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1、本科生毕业设计（论文）文献综述题 目： 无线环境监测系统设计（探测软件部分） 姓 名： 学 号： 系 别： 信息工程系 专 业： 电子科学与技术 年 级： 指导教师： （签名） 年 月 日1 无线环境监测的研究背景目前，国内外对于可控环境农业都十分的重视，所谓可控环境农业是指人工设施保护条件下，通过工程技术手段为生物提供适宜环境，达到高产优质生产的目的。根据所强调的对象和发展的不同阶段而有不同的称谓，如温室农业（Greenhouse Agriculture）、工厂化农业（Industrialized Agriculture）、植物工厂（Plant Factory）、保护地栽培（Protecte
2、d Cultivation）、保护地园艺（Protected Horticulture），等等。可控环境农业的最高目标是能使农业生产象工业一样不受自然环境因素制约，并进行自动化的高效生产1。在全球信息化和数字化背景下, 全球农业也由传统农业向现代农业方向转变，而实现农业信息与数字化则是现代化农业的重要标志与核心技术。农业具有地域分散、对象多样、环境因子不确定等特点，也是受环境影响最明显的领域，因此对环境与生物信息的监测十分重要。然而环境监测是一项复杂而又十分细致的工作，温度、湿度、光强、风速、风向监测的工作量很大，一般不允许出错，如果实行手工操作，须人手进行大量复杂的工作，这就会耗费工作人员大
3、量的时间和精力，计算机进行监测控制时，不仅能够保证温湿度等准确无误、而且快速及时，便于工作人员进行随时的监督与控制。同时计算机具有手工管理所无法比拟的优点。温度、湿度、光强的测量和控制是许多行业的重要工作目标之一，无论是工业、农业还是其他行业对以上几项指标都是具有严格要求的，经过开题期间的文献查阅和实际情况调研，了解到农业设施中最基本的条件就是温度、湿度、光照、风速、风向、土壤等环境条件等的监测。2 无线环境监测的国内外发展状况早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。它是1978年，由美国国防部DARPAR资助
4、的一个关于分布式无线环境监测系统网络的研究小组发起的。当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器，使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动。接下来在上世纪90年代中期，DARPAR又资助了LWIM(Low-powcT Wireless Integrated Microsensors)项目。至U1998年，这个项目又演变为SensIT计划，这个计划的研究成果要将大规模分布式传感器系统用在军用上，它总共包含29个研究项目，SenslT计划资助了25个研究机构。随着相关学科的不断发展和进步，无线环境监测系统网络同时还具有了获取多种信息的综合处理能力，并通过
5、与传感控制器相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。进入21世纪后，无线环境监测系统网络迎来了新一轮的大规模研究和开发，出现了众多的用于军事的研究项目。例如美国陆军的“灵巧传感器网络通信”项目、“无人值守地面传感器群”项目、“战场环境侦察与监视系统”项目，还有美国海军的“传感器组网系统”项目、“网状传感器系统”项目等。这些项目的研究使得美国陆军和海军提高了作战能力，极其显著的是，军队的情报侦察和获取水平产生了质的飞跃2
6、。无线环境监测系统网络的研究引起了世界各国研究机构的高度重视，其应用逐渐延伸到民用领域。例如2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作研究反恐系统，该系统能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策；2003年，美国又由国家自然基金委员投资，进行无线传感器网络研究的CENS计划。随着信息时代的到来，无线传感器网络的研究又开辟了新的天地，各信息业巨头们纷纷启动了这方面的研究计划。早在2002年10月，英特尔公司就发布了誓基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，此规划开发了集成度很高的超微型传感器，并将超微型传感器应用到环境监测、预防医学、森林灭火乃至海底
7、板块调查、行星探查等领域。我们可以看到无线环境监测系统网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(Boron University)还于最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、Sensicast SySte
8、ms及TextronSystems。我国的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院、哈尔滨工业大学等也从2002年起开始了对无线环境监测系统网络的研究。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革3。3 无线环境监测系统的主要参数3.1温度监测每天新闻联播最后的气象报告一定会提及明天各地的温度变化范围，在我们室内早已有各式各样的温度计，家中空调的控制器上也都会指出室内现在的温度情况。温度的测量应用是随处可见的，
9、如果在车上放一个温度计，在大热天下可以发现车内的温度竟然升高到摄氏50度以上。其实温度对人的影响是相当大的，所以已有许多方法来测量温度，最近几年来有许多IC厂商纷纷推出IC型的测温组件，以便取代原先复杂的温度转换电路，不过因为感测组件是做在IC上，所以其温度测量范围都在摄氏+150度以内，若温度再高时候就会导致零件的损坏而无法度量。在众多的IC式感温器当中，较有代表性的产品且可以买到的分别有：18B20,AD590,DS1620,SMARTEC感温组件等。用8051的单片机来读取温度并做控制时，上述感温组件都是相当适合的。3.2湿度监测在南方每年的四五月都是阴雨绵绵的天气，这种高湿度的天气会让
10、人觉得处处不对劲。每天的天气除了温度外，就属湿度影响最大了，可是此式的正确相对湿度值为多少却没人知道。湿度的测量是相当困难的，物理上对相对湿度的定义是：此式在空气中水分子的含量与相同温度下饱和（能够容许最多的）水分子含量的比率。所以相对湿度的单位是%。在某个特定气压及温度下，相对湿度可以由绝对的干燥改变到露点RH=100%，当露点到达时，几乎所有的水蒸气将凝结成谁，这也就是说在下雨的天气下，室外的相对湿度几乎是95%以上。常见的湿度计有干湿球湿度计；毛发式湿度计；第三种是利用高分子多孔性材料当成感测组件，任何时间内都会有或多或少的水分子附着在此组件上，因而使此感测组件上的电阻值改变，我们只要测
11、量感测组件的电阻特性，即可推导出其对应的相对湿度来；最后一种湿度计是以第三种感测组件为基础改良，由空气中的水分子含量来改变感测组件的电容量值。3.3光照信息监测光照度计(简称照度计)是基于光探测器(如光电器件硅光电池)的照度测量仪表，是光度测量中用的最多的仪器之一，广泛应用于商业和工厂的照度测量。照度计也是照明设计和节约能源最基本的测量仪器。随着国民经济发展，特别是近年来工农业与民用建筑(包括房地产业)发展迅速，正在大量地使用各类光度仪器特别是光照度计，测量环境的照明情况，因此照度计的检定数量在猛增。4 无线传输网络发展历史近年来， 随着无线通信技术的发展， 无线通讯设备的集成化越来越高。本文
12、介绍了一种选用高性能、低功耗的传输模块。在2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等多个标准无线协议,本来各协议可以相安无事开发自己的专有应用,但现在,非标准无线射频协议的涌入打破了这一平衡,该协议意图蚕食蓝牙、Zigbee已有的市场。在本次IIC上,Nordic、TI等多家公司展出了非标准无线射频协议的应用,受到工程师的关注3。 “非标准无线射频协议的优势是低功耗、低成本、易开发。”挪威Nordic半导体公司亚太区销售经理陈志谦指出,“比如我们基于nRF24L01的无线鼠标的电流消耗相比竞争对手协议要低数百倍。因此电池寿命可以提高15到600倍！”他强调：该芯片
13、支持的数据率可以高达2Mbps,接收模式电流消耗仅有12.5mA！ 不单是支持高速数据传,nRF24L01还支持无线组网, 陈志谦表示：“片上配有MultiCeiver逻辑,可支持同时接收六路无线设备数据,这样的一个典型应用是便携式PC配有无线键盘、无线鼠标、无线游戏控制杆、遥控器和无线写字板等。”另个典型应用是利用该器件组建个人智能运动设备网络,例如可以装在手表上,来监测心率、速度、压力和距离6。由于在2.4GHz非授权频段上已经有多种无线应用,如何确保信息发送接收的在干扰状态下保持连续性就很重要。对此,陈志谦表示nRF24L01片上的检测功能可以检测任何固定频率的网络,例如,如果检测到附近
14、有工作的无线局网,nRF24L01可以利用很短的时间快速从拥挤的通道中转换出来。另外,nRF24L01集成了自动发送和接收数据包、发送和应答信号、检测和重发都是丢失数据包、存储没有收到应答信号的数据包等功能,所以可以自动重发丢失的数据包,可以确保用户终端的可靠性。 在低成本、易开发方面,陈志谦表示：“由于全部的射频部分、协议和滤波都集成在了芯片里,所以降低了用户的成本,建立一个完整的系统所需的外部元件是晶振、电阻、电容和低成本的MCU,MCU和nRF24L01通过异步串行口或同步串行口连接。” nRF24L01 内嵌了ANT协议,可以方便地组建无线网络。ANT是一个无线个人局域网（PAN）通讯
15、技术,可以确保连接数据完整性,并是一个低成本、低功耗无线网络协议。该协议调制方式是采用GFSK调制,支持星型和端对端等多种组网形式,支持的节点是2到数千个以上,所以,它不但威胁到蓝牙应用还威胁到Zigbee 应用7。nRF24L01 是NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK 调制，内部集成NORDIC 自己Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是1 对6 的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模块的GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5 个GPIO，1 个中断
16、输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU 系统构建无线通信功能8。5 无线传输网络技术存在的问题5.1 传输能力有限传感器网的传感器传输速率低，通信距离近一般只有几十到几百米。由于传感器往往工作在环境恶劣地区，更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电、潮湿、水浸等自然环境的影响，一方面造成传感器间的通信不可靠，另一方面可能是传感器出现故障、甚至损坏。5.2 其他问题由于无线传感器网络中节点节能的需要，传感器节点可以在工作和睡眠状态之间切换，传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者添加新的传感器节点到网络中，这些情况的发生都使得无线传感器网络的拓扑结构
17、在使用中很容易发生变化。此外，如果节点具备移动能力，也必定会带来网络的拓扑变化。基于网络的拓扑结构易变化，无线传感器网络具有自组织、自配置的能力。通常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而探测结果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚9。6 无线环境监测系统面临的挑战无线传感器网络不同于传统数据网络的特点，给无线传感器网络的设计与实现提出了新的挑战，主要有：6.1 低能耗、低成本无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均能耗比现有无线网络(如Bluetooth)中节点的能耗更低。因为一般的传感器节点都是基于无线传感器网络的温度采集系统的研制工
18、作在非常恶劣的环境下，所以为大量的传感器节点频繁地更换电池是不现实的。这就要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。无线传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统的成本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系统和通信协议。此外，降低系统成本的另一个重要因素是减少系统管理与维护的开销。无线传感器网络中的节点规模很大，人工的管理与维护开销很大，因此需要无线传感器网络系统具有自配置、自修复的能力。自配置是指在没有人工干预的条件下，网络中的节点能够监测到其他节点的存在并共同组成一个具有一定功能和结构的网络
19、系统。自修复是指在没有人为干预的条件下，系统能够检测到网络节点或通信链路的损坏并能够从错误状态中恢复9。6.2 安全性、实时性、智能型无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但同时会带来严重的安全问题。由于低成本的限制，一些无线传感器网络系统只能采用单频率通信机制。入侵者通过频率扫描的手段可以很容易地捕获无线传感器网络的工作频率，通过在网络中植入伪装节点，采用各种手段发动攻击。总之。保障无线传感器网络的安全是十分困难的，迫切需要提供符合无线传感器网络特点的简捷有效的安全机制。无线传感器网络是在真实的物理世界中运行的，因此，时间约束是很重要的。一些应用具有不明确的实时要求
20、。而无线传感器网络的超大规模、动态变化以及易受干扰等特点给实时设计提出了很大的挑战12。无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。由于在工作的过程中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的智能性。无线传感器网络系统的超大规模、资源严格受限和与物理世界密切相关等特点使其需要一种新的工作模式9。7 环境监测系统的软件开发环境 KEIL C51Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明
21、显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句
22、生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构:其中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用
23、直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中6。8 总结无线环境监测系统网络是目前国内外的最新研究热点，具有广阔的应用前景，将是未来社会应用最广的网络，需要各种技术支撑。通过近几年的研究，人们对无线环境监测系统固有特点的认识已经逐渐明确，并在相关技术方面取得了一些进展。但是，无线环境监测系统要真正实用化，在基础层、网络层等方面还有许多基础性问题和关键技术需要解决。总之，无线环境监测系统是一门全新的技术，还有许多课题需要科技工作者坚持不懈的努力。相信在各界人士的努力之下，无线环境监测系统将会呈现出一片新的局面，并且将会更好、更广的应用于各个行业，造福于社会。9 参考文献 1求是科
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