无线环境监测范文

导语：如何才能写好一篇无线环境监测，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：环境监测；实时监控；无线通信；接力传输

无人值守综合监控系统可在比较复杂环境中实现无人值守检测，集中式管理与分布式监控远程设备。对于无线远程实施监控系统来讲，在系统内充分运用了诸多先进技术，如无线通信技术、现代传感技术及环境测试技术等，可将其大致划分为三部分，即以Web为基础的数据与分析模块、服务器端接收存储模块及终端采集发送模块。本文基于MSP430探讨环境监测系统的设计路径。

1.系统分析与模块介绍

1.1系统总体设计

无线环境监测系统设计中，选用节点寻址技术，实施多节点通信。手机无线通信距离外的各节点数据，乃是无线实时检测系统所需解决的关键问题，也就是监控终端采用切实办法对无线通信距离之外的探测节点数据进行实时收集，有别于其它类型的预设路由的接力数据传输方式，对于覆盖区域相应拓展问题给予了有效解决，在运行中，监控终端始终均为主控，能够收集制定区域框架内各探测节点的实时数据，而对于特殊情况，针对所接收到的远端请求，能以被动的方式来接受，若在节点发生紧急情况，能够及时作出处理。而对于探测节点，其处从属地位，监控终端对其实施控制，在紧急状况下，可调整至主动发送，保证能够及时上报可能出现的环境污染因子。

1.2系统硬件设计

1.2.1硬件设计思路

无论是探测模块还是监控模块，均需由MCU实现，本文均选用MSP430F1611单片机（TI公司），将其当作控制器，对于MSP系列单片机来讲，其实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机，其具有比较底的功耗消耗，此点对于本系统设计，对于本次设计尤为重要。对于环境监测模块而言，可监测二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息，而对于其它类环境信息的测量，在本系统中快速植入。定点采集及轮询等方式，各节点实现有序通信，而通过运用预设路由的接力数据传输方式，能够较好的且系统化的解决覆盖范围拓展问题，对于监控终端，还有屏显与键盘功能，本文选用128×64液晶屏显及4×4按钮键盘。

1.2.2无线通信模块

对于环境监测数据，其实为静态信息，具有相对不高的数据传输速度要求，在对无线通信模块进行设计时，则可将nkF24L01数字无线收发器作为优选。此接收器其实为一款低成本无线收发器，即为工业级内置硬件链路层协议。此器件于2.4GHz工作，在ISM频段全球开放，内部设置有多种功能模块，如调制器、晶体振荡器、功率放大器及频率合成器等，并且其中还内置有ShockBurst技术（增强型），另外，可通过程度配置方式，确定通信频道与输出功率。可直接连接于单片机I/O，具有较少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比较低，若将发生功率{整至-6dBm，则工作电流便会维持在8mA：若处于接收状态，电流则维持在12.2mA，通过各种低功率工作模式的运用，可更好的开展节能设计。

1.2.3监控模块

对于监控模块，对于其核心处理器的选用，通常以MSP430F1611单片机为基础，实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机。监控模块当中的液晶显示与键盘，能够操作各种菜单功能，另外，还可进行数据与信息的实时查询。在内容上，还包含有基于本地环境的监测模块，类似一节点。

1.2.4环境监测模块

环境监测模块的核心处理器也采用的是MSP430F1611单片机，能够测量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在检测二氧化硫、二氧化氮和臭氧时，分别选用紫外荧光传感器、化学发光传感器和紫外吸收传感器，测量范围为0-500ppb，通过与SPI形成兼容效应，用微型SOT23-6来封装。通常情况下，化学发光法传感器测量范围为0-500ppb。

2.系统功能设计

2.1轮询模式

先选择“数据采集”，从中找出“轮询模式”，然后进至此模式，对于其中各个节点，需逐个访问，针对各节点的执行，需要做到与定点采集模式相同，首先从节点1进行定点采集之后以自动的方式在，在需要访问的后续地址上加一，也就是节点2，以此方式类推，直至最后节点。最后屏显所测数据，以便清晰观察分析。探测时，如若在等待时间上超出终端，便会向下节点自动跳转，并继续进行访问，在终端数据上予以显示，从中便可查知此节点所存在的故障，所以，此模式能够对各及诶单正常工作与否进行检测。

2.2自动接收

对于自动接收模式而言，其能够将监控模块，时刻控制在等待接收状态，各探测节点依据实现设定好的顺序，将环境数据信息定时发送。为不出现冲突，即大于2个节点同时进行数据发送，当进至自动接收模式时，监控模块会将一个启动时钟发送至全部探测节点，将其为基准，各个探测点延时后，会将环境数据信息自动发送。

3.环境监测系统覆盖范围扩展

本文所设计的无线传输模块，主要将nRY24L01芯片作为其核心，其工作状态，满足于各种低功率要求，能够有效开展节能设计。但低功耗也存有些许问题，比如在传输距离方面相对有限，通常情况下，维持在～100m，针对此监测系统来讲，其覆盖范围为100m，因此，此状况会对环境监测系统的效用，产生某种趋向范畴内的严重制约。而在接力数据传输方式方面，如若选用预设路由，便能将覆盖不足的缺陷给予有效解决。对于此种传输方式，能够为把处于远端，并且不在监控范围之内的各节点，结合上级节点相应指定，与监控模块间形成数据传输。由于环境监测系统，在环境数据量方面比较少，因此，也就具有比较小的无线通信数据量，而运用此方式，不会由于节点的增加，而造成通信阻塞状况。

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关键词：无线传感器网络，关键技术，传感器节点

 

1 前言

环境保护越来越受到重视，环境监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学的依据。目前无线传感器网络在环境监测中发挥着越来越重要的作用。与传统的环境监测手段相比，使用无线传感器网络进行环境监测有三个显著优势[1]：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对被检测环境的人为影响很小。二是传感器节点数量大，分布密度高，每个节点可以采集到某个局部环境的详细信息并汇总融合后传到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，探测精度高的特点。三是传感器节点本身具有一定得计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的检测，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。因为传感器网络节点对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，所以无线传感器网络适用于多种环境监测应用中。

2 环境监测应用中无线传感器网络节点的硬件设计

图1节点硬件组成

微处理器采用TI公司的超低功耗的MSP430系列处理器，功能完善、集成度高，而且根据存储容量的多少提供多种引脚兼容。

无线通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通过SPI接口与MSP430相连接。

电源用电池供电，使用AA电池。

传感器节点可以不在节点中包含模数转化器，而是使用数字换能器接口。

3 无线传感器网络用于环境监测中的关键技术

3.1 节点部署

好的无线传感器的节点部署必须同时考虑覆盖和连通两个问题。覆盖要求在感知中的每个地方都能至少被一个节点监视到，而连通要求在网络通信上不被分割。覆盖受节点的敏感度影响，而连通受到节点的通信距离影响。

因监测环境的复杂性和监测环境对于外来设备的敏感性、为了获得周围环境的确切参数和为了延长传感器网络部署的有效时间、增强传感器网络的实用性，所以用于环境监测的传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长的要求。

选择可替换、高精度的传感器对于环境监测来说至关重要。一般来说，同类的传感器测得数据之间误差应不超过3%，这样通过一定得补偿机制可以将误差控制在1%之内。选择传感器的另一个重要因素是传感器的启动时间。在启动时间内传感器需要一个持续的电流作用，因此需要采用启动时间较短的传感器以节省能量。

3.2 能量管理

目前的传感器节点大多使用两节AA电池供电，这样的电力在3V情况下大约是2200mAh。如果需要持续工作9个月，每个节点平均每天只有8.148mAh的电量。表列出了传感器节点常用操作消耗的能量。实际应用中需要仔细地在本地计算、数据采集和通信之间分配能量

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关键词：无线传感器网络；考古发掘现场；环境监测

中图分类号：K879.21 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2013）01-0113-07

引 言

我国是文化遗产大国，地下文物数量巨大，分布广泛，埋藏环境复杂，文物保存环境差异明显，保护难度大。尽管近30年来随 着我国经济的不断发展，科技水平有了很大的提高，但是文物发掘保护手段的发展依然滞后于社会经济发展和学科需求[1]。

文物经过处于地下一段时间后，埋藏环境渐趋于稳定，文物也处于相对的动态平衡之中。随着考古发掘工作的进行，文物已形成的固有平衡被破坏，所处环境的温湿度、光辐射、氧气等因素突变，极易导致文物的毁坏，加之出土后文物所处环境条件的反复波动，加快了破坏反应的进程。同时文物内部也存在肉眼看不见的细微变化，缓慢地影响着文物的保存状况，如遗址土壤内部的温湿度、含水率等。全面而准确地了解文物实时变化，有利于对文物实施精确的保护措施。除此之外，大型不可移动文物，如壁画等，在发掘及存放过程中也会出现空鼓、起甲等现象，而这类病害的发展过程缓慢，无法使用人工进行长时间连续监测。全面了解文物存放环境的长期变化状态也有助于采取相应的调控措施，将文物的损害发展过程延长至极限。因此对考古发掘现场动态环境进行实时监测，以制订相应的出土文物保护策略是考古发掘的重要工作之一。通过环境监测精确掌握文物埋藏环境参数，为后期文物保护环境的控制提供最佳保存环境的参数依据。

目前考古发掘现场缺乏实时性强的在线监测系统。如果使用有线方式将多个传感器连接起来，通过有线网络将数据传送至终端进行环境状态监测，则布线工作复杂、工作量大。尤其当发掘工作深入开展，场地发生变化时，需要重新部署网络，人力物力投入量大，很大程度上增加了考古发掘现场文物保护的难度和成本。

相比有线网络，无线传感器网络[2，3]能够避免有线网络的上述缺点，且传感器节点具有价格低廉、部署方便、实时性好、集成化程度高、具有自组织等特性。而且根据传感器种类的不同还能够针对考古发掘现场的各类参数进行实时监测。通常使用的传感器除针对温度、湿度、光照、降尘和有害气体进行实时监测的温湿度、光照紫外线及二氧化碳、二氧化硫传感器，还有实时监测土遗址裂隙发展状况的裂隙监测传感器、倾角传感器等（图1）。

通过对考古发掘现场综合环境动态监测并建立相应的参数数据库，不仅能够从大量的数据中揭示其变化规律，为后期文物保护环境的控制提供最佳保存环境的参数依据，能够对发掘现场环境进行实时监控，还可为遗址类文物的保护加固提供基础数据，必要时能够起到及时的预警作用。通过对实时数据库的综合采集、挖掘和分析估计，最终实现对考古发掘现场的有效控制，达到提高效率、降低成本、减少损害、节省资源的目的。

一 无线传感器节点结构设计

1.1 节点硬件结构设计

如图2所示，无线传感器节点的硬件设计采用模块化设计思想，支持多种不同总线传感器的分立式结构，不仅可方便支持多种不同总线传感器，更可避免传统的一体化设计中传感器驱动电路在传感节点睡眠状态下的漏电流问题，从而降低了睡眠状态下的功耗，大大延长了无线传感网络中传感节点的寿命。节点主要由三个模块构成：电源模块、传感器模块、处理及传输模块。

电源模块采用2块3.6V的锂电池供电。

传感器模块采用多种类型传感器，如温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤含水量传感器、二氧化碳传感器、光照传感器等。以温湿度传感器为例，节点采用数字温湿度传感器SHT15[4]通过无线网络对监测区域内温度和湿度进行数据采集，具有极高的安全性、可靠性和稳定性。与同系列的温湿度传感器SHT11相比，SHT15具有更优越的性能，其供电电压为2.4-5.5V，测湿精确度为±2.0%RH，在温度为25℃时测量精度为±0.3℃，封装形式采用了SMD（LCC）贴片封装。

处理及传输模块由TI公司的CC430F5137单片机[5]组成，用于处理及传输传感器采集到的数据。CC430F517是TI公司MSP430F5xx系列的MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，可以实现极低电池供电的无线网络应用，具有很强的稳定性和可靠性。CC430 F5137为16位超低功耗MCU，具有16KB闪存、AES-128位加密、2KB RAM和CC1101射频收发器，其工作电压为1.8-3.6V，工作频率为433MHz，正常工作模式下耗电电流为160μA/MHz。

1.2 节点软件结构设计

无线传感器节点内采用了元智公司自主知识产权的、专门面向无线传感网络的、层次化的、可动态改变内核的实时嵌入式操作系统WiseZ。与传统无线传感网络操作系统相比较，使用层次化的设计更有利于提高操作系统的运行效率、减小系统尺寸和增强跨平台特性；较传统无线传感网络操作系统，可动态改变的内核使操作系统的适用性更强，柔性更好。

二 系统体系结构设计

如图3所示，考古发掘现场（以下简称发掘现场）动态监测系统由发掘现场动态环境监测系统和发掘现场无线实时监测平台两部分组成。

2.1 发掘现场无线实时监测平台

发掘现场无线实时监测平台的作用是为发掘现场监测子系统提供实时的数据支持，由发掘现场硬件平台和发掘现场软件平台两个部分组成。

发掘现场无线实时监测硬件平台由传感器节点、中继节点和网关三个部分组成：布置在现场的数据采集节点负责采集实时环境数据（如大气温湿度、光照强度、降尘和有害气体等），按照一定的路由规则将数据发送至通信范围内的父节点，然后通过中继节点的相互中继，将数据不断转发直至到达网关节点。网关节点通过远程通信方式，如卫星通信、Internet、GPRS等手段，将数据传送至远程客户终端。其中各个数据采集节点和中继节点根据RSSI（接收信号强度指示）和跳数来选择合适的中继节点作为父节点，并以此在数据采集节点和中继节点间建立簇内星状网络拓扑结构，中继节点之间则根据RSSI值建立树状网络拓扑结构。每个传感器节点和中继节点在上电后自动加入网络，并定期将采集到的数据沿最优路由方向传送至网关。

发掘现场实时监测软件平台则由中间件、数据库和数据采集接口三个部分组成。数据采集接口将接收到的实时监测数据存入数据库中，中间件的作用则是将数据库中保存的监测数据取出，并提供给用户和子系统。

2.2 发掘现场环境监测系统

由于监测系统需要对发掘现场的内外环境同时进行监测，因此发掘现场监测子系统由环境监测子系统和气象监测子系统组成。

环境系统检测子系统主要是针对文物所处环境参数，如大气温度、大气相对湿度、土壤温度、土壤水分含量、文物表面温度、文物表面湿度、大气二氧化碳浓度、有机挥发物总量等参数进行监测。

气象监测子系统主要是针对发掘现场所处小环境的气象参数，如光照度、紫外线强度、风速、风向、降雨量等参数的实时监测。

监测系统的目的在于对文物所处环境的各种参数进行数据挖掘整理，精确掌握文物埋藏的环境参数，实现对出土文物在第一时间的检测分析以及文物出土环境参数的采集，建立环境参数历史数据库，为文物预防性保护提供技术支撑，并为文物保护措施的制订提供科学依据。

三 案例研究

3.1 凤栖原文物保存环境监测数据分析

凤栖原张安世墓葬遗址属于西汉宣帝时期的重臣、被封富平侯的大司马将军张安世。张安世在西汉的地位举足轻重，其墓葬的出土文物进一步证实了这一点，出土的很多随葬品都属于西汉皇帝御赐物件。

根据发掘现场实际状况及需要，目前已部署七个监测点，监测时段大约在八个月左右，监测点部署图如下（图4）。

数据记录及分析

3月份期间，凤栖原张安世墓葬遗址气象站监测数据存在较大波动（图5）。其中3月19日-3月21日期间，环境温度基本保持在4℃左右，环境湿度基本保持在100%，波动均不大，光照变化范围也缩减至0-2000lx之间。结合当时的天气变化，3月天气刚刚由寒转暖，气候变化较频繁，3月19日-3月21日是降雨天气，持续阴天，光照度较低，导致空气中水分蒸发较少。3月22日停止降水后，光照开始恢复，环境湿度逐渐下降，气温也逐渐回升（因水分挥发缓慢，恢复的较为迟缓）。总体来看，3月份气象站的大气温度变化为0℃到23℃之间，大气湿度在16%到75%之间，每天的照度变化最大范围0lx到8500lx内，气象站数据与环境数值较一致，温度、湿度、光照度也保持合理的变化趋势。环境变化正常，期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的。

查看这一段时间82号监测点的土壤温度和含水量的变化，遗址坑内的土壤温度和土壤水分含量变化波动较大（图6），其中3月19日-3月21日土壤水分含量逐渐升高（由4.34%上升至4.65%），土壤温度也随之逐渐降低（由10.5℃下降至5℃）。结合气象站的监测结果看，3月天气变化频繁，3月19日-3月21日为降雨天气，室内土壤虽然不直接受到降雨给监测数据带来的骤然变化，但由于受到外界土壤水分的渗透作用，土壤温度和水分含量也随之以相同的趋势逐渐变化。3月22日停止降水后，土壤水分含量逐渐下降，土壤温度也逐渐回升。总体来看，土壤温度在5.2℃到13℃范围之间、土壤含水在4.3%到4.65%范围之间保持着较为稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。

查看这一段时间90号监测点的大气温湿度变化，3月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图7）。其中3月19日-3月21日，大气温度由10℃骤降至1℃，大气湿度由41%骤升至98%，变化显著。结合气象站的监测结果看，3月19日-3月21日为降雨天气，大气温湿度受到直接影响带来的突然变化。3月22日停止降水后，大气温度逐渐回升，大气湿度也逐渐回落，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化。总体来看，大气环境温度在1℃到22℃范围内、大气环境湿度在20%-98% 范围内保持着稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。

查看这一段时间92号监测点的大气温湿度变化，3月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图8）。其中3月19日-3月21日，大气温度由10℃骤降至0℃，大气湿度由50%骤升至100%，变化显著。结合气象站的监测结果看，3月19日-3月21日为降雨天气，大气温湿度受到直接影响导致突然变化。3月22日停止降水后，大气温度逐渐回升，大气湿度也逐渐回落，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化。总体来看，大气环境温度在0℃到22.5℃范围内、大气环境湿度在20%-100%范围内保持着稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。

总结对比4个监测点的数据变化，监测点的传感量数据变化和环境变化保持一致，并且与当时的天气环境较一致，说明数据正确反映了监测区域的环境变化。

3.2 高陵张栋家族墓文物保存环境监测数据分析

2011年陕西考古研究院专家在高陵县泾河工业园发现一处罕见的完整明代家族墓园。据墓志记载，墓主人张栋生前为秦藩王府知印。这一发现对研究明代墓葬制度、风俗文化具有重要作用。

根据发掘现场实际状况及需要，目前已部署十一个监测点，监测点部署图如下（图9）。

说明：

100号监测点：自动气象站--监测外界环境。

52、53、54、55号监测点：大气温湿度传感器--其中53号监测点监测墓室底部到地表中间部位的环境，其他监测点监测墓室中的环境。

61、62、63、64、65号监测点：土壤温度、土壤水分含量传感器--其中65号监测点监测墓室底部到地表中间部位的环境，其他监测点监测墓室中的环境。

71号监测点：二氧化碳传感器--监测墓室中二氧化碳含量。

数据记录及图形分析

查看这一段时间52号监测点的大气温湿度变化，5月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图10）。其中5月1日-5月3日期间，湿度维持在82%-93%之间，温度在17.5℃-22.5℃之间，基本保持在高湿、低温的水平，昼夜温差和湿度差较小；5月11日-5月12日温度湿度和光照度骤变，湿度由62%升至88%，温度由25℃降至最低17℃。结合气象站的监测结果看，5月为春季末尾，气温总体呈缓慢上升趋势，并偶尔伴随降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天气，湿度很大，气温较低。无降水期间，光照逐渐充裕，环境湿度逐渐下降，气温也逐渐回升并呈上升趋势。总体来看，当月大气环境温度在16℃到35℃范围内、大气环境湿度在20%到98%范围内保持着稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。监测点数据准确反映了监测区域的环境变化。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据进行对比）。

查看这一段时间71号监测点的二氧化碳含量变化，5月期间遗址环境的二氧化碳含量波动较大（图11）。以5月9日为分界，5月1-9日二氧化碳含量在200-450ppm之间波动较大且均值偏高，5月9-20日二氧化碳含量在200-330ppm之间波动较小且均值偏低。经调查，5月1-9日，71号监测点放置于M4考古发掘现场，现场白天有大量工作人员活动，白天由人体排放的二氧化碳使得空气中二氧化碳浓度较高，夜晚则恢复至正常水平；5月9日之后，为防止因挖掘工作破坏监测设备，工作人员将其挪至无人活动的M5内，并以不透气薄膜覆盖，给71号监测设备营造出密闭的微环境，故而二氧化碳含量偏低且波动较小。其中5月1日-5月3日期间，二氧化碳含量在300-430ppm之间变化幅度相对较小，基本保持在高湿、低温、高浓度二氧化碳的水平。经分析，因期间有降雨，空气流通不畅，故而空气中二氧化碳含量一直保持在较高水平且波动较小。结合气象站的监测结果看，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化，并且三者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化进行对比）。

查看这一段时间53号监测点的大气温湿度变化，5月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图12）。其中5月1日-5月3日期间，湿度维持在60%-100%之间，温度在16-28℃之间，基本保持在高湿、低温的水平，昼夜温差和湿度差相对较小；5月11日-5月12日温度湿度和光照度骤变，湿度由62%升至100%，温度由25℃降至最低17℃，之后的3天内，湿度的最高值均能达到100%。结合气象站的监测结果看，5月为春季末尾，气温总体呈缓慢上升趋势，并伴随偶尔降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天气，湿度很大，气温较低。无降水期间，气温呈缓慢上升趋势。结合监测点的布设位置（53号节点布设在墓底部和地表中间位置），且通风不畅导致湿度在降雨之后的3天内并没有立即回落，而是逐渐降低且较其他监测点数据高。总体来看，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化，环境变化正常。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。

查看这一段时间65号监测点的土壤温度和含水量的变化，坑内的土壤温度和土壤水分含量变化波动较大（图13），5月1-11日土壤水分含量保持在20-43%之间，土壤温度变化范围维持在18-21℃之间；5月12日土壤水分含量由15%突升至42%，土壤温度峰值也由29℃大幅降至23.5℃，之后逐渐恢复至平均水平。经调查，5月1-11日监测设备放置于墓室内，故而受外界降雨等影响较小且缓慢，5月12日之后设备被挪至墓室外环境，由于当日有降雨，室外湿度较大，所以监测数据突增。总体来看，土壤温度在19.5℃到29.5℃之间、土壤含水率在15%到43%之间保持着较为稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。

5月份期间，高陵张栋家族墓遗址内气象站监测数据存在较大波动（图14）。其中5月1日-5月3日期间，湿度维持在82-100%之间，温度在15-23℃之间，照度在0-5000lx之间，基本保持在高湿、低温、弱光照的水平，昼夜温差和湿度差较小；5月11日-5月12日温度湿度和光照度骤变，湿度由60%升至100%，温度由22℃降至最低12℃，光照度变化范围也缩减至0-4200lx。结合当时的天气变化，5月为春季末尾，气温总体呈缓慢上升趋势，并偶尔伴随降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天气，持续阴天，光照度较低，气温降低。无降水期间，光照逐渐充裕，环境湿度逐渐下降，气温也逐渐回升并呈上升趋势。总体来看，气象站的大气温度在12-32.5℃之间，大气湿度在18%-100%之间，照度变化最大范围为0-9000lx，气象站数据与环境数值较一致，温度、湿度、光照度也保持合理的变化趋势。环境变化正常，期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的。

总结对比4个监测点的数据变化，监测点的传感量数据变化和环境变化保持一致，并且与当时的气候环境较一致，说明数据正确反映了监测区域的环境变化。

四 结语

本文针对目前考古发掘现场的环境状况，采用高集成度的传感器节点作为数据采集源，利用无线传感器网络的特点以及优势，将传统文物保护与现代传感器技术相结合，设计了考古发掘现场动态环境监测系统。监测系统向文物保护工作者提供相关的采集数据，为其研究文物发掘及文物保护技术提供了重要依据。

参考文献：

[1]黄克忠.浅议文化遗产地的监测工作[N].中国文物报， 2011-02-25（第6版）.

[2]孙利民，李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]李善仓，张克旺.无线传感器网络原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

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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.

关键词： GSM无线通讯技术；电力环境；ATT7026A芯片；检测报警

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

中图分类号：TN8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）25-0015-02

0 引言

近年来,随着经济技术的发展，电力设施在工农业生产中的作用愈发重要，电力系统正面临着前所未有的挑战。伴随的电力设施的维护、管理也成为了一项重要的工作。电力环境的电流、电压、有功、无功和频率等参数是供电管理的一项重要内容,也是电能质量的主要指标之一。如果电流、电压过低,供电设施将不能充分发挥其功效,有的甚至不能正常工作；反之,如果过高,将会大大缩短供电设施的使用寿命。电网的这些环境参数的质量的好坏对电网稳定及电力设备安全运行具有重大的影响。因此，必须对电网的各环境参数进行在线监测，确保电网供电设施可靠运行、电能充分利用和电网高效、安全运营，已经势在必行。

通信技术的选择是开展电力环境参数在线监测工作的关键。近几年出现的监测仪的通讯技术一般有两种方式：①人工抄表方式；②使用电力线载波。第一种人工方式存在数据采集不及、费时费力等问题，无法形成完整的监测管理系统。第二种方式存在传输受限、脉冲干扰、高噪音、高削减和高变形等缺点。也同样不能成为理想的通信媒介[1]。

本系统采用GSM无线通讯技术进行电网环境参数的远程传输，实现参数的远程双向通信。同时，可通过核心控制中心设定预警参数，当达到预警值时，则通过GSM进行远程报警。从而实现电设施的统一监测和分布式管理。

1 监测系统整体结构的规划

监测系统主要是以MSP430F149单片机为核心部件，通过对电网环境参数的数据采集、数据传输、数据存储和人机交互等模块的设计，实现系统的自动采集、数据存数、实时显示、无线传输、远程抄表和预警等功能。数据采集模块主要采用ATT7026A专用电能计量芯片，进行电压、电流、电量等各项参数的采集[2]。它具有高精度、多参数测量、远程校表、智能报警等优势。系统整体结构见图1。

本系统主要实现自动采集电网环境参数、无线传输数据和自动预警。主要功能如下：①通过ATT7026A专用电能计量芯片自动采集电压、电流和电量等参数信号。② 实时显示ATT7026A芯片采集到的各种参数信息、时间及系统配置信息。③通过按键模块对参数预警值、数据存储间隔等参数进行设置。④ 通过铁电存储芯片将各参数信息、时间、系统配置等信息进行分类存储，便于用户查看历史数据。⑤通过GSM模块将各参数信息以短信的方式发送到用户终端和监控中心。CPU控制发送信息有两种方式：1）定时自动发送；2）达到预警值发送，进行报警。

本文针对ATT7026A数据采集模块和GSM无线传输模块具体讲解，其它模块如人机交互，存储模块等与其它检测系统基本相似，在此不再累述。

2 ATT7026A数据采集模块的设计

本系统的数据采集模块采用珠海炬力集成电路设计有限公司所设计的ATT7026A高精度三相有功、无功电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。是由一款，适用于三相三线和三相四线制应用。ATT7026A集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相和合相状态下的有功功率、无功功率和视在功率等参数高精度计量。ATT7026A主要由模数转换单元、数字处理单元通讯接口以及电源管理等组成[3]。其原理结构图如图2所示。

2.1 模拟信号采样的设计 ATT7026内集成了6路16位的ADC，采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是1V建议将电压通道Un对应到ADC的输入选在0.5V左右而电流通道Ib时的ADC输入选在0.1V左右。本系统将电压和电流互感器检测出的信号经信号调理后，传输到ATT7026A的模数转换器内进行ADC转换。模数转换器ADC主要实现对三相交流电的电压、电流信号进行模、数转换。数字信号处理DSP模块主要实现对各路ADC采集的数据结果进行计算和分析，得出各相的电压、电流有效值、功率、频率等参数[4]。ADC前端接线电路图（图3）。

2.2 ATT7026A通讯接口的设计 SPI通讯串行接口可以方便地与MSP430F149核心控制芯片进行通信，将各相的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能以及无功电能、电压与电流有效值以及功率因数等电气参数输送到微处理器中[3]。

ATT7026A内部集成了一个SPI串行通讯接口，ATT7026A的SPI接口采用从属方式工作，由CS（从使能信号）、SCLK（串行移位时钟）、DIN（串行数据输入）和DOUT（串行数据输出）四种信号线构成。

通讯时，数据由DOUT输出，DIN输入，数据在时钟的上升或下降沿由DOUT输出，在紧接着的下降或上升沿由DIN读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。SPI读操作时序如图4所示。

通过SPI写入1个8 Bits的命令字之后，可能需要一个等待时间，然后才能通过SPI读取24 Bits的数据。在SCLK低于200KHz时可以不需要等待。SCLK频率高于200KHz时则需要等待大约3us。

3 GSM无线通讯模块的设计

本系统设计为通过GSM模块向用户和控制中心发送电网监测数据参数。发送方式有两种：①定时发送；②达到预警值，发送信息进行报警。本系统可以通过按键模块设置发送方式、方式1的时间间隔以及方式2的预警值等。

本系统采用Siemens公司生产的新一代无线通信GSM模块, 可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据传输功能。它设计小巧、功耗很低，模块的工作电压范围为3.3~5.5V，主要工作于4.2V。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

3.1 GSM模块硬件连接电路 GSM模块主要由GSM基带处理器、电源模块（ASIC）、内部Flash、40脚的ZIF连接器、射频天线等部分组成[5]。GSM模块共有40个引脚，通过ZIF（Zero Insertion Force）连接器与电路连接，分别为：电源电路、启动与关机电路、串行通信电路、单片机电路、SIM卡电路、等，实现电源连接、指令、数据及控制信号的双向传输功能。可实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。其中GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。

射频天线部分主要实现信号的调制与解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。ZIF插座是提供给用户的应用接口[6]，通过连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。其中40脚的ZIF插座，包含的引脚功能有：模拟音频输入输出接口；标准的RS232信号接口，共8个引脚。

GSM模块、有标准的RS-232接口，通信接口为标准异步RS-232全双工方式，通信字格式采用GSM支持的10位编码格式：1位停止位，8位数据位，无校验，波特率为9600bps；帧格式采用标准的AT命令结构：帧头（固定为AT）+指令（参考AT指令集）+结束标志（固定为）。硬件接口电路如图5所示。

3.2 GSM模块的软件程序设计 本系统采用的GSM模块支持AT命令集来实现对短信的发送功能。AT(Attention)指令集是调制解调器通信接口的工业标准开发的一种 SMS Block Mode协议，通过终端设备来完全控制SMS[7]。GSM模块实现短信收发功能只须放进SIM卡即可使用，与单片机采用串行异步通信接口。利用GSM模块的串行接口，MSP430F149单片机向GSM模块发送了一系列的AT命令，就能达到控制GSM模块发送SMS的目的。本系统通过AT命令将GSM模块设置为PDU短信息收发模式。PDU模式是基于十六进制形式字符的，数据和代码都经过编码，通过PDU编码的短信息内容既可以是中英文字、声音或图像。PDU模式被所有手机支持，可以使用任何字符集，也是手机默认的编码方式。PDU数据包SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等信息。待发送的消息以 UCSII 码的形式进行发送。

3.2.1 PDU数据包的编码 假设中心号码是8613800312500，目标号码是6813931692769，消息内容是：“警告”。从GSM模块发出的PDU数据包是：0891 683108301105F0 11000D91 683139612967F9 000800 04 8B66544A。其中，①6831 08301105F0和683139612967F9是通过将中心号码和目标号码进行编码所得。具体编码格式如下：将目标号码和中心号码的后面加“F”，再将相邻的两位数字一组，高低位互换，得到的所需号码；②8B66544A是“警告”汉字的Unicode编码；③04是发送信息即“警告”的Unicode码的长度除以2，以十六进制表示。

3.2.2 发送短信程序设计 在串口通信过程中，每发出一条AT命令后都必须等待模块的响应，若在模块响应之前发出下一条AT命令，则后一条命令不会被执行。所以，MSP430F149单片机必须在发下一条AT命令前检测上一条命令的执行结果，或者等待足够长的时间（试验证明1秒的等待是必须的）后再发新的AT命令，收发短信息流程如图6所示。

4 结论

本系统利用ATT7026A数据采集模块实现对电网的各重要电力参数（电流、电压、有功、无功、频率等）的实时采集功能；利用GSM模块实现对数据的定时远程传输和实时预警功能；通过液晶和按键模块的软件控制实现人机双向沟通功能，从而达到对远程参数、预警值、定时时间等参数的设置及控制的目的。本系统和维护时间等特点。本系统不仅通信快速、费用低、安全可靠，而且节省人力资源、缩短修护时间、节省专线建设成本,还能大大提高系统的工作效率和整体性能，对保障设备的正常运转具有积极意义。

参考文献：

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[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用户手册，2005，03，28.

[4]谷延军，申卫昌，刘骊.基于ATT7026A的高精度智能电表设计[J].电网技术，2207，4，（31）:318-320.

[5] SIEMENS Inc, SIEMENS Inc Technology product information TC35 Preliminary.

篇5

关键词：ZigBee协调器；路由器；STM32F107；Cortex网关

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）03-0284-02

物联网目前的应用已遍及智能交通、环境监测、智能家居、智能医疗等多个领域，它的三项基本技术分别为传感器技术、RFID技术以及嵌入式系统技术。随着物联网技术的普及，在互联网+技术的推动下，物联网对环境监测有了更加积极的作用。本文主要讲述的是物联网技术在环境监测及火灾防控方面的作用，环境监测系统是专门为森林环境监测、粮仓环境监测、智能楼宇环境监测等开发设计的智能控制系统。物联网技术应用到环境监测以后，既可以有效减少资源损失也可以降低因为火灾引起的人员伤亡。

本文主要针对环境监测系统的物联网网关的设计展开，从 STM32+uC/OS-2软硬件平台的搭建到uC/OS-2操作系统上应用程序的设计等，旨在实现一个基于ZigBee无线传输技术的网关设计，详细分析ZigBee协调器与Cortex网关的串口通信实现、网关对ZigBee数据包的分解、uC/GUI界面设计、uC/OS-2操作系统多任务的实现及网关对ZigBee节点的反控过程。

1 系统硬件平台

该环境监测系统是基于STM32F107芯片构建，运行uC/OS-2嵌入式操作系统。利用ZigBee技术组建无线传感器网络，实现对各个环境数据的监测和采集，汇总各监测节点的数据到协调器，经处理后显示在uC/GUI界面上，最后通过串口发送到上位机。

1.1 STM32F107微处理器

STM32F107芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。STM32F107连接线系列采用高性能的ARM Cortex-M3 32位处理器，高速嵌入式储器（快闪存储多达256个字节与64字节），所有设备提供通用16位定时器，以及标准和先进的通讯接口。

1.2 网关的硬件接口

1.2.1 网关与ZigBee协调器的硬件接口设计

Cortex-M3网关与ZigBee协调器模块通过串口实现通信，ZigBee协调器的串口0通过扩展插槽连接Cortex-M3网关的串口4。ZigBee协调器的硬件接口图如图2所示，CC2530的P0.2和P0.3是串口0的接收发送管脚。

1.2.2 LCD硬件接口设计

LCD采用128×64液晶显示屏，CC2530之间通信时采用串行接口，进行信息显示时需要进行LCD库函数的移植，在应用层调用库函数，以实现用户需要显示的信息。其中LCD_RS是Data与Command的切换信号，对LCD的控制IC初始化。LCD_WR的作用是写入数据。

2 系统软件设计

系统的软件平台基于uC/OS-2操作系统，uC/OS-2是一个可以基于ROM运行的、可裁剪的、抢占式、实时多任务内核、具有高度可移植性的实时操作系统。uC/OS-2可以视为一个多任务调度器，具体实现系统启动任务、网关对ZigBee协调器数据包的分解任务、触摸屏显示任务和蜂鸣器报警任务。

2.1 ZigBee协调器数据处理过程

路由器监测节点加入ZigBee网络后，采集环境数据发送至协调器，协调器封装监测节点的数据依次串口传输至Cortex-M3网关，同时协调器还可以接收网关发送的指令对监测节点进行反控。

2.2 网关对ZigBee协调器数据包的分解

网关对ZigBee协调器数据包接收通过UART4中断服务函数实现，在中断的处理函数中，把接收到的数据依次发送至上位机，同时每接收一个节点的10字节的数据就抛出消息邮箱。网关主程序端通过申请接收消息邮箱获取每个节点的环境数据，并显示在uC/GUI界面上。

2.3 网关主程序设计

网关主程序的设计围绕着系统硬件的初始化、GUI库的初始化、uC/GUI界面的显示、uC/OS-2多任务的处理来设计。网关uC/GUI界面能够显示每个监测节点的温湿度，火焰，光照等数据。超过设定温度报警数值，蜂鸣器报警。uC/GUI界面操作可以对ZigBee监测节点进行反控。

3 实验结果

ZigBee网络构建后，ZigBee节点加入该网络并进行数据传输。网关的ZigBee模块接收到数据后对其进行处理，并按照在ZigBee数据处理任务函数里边规定的输出方式进行输出，在网关uC/GUI界面上进行显示，并通过串口在上位机上显示。下图为环境监测系统的网关界面：

4 结束语

本文主要设计一个基于ZigBee技术的无线环境监测系统。该系统监测节点采用CC2530单片机作为MCU，并且结合ZigBee协议架构进行编程设计，来构建ZigBee传感器监测节点。实现基于CC2530的传感器数据采集系统设计，并在IAR集成开发环境中进行基于ZigBee架构的编程，节点模块的调试。实验过程中各方面运行良好，且成本较低，可以实现在智能楼宇、森林火情、粮仓环境等领域中的环境监测。

参考文献：

[1] JSLee，YC Huang. ITRI ZBnode： A ZigBee/IEEE 802.15.4 Platfrom for Wireless Sensor Networks.

[2] 韩敬海，倪建城.Cortex-M3开发技术及实践[M]西安电子科技大学出版社，2014.1.

[3] 韩敬海，吴明君.ZigBee开发技术及实践[M]西安电子科技大学出版社，2014.1.

[4] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M] 北京：北京航空航天大学出版社，1993：594-599.

[5] 廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[6] 奥尔斯.物联网创新实验系统[J].嵌入式网关，2011（4）：14.

[7] 周相兵，马洪江，苗放.一种基于云计算的旅游云构架模式研究[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2013，30（12）：79-86.

篇6

1.1探针核酸监测技术

探针核酸检测技术是使用特定核苷酸序列出现特异性互补已知核苷酸片段作为探针，主要分析片段长度的多样性，被标记的探针可以使用在植物细胞组织内、探测溶液、固定生物膜同源核酸序列[1]。探针核酸监测技术有高度灵敏性以及特异性，当前在环境微生物监测中广泛使用。

1.2PCR技术

PCR（PolymeraseChainReaction）技术是指生物学的聚合酶链式反应，主要是指在聚合酶的催化中将特定的引物设置为监测起点，通过延伸、退火以及变性等步骤将DNA体外复制，可以快速的在异地使用体外复制所有目的的DNA[2]。聚合酶链式反应有特异性强、灵敏度高优势，可以在监测大量评价样品以及环境中的污染。

2在大气污染中的实践

大气污染是指使用生物监测对大气质量进行分析研究，确定环境污染程度。在生物系统中，大气污染给动植物的生存带来了严重的污染，因为植物有在固定的温度、湿度中生长的特征，导致植物没有科学办法避免有害物质污染。植物对大气中有害物质有一定敏感性，所以在环境监测中便于监测以及管理，环境监测中现代生物技术在大气污染中的实践中可以使用采取植物叶子的方式当做需要监测的样品。植物可以通过大气污染程度完整的反应出来，在大气污染实践中常用的监测植物有以下种类：

2.1氟化物指示植物

通过植物可以反映出氟化物的对象主要有：苔藓、金线草、唐菖蒲、大蒜、郁金香以及梅树等植物。通常情况下，使用现代生物技术监测受污染比较明显的植物，叶子形状转变为尖形，并且叶面上有一定程度的伤斑，出现在叶脉上的症状则比较少。受环境污染的伤斑是浅褐或者红褐色。

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、烟草、向日葵、番茄以及柑橘等。通常受环境污染比较明显，症状主要是植物叶子上出现不规则的伤斑，颜色主要是白色、棕色以及黄褐色等，同时植物叶子上也不同程度的出现点状伤斑。

3在水体污染中的实践

3.1微生物群监测

水体系统中比较重要的组成部分是微生物群，微生物群在水体出现污染时可以快速的感应。一般情况下在环境监测中使用的监测手段是泡沫塑料块聚氨酯法，该手段是在水体中投入一定量含有聚氨酯的塑料块，对水体中微生物群落收集监测。和传统水体环境监测方式对比，这种方法速度快、经济、准确，同时还可以在污染监测中广泛使用。

3.2生物法监测

使用生物法监测水体污染的方式主要是使用生物监测方式对水体监测。使用现代生物科技中的生物法对水体污染情况进行分析。生物法监测水体污染情况可以将水体污染带来的不利影响全面展示出。水体污染比较严重、可以反映出的生物有蚊幼虫、小颤藻以及颤蚓类生物。

4在土壤污染中的实践

4.1动物监测法

使用动物监测法控制土壤受污染的情况，使用这种方式进行监测时，通常情况下可以将蚯蚓当作监测对象，因为蚯蚓有比较高的敏感性，可以觉察到土壤中是否含有农药、铅等有害物质。除此之外，使用现代生物技术进行土壤污染监测时因为土壤中有一定镉物质含量，和蚯蚓体内镉物质含量有一定关联性，因此蚯蚓在土壤污染的应用中具有一定意义。

4.2植物监测法

使用微生物监测法对土壤污染进行监测主要是指使用土壤指示植物对土壤受污染情况进行监测。如果土壤遭到一定污染，受到污染的微生物会出现一定程度的反应，并且有污染比较明显的植物出现代谢异常的症状。比如遭到土壤污染的植物表面出现明显伤斑、构成成分发生改变、呼吸作用不断加强或者减弱、发育减慢等情况。

4.3微生物监测法

现代生物技术监测土壤污染情况可以通过微生物监测法对土壤进行监测，土壤污染源主要是人类粪便、尿液等污染源，同时灌溉过程中使用污水也会对土壤造成不同程度的污染，使用微生物监测可以对土壤污染的状况和程度全面评价。

5结语

篇7

传统测向站建设大致包括：天线选型、场地平整、天线架设、基础建设、设备调试、系统测试等六个步骤，其中前四个环节的建设会对测向精度产生影响，后两个环节主要用于建设后期系统指标的优化和验证。根据测向场区周边环境实际情况，我合设计单位对场地的实际情况进行了测向精度仿真，为场地建设和天线孔径的设计提供了可靠的理论依据，保证了测向系统的性能指标。本文采用一种新型的短波大基础测向天线阵宽带一体化仿真技术[4]，在测向阵地真实环境下，实现测向天线阵、真实地面、障碍物、测向算法等宽频带、一体化高精度建模仿真，并最终提供全频段、全方位测向精度等关键性测向指标评估，为测向阵地规划与建设提供最直观的参考数据和有效的技术支撑。仿真实验主要分析了天线阵元分布、地面倾斜、存在围墙、存在地上中心机房等情况下测向精度的影响。

1.1应用仿真技术指导天线阵选型空间谱测向技术通过天线的几何布阵获得来波信号到达每个阵元的不同幅度/相位值，再根据空间谱算法计算来波方向。空间谱测向系统可以使用任意形状的天线阵列，只需考虑阵列的几何结构及阵元特性就可以了，这是空间谱估计测向技术相对于其它测向技术的优势所在[5]。我台测向站场区为菱形，占地30亩。建设之初，为最大利用现有测向阵地，提高空间谱估计测向系统的测向性能，项目组在场地平整、天线架设、基础建设等均为理想条件时，针对采用不同类型天线阵的测向系统进行了性能评估，主要选取了目前常用的20元单层非均匀圆阵和9元双层非均匀圆阵两种天线阵，进行仿真评估。仿真结果如表1所示。仿真结果表明，采用20元非均匀圆阵的测向系统精度可达0.5901°，而采用双层9元非均匀圆阵的测向系统精度为0.9386°。同时，在工程中应用分层测向天线阵的目的主要是解决短波高频段测向模糊的问题，而20元非均匀圆阵由于天线元数的增加，也可避免短波高频段测向的模糊。根据仿真结果分析，以及技术风险、工程应用成熟度等情况综合考虑，系统建设时选择单层20元非均匀圆阵(100m)，天线单元采用短波单极子分节负荷天线（非平衡输出），天线阵孔径100m。并且天线采用垂直斜面架设，地网沿斜面铺设，可以减少信号相位误差，提高测向精度。天线阵示意图如图2所示。

1.2仿真分析倾斜场地对测向精度的影响我台原始场地高差达4.5m，平整后场地不共面高差小于30cm，坡度小于1.7°，斜面沿西南向东北方向倾斜。针对场地平整环节，项目组对天线场地倾斜面的上述数据进行了精度仿真。仿真数据如表2所示。数据柱状图如图3所示。仿真结果表明：在排除场地周围自然环境因素影响的情况下，实际天线阵地因斜面坡度引入的额外测向精度均方根误差为0.16°。

1.3探索国标电磁环境要求限制下围墙对测向精度的影响出于实际安全的需要，测向站建设往往要考虑围墙的修建。针对天线阵地四周建设高2m、厚0.5m的圆形混凝土围墙(砖结构，内部没有钢筋)的情况，特意进行了围墙与天线阵不同距离(d=10m、20m、50m)的仿真实验。评估不同位置围墙存在对测向阵地测向性能的影响程度，为测向天线阵及围墙的建设提供可信的依据。围墙示意图如图4所示。仿真数据表明：间距10m围墙对测向系统额外引入的测向精度误差为0.082°，间距20m围墙存在时额外误差为0.059°，间距50m围墙存在时额外误差为0.057°。由此可见，围墙存在对测向性能影响较小，而且随着围墙与天线阵距离的增加，围墙引起的测向精度影响逐渐减小。在系统性能允许的前提下，测向场区一定距离范围内修建围墙在实际工程中可以考虑。

1.4仿真分析地上机房对测向精度的影响为避免前端机房对接收信号的遮挡，影响测向精度，通常采用地下（或半地下）建筑的设计方案，但该方案易受暴雨洪涝灾害的影响。无线电测向理论要求前端机房高度不得超过其到天线系统距离的二十分之一，宽度不得超过上述距离的十分之一。我台天线阵直径100m，对应机房高度为2.5m，结合设备安装及操作维护空间的考虑，前端机房设计3m高（3m×3m×3m），其尺寸相对于10m天线有效高度及100m孔径而言较小。为了评估中心机房对测向天线阵测向性能的影响程度，特对中心地上机房进行了仿真，为测向阵中心机房的建设提供可靠的依据。测向天线阵与地上中心机房分布示意图如图5所示。仿真结果表明，建设中心机房对部分高频信号产生的测向误差小于0.5°，绕射能力强的低频信号测向精度不受影响。地上机房测向方位角误差曲线如图6所示。我台测向站首次采用仿真技术对围墙及地上建筑对测向精度的影响进行了定量分析，首次探索了国标电磁环境要求限制的具体影响。仿真结果表明，我台复杂场地条件、围墙及地上建筑对测向精度均有影响，但以倾斜场地为主。因此，在保证测向系统性能的前提下，可综合考虑技术指标、场地地形、安全需要、经济成本等各种因素以确定最优建设方案，为今后同类测向站建设提供了新的思路。

2倾斜场地下MUSIC算法优化

传统MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法，利用信号子空间和噪声子空间的正交特性构造空间方位谱，通过搜索谱峰值估计信号的方位角和仰角[6]。为了能够准确估算信号的方位角，要求所有天线阵元在同一水平面上。然而，实际情况中不能完全保证所有阵元都位于同一斜面上，从而导致方位校正不够精确。由前文可知，测向场地倾斜是引起测向额外误差的主要因素，测向系统因斜面额外引入的测向精度均方根误差为0.16°。针对这种情况，项目组对空间谱MUSIC算法进行了优化改进。根据MUSIC算法对天线阵列的形式并未做任何强制要求，对于各阵元不在同一水平面上也是适用的。假设倾斜阵地上，以圆阵中心为坐标原点建立直角坐标系,虚线的圆为位于X-Y轴所在的水平面内，如图7所示。建立以天线阵圆心为参考点的坐标系，精确测量每个阵元的高差和方位，构建倾斜场地上天线阵完整的三维地理信息，根据该信息结合理想场地的方向矢量计算出不同方位角、仰角对应的校正因子曲线。通过该曲线获得校正后的方向矢量，估算出水平场地下的来波信号方位角及仰角，进而校正倾斜测向场地带来的测向误差，降低天线阵元不共面对测向精度的影响。校正因子曲线如图9所示。仿真结果表明，算法优化后理论上可完全消除上述因斜面额外引入的0.16°测向误差。

3系统测试

项目组结合实际场地及地形，从距离、高度落差及遮挡情况三个方面，对测向系统进行长期、全面、系统的测试，评估山丘及沟壑对测向精度的影响，验证复杂地理环境的测向系统性能。测试采用地波、天波相结合的方式。地波测试主要考察测试点距离的远近、阻挡情况及高度差对测向精度的影响；天波测试主要考察实际短波广播信号的测向精度。测试结果如下：1.地波测试：选取不同地貌的9个近场点和9个远场点进行测试，地波信号测向精度均方根误差为0.67°~0.74°，符合测向系统设计指标(RMS＜1.0°)。2.天波测试：通过对天波信号的测试，得到中央台信号测向均方根误差为1.18°、国际台信号测向均方根误差为0.74°，满足系统设计指标要求(RMS＜1.5°)。测试结果表明：我台测向站达到了系统预期的各项性能指标，实现了复杂地理环境下短波测向站的首次建设。

4结论

篇8

[关键词] 上海　物流业　环境分析　策略建议

现代物流(Logistics)是物品从供应地向接收地的实体流动过程，是根据实际需要，将运输、储存、装卸搬运、包装、流通加工、配送和信息处理等基本功能实施有机的结合(国家质最技术监督局，2001)。它主要包括四个方面：实质流动、实质存储、信息流通和管理协调。现代物流业的出现是社会分工细化演进的必然结果，科学技术的发展、市场竞争的加剧、城市化与工业化的相互作用共同促进了它的快速发展，并逐步形成一个新兴产业体系。相关研究表明，现代物流业不仅降低加工成本，而且能够降低交易成本(吴敬琏，2{)05)，它的发展水平与经济增长和人均国内生产总值的提升有很高的相关性。大力推进上海现代物流业的发展，对于率先转变经济增长方式，加快形成以服务经济为主的产业结构，提升城市综合服务功能，增强城市国际竞争力具有十分重要的意义。

一、上海现代物流业发展回顾

1、规模继续扩大

2006年，全市货物运输总量7.26亿吨，同比增长5.6％；港口货物吞吐量5.37亿吨，同比增长21.3％，连续两年位居全球首位；集装箱吞吐量2171.9万标准箱，同比增长20.1％；航空货邮量252.73万吨，同比增长14.0％。

2、物流园区综合服务功能提升

西北综合物流园区已经建成近40万平方米标准化物流仓储设施，承担了全国60％的医药物流和全市75％以上的连锁超市配送物流业务；外高桥保税物流园区实施“区港联动”，在海关完善监管工作的同时，做好配套服务，显著提高货物流转和通关效率；洋山保税港区实施集装箱装卸、运输全程信息化管理，为提高集装箱中转能力奠定基础。目前已有13个航运、物流、加工项目和55家商贸型企业入驻；浦东空港物流园区规划和建设同步进行，货物集散能力不断增强。信息平台建设已经启动。

3、物流基地与产业基地开始形成联动发展机制

上海化工区学习借鉴世界级大型化工园区的成功经验，从化工企业集群的物流需求特点出发，实施“物流传输一体化”，积极引进专业化第三方物流企业，对码头、管网、储罐、铁路、仓库等物流设施进行集中投资建设和统一经营管理，构建起对外交和内部循环相协调的物流体系。第三方物流公司在为化工生产企业提供服务的同时，经营业绩呈现稳步上升的良好发展势头。

4、第三方物流服务水平和能力提高

在为外商投资制造业或商贸企业提供物流服务过程中，一批第三方物流企业注重供应链管理和物流信息化建设，物流服务能力明显提高。安吉天地物流整合汽车生产零部件人厂、售后和进出口等供应链管理环节，已成为国内领先的第三方汽车物流供应商，整车物流服务占国内市场约35％；北芳物流已经承接了30多家全球企业的物流项目业务，在提供较高效率物流服务的过程中，不仅不断提高自身供应链物流服务水平，也增强了客户竞争力。如为菲利浦亚明照明公司节约物流成本30％。佳吉快运依托品牌输出管理，已建立覆盖全国900多个县级以上城市的服务网络，每月承接100万票业务，2006年营业收入将接近12亿元，2007年第三次被评为中国物流百强企业。

二、上海现代物流业发展环境分析

1、有利因素

(1)经济实力雄厚，现代物流需求巨大。1992年以来，上海经济已连续15年保持两位数增长。2006年，全市实现生产总值10296.97亿元，首次突破1万亿元，按可比价格计算，比上年增长12％。按常住人口和当年汇率折算的上海人均生产总值，1990年首次突破1000美元，1995年跃上2000美元台阶，1999年再上3000美元新台阶，至2006年实现历史性跨越，达到7189美元，相当于世界中等国家的水平。正在向现代化国际大都市目标迈进的上海，肩负着面向世界、服务全国、联动“长江三角洲”的重任，在全国经济建设和社会发展中具有十分重要的地位和作用。在这个土地面积仅占全国0.06％、人口占全国1％的城市里。完成的财政收入占全国的八分之一，港口货物吞吐量占全国的十分之一，口岸进出口商品总额占全国的四分之一。同时，上海不断促进产业结构优化升级，先进制造业和现代服务业加快发展。2006年，第二产业实现增加值4997.81亿元，按可比价格计算，比2000年增长1.1倍，平均每年增长13.2％；第三产业实现增加值5205.35亿元，比2000年增长86.9％，平均每年增长11％。三次产业的比例关系为0.9:48.5:50.6，第三产业比重已连续8年保持在50％以上。上海综合经济实力显著增强，产业结构日趋合理，将创造出巨大的对现代物流的需求，直接推动现代物流快速发展。

(2)地理位置优越，基础设施完善。上海地处太平洋西岸，亚洲大陆东沿，长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭州湾，西接物阜民丰的江浙两省，北临长江人海口，正好位于我国南北弧形海岸线中部，交通便利，腹地广阔，是名副其实的黄金水道枢纽。上海基础设施完善,已经形成枢纽型、功能性、网络化交通基础设施，使得全世界50％左右的人口可以在5小时之内到达。

(3)拥有大量的素质较高、成本较低的综合人力资源。上海人口整体文化素质不断提高。据2005年1％人口抽样调查，上海6岁及以上常住人口中，具有大专及以上文化程度的人口占18.1％，与2000年第五次人口普查相比提高6.7个百分点；高中文化程度人口占24.8％，提高1个百分点。2006年，上海义务教育入学率达到99.9％，高中阶段入学率达到99％，高考录取率81.7％。另外，中高端物流管理人才也占有较高的比例。

(4)上海市政府和多个管理部门联合推进，为上海现代物流业的顺利发展创造了良好的外部环境。上海市政府在充分调研论证的基础上，结合本地实际，制定了《上海市现代物流业发展“十一五”规划》，并以市政府文件的形式(沪府发[2007]17号，2007年4月27日)，下发至各区、县政府，市政府各委、办、局，对“十一五”期间的上海现代物流业的发展作了全面部署，指明了方向。市委组织部和市人事局支持市经委委托复旦大学上海物流发展研究院首次组织高层物流管理人员赴日本、新加坡开展专题学习考察，了解国际现代物流先进管理理念，推进了物流企业之间的业务合作。市发展改革委已组织完成制定《上海市“十一五”现代物流产业发展重点专项规划》。市建设交通委、

市经委、市交通局和市公安局结合实施道路交通管理条例和整治“客车载货”行为，进一步分析城市配送物流需求，研究完善管理措施。市财税局研究制定完善《上海现代服务业发展引导资金管理办法》，积极推荐第二批税收试点物流企业。数量明显增加。上海海关大力推动上海“大口岸、大通关、大平台、大物流”建设，营造高效率口岸通关环境。同时，继续支持区港联动试点，推动保税区功能转型和保税物流业发展。

2、不利因素

(1)规模偏小。随着经济全球化的不断发展，大型跨国公司成为大多数生产经营企业发展的方向，而生产经营的国际化则要求物流商拥有全球化的运作网络为其提供物流支持。目前上海的物流企业规模偏小，不能提供这方面的支持，而且企业规模越小，运营成本往往就越高，进而影响企业的经营效益和长远发展。

(2)物流成本较高。企业物流成本由运营成本、库存资金成本、资本成本和分摊的管理费用四部分组成。据调查，上海制造企业物流成本中库存资金成本和物流管理费用占比分达到25％以上，总体上说原材料和产成品库存较大，占压资金较多。另外，物流企业中还普遍存在着重复征税的现象。

(3)推动信息化、标准化的步伐缓慢。信息网络技术是现代物流的基础，也可以说是第一要素，上海物流企业与国外物流企业的差距，最大的在两个方面：一是信息网络技术落后；二是服务理念太差。这几年，信息网络技术普遍受到重视，企业物流信息平台推进速度较快，社会公共物流信息平台也在规划建设，已涌现了一批优秀案例，但由于主观认识差异与实际困难(如缺乏资金等)，这项工作差距很大，需要有一个过程才能解决。标准化对物流业的发展生命攸关，没有标准化，物流全过程与供应链全过程将无法进行，将加大物流运作成本，而使现代物流失去意义。

三、上海现代物流业发展策略建议

1、加快物流基础设施建设

构建以港口、机场设施为核心，公路、铁路和内河航运为依托，高效、便捷的多式联运物流网络。一是推进洋山深水港区二期及后续工程、浦东机场扩建工程、虹桥综合交通枢纽、浦东铁路二期、铁路集装箱中心站、长江隧桥工程、内河航道改造等重大基础设施建设，推动公、铁、河、海、空相衔接的多式联运发展。二是进一步扩展和强化港口、航空运输网络，开辟新的航线，完善国际与国内、干线与支线之间的衔接，不断提高国际中转物流能力和水平。三是根据长三角地区港口建设规划，同步设计和建设多式联运系统，重点推进水水中转、水铁中转。四是完善相关物流节点的配套功能，有效发挥上海机场、港口、铁路以及高速公路网等交通设施的辐射作用。

2、积极培育物流主体

推动上海物流企业运用现代物流理念，整合运输、仓储、配送、货代、批发、零售以及信息服务等领域的资源，促进相关行业物流功能整合和服务延伸，加快传统物流企业向现代物流企业的转变。实力雄厚的物流企业还应积极整合各种资源，争取早日成为上市公司。一是抓住经济社会发展中不断增长的物流需求，积极吸引国内外物流企业特别是总部型物流企业落户上海。二是支持物流企业开展业务流程、服务模式、应用技术集成创新，进一步扩大物流市场规模、提升物流服务水平，逐步建立海外营销渠道。三是形成一批服务水平高，国际竞争力强的物流骨干企业，努力使上海成为中外物流企业的总部集聚地和系统集成营运中心。

3、优化供应链管理，降低物流成本，提升上海物流企业的国际竞争力

通过优化供应链管理，控制存货，提高效率，物流成本将有明显的下降空间。上海部分流通企业的配送中心经过升级改造，已经拥有先进的仓储设施和信息管理系统，建立了支撑业务发展、具有先进水平的物流配送网络。上海医药物流中心自2月份试运营以来，已承担上医股份70亿元药品销售的物流业务，预计全年药品库存占用资金可下降33％。可的供应链管理中心通过精益物流管理，加强成本控制，物流配送成本比同行低30％，订单满足率达到98％，接近国际先进水平。联华超市配送中心发挥现代物流设施的功效，库存商品资金下降45％，商品损耗率从万分之三降到万分之零点一六。通过物流管理降低成本，加快周转，将进一步提升上海物流企业的国际竞争力，转变经济增长方式，提高经济增长质量与效益。

4、提高物流信息技术应用水平

加强信息技术在物流领域的基础应用，推进各类物流信息资源的整合和利用。一是充分利用信息化建设成果，深化上海电子口岸建设，规范物流各环节公共信息交换标准，建立以公共信息交换系统为核心，具有供应链管理、业务协同和专业化服务等功能的现代物流公共信息服务平台，实现各类物流信息资源的整合，推动与国内外物流信息网络互联互通，为长三角地区乃至全国的物流发展提供服务。二是不断提高企业物流管理信息化水平，促进先进物流信息系统和装备设施的广泛应用，鼓励企业运用仓储管理系统(WMS)、运输管理系统(TMS)、电子订货系统(EOS)等信息管理系统，以及自动立体化仓库(ASW)、自动导向车(AGV)、射频识别技术(RFID)等装备技术，进一步提高物流的速度和效率，降低企业物流成本。三是积极组织相关科研机构、高校、企业、中介组织进行产学研合作，参与物流前沿技术研制和开发，使上海成为物流信息技术的研发高地。

5、加大物流标准化工作力度

以物流信息标准、服务标准和管理标准为切入点，参照国际通行标准，集中精力研究制定一批对上海物流产业发展和服务水平提升有重大影响的物流标准。一是积极参与相关物流国家标准的研究制定和宣传推广，争取先试先行。上海市标准化研究院已积极参与制定《物流中心作业通用规范》、《物流中心分类与基本要求》、《物流服务合同准则》、《第三方物流服务质量规范》等4个国家标准。安吉天地制定的汽车仓储、运输和装卸等作业标准已成为全国行业标准。二是在本市重点物流园区和骨干物流企业启动一批物流标准化示范工程，重点推动口岸物流、制造业物流、城市配送物流标准化示范工程建设，不断提高上海物流标准化的水平。三是建设物流标准信息库，推进物流标准咨询、实施及认证等配套服务工作，适应物流企业的标准化服务需求。

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关键词：无线传感器网络;汇聚节点;水环境;实时监测

中图分类号：TP393 文献标志：A 文章编号：2095-1302（2014）12-00-03

0 引 言

随着工业化的发展，水环境的状况越来越恶劣。实时监测水环境中的各项参数对水环境本身有着重要的意义。

目前针对水环境的数据采集有两种主要方式：一是建立观测站，其破坏性大、监测实时性不强、成本高、移植性差。二是人工取水样，采集至实验室分析，其劳动强度大、采集时间长、数据不准确且受天气、地域、时间等限制。本文提出采用无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN）实现实时监测水环境中各项参数。WSN具有成本低廉、移植性好、实时性强的特点。系统包括节点、汇聚节点、上位机三部分的设计。它采用ZigBee协议自动组网和将CC2530作为主控芯片对水环境参数监测的节点及汇聚节点的软硬件进行了设计，汇聚节点收集各个节点的采集数据，然后通过GSM/GPRS传送至上位机平台。上位机平台的软件对传感器节点采集的参数信息和节点本身信息作相应的数据分析与处理，实现实时监测水环境中的参数、污染物排放情况、水质情况以及水环境中突发状况。整个系统实现了无线传感器网络的远程水环境参数实时监测。

1 水环境中参数实时监测系统概述

本文提出的水环境中参数实时监测节点主要应用于建立河流水库等大范围、具有自组网络、动态拓扑、多跳传输和自修复功能的基于无线传感网络的ZigBee自动组网和GSM/GPRS实时传输的系统，如图1所示。

WSN系统包括了节点、汇聚节点、网关及处理平台。其中节点采用人工的方式均匀部署，WSN通过ZigBee协议自组织网络，节点采集数据传送给汇聚节点，汇聚节点再通过GSM/GPRS传输到远端的水质监控中心，之后将由监测管理计算机负责对数据进行数据整理、数据分析比较与数据存储工作。一旦数据出现异常，则提示操作人员注意对应区域的环境状况，从而实现远程实时监测[1]。

图1 WSN系统示意图

无线传感网络节点可根据水环境中参数实时监测要求，安装在河流、水库、工业废水排污口等地点并以野外无人值守方式工作，通过传感器采集监测水环境区域中的离子浓度、盐度、电导率、浓度等的参数。为了建成一个针对不同测试环境可任意组合的多功能实时监测无线传感网络节点平台，设计需求如下：

（1）多种指标监测：依据各行业废水参数主要在线监测指标可知，对于不同区域的水质，所需要测量的指标也不同。要求同时监测多种水质指标，并根据不同区域选择不同的传感器组合。

（2）节点电源模式：由于监测网络节点安装在户外，分布较散，只能采用电池电源供电。为延长网络的生命周期，在软件上优化或采用太阳能供电。

（3）多拓扑多节点无线通信：为实施对某片水域的水环境参数进行实时监测，需要在目标流域内部署无线传感网络节点，各节点将采集到的参数传送到中央控制系统，从而完成目标流域的数据采集。因处于不同的监测环境，节点的空间分布差异较大，例如对水库湖泊环境的监测，需要将大量监测节点在水域内均匀分布;对江河流域水质的监测，则需要将他沿着河岸分布，形成链状结构;若是监测排污口，则节点主要分布于排污口附近区域。因此要求监测网络节点可实现多种拓扑结构连接，并实现多节点接力通信的功能。

（4）设备成本：传感器无线网络需要大量节点，因此应考虑成本问题，尽可能精简设计，降低节点的总成本。

2 无线传感网络节点设计

2.1 系统结构

汇聚节点核心模块由主控MCU STC89C52和ZigBee通信模块CC2530组成，普通节点由CC2530连接若干种针对不同监测项目的传感器，通过这些传感器实现对不同测试环境可任意组合的无线传感网络监测系统，不同水环境可选择不同的传感器组; ZigBee网络管理和数据收发主要由CC2530模块负责，利用Z-Stack协议栈的API接口，模块实现了ZigBee无线网络的动态组网、网络自恢复、数据发送和数据接收等任务[2];传感器模块的接口按照标准的工业通信接口设计，保证了设计的标准化和平台化，具有良好的可扩展性和可移植性。系统流程图如图2所示。参数检测传感器所采集的数据通过信号调理电路，若为数字信号则直接送至CC2530单片机;若为模拟信号则需先经信号调理电路放大、滤波，再发送给CC2530的内置AD转换器。CC2530节点自动组网络通过RS 232接口与汇聚节点中的主接芯片STC89C52连接。汇聚节点接GSM模块，该模块通过GPRS将数据以无线方式发送至上位机，上位机再将数据存储并分析。

图2 数据流向图

2.2 传感器节点硬件设计

2.2.1 节点设计

ZigBee无线通信模块选用德州仪器（TI）ZigBee处理芯片CC2530，该芯片是专为ZigBee及IEEE 802.15.4应用设计的SoC芯片。CC2530适用于有低功耗工作需求的设备，具有多种低功耗操作模式，通过设置芯片内部的电源管理控制器可关闭芯片部分内部时钟和射频模块的电源，使芯片进入不同程度的低功耗模式，并且可以在各种低功耗模式间进行快速切换，进一步降低电流损耗。CC2530的8051内核通过芯片中设置的RF指令集处理数据收发、中断、DMA和FIFO等硬件抽象层的工作。CC2530在应用层到硬件抽象层之间加入了Basic RF层，对CC2530进行ZigBee数据传输的编程时，利用Basic RF层提供的通信API函数，可以极为便捷地实现用户的程序工作量，无需进行硬件抽象层的各种繁杂设置和状态处理[3]。

汇聚节点中主控MCU选择的是STC89C52和CC2530。STC89C52与CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其适用于使用电池供电，要求长时间工作的场合。汇聚节点负责各个节点的数据接收、发送以及收发命令。

本设计方案将STC89C52与CC2530结合，通过UART接口与ZigBee模块通信把得到的数据通过GSM/GPRS传输到上位机，监测数据的无线发送与命令接收。

2.2.2 传感器模块

传感器模块是监测水环境参数的关键。用户可根据不同的水环境选择监测不同的参数。主要监测数据有离子浓度、盐度、电导率和温度。其中，离子浓度、盐度和温度传感器为购置传感器，电导率传感器为自制传感器，下文将详细介绍该传感器，其他传感器忽略。

电导率传感器是由一根铁棒和一根黄铜棒组成，根据相关化学知识可知，两个金属棒在水体中会发生阳离子和阴离子的移动，产生电流形成恒流源。若在两个金属棒上串联一个阻值合适的精密电阻，则可监测污染物排放后水体的导电性能。金属物含量多的废液的排放将会改变水的导电性能，该排放物浓度越高，水的导电性能越好。具体过程为，排放污染物越多，排放位置的一些酸碱性的离子就越多，产生的电流越大，导电性能就越好。再通过污染物扩散，传感器节点测得各点位置的导电率后可实时预估污染源的位置及污染程度。自制电导率传感器如图3所示。

图3 电导率传感器模块

2.2.3 电源模块

结合无线传感网络节点对电源系统要求的低功耗、长时间工作、低成本的特点，节点电源选择了锂亚硫酰氯电池ER34615（铅酸蓄电池能量小、重量大、对环境腐蚀性强、电解液需要定期维护，同时太阳能电池成本高、体积大，因此具有高性能、高可靠性、工作温度范围广等特点的锂亚硫酰氯电池是更好的选择）在本设计中，汇聚节点由STC89C52和CC2530组成。普通节点仅用CC2530。采用ZigBee低功耗设计，在节点采集、传输数据时进入工作模式，传输完成后进入节能模式，可大幅度降低系统的能量损耗，并且配合高能量密度的锂电池使用，可以满足长时间工作的要求，且有效降低节点的体积和重量[4]。

2.3 节点软件设计

基于无线传感网络的监测节点主要利用单片机STC89C52和ZigBee通信模块CC2530负责信息的采集控制与无线网络传输。CC2530负责采集节点上各个水环境中参数实时监测传感器的数据并对每个数据进行测量值到理化值的数据转换[5]，然后再按一定格式打包，通过UART接口发送到STC89C52单片机，最后经过GSM/GPRS模块向远程上位机进行传输;ZigBee模块由主控单片机发送初始化自组网命令和自恢复命令，实现初始组网与自动检测恢复，负责网络组网与连接[6]。软件工作流程见图4。每个传感器节点具有简单的分布式处理数据的能力。如对监测数据的比较，可知是否有参数超标，若有则预警，若无则连接网络发送数据。同时也有优化软件，使其功耗最小化。

3 结 语

本文将无线传感网络与水环境参数监测相结合，利用ZigBee无线传感网络实现自组网与通信，而使得无线传感器节点可以大范围铺设，不受区域限制，可实现其对水环境中各类参数的实时采集。同时也可以作为工业农业生产中参数的实时监测。

图4 节点软件流程图

参考文献

[1]史兵， 赵德安， 刘星桥，等. 基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J].农业工程学报， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吴键， 袁慎芳. 无线传感器网络节点的设计和实现[J]. 仪器仪表学报， 2006，27（9）：1120-1124.

[3]韩蓓， 盛戈， 江秀臣，等.基于ZigBee无线传感网络的导线接头在线测温系统[J]. 电力系统自动化， 2008， 32（16）：72-77.

[4]赵刚， 侯立刚， 罗仁贵，等. 无线传感网络中低功耗处理器的设计和优化[J].半导体学报， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡爱娜. 基于能耗均衡的无线传感网络自适应数据存取算法[J]. 电子科技大学学报， 2014 （2）： 235-240.

[6]张荣标，冯友兵. 基于IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2008，39（8）：119-122，127.

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）

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技术特点

本系统水下无线通信采用的是水声通信技术，相比较水下电磁波和水下光通信技术，声波在水中衰减最小，因此声波是目前水中信息传输的主要载体，并且水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式［7］。本系统综合应用浮标和海床基，相比较浮标、海床基、船舶和潜标单站监测方式，是一种无线观测链的监测方式。这种方式可提高监测数据质量、扩展监测范围和监测信息，并可在监控终端准实时获取远程、长期水下监测数据，也符合海洋环境监测具有覆盖面广、站位分散、数据间断和频繁少量的特点。

技术原理

第二代GSM技术利用SMS(短消息)进行数据传输和双向控制，系统通过发送和接收短消息进行数据传输，依靠2个或以上的GSM通信模块实现，开发相对简单，传输成本相对较高;第二代GPRS技术引入智能天线、双频段等技术，有快速登陆、永远在线、高速传输和按流量计费而节约成本的优势;第三代技术是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，速率一般在几百kb/s以上，主要优点是能极大地增加系统容量和提高数据传输速率，并且利用不同网络间的无缝漫游技术可将无线通信系统和Internet连接起来;第四代TD-LTE-Advanced技术可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力，比通常意义上的3G快50倍，下载速度最高可达100Mb/s、上传速度最高可达20Mb/s，可极大的满足海洋监测数据的传输要求。目前第二代和第三代技术已趋于成熟，基站已基本形成对我国近海的全覆盖，相应的通信技术已在港口航道、海水浴场、水产养殖、能源开发等海洋领域广泛应用;第四代技术已形成，但国际标准仍未统一，尚不具备推广应用条件。水声通信技术水声通信是通过声波在海水里传播实现。工作原理是首先将文字、语音、图像等信息转化成电信号，发射换能器又将电信号转化为声信号，声信号通过海水介质以应答或自动方式传递到接收换能器，这时声信号又转化为电信号，解码器将数字信息破译后，经电接收机转为文字、语音、图像等信息。水介质与空气介质的特性不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性［9］。水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的盐度、温度、密度、深度以及传播距离等因素的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。水中的声速计算公式可见下式:c=1449．2+4．6T－0．055T2+(1．34－0．010T)(S－35)+0．016D(1)其中:T是海水温度，S是盐度，D是深度。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码［10］。同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。

基于通信技术的监测系统应用

系统水下通信采用美国Linquest公司的UWM2000声学调制解调器(全方向模式、波束宽度210°，在比较复杂的环境条件下允许有相对的运动);水上移动通信采用GSM通信模块。系统可对剖面流速、流向、温度等环境参数和仪器姿态进行数据实时传输，通信技术可在赤潮、溢油、危险化学品泄露等海洋突发污染事件应急监测中应用，管理者可根据实时监测数据现场指挥和快速决策;也可在海水浴场、海水养殖区、海洋保护区等功能区监测和入海污染物质输运监测中应用，获取定点、实时和连续的监测资料。本系统若结合地理信息系统和物联网技术，将改变现有的海洋环境监测状况。通过无线通信方式形成一个基于物联网的海洋环境监测系统，可采集和处理网络覆盖区域中监测信息，以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理［11］。