时间：2022-07-29 00:08:13
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇无线环境监测，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0192-01
1 方案设计与论证
1.1 无线收发模块
（1）方案比较：方案一：采用编解码集成电路PT2262/2272，其为CMOS工艺制造，具有低功耗、外部元器件少，工作电压范围宽：2.6～15v等特点，应用于车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控等方面。方案二：采用XEMICS公司推出的CMOS超低功率传输器、单片无线收发芯片XE1209，其适用于小范围低频、音频资料传输系统，可以实现2次连续相位频率位移键控调制（FSK）。方案三：以MELEXIS公司的单片射频收发芯片TH7122作为主要芯片，其工作频率范围在27MHz～930MHz，具有很宽的调谐范围。可以工作在4种不同的状态下：待机状态、发送状态、接收状态和空闲状态。（2）方案确定：综合分析以上三种方案的优缺点，方案三具有更大的优越性、灵活性，因此我们采用方案三作为具体实施的方案。
1.2 处理器比较与选择
由于本系统中的两个探测点采用两节1.5V干电池供电，并要求尽量降低各探测节点的功耗，因此采用一般的C51单片机并不满足要求。而ARM微控制器STM32系列虽然具有丰富的资源、强大的功能与低功耗等特点，但是其性价比相对来说比较高，整机电路也比较复杂，故也不选取。因此在保证满足要求的前提下，我们选择了适合于许多要求高集成度、低成本的P89LPC922微控制器，其集成了许多系统级的功能，大大减少了元件的数目并降低系统的成本。
1.3 显示器比较与选择
（1）方案比较。方案一：采用DM-162液晶显示模块，具有低功耗、模块结构紧凑、轻巧、装配容易等特点，但是其界面比较小，不能达到比较好显示的效果。方案二：采用汉字图形点阵液晶显示模块RT12864M，可显示的内容非常丰富，但是其功耗相对高于NOKIA 5110。方案三：采用NOKIA5110手机液晶，其驱动采用低功耗的CMOS LCD控制驱动器PCD8544，所有的显示功能集成在一块芯片上，所需外部元件很少且功耗小。（2）方案确定。综合以上分析，从功耗与性价比的角度来考虑，我们选择方案三作为显示模块。（3）信道调制方式。由于无线收发芯片已经确定使用了单片射频收发芯片TH7122，其在发射模式下产生载波频率，可以采用FSK/ASK/FM三种调制方式，但是在本系统中我们固定了载波频率为27MHz，再综合这三种调制方式的特点，另外FSK对鉴频器的参数非常高，对调试不是很方便，因此在这里采用ASK调制方式作为具体实现的方案。（4）总体方案根据以上分析与论证，我们确定了总体设计方案：监测终端硬件以P89LPC922为主控制器，以液晶5110、无线收发模块为受控模块。探测点也以P89LPC922为主控制器，以无线收发模块、光电传感器与温度传感器为受控模块。（如图1）
2 系统测试及数据分析
2.1 测试仪器及设备
（1）UT30D数字万用表。（2）SS-7802 20M数字示波器。
2.2 测试方法及数据
（1）测试方法。1）分模块进行测试：对探测节点的光照检测进行测试，验证它是否能正常工作；对探测节点的温度检测进行测试，验证它是否能正常工作；对无线通信模块进行测试，验证是否能正常通信。2）保证各模块正常工作之后，再进行整机测试。（2）数据记录。直接对单个光敏电阻进行光照变化时的阻值测量，记录数据如下：（如表1）
2.3 数据分析
以上对光敏电阻阻值的测量，由于光敏电阻本身的特性与操作方法的原因，所记录的数据只是针对于某个特定情况之下，其实光敏电阻的阻值是随光照强度的变化而变化的。
3 结语
本系统主要由P89LPC922微控制器、单片射频收发芯片TH7122、低耗电数字温度传感器TMP102等构成，很好地实现了外部环境的监测：光照与温度，并且性能比较好。很有市场前途。
参考文献
[1]高吉祥，主编.高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，2007年.
【关键词】无线传感器网络 ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 数据融合
近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。通过在监测区域内布署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集量化、处理融合和传输应用。无线传感器网络技术是应用性非常强的技术，它在当前我国环境监测系统中的应用潜力是巨大的。
一、无线传感器网络和ZigBee
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络系统。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，在工业自动化领域，利用无线传感器网络技术实现远程检测、控制，从而极大地扩展现有网络的功能。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee协议
1、IEEE 802.15.4标准
IEEE标准化协会针对无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术为低速无线个人区域网络（LR—WPAN）制定了IEEE 802.15.4标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。同时ZigBee联盟也开始推出与之相配套的网络层及应用层的协议，目的是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。该标准一出现短短一年多的时间内便有上百家集成电路、运营商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自发成立了若干联盟。IEEE 802.15.4/ZigBee协议栈结构如图1所示。协议栈中物理层与MAC层由IEEE定义，网络层与应用程序框架由ZigBee联盟定义，上层应用程序由用户自行定义。
2、ZigBee标准
ZigBee这个字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之电磁干扰。因此，经过人们长期努力，zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。
ZigBee网络是自组织的，并能实现自我功能恢复，动态路由，自动组网，直序扩频的方式故非常具有吸引力。节点搜索其它节点，并利用软件“选中”某个节点后进行自动链接。它指定地址，提供路由表以识别已经证实的通信伙伴。
三、无线传感器网络技术特点
无线传感器网络由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过自我组织、自我愈合的方式组成网络。区域中分散的无线传感器节点通过自组织方式形成传感器网络。节点负责采集周围的相关信息，并采用多跳方式将这些信息通过Internet或其他网络传递到远端的监控设备。
四、系统概述
环境监测应用中无线传感器网络属于层次型的异构网络结构，最底层为部署在实际监测环境中的传感器节点。向上层依次为传输网络，基站，最终连接到Internet。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，传感器节点的体系结构如图2所示。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度往往很大，并且可能部署在若干个不相邻的监控区域内，从而形成多个传感器网络。传感器节点将感应到的数据传送到一个网关节点，网关节点负责将传感器节点传来的数据经由一个传输网络发送到基站上。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。基站是能够和Internet
相连的一台计算机（或卫星通信站），它将传感数据通过Internet发送到数据处理中心，同时它还具有一个本地数据库副本以缓存最新的传感数据。监护人员（或用户）可以通过任意一台连入Internet的终端访问数据中心，或者向基站发出命令。基于无线传感器网络的环境监测系统适合于在煤矿、油田安全监测，温室环境监测、环保部门的大气监测、突发性环境事故的预测及分析、特殊污染企业的监测，生物群种的生态环境监测以及家庭、办公室及商场空气质量监测等领域应用。
五、系统应用特点及架构
1、系统特点
利用无线传感器网络实现环境监测的应用领域一般具有以下特点：
（1）无人环境、环境恶劣或超远距离情况下信息的采集和传送，保证系统工业级品质安全可靠。（2）生物群种对于外来因素非常敏感，人类直接进行的生态环境监控可能反而会破坏环境的完整性，包括影响生态环境中种群的习性和分布等。（3）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。（4）系统实施、运行费用要低，无需铺设大量电缆，支持临时性安装，系统易于扩展和更新。（5）具有数据存储和归档能力，能够使大量的传感数据存储到后台或远程数据库，并能够进行离线的数据挖掘，数据分析也是系统实现中非常重要的一个方面。
2、系统架构
（1）矿井安全监控
矿井利用无线传感器网络实现井下安全监控的系统结构框图如图3所示。传感器节点负责井下多点数据采集，主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、风速和气压等参数，通过井场监控终端（基站）和地面基站传送给后台监控中心。后台监护人员通过该监测系统可及时、有效、全面的掌握矿井情况，有利于矿井实施指挥调度、安全监测，从而可以有效的防止矿井事故的发生。
（2）生态环境监测
传感器网络在生态环境监测方面的应用非常典型。美国加州大学伯克利分校计算机系3Intel实验室和大西洋学院（The College of the Atlantic，COA）联合开展了一个名为“in—situ”的利用传感器网络监控海岛生态环境的项目。该研究组在大鸭岛（Great Ducklsland）上部署了由43个传感器节点组成的传感器网络，节点上安装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。如使用光敏传感器、数字温湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境；使用低能耗的被动红外传感器监测巢穴的使用情况，系统的结构框图如图4所不。
（3）智能家居
无线传感器网络还可以应用于家居中，其家用远程环境监控系统的结构框图如图5所示。通过在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，用户可以通过远程监控系统完成对家电的远程遥控，例如用户可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享受适合的室温，从而给用户提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。
六、关键技术研究
1、数据融合技术
环境监测应用的最终目标是对监测环境的数据采样和数据收集。采样频率和精度由具体应用确定，并由控制中心向传感器网络发出指令。对于传感器节点来说，需要考虑采样数据量和能量消耗之间的折中。处于监控区域边缘的节点由于只需要将收集的数据发送给基站，能量消耗相对较少，而靠近基站的节点由于同时还需要为边缘节点路由数据，消耗的能量要多2个数量级左右。因此，边缘节点必须对采集到的数据进行一定的压缩和融合处理后再发送给基站。Intel实验室的实验中使用了标准的Huffman算法和Lempel—Ziv算法对原始数据进行压缩，使得数据通信量减少了2～4个数量级。如果使用类似于GSM语音压缩机制的有损算法进一步处理，还可以获得更好的压缩效果。表1表明了几种经典压缩算法的压缩效果。
2、安全管理
传统网络中的许多安全策略和机制不再适合于无线传感器网络，主要表现在以下四个方面：（1）无线传感器网络缺乏基础设施支持，没有中心授权和认证机构，节点的计算能力很低，这些都使得传统的加密和认证机制在无线传感器网络中难以实现，并且节点之间难以建立起信任关系；（2）有限的计算和能源资源往往需要系统对各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量，如安全路由技术等；（3）无线传感器网络任务的协作特性和路由的局部特性使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄露必然威胁网络的安全，所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这种耦合性；（4）在无线传感器网络中，由于节点的移动性和无线信道的时变特性，使得网络拓扑结构、网络成员及其各成员之间的信任关系处于动态变化之中。目前无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面已经定义了完整有效的机制和算法，安全管理方面目前以密钥预分布模型作为安全初始化和维护的主要机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表性的算法。
七、展望
环境监测是一类典型的传感器网络应用，在实际的应用中还有很多关键技术，包括节点部署、远程控制、数据采样和通信机制等。由于传感器网络具有很强的应用相关性，在环境监测应用中的关键技术需要根据实际情况进行具体的研究。并且随着无线传感器网络技术的日益成熟和完善，我们还可以在各个方面开展许多新的应用，比如军用传感网络可以监测战场的态势；交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向等相关参数；监视传感网络可以用于商场、银行等场合来提高安全性。可以预见，随着无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深入和传感网络应用的不断普及，无线传感器网络将给人们的工作和生活带来更多的方便。
参考文献
[1]马祖长，孙怡宁，梅涛，无线传感器网络综述.通信学报
[2]丰原.无线传感器网络
[3]郦亮.802.15.4标准及其应用.电子设计应用
【关键词】农田环境信息监测 GPRS 无线传感器
1 农田环境信息监测系统的简要介绍
在应用农田环境信息监测系统的时候，能够有效的实现农田种植的精准性，将复杂的农田系统与信息技术结合在一起，以最低的投入实现高效的农田种植，同时还可以实现农田环境的最高利用，利用各类的农业资源获取最好的经济效益以及环境效益。
在农田种植的过程中，农田的覆盖面积普遍较大，种植的环境相对较差，导致在农田种植的过程中就无法广阔的开辟农田信息的获取途径，并且在无形之中导致了农田种植信息采集的高成本，对农田耕作造成较大的影响，在这一问题的影响下，使用无线传感网络可以开辟一个全新的信息获取以及无线通信的平台，借此来实现各类农田环境信息的采集以及收集。
在应用无线网络GPS/GSM技术实现远距离通信的时候工作效率较高，但是也村子着网络延时的问题，只是适用于农田数据传输量较小的情况，并且在实施农业信息系统的时候要求实时性较低，但是在应用ZigBee无线传感网络数据传输的时候可以实现长距离、大范围的布置传感器节点，借此来对农田种植中的各种信息，例如：土地PH值、空气温湿度、光照强度以及土壤温湿度等等进行短距离以及长距离的通信，逐渐将数据采集广泛的应用在农业控制领域中，不断的提高农田的收成率。
2 在农田检测系统应用ZigBee无线传感器的设计原理以及设计结构
农田检测系统呢主要是由ZigBee无线传感器、嵌入GPRS的ARM网关以及上位机软件构成，其中ZigBee无线传感器位于核心地位，控制农田中设置的多个测量土壤PH值传感器、空气温湿度传感器、光照传感器以及土壤温湿度传感器等等，这样可以将农田中有关种植的信息数据采集、数据处理、数据存储，并向协调器传递数据信息，在农田信息监测系统中，ARM网关集成了ZigBee无线传感器和GPRS模块，借助协调器实现了微型传感器的节点的采集，并借助网关实现与网络系统中各个节点之间的信息交互，同时将数据分享到远程监控中心。
上位机软件以及服务器可以从ARM网关中接收到各类型的信息，并对所接收的信息进行数据解析、处理、查询、统计以及查询，同时还可以将各类型的数据制作成图表，并通过向各个传感器节点传输控制命令来实现对各类型的传感器进行参数设置，使得每一个农田检测系统的使用者可以在任何时间地点都登陆服务器获取想要的服务，也就是在线的实现对农田监测信息系统中存储的信息并进行远程的参数设置。
3 农田监测系统的硬件结构设计
3.1 针对微型传感器节点的设计
微型传感器在农田信息检测系统中主要负责农田环境信息的采集，并将获得的信息转化为数字信号，进行下一步的传递与处理。在设计微型传感器节点结构设计的时候，必备的设备就是传感器、信号调理电路、A/D转换器、微型处理器、射频通信以及电源模块，在必备设备的基础上，针对微型处理器的不同应用用途（例如：土壤PH值、空气温湿度、光照强度以及土壤温湿度等等）实现进一步的微型处理器的结构完善，在结合实际用途的过程中，对微型处理器的能量消耗、测量范围以及精度等基本使用属性进行完善。
有效的处理好微型处理器结构的之后，在农田监测系统运作的过程中就能够在各个节点之间实现相互协作完成对农田环境信息的全方位手机，并将收集到的所有数据汇集到无线传感器的网络协调器中。
3.2 ARM网关的结构设计
在进行ARM网关硬件结构设计的时候，必要的结构设备就是ZigBee协调器、GPRS模块以及ARM控制器这三部分，并且ZigBee协调器是其中最核心的部位，并在协调器的部分设置一定数量的接口，最常用的接口就是串口以及通用的IO接口，总体看来，微型处理器与ARM网关硬件结构在一定程度上具有相同性，但是在软件系统的应用上存在一定的差异，其中GPRS模块结构选择的是集成的SIM300模块，内部应用的是TCP/IP协议，在运转的过程中支持AT指令的运行，而ARM控制器的主要功能就是协调ZigBee协调器以及GPRS/GSM实现了信息之间的交互以及处理，同时利用串行口以及存储器实现更多功能模块的接入。
4 农田环境监测系统的软件设计
4.1 ZigBee网络数据采集以及传输程序的设计
微型传感器采用的数据采集方式是在ZigBee 2010 PRO协议栈的基础上完成的，一旦完成了ZigBee网站之后，微型处理器能够通过各个节点对农田环境信息数据机进行周期性的收集，在每次信息收集完成之后，就会自动的进入到休眠的模式，这样可以降低长时间运转的能量消耗，降低了农田环境监测系统的运转成本，在数据收集完成之后，将所有搜集到的数据进行整体打包，通过树形拖布结构将数据包发送到ZigBee网站中。
4.2 上位机软件设计
在进行上位机软件设计的时候，是在Windows操作系统以及Qt应用开发框架的环境内实现的，上位机软件的主要功能包括了数据管理以及远程信息监控。
在进行数据管理模块设计的时候，应当合理的兼顾数据接收、解析以及存储处理等功能，其中，关于数据接收功能设计的时候采用的技术是Socket技术，并在服务器端口的辅助下将所收集到的数据传输到数据库中，同时还要使用数据帧协议进行解释。
而在进行信息检测模块设计的时候，要兼顾数据显示、信息查询以及图标自动生成的功能，这样能够提高农田环境监测系统用户对于环境信息的浏览以及查询服务的质量。
参考文献
[1]熊攀.基于ZigBee和GPRS的无线环境监测系统[D].湖北大学，2014.
[2]刘坚，陶正苏，陈德富，等.基于GPRS的环境监测系统的设计[J].自动化仪表，2009，30（2）：30-32.
作者单位
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.
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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作者：胡展铭姜文博江伟伟陈元陈伟斌单位：国家海洋环境监测中心
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］。
结语
由于海洋环境监测的特点和发展趋势，适合以水声通信和移动通信作为数据传输载体，因此结合海床基和浮标，基于水声和移动通信技术构建的监测系统，应用于海洋环境监测领域是完全可行的。该系统可实现对海洋环境的智能监测，并将监测终端数据异地可视化，达到动态监测海洋环境的功能，通过改变监测终端传感器的类型可实现功能更全面的监测，该系统可提高监测效率、运行成本较低，具有一定的推广价值。随着通信、地理信息系统和物联网技术的发展，未来的海洋环境监测无线通信网既可以实时获取大范围的海洋信息，也可以快速、便捷地传递、控制和管理各种信息。因此，通信技术必将在海洋环境监测中发挥越来越重要的作用。
关键词：云平台 农田环境 无线监测 嵌入式
中图分类号：TP274；S126 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0140-02
1 引言
21世纪的农业是信息高度集成化的智慧农业，在农业领域中充分发挥科技的力量势在必行。智慧农业是农业发展的新潮流，是未来农业可持续发展的必经之路。发展智慧农业需要大量有效和及时准确的农田环境信息，获取农田环境信息是智慧农业实现的关键之一。近年来，农田环境信息获取的方法和手段不断提高和丰富，但从总体上看，还存在一些问题有待解决，如：环境信息采集过程应用的手段还相对落后、采集效率不高；传输方式受布线难、传输距离短、现场环境复杂等限制；同时由于农田分散、且多无人看管、设备多，管理工作需要进一步完善。
为此，笔者设计了基于GPRS、云平台和无线传感器网络技术的监测系统，能够实现实时监测农田环境的各种参数，以解决上述问题。对于提高农业耕作精细化程度，减少人力资源投入，农业生产大数据的研究等都具有重要的科学意义，对智慧农业的推广发展具有深远影响。
2 农田环境监测系统
农田环境监测系统主要由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器构成。在大棚和农田里安装的是农田环境监测智能终端，它由太阳能电池板供电，无需外接电源，并且由程序控制为低能耗节能模式可常年累月运行，保证对农作物整个生长周期进行无缝监控。智能终端可以同时配备温度、湿度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤水分、土壤养分、土壤酸碱度、污染物（COD、BOD）等传感器。用这些传感器感知作物生长土壤、空气、光照等环境参数，转变成数据形式，通过GPRS无线通信网络上送到云服务器，进行分类、存储、统计和分析。
通过互联网浏览器访问平台网站，或者手机客户端查询相应农田环境数据的变换和报警信息。大量智能终端安装到农田大棚，长时间运行后，云服务器就会存储海量的农田环境数据。农业科研专家通过建立农作物生长模型分析这些海量数据，对历年作物品质、产量、环境数据进行分析对照，预测作物生长及产量情况，及时提出合理的农田耕作和管理的指导建议，为农业生产、发展精准农业、智慧农业提供技术支撑和科学依据。
2.1 农田环境监测参数选择
影响农田环境的参数很多，我们从中选取了对植物影响重要，而且便于在线测量如农田环境地表空气温度、湿度、CO2、NO2，表面光照、土壤温度、土壤含水量、土壤养分、土壤酸碱度等参数作为农田环境的监测量。
2.2 农田环境监测系统构成
农田环境监测系统由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器以及环境监测分析软件以及移动设备客户端软件等构成。
监测终端是采用嵌入式结构，内部集成了GPRS通讯设备；16路0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA等模拟量信号传感器接口；6路IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等通讯信号传感器接口；并提供锂电池、太阳能等电源输入接口和DC3.3V1A或DC5V0.5A或DC24V0.1A电源输出接口。测控终端除了具有监测终端的功能外，还带有8路继电器、2路PWM控制接口。
环境传感器选择有线的，DC3.3V或DC5V或DC24V供电，并且支持0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等信号接口之一的传感器，无需任何信号转换器就可以直接与监测终端连接。如果选择其他信号接口的传感器，需要外加信号转换器。
2.3 系统工作原理
在待测农田、大棚等相应位置安装农田环境传感器、监测终端以及太阳能板。如果需要，还可以安装一块或多块本地公共显示屏，用作实时显示监测数据和分析情况。
环境传感器将各种物理量转换成0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB之一的电信号，通过测控终端采集变为实时数据，经过嵌入在终端内部的硬件和软件数据滤波后加上时间戳和物理量类型，形成数据记录，保存在测控终端的Flash存储器中，同时由GPRS通讯上送到云服务器和本地公共显示屏。
云服务器收到测控终端上送的数据，进行分类、汇总保存到云数据库中。远程计算机的测试分析软件系统，通过互联网或GPRS，访问云服务器数据库，进行综合分析，将分析结果送回云服务器，供研究分析、本地公共显示屏显示、远程或移动客户端查询用。
3 农田环境监测数据处理
3.1 监测终端数据滤波
受地域或自然环境影响，监测数据极易受到农田劳作、环境扰动等的外界因素干扰。要想反映实际情况的监测数据，需要将采集到的数据进行滤波处理，因此，除了在硬件电路对采集量进行滤波外，还必须针对不同监测量，在软件上通过相应的数字滤波[2]进行处理。
采集终端将采集到的空气温湿度、土壤温度、含水量和光照强度等模拟信号转换成数字量后，通过公式计算出的环境参数的平均变化率。
监测终端根据其平均变化率，自动选择合适的数字滤波方法。例如像温度、湿度等大部分农田环境参数变化缓慢的监测量，即当
（1）
其中，y（t）为滤波后的当前采集值，f（x）为当前实测值，T0为滑动滤波长度。系统软件将新数据放入到滤波队列的队尾，扔掉最早采集的数据，滤波后的输出总是固定滤波长度的算术平均值。
当0.25
当0.55
3.2 监测结果
利用客户端分析软件从云端服务器获取监测数据，进行统计分析，从中选取了一块具有代表性的农田大棚，安装了一套监测终端，运行一段时间后，摘录了其中24小时的棚内空气温度、湿度、CO2含量和土壤温度、含水量、光照强度等参数监测曲线如图1所示。
4 结语
通过GPRS网络和云服务器，该系统可以无线远程实时监测农田环境数据。与传统农田环境采集系统相比，该系统减少人力和物力投入，缩短环境信息采集周期；与已有的无线采集系统相比，该系统对信号处理具有更好的收敛性，且通过云服务器存储数据更加稳定且智能。该系统对于发展精准农业和智慧农业起一定推动作用。
参考文献
[1]陈艳秋.基于WebGIS的田间环境监测系统平台的设计与实现[D].东北农业大学，2012.
关键词：环境监测；ZigBee；WiFi；无线网关
中图分类号：X83 文献标识码：A
引言
随着环保意识的日益加强，对于环境的监测要求越来越高，不仅监测的参数越来越多，而且监测范围越来越细，手段也更加灵活。因此，用信息技术来提升环境监测设备不仅可能而且必要。早期环境监测设备中的监控数据多采用有线传输或者人工抄表，因其布线繁冗，成本高，位置固定，灵活度低而受到很大限制。智能化的数据采集处理与无线传输是环境监测设备的重要发展趋势。
ZigBee是目前应用最为广泛的近场无线通信技术之一，具有自组织、低成本、低功耗、高可靠性和短时延的特点，是需要较多传感控制节点应用的首选。ZigBee工作在2.4GHz ISM频段，最多可容纳65536个节点，节点不仅能进行数据采集，还能以多跳的方式承担网内节点的数据转发。但ZigBee单跳通信距离较短，数据传输速率最高仅为250kb/s@2.4GHz且不能直接与Internet互联[1]。
为了拓展通信距离和实现远程应用，文献【2】直接给出了基于WiFi的监控方案，但是WiFi节点功耗相对较高，组网方式限制了其覆盖范围。文献【3】采用ZigBee和以太网相结合的方式实现数据采集与远程应用，具体是通过ARM+Linux控制通信模块，如GPRS/CDMA或其他以太网接口来实现的。ARM芯片分别与ZigBee和通信模块相连，通过运行ARM中Linux平台上的代码进行总体控制和协议转换，此类方案虽可实现ZigBee与以太网之间的协议转换，但是网关的功耗大，成本高，协议转换效率低，可靠性与稳定性相对较差。
为充分利用ZigBee和WiFi的优点，实现设施环境监测数据与Internet无缝链接，拓展设施环境监测设备的应用范围。本文给出并实现了一种新的ZigBee-WiFi无线网关，该网关以STM32W108及AX22001为核心芯片，通过固化在芯片中的代码实现ZigBee网络与WiFi网络的协议转换，经测试，该无线网关稳定可靠，功耗低，能够满足设现代环境监测对数据采集、无线传输和数据远程应用的要求。
1.网关硬件设计与实现
ZigBee-WiFi无线网关位于ZigBee网络和WiFi网络之间，实现两种不同协议的转换。本文设计并实现的网关既是ZigBee网络的协调器，负责构建和配置整个ZigBee无线传感器网络，又是WiFi的无线节点，具有收集分发ZigBee节点数据、协议转换功能。其结构和功能如图1所示：
图1 ZigBee-WiFi网关结构能功能
ZigBee部分以STM32W108CBU61为核心芯片，它是集成了符合IEEE 802.15.4标准2.4GHz收发器的32位ARM Cortex-M3微处理器，固化了Ember ZigBee协议栈，支持星型、树状和网状三种ZigBee基本网络结构[6]。
网关中ZigBee射频部分在使用片内功率放大器时，无阻挡传输距离约为75M，能够满足布局简单，范围较小的场合。
网关中WiFi部分主控核心芯片AX22001是内置802.11无线网MAC/基带双CPU架构的TCP/IP微处理器，其中MCPU负责应用程序和TCP/IP协议处理，WCPU则负责WLAN协议处理以及以太网封包格式的转换，支持软件设置TCP 服务器、TCP客户端以及UDP工作模式。WiFi射频部分的核心芯片是AL2230S，它工作于2.4GHz频段，支持802.11b/g。STM32W108与AX22001间的数据交换通过UART完成。
ZigBee和WiFi都使用2.4GHz ISM频段，其间干扰是影响网关稳定工作的重要因素。ZigBee将工作得2.4GHz频段划分为16个信道，信道带宽为2MHz；WiFi则将该频段划分为11个信道，信道带宽为22MHz。ZigBee与WiFi有12个信道重叠，无重叠信道最多有4个，如图2所示。
图2 WiFi与ZigBee信道分配图
虽然ZigBee信号相对于WiFi属于窄带干扰源，WiFi通过扩频技术可以充分抑制ZigBee信号。同时ZigBee网络在信道访问上采用了CSMA-CA碰撞避免机制，通过检测信道上能量判断信道状态，这种信道占用检测和动态信道选择的方式对ZigBee和WiFi抗同频干扰，实现共存非常重要[7] 。在网关的硬件设计中仍需尽可能的将ZigBee和WiFi模块隔开且用铁壳覆盖以减少辐射外泄，软件设置ZigBee与WiFi信道选择范围，以减少二者信道相互重叠的可能性。此外，ZigBee和WiFi模块分别单独供电，软件实现“时分复用”，尽可能避免出现ZigBee和WiFi同时发送数据的情况出现，提高网关无线数据传输的可靠性和稳定性。
2.网关软件设计与实现
ZigBee采用IEEE 802.15.4协议，根据节点地址进行通信，WiFi采用TCP/IP协议，根据IP地址进行通信。ZigBee传感节点采集到的数据按照IEEE 802.15.4协议传送到网关，网关解析出数据的有效载荷并转发给WiFi网络。当WiFi网络需要发送数据给ZigBee中节点时，网关会根据TCP/IP数据包中含有的ZigBee节点地址将有效数据转发到指定节点。网关软件通过调用协议栈建立并维护网络通信，数据转换在应用层上实现。
网关中ZigBee模块作为协调器，负责ZigBee网络的建立，信息接收、汇总及传输。协调器上电后扫描信道创建ZigBee网络，选定一个PANID作为协调器的网络标识，创建路由表，广播网络允许节点加入网络。ZigBee模块的工作流程如图3所示：
图3 ZigBee协调器工作流程图
WiFi模块负责WiFi网络中的数据收发，支持AD-HOC直连和基础网络模式两种通信模式。本文将WiFi节点配置成基础网络模式，通过无线路由与上位机进行数据交换。WiFi模块上电后，初始化硬件和网络协议栈，设置模块参数，扫描信道加入无线局域网络。图4为WiFi模块工作流程图：
图4 WiFi模块工作流程图
ZigBee向WiFi发送数据：网关内的ZigBee协调器接收到节点传来的数据后将其与发送节点地址通过UART发送给AX22001主MCU，运行在主MCU中的程序将数据及节点地址打包通过WiFi发送出去。WiFi向ZigBee发送数据：AX22001主MCU将接收到的IP数据包解包提取目的节点地址和数据，通过UART将其发送给网关内的ZigBee协调器，协调器根据目的节点地址将数据发送到指定节点上。
3.系统测试与结果分析
为测试ZigBee-WiFi无线网关的运行情况，本文采用多线程技术开发了上位机监控测试程序，其中主线程用来接收数据，发送线程用来发送数据。ZigBee-WiFi网关与测试程序之间通信通过Socket套接字来完成，网关运行在服务器模式下，测试程序运行在客户端模式下，通信流程如图5所示。
图5 socket通信流程图
测试时将ZigBee采集节点设置为全功能路由节点，外接温湿度、光强、二氧化碳浓度传感器。在一112M×49M食品生产车间中布置15个数据采集结点，测试程序运行在PC上，配置PC使得ZigBee-WiFi网关和PC工作在同一无线网络中。ZigBee-WiFi网关首先加电启动，然后运行位于WiFi网络中PC上的测试程序，输入指定的IP地址和端口后，点击连接。接收数据结果如图6所示。
图6 上位机接收数据
接收到的数据包括ZigBee节点64位全球唯一的物理地址地址，如图中“0080E102001BC0A8”，接收到的信号的强度RSSI，该参数可被用来判定链接质量，其余分别为传感器测得的环境参数值。同时上位机通过WiFi向ZigBee中所有节点循环依次发送数据，ZigBee节点均可正确接收。经多天连续运行测试，数据传输多在单跳内完成且时延小于10ms，丢包与信号强度及频率有关，据测试结果可知网关丢包率小于1%。上述结果表明设计的网关节点功能符合要求且系统运行稳定、可靠。
4.结论
本文以STM32W108及AX22001为核心芯片设计并实现了一个用于环境监测中的ZigBee-WiFi无线网关。该网关能够满足ZigBee与WiFi两种不同网络间数据互联要求，实现了ZigBee网络与WiFi网络的无缝连接，拓展了ZigBee网络的覆盖范围，方便与远程环境监测系统实现无缝连接。同时，该网关较其他方案具有功耗低，结构简单，组网方便等特点。
参考文献：
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[3]韩华峰，杜克明，孙忠富 等.基于Zigbee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报，2009，25（7）：158~163.
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[5]陈琦，韩冰，秦伟俊 等. 基于Zigbee/GPRS物联网网关系统的设计与实现[J].计算机研究与发展，2011， 48（z2）：367~372.
关键词： 农场监控； 无线传感网络； ZigBee； 组态王
中D分类号： TN915?34； TP27 文献标识码： A 文章编号： 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
农业从最初的原始农业发展到了传统农业，同时随着科学技术的发展现代农业已经逐渐开始替代了传统农业，成为农业未来的主要发展形式[1]。在农业生产技术逐渐发展的过程中需要实时、精确以及动态地获取田间信息。其中田间信息主要包含作物生长信息，光照强度、湿度以及空气温度等农田周围环境信息，地理位置信息以及土壤水分、电导率、pH值等土壤属性信息。应当通过无线处理、分析和传输所采集的数据，进而管理田间农业，这样对于农业生产以及农业管理有非常积极的作用[2]。
1 系统总体结构
为了对农作物生长的最佳条件进行确定，需要对二氧化碳浓度、光照强度、空气温湿度、降水量、土壤养分以及土壤水分等因素进行测量，这样在调控农业生产的过程中就能够通过参考这些数据来提升经济效益、调节生长周期以及改善农作物品质。通常情况下农田具有较广的覆盖面积，但是不具有较大的地势起伏，同时农田周围具有较为空旷的环境，高压电塔以及基站等不会造成相应的干扰，所以利用无线通信技术来对农作物环境信息进行获取具有较强的实用效果[3]。
监理网关以及采集区域是整个无线传感网络的农场智能监控系统的主要组成部分。农田中ZigBee节点组成了采集区域，能够对农田环境的相关信息进行采集，进而利用节点间路由关系有效地传输数据，这样网关节点就可以获取相关的信息[4]。
农场监控传感节点的硬件结构如图1所示。
单个无线传感采集节点主要由主控芯片和各个传感电路组成，实现对农场环境的温湿度、光强度、土壤水分及pH值进行实时监测。
接收无线网络传感器所采集的信息主要通过监测网关来实现，同时对这些信息进行处理。另外区域经纬度信息也能够通过GPS模块进行测量。这样就可以对采集区域的具置进行确定，另外还能够精确地定位农田中的传感器节点[5]。
ZigBee网络拓扑结构中，星型网络主要包含多个从属设备以及一个协调器。其中网络的控制和启动由协调器来负责，协调器能够直接实现与网络内设备的通信，同时还能够通过协调器进行数据的收发。但是这种网络受到通信范围的影响，在小范围无线通信系统中应用比较广泛。
树状网中，终端设备、协调器以及若干路由节点是树状网络的主要组成部分。网络初始参数的设定以及网络的建立由协调器来负责。通过数据的转发路由节点能够对网络通信范围进行扩展，因此网络通信具有较好的同步性，能够对网络内设备的休眠进行控制以达到节省功耗的目的。由于其具有扩展性好以及网络通信范围广的特点，因此在一些大范围无线系统中应用比较广泛[6]。网状网络能够实现完全的点对点通信。信标无法在网络中定期的发送，各个网络节点之间无法同步地进行通信，另外还需要应用同步机制来对网络进行维持。但是这种网络路由选择具有多样化的特点，同时具有较广的通信范围，因此在一些比较复杂的无线通信系统中应用比较广泛。
在距离较近以及圆形分散的无线传感器网络中星型网络比较适合。树状网络在多终端节点网络中比较适合应用。多跳式路由通信在网状网络中应用比较广泛，在一些比较分散以及距离较远的无线传感器网络中应用比较广泛。因此本文使用树状拓扑网络。
ZigBee无线网络中，路由节点、协调器、终端设备为主要设备。在整个 ZigBee网络中协调器发挥着非常关键的作用，是网络建立的基础。在完成初始化以后协调器就能够将网络设备中的网络地址进行分配，进而对物理通道进行确定。终端设备短地址的收回以及分配由路由节点来负责，另外还可以将网络中的数据进行转发。其中数据无法通过终端设备来转发 [7]。
2 ZigBee无线传感网络节点硬件系统
通信装置以及无线传感节点是系统的硬件M成部分。终端节点、路由节点以及协调器是ZigBee网络中节点的三种主要类型。采集控制模块、终端节点以及路由节点是无线传感节点的主要构成模块。GPRS 通信模块以及协调器是通信装置的主要组成部分。
无线传感网络中的网络节点能够对农场的环境状态进行检测。通过网络协议能够将每个农场区域的传感节点组合成ZigBee网络，网络的主控节点为通信装置，这种路由既能够对网络结构进行维持，又作为Internet和网络节点的接口，网络节点和后台服务器之间的数据传输能够通过该模块实现。
农场智能监控的无线传感网络系统硬件设计主要包括：对主控器最小系统、无线射频电路、供电电路以及传感采集电路进行设计。本文研究的农场智能监控的无线传感网络系统的节点中实验TI 公司2.4 GHz射频芯片 CC2530作为主控芯片。
（1） 主控器最小系统。CC2530最小系统的硬件电路如图2所示。最小系统电路是保证主控器正常运行最基本的电路[8]。
（2） 无线射频电路。在进行无线射频电路设计时，使用巴伦电路实现双端口转换单端口从而完成天线和馈线匹配最优。无线射频匹配电路如图3所示，当需要CC2530 模块向外发送数据时，差分射频端口 RF_P，RF_N将数据发送至巴伦电路转换为单端信号，再由天线发射。当需要CC2530 模块接收数据时，天线接收到的信号由巴伦电路进行转换并发送至RF_P，RF_N 端口，完成接收[9]。
（3） 供电电路。供电电路由220 V交流电源供电，通过变压器、桥堆和稳压芯片LM7812转换为供给控制器工作的12 V直流电源以及供给传感采集电路的5 V直流电源。5 V直流电源再经过LM1117?3.3芯片转换为供给CC2530芯片及电路工作的3.3 V直流电源。
（4） 温湿度传感采集。本文通过SHT10温湿度传感器采集农场环境的温湿度。如图4所示。
SHT10传感器的数据端口DATA和SCK与CC2530芯片的P1_4和P1_5端口连接[10]。
（5） 光照强度传感采集。本文使用光敏电阻MG45作为农场环境光强度的检测器件，光敏电阻能够将光能转换为电能，实现对光强度的检测。光强度对于农场作物生长具有重要作用，因此需要实时地对农场环境的光强度进行监测，为农作物叶面指数的监测提供数据支持。光敏电阻MG45传感器的数据端口与CC2530芯片的P0_0端口连接。如图5所示。
（6） 土壤水分传感采集。本文使用SWR?2型水分传感器对土壤中水分进行实时监测。水分传感器SWR?2与CC2530芯片连接如图6所示，传感器的数据端口与CC2530芯片的P0_6和P0_7端口连接[11]。
（7） 通信装置硬件。通信装置硬件的主控芯片使用LPC2368芯片，与CC2530实现数据的传输。通信装置使用华为 GTM900C 无线模块作为GPRS模块。通信装置硬件结构如图7所示。
3 农场监控上位机软件设计
本文使用组态王软件设计农场监控上位机软件的界面。通过功能划分监控软件界面，监控软件界面主要包括监控主界面、农场环境实时数据曲线界面、农场环境历史数据曲线界面、农场环境历史数据报表界面以及农场环境历史报警数据报表界面等[12]。监控主界面用于显示当前农场的总体概况和各个监测点的运行状况。监控主界面如图8所示。
农场环境实时数据曲线能够显示最近2 h内的农场环境数据，数据监测间隔为2 min。温度实时数据曲线如图9所示。光强度实时数据曲线如图10所示。
农场环境历史数据曲线界面通过调用组态王中的历史曲线控件实现，历史曲线控件能够记录农场环境历史数据并以数据曲线形式直观显示，并可对农场环境历史数据报表界面通过调用组态王中的历史报表控件实现，历史报表控件能够记录农场环境历史数据并以报表形式显示，并可对数据报表进行打印、保存以及按时间查询等。1号节点的农场环境历史数据报表如图11所示。
农场环境历史报警数据报表界面能够将组态王中的事件报警控件记录的异常报警事件以报表形式进行显示，异常报警事件通常包括无线节点信号丢失、传感节点数据超过设定的上下限值。
4 结 论
本文研究一种将ZigBee无线传感网络应用到农场环境监测的智能监控系统，对农场环境ZigBee无线传感网络的系统结构，网络拓扑结构以及硬件结构进行了设计。使用组态王软件设计农场监控上位机软件的界面。通过功能划分监控软件界面，监控软件界面主要包括监控主界面、农场环境实时数据曲线界面、农场环境历史数据曲线界面、农场环境历史数据报表界面以及农场环境历史报警数据报表界面等。
参考文献
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关键词：鄱阳湖；通用分组无线服务技术；无线传感器网络；远程监控中心
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）34-7896-02
无线传感器网络是由部署在监测区域内的体积小、成本低，具有鲁棒性、分布式、隐蔽性等特点的传感器节点所组成，这些节点具有通信能力和计算能力，通过多跳无线通信方式构成网络系统，对监控区域内的监测对象信息实时感知、采集和处理，并传送到网络终端用户。被广泛的应用于环境监测、智慧医疗、智能交通、智慧农业等方面。鄱阳湖（如图1所示）水域宽阔， 水质采样困难、数据实时处理差、水质监测对象复杂多变、监测点分散、分布范围广、环境较恶劣。监测主要采用的人工采样或便携式监测仪采集数据，采样点有限，不能实现实时高效的水环境信息监控的需求。该文在深入研究无线传感器网络的基础上，提出了一种基于无线传感器网络的鄱阳湖水环境监测系统的设计方案，对水环境监测中的几个重要指标水温、pH值、电导率、溶解氧和浊度等进行远程实时监测，实现鄱阳湖水环境信息的自动化采集，远程传输，批量处理，海量存储，优化显示，及时，为鄱阳湖水环境的保护和合理开发提供参考。
1 系统总体设计
整个信息监控系统由信息采集终端节点、传感器网络、监测区域中心节点数据远程传输和远程数据监控中心四个部分组成，系统总体构架图如图1所示。传感器终端节点主要负责传感器数据的采集和处理；无线传感器网络负责实现传感器终端节点数据经过路由节点发送监测区中心节点，实现传感器数据的采集。监测区中心节点数据远程传输部分主要负责将中心节点数据通过GPRS网络以TCP协议的形式传送到internet远程数据中心。数据监控中心负责接收来自不同监测区的数据，并对数据进行加工处理，并实时到互联网平台。
2 信息采集终端节点设计
信息采集终端节点主要以CC2530 为核心控制芯片，实现传感器信息的采集，信号的放大处理，模拟信号的数字化转换和数据的存储和转发。是传感器网络中最基本节点部分，也是最重要的节点部分。整个水环境信息采集终端节点可划分为传感器数据采集和信号处理模块、模拟信号的数字化转换模块、8051单片机数据处理模块、射频无线通信收发模块以及供电系统模块如图2所示。
传感器数据采集和信号处理模块主要使用各种水环境信息采集传感器采集信息，由于传感器采集的信号一般比较微弱，直接输入到单片机是无法处理，所以需要设计一个放大电路以保证传感器采集的信号经过放大能被单片机接收和处理。
模拟信号的数字化转换模块，大部传感器输出的都是模拟信号，而单片机只能处理数字信号，所以需要对信号进行模拟转数字的处理。
8051单片机数据处理模块是信息采集终端节点的核心部分，接收来自模数转换通道的采集数据并对其进行格式等处理，然后保存在存储器中。
射频无线通信收发模块负责将信息采集终端节点数据通过无线传感器网络传输到该采集区域的数据汇聚中心节点，实现了信息采集终端节点与采集区域的数据汇聚中心节点、信息采集终端节点与中继节点之间的数据交换功能。
供电系统模块负责整个信息采集终端节点的电源。
3 无线传感器网络设计
3.1 数据汇聚中心节点程序
数据汇聚中心节点主要负责建立无线传感器网络环境，实现其他节点能够加入或者退出该网络的功能，同时负责接收来自其他节点的的数据，对接收到的数据进行整理和规范化并通过串口传输到GPRS模块。具体程序主要有各个节点模块的的初始化程序、各个节点组网程序和汇聚数据信息的远程发送和接收远程数据信息程序等。
3.2中继路由节点程序
中继路由节点的程序和数据汇聚中心节点的程序总体上变化不大，只是在文件配置上有一些小的区别，根据使用的先后顺序，它可以成为中继路由节点，实现接收信息采集终端节点数据并发送到数据汇聚中心节点。上电后，中继路由节点发现该无线传感器网络就主动加入该网络，并将自己和找到的第一个协调器或路由节点进行连接，然后等待其他节点加入。中继路由节点在无线传感器网络中主要起到路由的作用，同时还负责网络通信的正常维护。
3.3信息采集终端节点程序
信息采集终端节点主要负责传感器信息采集，并将这些信息经中继路由节点转发给数据汇聚中心节点。信息采集终端节点首先加入该无线传感器网络，然后将自己和第一个取得联系的的数据汇聚中心节点或中继路由节点进行绑定，这样就可以进行数据信息发送与接收。
4 监测区域中心节点数据远程传输
监测区中心节点主要负责汇聚监测区终端节点的数据并通过GPRS模块以TCP协议的方式发送到远程监控中心。
4.1 TCP协议简介
TCP协议是TCP/IP协议簇中的协议之一，是传输控制协议的简称，这种协议的数据传输是一种可靠的数据传输模式，通过该协议能实现GPRS网络终端和Internet网络主机终端的数据可靠传输。在数据传输前要先建立逻辑连接，然后再传输数据，最后释放连接3个过程。该协议的特点：（1）面向连接的传输；（2）端到端的通信；（3）高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；（4）全双工方式传输；（5）采用字节流方式，即以字节为单位传输字节序列；（6）紧急数据传送功能。
4.2 GPRS模块与远程监控中心主机TCP协议通信
设置远程监控中心主机IP为192.168.2.10，端口号为12345，实现GPRS模块TCP远程通信步骤如下：（1）ATE1 握手并设置回显；（2）AT+CSQ 查询当前信号质量；（3）AT+CGREG？ 查询模块是否有注册网络；（4）AT+CGATT？ 查询模块是否附着 GPRS 网络；（5）AT+CSTT 设置APN；（6）AT+CIICR 激活移动场景；（7）AT+CIFSR 获得本地IP地址；（8）AT+CIPSTART="TCP"，"192.168.2.10"，12345 建立TCP/IP连接；（9）AT+CIPSEND 模块向远程监控中心发送数据。（10）远程监控中心向GPRS模块发送数据；（11）AT+CIPCLOSE关闭TCP连接。
5 远程数据监控中心设计
监控中心系统的设计包括基础数据管理模块、数据处理单元、水环境系统管理模块、水环境监测点信息管理模块、水环境决策
信息服务模块、水环境用户管理模块等。（1）数据信管理模块主要包括对在线监测数据的实时分类显示和历史数据进行查询、编辑、修改、删除。（2）数据处理模块主要包括对数据进行加工处理，并按年、月、日进行统计，将统计后的结果按照图形图表方式显示、打印，实现对报警记录的查询、处理。（3）系统管理模块主要包括设定浮标工作模式、传感器的采样周期和通信端口，实现监测系统信息查询、管理。（4）决策支持信息服务模块主要包括对历史数据进行归纳分析，预测水质变化趋势，为决策层提供水环境数据分析结果及依据，便于决策层制定决策。（5）用户管理模块；实现用户添加、删除、修改密码、权限管理等功能。根据不同用户赋予相应访问权限，为查询系统和决策支持信息服务提供了基本的安全保障。
6 结束语
本文利用无线传感器网络的特点将传感器节点相连接，实现了一个鄱阳湖水环境信息监控系统的设计方案，能高效地监控远程监测区域的水环境状况，实现监控的自动化、远程化、实时化、信息化。符合当前的技术发展趋势，是实现水环境保护、恢复和开发利用的重要手段和关键环节。
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【关键词】GPRS技术；城市环境；环境监测系统
1.GPRS技术概述
GPRS是英文General Packet Radio Service的缩写形式，译成中文为通用分组无线业务，它属于GSM向3G的过渡技术。其在当前GSM的基础上扩充了以下功能：分组控制单元、GPRS网关支持节点以及服务支持节点等，并在原有软件的基础上也进行了相应的升级，以分组交换技术代替了GSM独占电路的交换方式，可以用户端到端的无线IP连接。GPRS网络与传统GSM CSD最大的不同之处在于，GPRS业务全部是以数据流量进行计费的，这种计费方式非常适合数据通信的特点。不仅如此，GPRS的业务速度也较GSM CSD有了很大程度的提高，正常情况下，GPRS能够提供高达115kb/s的传输速率，最高值可以达到384kb/s。
GPRS可以有效利用当前的GSM网络，能够使运营商在全国范围内以最小的投入为用户提供全方位的数据业务。现如今，利用移动电话和便携式电脑进行无线上网的用户数量不断增加，GPRS网络也随之获得广大用户的青睐。GPRS用户只有在收发数据时才会占用相关的资源，也就是说若干个用户可以高效率地共享一个无线通道，这极大程度地提高了资源的利用效率，而且用户只需要根据数据通信流量进行付费，并不需要支付占用链路期间的费用，简单来讲，就是不产生GPRS流量不需要支付任何费用，这大幅度降低了用户的使用成本，所以GPRS的用户群体不断扩大。目前，随着GPRS技术的不断发展和完善，使其在远程数据传输中的应用越来越广泛，图1为基于GPRS网络的无线数据传输系统。从图1中可以清楚的看到，远程数据采集或是控制模块借助GPRS无线终端登录到GPRS网络当中，并与Internet上的数据中心建立端到端的连接，这样一来便能够实现远程数据采集控制模块与数据中心之间的无线数据传输。
图1 基于GPRS网络的无线传输系统结构框架图
由于GPRS技术能够提供性能可靠、成本低廉的无线数据传输业务，使其被广泛应用于诸多领域当中，如电力监控、工业控制、无线定位、水文监测、自动抄表等等。而将GPRS技术应用于城市环境监测系统中，则能够实现对多个测点的无线控制及数据传输，这也是本文研究的重点。
2.基于GPRS技术的城市环境监测系统构建
2.1系统框架结构设计
本文在基于GPRS技术的基础上，对城市环境监测系统进行设计，系统主要由计算机（数据中心）和环境监测仪（嵌入式ARM系统）两部分构成。其中，数据中心即上位机，处于系统管理层的上层，具体负责对监测仪进行管理与控制；监测仪即下位机，处于管理层的下层，受数据中心控制，主要负责对环境数据进行采集和传输。下位机通常都是分布在各个环境监测点，并采用嵌入式技术予以实现，数据采集和数据通信是其较为重要的两个模块，下面分别对其功能进行介绍：
2.1.1数据采集模块
模块主要是借助专用的传感器和变送器对相关的环境参数进行监测，如水质、温度、湿度、烟尘等等，然后将采集回来的信号转换成为能够被计算机处理的电信号，再由CPU对对这些电信号进行二次处理，使之转化为与标准相符的数据，并存储在芯片中，以备分析之用。由于整个数据采集过程中全部是借助传感器和变送器来实现的，所以它们的选择尤为重要，通常应当选用大厂家的产品，这样能够确保产品质量。
2.1.2数据通信模块
在整个监测系统当中，该模块主要起着桥梁的作用，通过该模块能够实现数据中心与采集模块之间的通信，其具体负责将相关环境数据按照上位机的请求通过GPRS上传给上位机，并将由上位机发出的指令传输给数据采集模块。通常情况下，上位机可在用户计算机上实现及运行，只需要联入到互联网即可。
2.2硬件设计
在本系统中，下位机的嵌入式硬件平台主要由以下几个部分构成：微处理器、GPRS通讯模块、数据采集模块、电源、看门狗和JTAG。下面分别进行介绍：
2.2.1微处理器
本系统的CPU采用的是飞利浦公司出品的LPC2132芯片，其具有性价比较高、寄存器容量大、寻址方式简单、长度指令固定、功耗低、体积小等等。
2.2.2 GPRS通讯模块
本系统的GPRS采用的是SIEMENS公司出品的MC35i作为通讯模块，其不但支持语音通讯，而且还具有GPRS、CSD和USSD三种数据传输方式，同时还具备SMS和FAX两大功能，是一款非常强大的产品。MC35i的工作电压为3.3-4.8V之间，最大工作电流为2A，属于低功耗产品，可在EGSM900和GSM1800两个频段下工作，利用AT指令进行控制。此外，MC35i拥有多达40脚的ZIF接口，其中主要包括电源接口、RS232双向串行接口、SIM 3V接口以及模拟语音接口等等。
2.2.3串口电路
RS232一直都是通信工业和PC机中使用最多的串行接口，GPRS终端可通过RS232接口与数据采集模块进行通讯，并借助电平转换芯片实现电平转换。
2.2.4电源转换单元
本系统的硬件平台中需要使用4.2V和3.3两种电压，GPRS通讯模块的工作电压为4.2V，而微处理器的工作电压则为3.3V，为此需要设置电源转换电路，本系统采用的是TPS7133和LM2596两个芯片来实现电源转换的。
2.2.5看门狗
为了进一步确保本系统的安全、可靠运行，决定采用外接看门狗芯片TPS3705，以此来提高系统的运行稳定性。该芯片具有上电复位、电压比较和手动复位等功能，上电复位延迟为200ms。
2.2.6 JTAG接口单元
通过IEEE1149.1-1990标准，可对带有JTAG接口的芯片的硬件电路进行扫描和检测。
2.3系统软件设计
在本系统的软件设计中，GPRS模块设置是重点环节，下面对此进行详细介绍。当全部硬件连接完毕后，在进行GPRS上网操作之外，应当先对GPRS模块进行相应设置，这一过程主要是借助AT指令来实现的，具体设置流程如下：
首先设置通信波特率，可采用AT+IPR=38400命令，将其设定为38400b/s；随后设置移动终端类别，即AT+CGCLASS=“B”，终端类别为B类，该类别具体是指同时对多种业务进行监控，但仅能够运行一种业务，也就是说在同一时间段内，只可以使用GPRS上网或是进行语音通信；再设置接入网关，即AT+CGD CODT=1，“IP”，GPRS的接入网关为移动互联网，完成该步骤后需要对GPRS进行测试，看该服务是否开通，命令为AT+CGACT=1，1；若是返回OK则表明成功连接至GPRS网络，如果失败便会返回ERROR，那么此时需要检查GPRS天线，看安装是否正确，同时查看SIM卡是否开通GPRS业务；成功连接GPRS后，便可以进入到数据传输模式。
【参考文献】
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本预案适用于在本市行政区域内人为或不可抗力造成的废气、废水、固废（包括危险废物）、危险化学品、有毒化学品、电磁辐射，以及核、生物化学等环境污染、破坏事件；在生产、经营、贮存、运输、使用和处置过程中发生的爆炸、燃烧、大面积泄漏等事故；因自然灾害造成的危及人体健康的环境污染事故；影响饮用水源地水质的其它严重污染事故等。
二、组织机构
市环境保护局成立市环境污染事故应急处理领导小组，由市环保局局长XX同志任组长，下辖市环境监察应急小组和市环境监测应急小组。领导小组负责受理辖区内环境污染和生态破坏事故报告，调查事故原因、污染源性质及发展过程，立即作出应急处置措施反应；及时向市政府报告辖区内重大环境污染和生态破坏事故及其处理情况；组织辖区内重大环境污染及生态破坏事件的现场监察、监测及处理；领导市环境监察应急小组和市环境监测应急小组的应急处理工作。
市环境监察应急小组由市环保局污染控制科和市环境监察大队组成。负责应急事故的现场调查、取证；提供应急处置措施建议；协助有关单位做好人员撤离、隔离和警戒工作；立案调查事故责任；做好应急处理领导小组交办的其它任务。
市环境监测应急小组由市环保局自然保护科和市环境监测站组成。负责污染物的现场快速定性分析、为应急处理提供依据；对环境污染物的性质、危害程度做出准确的认定；对环境恢复、生态修复提出建议措施等；办好应急救援领导小组交给的其它任务。
三、工作程序
（一）任务受领及要求
市环境污染事故应急处理领导小组在接到污染事故发生的警报后，应立即通知市环境监察应急小组和市环境监测应急小组赶赴现场，当出现重、特大突发性环境污染事件时，领导小组应有一名以上成员到现场指挥应急救援工作。
市环境监察应急小组受领导任务后，应尽可能了解以下内容并及时向市环境污染事故应急救援领导小组汇报：
（1）事故发生的时间、地点、性质、原因以及已造成的污染范围；
（2）污染源种类、数量、性质；
（3）事故危害程度、发展趋势、可控性及预采取的措施；
（4）本小组基本任务、到达时限等要求；
（5）友邻小组的任务，可能得到的支援及协同规定；
（6）上级指挥机构（指挥员）位置、指挥关系、联络方法；
（7）受领任务后48小时内发出速报，报告事故发生的时间地点、污染源、经济损失、人员受害情况等；
（8）其它需要清楚的情况。
市环境监测应急小组受领任务后、应尽可能做好以下工作并及时向市环境污染事故应急救援领导小组汇报：
（1）一般情况下，水污染在4小时内，气污染在2小时内定性检测出污染物的种类及其可能的危害；
（2）一般情况下，24小时内定量检测出污染物的浓度、污染的程度和范围，并发出监测报告；
（二）赶赴现场
市环境污染事故应急处理领导小组按指定路线组织环境监察和环境监测应急人员和车辆赶赴现场，明确途中联络方法，灵活果断地处置开进途中情况，确保按时到达应急地区。
（三）应急处置
环境监察和环境监测应急小组到达现场附近后，应根据危害程度及范围、地形气象等情况，组织个人防护，进入现场实施应急。要尽快弄清污染事故种类、性质，污染物数量及已造成的污染范围等第一手资料，经综合情况后及时向领导小组提出科学的污染处置方案，经批准后迅速根据任务分工，按照应急与处置程序和规范组织实施，并及时将处理过程、情况和数据报指挥部。
1、现场污染控制
（1）立即采取有效措施，与相关部门配合，切断污染源，隔离污染区，防止污染扩散；
（2）及时通报或疏散可能受到污染危害的单位和居民；
（3）参与对受危害人员的救治。
2、现场调查与报告
（1）污染事故现场勘察；
（2）技术调查取证；
（3）按照所造成的环境污染与破坏的程度认定事故等级，共分四级。根据《报告环境污染与破坏事故的暂行办法》进行报告。
（4）环境监测应急小组应采取污染跟踪监测，直至污染事故处理完毕、污染警报解除。
四、后勤保障
（一）通信保障
1、应急启动时的通信保障。应急通知下达与接收以有线通信为主，利用办公电话，实现应急信息快速传输。在外应急员的联络以移动电话等无线通信为主，确保应急通知快速下达。
2、开进中的通信保障。以无线通信为主。应急指令的下达与接收，事故现场应急信息的通
报与反馈，主要利用移动通讯。3、处置中的通信保障。采取无线通信、有线通信与运动通信相结合的方式，以无线通信为主。指挥部（或应急办）可利用现场临时架设开通有线电话指挥网、固定电话、移动电话，实现上情下达；应急小组在应急过程中，主要是利用移动电话，辅以运动通信，实现信息双向交流。
（二）运输保障
运转的确认和调度由局应急领导小组组织实施。平时各应急车辆须保证100公里以上的行车用油。开进中根据实际情况由局应急领导小组统一组织交通等勤务保障。
（三）其他保障
关键词：自动控制技术；环境监测；环境管理；数据管理
中图分类号：X830 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.08.150
随着科学技术的日新月异，信息化时代已经到来，各行业领域的自动化水平逐步提高，环境监测领域面临着巨大发展的机遇和挑战。如何将现代化技术与生态环境的保护工作完美地融合在一起，是政府部门和研究人员应努力解决的问题，从而开发新型的自动控制技术，提升环境监测工作的质量和效率，转变行业现状。
1自动控制新技术的应用现状
虽然自动控制新技术在环境监测领域的应用时间不长，但其运用范围较大，且影响较大。自1999年起，我国环保部就已开始建立水质自动检测站，主要集中于松花江、长江、淮河流域。经过近30年的发展后，我国已有40座自动检测站投入使用，比如天津市滨水水质检测中心、上海黄浦江区域检测中心等。而在社会发展的过程中，空气污染越来越严重，雾霾等恶劣天气逐渐增多。因此，大气环境的监测工作力度不断加大，比如，北京市已建立了26个空气质量自动监测站，江苏省以互联网为基础，在绝大多数市、县建立了空气质量自动监测站。从国外的应用情况看，以美国为代表的发达国家早在20世纪70年代就开始将自动控制新技术应用于环境保护工作，形成了完整的环境监测体系。至今为止，美国已设立了6000个监测点，其中，国家级监测点有350个；而荷兰等国家设立了覆盖全国的空气质量监测点。
2自动控制技术在环境监测领域的应用
自动控制新技术在环境监测领域的应用主要包括宽带高速技术、数字数据网技术等，其都以计算机、互联网、地理信息系统为基础，能准确地为监测工作提供数据。宽带高速技术又可分为无线GRPS和有线Modem。目前，使用较广泛的是无线GRPS，其受环境因素的影响小、灵活性高，不需要考虑频道干扰和网络费用等问题。在环境监测领域中，自动控制通信技术主要应用于大气、水质等的检测，它突破地域空间的限制，动态监测污染源，且在对噪声污染等突发性信息的传输上有独特优势。随着卫星业务的发展，我国设立了80多个监测水质自动站，提升了通信技术在环境监测领域的应用水平。数字数据网技术（DDN）主要的优势为速度快，特别适用于我国的监测子站。
2.1远程视频监控系统的应用
远程视频监控系统是自动控制技术的重要组成部分之一，主要包括中心站控制、通信技术和远程视频。其中，核心是中心站控制，其主要完成环境监测信息的处理，通过监控现场图像、协调控制信号等方式，最终实现远程动态监测。在环境监测领域，远程视频监控系统主要应用于监测子站，能及时了解水质监测子站水资源的变化情况、空气污染程度等。
2.2组态软件的应用
组态软件以图形技术、控制技术、数据库技术等基础，能快速采集环境监测数据，并及时进行数据处理，特别是组态报表功能，不仅储存各类报表，比如环境日报、季报等，且能在报表中加入更清晰的图像，比如折线图、柱状图等，从而实时为用户提供数据，其主要构成如图1所示。
2.3GIS地理信息系统的应用
GIS地理信息系统的应用对环境监测有较大的影响，它能帮助控制室找出污染源因素，并通过计算机等技术模拟排放过程，以动态的形式向人们展示环境监测过程。特别是在城市环保信息系统中，GIS地理信息系统通过收集原始数据，可帮助环保部门快速整理资料，进行等标负荷、监测点点位、排污申报、空气质量周报、数据转化输出等方面的分析，并建立环境统计数据库、基础图形库、环境监测数据库等，从而对环境规划进行实时调整，为新型城市化建设提供数字化、自动化和信息化基础。
3自动控制新技术的应用流程
自动控制新技术在环境监测领域中主要用于水质、空气和污染源质量自动监测系统。
3.1自动控制新技术在环境决策中的应用
随着可持续绿色发展理念的普及，我国的经济生产模式逐渐从粗犷型转变为集约型。环境监测系统能实时观察环境的变化情况，其决策工作主要包括环境政策的制订、环境技术支持等，在此过程中加入自动控制技术能更加准确地预测环境发展的方向。
3.2自动控制新技术在数据收集中的应用
环境监测工作通过自动控制新技术能收集大量的原始数据，研究人员需要对这些数据进行科学分类和整理。需要注意的是，人们的环保意识在逐步增强，环境监测工作应结合人们的实际需求，利用自动控制收集、技术，并赋予人们环境知情权；组织人们参与环境监测过程，这有利于监督自动监测工作，从而提升环境保护工作的质量。
3.3自动控制新技术在保护环境中的应用
传统的环境保护主要是在室内实验室进行的，这是因为受到自然因素和人为因素的影响，研究人员无法深入实地考察。但随着自动控制新技术的应用，扩大了环境监测的范围，突破了传统监测方式的技术瓶颈，借助GPS等系统避免了人为失误的出现。
4结束语
综上所述，在环境监测领域中应用自动控制新技术能有效保护生态环境，及时跟踪、解决保护环境过程中出现的新问题。因此，环保部门应加大对自动控制技术的研发力度，积极借鉴国内外的先进经验创新自动控制技术，深入生态环境复杂的地区，基于区域整体视角，制订系统的环境保护措施，实时监测环境质量的变化情况，从而改善生态环境，协调人与自然的关系。
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