基于无线传感器网络和3G/4G的远程环境监测系统研究

引 言

环境监测网络是一种在线自动监测方式，它利用传感器对环境进行测量并将数据通过网络发送到监测中心，实时地对被监测地点的温度、湿度、二氧化碳浓度等环境因素进行检测，可减少工作人员的工作量 ；通过分析数据，可及时确定环境质量及其变化趋势，广泛用于灾害预测、空气质量监测、酸雨监测、辐射监测、水质监测等重要领域[1]。目前，现有的环境监测系统主要采用有线信号传输，该方式布线复杂，传输距离受限，系统可靠性和稳定性均有待提高[2]。而且，现有的监测节点采用的普通电池电量有限，需要定期人工更换， 对于可能存在安全隐患的特殊野外环境，工人不便频繁前往， 因此现有系统还存在不便于维护的缺陷。

本文针对上述系统中存在的问题，提出了一种基于无线传感器网络和 3G/4G 技术的远程环境监测系统。该系统通过传感器对环境数据进行实时监测，通过 3G/4G 模块实现数据的无线通信，通过太阳能电池和蓄电池供电，能克服现有系统存在的问题，兼具环保和低功耗等特点，还可实现对远距离环境的监测。

1 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由 部署在被监测区域内大量静止或运动的传感器节点和汇聚节点 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 作用是协调感知、采集、处理和传输被检测区域内被监测对 象的信息，并将这些数据传送至网络的数据中心。目前被广 泛应用于军事、救灾、环境、医疗、工业等方面。

WSN 的显著特点是电池能量有限、部署迅捷、高容错性 和强隐蔽性的自组织的网络拓扑结构 [3]。由于传感器节点电池 能量有限，因此在非工作状态下，传感器节点应处于休眠状态 以减少功耗。传感器节点的计算能力和无线通信能力使得传 感器网络能及时对环境的变化、网络自身的变化、网络控制指 令做出反应，特别适合在恶劣环境下工作。

2 系统结构设计

本环境监测系统所用的WSN 由传感器群（节点）和至少1 台汇聚设备（汇聚节点）组成。它们之间采用 ZigBee 协议进行自组网和无线数据传输。

汇聚设备配有 3G/4G 模块，负责将采集的环境信息通过互联网上传至数据中心。

数据中心为TCP/IP 服务器或UPD 服务器，与传感器汇聚节点通过无线移动公网进行数据交换。其本身则通过无线、专线或Internet 接入无线移动公网。本系统结构图如图1 所示。

3 系统硬件设计

汇聚设备主要由控制器、通信模块、电源管理模块、供电模块、机体构成。其中供电模块包含位于机体外部的太阳能电池阵列和位于机体内部的电池组，它们经电源管理模块相连， 并且通过电源管理模块向设备内部各模块供电 ；传感器组分布于环境中，以无线方式与控制器通信。具体结构框图如图２ 所示。

3.1 传感器群

传感器群由若干传感器单位组成，分布于汇聚设备周围。每个单元采集至少1 种环境信息，并通过ZigBee 无线数据网络传送数据至汇聚设备，并接收由汇聚设备转发的远程控制指令 ；每个传感器单元能够自动进行功耗管理，以延长工作时间。

3.2 通信模块

用于发送传感器数据和接收远端指令。采用无线通信可 以使得监测系统用于任何有无线通信网络覆盖的地区，降低 数据传输成本，提高系统安装的便捷性。远程无线通信可以 采用 3G/4G 网络，使用 TCP/IP 协议或 UDP 协议接入互联网， 保证数据传输速度和质量。通信模块需要在雷雨天气下传输 数据，是雷击目标，可通过并联防雷模块保证其安全性。

3.3 电源管理模块及太阳能电池

电源管理模块内部包括充电电路及电压转换电路，负责 将太阳能电池板发出的电量单向输送给电池组充电，并控制蓄 电池单向其它设备供电，具有充放电过保护功能和充放电稳 压功能，避免蓄电池过度充电和过度放电，保证充放电质量， 延长电池使用寿命。

3.4 机体设计

为系统在野外环境下提供长期有效防护，防止机箱内进 水、腐蚀、虫咬，可采用铝合金材料或经热浸锌处理的钢材料， 开合处加密封垫或其他密封材料，机箱与外部接线的孔用橡 胶环并灌注密封胶。机箱也可采用其他有效密封方法和满足性能的材料。

4 系统软件设计

4.1 通信协议

本系统中，传感器群和汇聚设备间采用 ZigBee 协议，该 协议适用于低速短距传输的无线传感器网络，具有低功耗、 低成本、短时延、大容量、安全性好的优点，广泛应用于工业、农业自动化智能化等领域。在本系统中，采用 ZigBee 协议还 可以根据不同需求对传感器节点实现任意增减或者改变网络 的拓扑结构。

4.2 软件流程设计

5 结 语

本文提出了基于 WSN 和 3G/4G 的远程环境监测系统， 解决了有线传输布局范围小、维护困难等问题，实现了对被监 测点的实时监测，在很大程度上节省了人力成本，便于对环境 信息进行统一管理。同时，该系统采用太阳能电池供电和功耗 管理，不需要人工频繁更换电源，特别适用于存在安全隐患 的野外环境。