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基于无线传感器网络的远程环境监测系统
的设计与实现
1 系统概述
1.1
系统背景
近年来，由于计算机技术、网络技术、现代电子技术的迅猛发展，无线通信技术在医疗、自动化控制、远程监测等多个领域得到了广泛的应用。其中环境远程监测有其特定的应用背景，一般在比较偏僻、环境恶劣的无人居住区域（如沙漠、高山、丛林等危险地区），这使得很难通过架设电缆来完成数据传输，因此使用无线通信是一种很好的选择。对环境的监测是十分重要且有意义的，获得生存环境的实时的数据，有助于我们预测环境变化的趋势以及更好的掌握自己生活的环境现状并加以改善。
1.2 系统简介
本系统在实验环境中搭建一个ZigBee网络，该网络由一个中心节点和多个终端节点以自组织方式构成。终端节点负责采集环境温湿度等数据信息，并通过 ZigBee 网络把采集的数据信息发送至中心节点；与中心节点相连的控制器（ARM单片机）将数据发送到串口，再通过socket 通信将数据传到远程主机，并将获得的信息存入数据库中。设计一个界面，可通过界面显示出所需要的信息以及提供相关查询服务。整个系统设计综合利用ZigBee网络的低成本、低功耗、自组织、灵活等优良特性，提出一个实时、高效的远程环境监测解决方案。
1.3 关键词解释
1.3.1无线传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN），就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者[2]。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。
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基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域[3][4]。
其主要特点有： 1) 低速率
传感器网络节点通常只需定期传输温度、湿度、压力、流量、电量等被测参数，相对而言，被测参数的数据量小，采集数据频率较低。
2) 低功耗
通常，传感器节点利用电池供电，且分布区域复杂、广阔，很难通过更换电池方式来补充能量，因此，要求传感器网络节点的功耗要低，传感器的体积要小。
3) 低成本
应用无线传感器网络，监测区域广、传感器的节点多，且有些区域环境的地形复杂，甚至连工作人员都无法进入，一旦安装传感器器则很难更换，因而要求传感器的成本低廉。
4) 短距离
为了方便组网和传递数据，两个传感器节点之间的距离通常要求在几十米到几百米之间。 5) 高可靠性
无线传感器网络的信息获取是靠分布在监测区域内的各个传感器检测到的，如传感器本身不可靠，则其信息的传输和处理是没有任何意义的。
6) 大容量
要求网络能容纳上千、上万个节点。 7) 动态性
对于复杂环境的组网，其覆盖区域往往会遇到各种电、磁环境的干扰，加之供电能量的不断损耗，易引起传感器节点故障，因此要求传感器网络具有自组网、智能化和协同感知等功能。
1.3.2 ZigBee技术
ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低数据率、低成本和高可靠性的双向微功率网格式无线接入技术，介于RFID和蓝牙之间的技术提案，此前被称作“Hom2eRFLite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。最重要的是ZigBee技术支持地理定位功能，它工作
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于无需注册的2.4 GHz ISM频段，传输速率为250 kb/s，传输距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几千米，利用ZigBee技术可由多到65535个无线微功率收发机组成一个庞大而有效的无线网络平台[6]。
其主要特点有：
1) 低功耗 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。
2) 成本低 ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5-2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
3) 时延短 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
4) 网络容量大 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。
5) 可靠 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发[7]。
6) 安全 ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。
ZigBee 网络中存在三种逻辑设备类型：协调器、路由器和终端设备。
1) 协调器 协调器包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，也是该网络
的第一个设备。协调器具有存储容量大、计算能力强的特点，其主要任务包括发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息和不断地接收信息[8]。
2) 路由器 路由器的功能主要有允许其他设备加入网络、多跳路由和协助终端设备的通
讯。
3) 终端设备 终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以处于睡眠或者唤醒状
态，因此它可以是一个电池供电设备。
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