除、修改密碼、權限管理等功能。根據不同用戶賦予相應訪問權限，為查詢系統和決策支持信息服務提供了基本的安全保障。
6 結束語
本文利用無線傳感器網絡的特點將傳感器節點相連接，實現了一個鄱陽湖水環境信息監控系統的設計方案，能高效地監控遠程監測區域的水環境狀況，實現監控的自動化、遠程化、實時化、信息化。符合當前的技術發展趨勢，是實現水環境保護、恢復和開發利用的重要手段和關鍵環節。
參考文獻：
[1] 任豐原.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003（14）.
[2] 梁禮明.基于無線傳感器網絡的鄱陽湖水質在線監測[J].節水灌溉，2012（12）.
[3] 魏青建.無線傳感器網絡水環境監控中心軟件設[J].計計算機科學，2010（7）.
[4] 羅東云.鄱陽湖水質檢測的無線傳感網絡設計[J].電子技術應用，2009（10）.
【關鍵詞】GPRS技術；城市環境；環境監測系統
1.GPRS技術概述
GPRS是英文General Packet Radio Service的縮寫形式，譯成中文為通用分組無線業務，它屬于GSM向3G的過渡技術。其在當前GSM的基礎上擴充了以下功能：分組控制單元、GPRS網關支持節點以及服務支持節點等，并在原有軟件的基礎上也進行了相應的升級，以分組交換技術代替了GSM獨占電路的交換方式，可以用戶端到端的無線IP連接。GPRS網絡與傳統GSM CSD最大的不同之處在于，GPRS業務全部是以數據流量進行計費的，這種計費方式非常適合數據通信的特點。不僅如此，GPRS的業務速度也較GSM CSD有了很大程度的提高，正常情況下，GPRS能夠提供高達115kb/s的傳輸速率，最高值可以達到384kb/s。
GPRS可以有效利用當前的GSM網絡，能夠使運營商在全國范圍內以最小的投入為用戶提供全方位的數據業務。現如今，利用移動電話和便攜式電腦進行無線上網的用戶數量不斷增加，GPRS網絡也隨之獲得廣大用戶的青睞。GPRS用戶只有在收發數據時才會占用相關的資源，也就是說若干個用戶可以高效率地共享一個無線通道，這極大程度地提高了資源的利用效率，而且用戶只需要根據數據通信流量進行付費，并不需要支付占用鏈路期間的費用，簡單來講，就是不產生GPRS流量不需要支付任何費用，這大幅度降低了用戶的使用成本，所以GPRS的用戶群體不斷擴大。目前，隨著GPRS技術的不斷發展和完善，使其在遠程數據傳輸中的應用越來越廣泛，圖1為基于GPRS網絡的無線數據傳輸系統。從圖1中可以清楚的看到，遠程數據采集或是控制模塊借助GPRS無線終端登錄到GPRS網絡當中，并與Internet上的數據中心建立端到端的連接，這樣一來便能夠實現遠程數據采集控制模塊與數據中心之間的無線數據傳輸。
圖1 基于GPRS網絡的無線傳輸系統結構框架圖
由于GPRS技術能夠提供性能可靠、成本低廉的無線數據傳輸業務，使其被廣泛應用于諸多領域當中，如電力監控、工業控制、無線定位、水文監測、自動抄表等等。而將GPRS技術應用于城市環境監測系統中，則能夠實現對多個測點的無線控制及數據傳輸，這也是本文研究的重點。
2.基于GPRS技術的城市環境監測系統構建
2.1系統框架結構設計
本文在基于GPRS技術的基礎上，對城市環境監測系統進行設計，系統主要由計算機（數據中心）和環境監測儀（嵌入式ARM系統）兩部分構成。其中，數據中心即上位機，處于系統管理層的上層，具體負責對監測儀進行管理與控制；監測儀即下位機，處于管理層的下層，受數據中心控制，主要負責對環境數據進行采集和傳輸。下位機通常都是分布在各個環境監測點，并采用嵌入式技術予以實現，數據采集和數據通信是其較為重要的兩個模塊，下面分別對其功能進行介紹：
2.1.1數據采集模塊
模塊主要是借助專用的傳感器和變送器對相關的環境參數進行監測，如水質、溫度、濕度、煙塵等等，然后將采集回來的信號轉換成為能夠被計算機處理的電信號，再由CPU對對這些電信號進行二次處理，使之轉化為與標準相符的數據，并存儲在芯片中，以備分析之用。由于整個數據采集過程中全部是借助傳感器和變送器來實現的，所以它們的選擇尤為重要，通常應當選用大廠家的產品，這樣能夠確保產品質量。
2.1.2數據通信模塊
在整個監測系統當中，該模塊主要起著橋梁的作用，通過該模塊能夠實現數據中心與采集模塊之間的通信，其具體負責將相關環境數據按照上位機的請求通過GPRS上傳給上位機，并將由上位機發出的指令傳輸給數據采集模塊。通常情況下，上位機可在用戶計算機上實現及運行，只需要聯入到互聯網即可。
2.2硬件設計
在本系統中，下位機的嵌入式硬件平臺主要由以下幾個部分構成：微處理器、GPRS通訊模塊、數據采集模塊、電源、看門狗和JTAG。下面分別進行介紹：
2.2.1微處理器
本系統的CPU采用的是飛利浦公司出品的LPC2132芯片，其具有性價比較高、寄存器容量大、尋址方式簡單、長度指令固定、功耗低、體積小等等。
2.2.2 GPRS通訊模塊
本系統的GPRS采用的是SIEMENS公司出品的MC35i作為通訊模塊，其不但支持語音通訊，而且還具有GPRS、CSD和USSD三種數據傳輸方式，同時還具備SMS和FAX兩大功能，是一款非常強大的產品。MC35i的工作電壓為3.3-4.8V之間，最大工作電流為2A，屬于低功耗產品，可在EGSM900和GSM1800兩個頻段下工作，利用AT指令進行控制。此外，MC35i擁有多達40腳的ZIF接口，其中主要包括電源接口、RS232雙向串行接口、SIM 3V接口以及模擬語音接口等等。
2.2.3串口電路
RS232一直都是通信工業和PC機中使用最多的串行接口，GPRS終端可通過RS232接口與數據采集模塊進行通訊，并借助電平轉換芯片實現電平轉換。
2.2.4電源轉換單元
本系統的硬件平臺中需要使用4.2V和3.3兩種電壓，GPRS通訊模塊的工作電壓為4.2V，而微處理器的工作電壓則為3.3V，為此需要設置電源轉換電路，本系統采用的是TPS7133和LM2596兩個芯片來實現電源轉換的。
2.2.5看門狗
為了進一步確保本系統的安全、可靠運行，決定采用外接看門狗芯片TPS3705，以此來提高系統的運行穩定性。該芯片具有上電復位、電壓比較和手動復位等功能，上電復位延遲為200ms。
2.2.6 JTAG接口單元
通過IEEE1149.1-1990標準，可對帶有JTAG接口的芯片的硬件電路進行掃描和檢測。
2.3系統軟件設計
在本系統的軟件設計中，GPRS模塊設置是重點環節，下面對此進行詳細介紹。當全部硬件連接完畢后，在進行GPRS上網操作之外，應當先對GPRS模塊進行相應設置，這一過程主要是借助AT指令來實現的，具體設置流程如下：
首先設置通信波特率，可采用AT+IPR=38400命令，將其設定為38400b/s；隨后設置移動終端類別，即AT+CGCLASS=“B”，終端類別為B類，該類別具體是指同時對多種業務進行監控，但僅能夠運行一種業務，也就是說在同一時間段內，只可以使用GPRS上網或是進行語音通信；再設置接入網關，即AT+CGD CODT=1，“IP”，GPRS的接入網關為移動互聯網，完成該步驟后需要對GPRS進行測試，看該服務是否開通，命令為AT+CGACT=1，1；若是返回OK則表明成功連接至GPRS網絡，如果失敗便會返回ERROR，那么此時需要檢查GPRS天線，看安裝是否正確，同時查看SIM卡是否開通GPRS業務；成功連接GPRS后，便可以進入到數據傳輸模式。
【參考文獻】
[1]金闖.基于Internet/GPRS/Web GIS的城市環境安全監測系統設計與實現[J].重慶大學城市環境監測學報，2010，（11）.
本預案適用于在本市行政區域內人為或不可抗力造成的廢氣、廢水、固廢（包括危險廢物）、危險化學品、有毒化學品、電磁輻射，以及核、生物化學等環境污染、破壞事件；在生產、經營、貯存、運輸、使用和處置過程中發生的爆炸、燃燒、大面積泄漏等事故；因自然災害造成的危及人體健康的環境污染事故；影響飲用水源地水質的其它嚴重污染事故等。
二、組織機構
市環境保護局成立市環境污染事故應急處理領導小組，由市環保局局長XX同志任組長，下轄市環境監察應急小組和市環境監測應急小組。領導小組負責受理轄區內環境污染和生態破壞事故報告，調查事故原因、污染源性質及發展過程，立即作出應急處置措施反應；及時向市政府報告轄區內重大環境污染和生態破壞事故及其處理情況；組織轄區內重大環境污染及生態破壞事件的現場監察、監測及處理；領導市環境監察應急小組和市環境監測應急小組的應急處理工作。
市環境監察應急小組由市環保局污染控制科和市環境監察大隊組成。負責應急事故的現場調查、取證；提供應急處置措施建議；協助有關單位做好人員撤離、隔離和警戒工作；立案調查事故責任；做好應急處理領導小組交辦的其它任務。
市環境監測應急小組由市環保局自然保護科和市環境監測站組成。負責污染物的現場快速定性分析、為應急處理提供依據；對環境污染物的性質、危害程度做出準確的認定；對環境恢復、生態修復提出建議措施等；辦好應急救援領導小組交給的其它任務。
三、工作程序
（一）任務受領及要求
市環境污染事故應急處理領導小組在接到污染事故發生的警報后，應立即通知市環境監察應急小組和市環境監測應急小組趕赴現場，當出現重、特大突發性環境污染事件時，領導小組應有一名以上成員到現場指揮應急救援工作。
市環境監察應急小組受領導任務后，應盡可能了解以下內容并及時向市環境污染事故應急救援領導小組匯報：
（1）事故發生的時間、地點、性質、原因以及已造成的污染范圍；
（2）污染源種類、數量、性質；
（3）事故危害程度、發展趨勢、可控性及預采取的措施；
（4）本小組基本任務、到達時限等要求；
（5）友鄰小組的任務，可能得到的支援及協同規定；
（6）上級指揮機構（指揮員）位置、指揮關系、聯絡方法；
（7）受領任務后48小時內發出速報，報告事故發生的時間地點、污染源、經濟損失、人員受害情況等；
（8）其它需要清楚的情況。
市環境監測應急小組受領任務后、應盡可能做好以下工作并及時向市環境污染事故應急救援領導小組匯報：
（1）一般情況下，水污染在4小時內，氣污染在2小時內定性檢測出污染物的種類及其可能的危害；
（2）一般情況下，24小時內定量檢測出污染物的濃度、污染的程度和范圍，并發出監測報告；
（二）趕赴現場
市環境污染事故應急處理領導小組按指定路線組織環境監察和環境監測應急人員和車輛趕赴現場，明確途中聯絡方法，靈活果斷地處置開進途中情況，確保按時到達應急地區。
（三）應急處置
環境監察和環境監測應急小組到達現場附近后，應根據危害程度及范圍、地形氣象等情況，組織個人防護，進入現場實施應急。要盡快弄清污染事故種類、性質，污染物數量及已造成的污染范圍等第一手資料，經綜合情況后及時向領導小組提出科學的污染處置方案，經批準后迅速根據任務分工，按照應急與處置程序和規范組織實施，并及時將處理過程、情況和數據報指揮部。
1、現場污染控制
（1）立即采取有效措施，與相關部門配合，切斷污染源，隔離污染區，防止污染擴散；
（2）及時通報或疏散可能受到污染危害的單位和居民；
（3）參與對受危害人員的救治。
2、現場調查與報告
（1）污染事故現場勘察；
（2）技術調查取證；
（3）按照所造成的環境污染與破壞的程度認定事故等級，共分四級。根據《報告環境污染與破壞事故的暫行辦法》進行報告。
（4）環境監測應急小組應采取污染跟蹤監測，直至污染事故處理完畢、污染警報解除。
四、后勤保障
（一）通信保障
1、應急啟動時的通信保障。應急通知下達與接收以有線通信為主，利用辦公電話，實現應急信息快速傳輸。在外應急員的聯絡以移動電話等無線通信為主，確保應急通知快速下達。
2、開進中的通信保障。以無線通信為主。應急指令的下達與接收，事故現場應急信息的通
報與反饋，主要利用移動通訊。3、處置中的通信保障。采取無線通信、有線通信與運動通信相結合的方式，以無線通信為主。指揮部（或應急辦）可利用現場臨時架設開通有線電話指揮網、固定電話、移動電話，實現上情下達；應急小組在應急過程中，主要是利用移動電話，輔以運動通信，實現信息雙向交流。
（二）運輸保障
運轉的確認和調度由局應急領導小組組織實施。平時各應急車輛須保證100公里以上的行車用油。開進中根據實際情況由局應急領導小組統一組織交通等勤務保障。
（三）其他保障
關鍵詞：自動控制技術；環境監測；環境管理；數據管理
中圖分類號：X830 文獻標識碼：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.08.150
隨著科學技術的日新月異，信息化時代已經到來，各行業領域的自動化水平逐步提高，環境監測領域面臨著巨大發展的機遇和挑戰。如何將現代化技術與生態環境的保護工作完美地融合在一起，是政府部門和研究人員應努力解決的問題，從而開發新型的自動控制技術，提升環境監測工作的質量和效率，轉變行業現狀。
1自動控制新技術的應用現狀
雖然自動控制新技術在環境監測領域的應用時間不長，但其運用范圍較大，且影響較大。自1999年起，我國環保部就已開始建立水質自動檢測站，主要集中于松花江、長江、淮河流域。經過近30年的發展后，我國已有40座自動檢測站投入使用，比如天津市濱水水質檢測中心、上海黃浦江區域檢測中心等。而在社會發展的過程中，空氣污染越來越嚴重，霧霾等惡劣天氣逐漸增多。因此，大氣環境的監測工作力度不斷加大，比如，北京市已建立了26個空氣質量自動監測站，江蘇省以互聯網為基礎，在絕大多數市、縣建立了空氣質量自動監測站。從國外的應用情況看，以美國為代表的發達國家早在20世紀70年代就開始將自動控制新技術應用于環境保護工作，形成了完整的環境監測體系。至今為止，美國已設立了6000個監測點，其中，國家級監測點有350個；而荷蘭等國家設立了覆蓋全國的空氣質量監測點。
2自動控制技術在環境監測領域的應用
自動控制新技術在環境監測領域的應用主要包括寬帶高速技術、數字數據網技術等，其都以計算機、互聯網、地理信息系統為基礎，能準確地為監測工作提供數據。寬帶高速技術又可分為無線GRPS和有線Modem。目前，使用較廣泛的是無線GRPS，其受環境因素的影響小、靈活性高，不需要考慮頻道干擾和網絡費用等問題。在環境監測領域中，自動控制通信技術主要應用于大氣、水質等的檢測，它突破地域空間的限制，動態監測污染源，且在對噪聲污染等突發性信息的傳輸上有獨特優勢。隨著衛星業務的發展，我國設立了80多個監測水質自動站，提升了通信技術在環境監測領域的應用水平。數字數據網技術（DDN）主要的優勢為速度快，特別適用于我國的監測子站。
2.1遠程視頻監控系統的應用
遠程視頻監控系統是自動控制技術的重要組成部分之一，主要包括中心站控制、通信技術和遠程視頻。其中，核心是中心站控制，其主要完成環境監測信息的處理，通過監控現場圖像、協調控制信號等方式，最終實現遠程動態監測。在環境監測領域，遠程視頻監控系統主要應用于監測子站，能及時了解水質監測子站水資源的變化情況、空氣污染程度等。
2.2組態軟件的應用
組態軟件以圖形技術、控制技術、數據庫技術等基礎，能快速采集環境監測數據，并及時進行數據處理，特別是組態報表功能，不僅儲存各類報表，比如環境日報、季報等，且能在報表中加入更清晰的圖像，比如折線圖、柱狀圖等，從而實時為用戶提供數據，其主要構成如圖1所示。
2.3GIS地理信息系統的應用
GIS地理信息系統的應用對環境監測有較大的影響，它能幫助控制室找出污染源因素，并通過計算機等技術模擬排放過程，以動態的形式向人們展示環境監測過程。特別是在城市環保信息系統中，GIS地理信息系統通過收集原始數據，可幫助環保部門快速整理資料，進行等標負荷、監測點點位、排污申報、空氣質量周報、數據轉化輸出等方面的分析，并建立環境統計數據庫、基礎圖形庫、環境監測數據庫等，從而對環境規劃進行實時調整，為新型城市化建設提供數字化、自動化和信息化基礎。
3自動控制新技術的應用流程
自動控制新技術在環境監測領域中主要用于水質、空氣和污染源質量自動監測系統。
3.1自動控制新技術在環境決策中的應用
隨著可持續綠色發展理念的普及，我國的經濟生產模式逐漸從粗獷型轉變為集約型。環境監測系統能實時觀察環境的變化情況，其決策工作主要包括環境政策的制訂、環境技術支持等，在此過程中加入自動控制技術能更加準確地預測環境發展的方向。
3.2自動控制新技術在數據收集中的應用
環境監測工作通過自動控制新技術能收集大量的原始數據，研究人員需要對這些數據進行科學分類和整理。需要注意的是，人們的環保意識在逐步增強，環境監測工作應結合人們的實際需求，利用自動控制收集、技術，并賦予人們環境知情權；組織人們參與環境監測過程，這有利于監督自動監測工作，從而提升環境保護工作的質量。
3.3自動控制新技術在保護環境中的應用
傳統的環境保護主要是在室內實驗室進行的，這是因為受到自然因素和人為因素的影響，研究人員無法深入實地考察。但隨著自動控制新技術的應用，擴大了環境監測的范圍，突破了傳統監測方式的技術瓶頸，借助GPS等系統避免了人為失誤的出現。
4結束語
綜上所述，在環境監測領域中應用自動控制新技術能有效保護生態環境，及時跟蹤、解決保護環境過程中出現的新問題。因此，環保部門應加大對自動控制技術的研發力度，積極借鑒國內外的先進經驗創新自動控制技術，深入生態環境復雜的地區，基于區域整體視角，制訂系統的環境保護措施，實時監測環境質量的變化情況，從而改善生態環境，協調人與自然的關系。
參考文獻
［1］李健，喬歡歡，余金靜.污染源自動監測技術在環境保護的應用［J］.能源環境保護，2015（02）.
［2］張苒，劉京，周偉，等.水質自動監測參數的相關性分析及在水環境監測中的應用［J］.中國環境監測，2015（04）.
［3］史箴，段慧，張丹.環境水質自動監測系統質量控制指標框架［J］.四川環境，2013（01）.
［4］張青，吳瓊，沈樂.淺談水質自動監測系統在秦淮河水環境監測中的應用［J］.江蘇水利，2014（01）.
