智能环境监测系统硬件设计优化方案

（一）需求分析

本设计的智能环境监测系统，是以监控感知环境数据为设计目标，是无锡清华信息科学与技术国家实验室物联网技术中心的Green Orbs项目在杭州天目山名为“绿野千传”部署实施系统和无锡新区传感中心“City See”城市环境监测项目的引申。重点在于监测二氧化碳为主的温室气体排放而引起的温室效应以及生态环境变化等问题，监测人们生活环境的环境质量、碳汇、碳排放。用于在一定水平和垂直空间的全面、实时的环境监测方案，为改善人们生活环境、工作环境提供依据。目前具体监测环境指数以温度、湿度和二氧化碳为主，加之与摄像头的结合，人们更加直观地查看异常发生点信息，同时能够起到安防功能。

这就要求本系统具备自主采集周围信息，在不同环境中传输各种环境数据的能力，就是说本系统必须面对树木茂密的森林、人口密集的城市、人迹罕见的环境恶劣地区等环境系统的时空差异性、程度复杂性以及环境的多样性等情况的时候，克服覆盖范围大、使用寿命长、实时不间断、数据同步监测等这些难题，要求本系统具备监测环境指数多、寿命长、感知精准、数据传递准确及时等的特点，尤其符合在大范围覆盖的全方位无监测盲点的室外环境监测。将需要监测的环境信息的需求投放到单个点，是系统具有细粒度和多维度的环境感知自组网功能。对于不连续地域的监控或者远距离数据接收，使用无线Mesh高速远程汇聚节点中继，收集数据，具有功耗低、分布广、价格低、自愈合、可移动等的优点。

（二）系统结构设计

基于无线Mesh网络的智能环境监测系统总体方案设计，系统分四层构建，即感知、汇聚、传输、存储管理。感知层由传感子网组成，传感器节点类型包含各种功能的无线传感网节点等，具备温度、湿度、光照和二氧化碳气体的感知和多跳自组网功能，采用可充电电池和太阳能电池同时供电，支持长时间持续部署。汇聚层，一个传感网基站负责收集一个传感子网的感知数据，控制网络时钟同步，配置子网传感节点的采样频率和运转占空比，并向传感节点分发其他系统管理指令。

在传输层，传感网基站通过Mesh技术将感知数据传送回远程数据服务器。具体而言，本阶段采用Mesh汇聚海量传感数据以及视频数据传输，多个基站间通过Mesh互联和汇聚数据，最后通过基站Mesh节点回传数据。在系统规模较大的时候，网络层的主体无线Mesh网络能够提供几千米至几十千米的大数据率的稳定数据传输。位于存储管理层的中心数据库服务器和备份服务器，主要功能是为感知数据的存储、外部查询、网络状态监控、系统管理配置和初级网络诊断提供服务。本设计系统硬件设计可分为3个部分：无线感知网络、无线Mesh网络和数据服务系统。无线传感子网由无线传感节点、汇聚节点以及太阳能电源组成；无线Mesh主干网由无线Mesh设备、智能摄像机、供电系统三大部分组成；数据服务系统由普通PC机以及服务数据库组成。用以实现以无线Mesh主干网络为基础，由每个无线感知网络节点采集环境数据，构成无线感知网络为子网。

（三）无线传感网络

无线传感子网由无线传感节点、汇聚节点以及太阳能电源组成，实现环境传感参数的采集、传输和汇聚功能。普通节点与普通节点之间、普通节点与汇聚节点之间无线方式连接，汇聚节点与网关（无线Mesh节点）之间有线方式连接。

1.太阳能电池板供电与超级电容储能

无线传感网络的通用电源模块，选用太阳能充电方式。太阳能电池板由半导体物料制成的薄身固体光伏电池组成，可以长时间提供电能而不会导致任何损耗，结合相应辅助电路可作为负载的供电电源。光伏板重量轻、易安装，受环境温度的影响小，可以制成不同形状，非常适于为小的、无线感知节点做电源。但要实现收集太阳能存储在超级电容中持续为传感器节点供能的电源系统，需要研究高效安全的充电控制技术，独特的太阳能电池板电压监测电路，以及低功耗的DC-DC转换电路。

整个系统实现无MCU控制，全部由自动条件触发式控制，当条件满足时自动切换工作模式。当超级电容电压饱和（2.7V）时，充电电池达到饱和（3.3V）时，自动断开充电开关；超级电容和充电电池作为供电输出端的供电电压，通过升压稳压模块把电压稳定到一定值，从而给节点供电。为保证系统的性能，加入了A/D 实时电压监测模块，通过接入无线传感节点的A/D口，实时返回电压数据，用来监测超级电容工作状态。在超级电容供电和电池供电输出端通过设置IC开关和一个电压探测控制实现供电自动切换，探测到超级电容电压大于0.9V时，关闭电池供电输出开关由超级电容供电输出；探测到超级电容电压小于0.9V时电池供电，表示电容已处于低电压状态需要切换电源，打开电池供电输出开关。

2.Telosb节点

Telosb集成温度、湿度、光照等传感器，并结合CC2420 Radio于一身，使用msp430f1611作为主控芯片，外置flash，该节点既可以使用板载天线，亦可使用外置天线来提升通信距离，其调试接口有usb和jtag这两种模式，方便用户的使用。

数据采集模块一般由前端传感器完成，负责被检测区域的信息，由传感器接telosb节点实现对需要感知数据采集。采集数据的精确程度很大程度上取决于传感器本身的性能，当然也跟采集数据处理的方式及处理的算法有关，我们可以感知的信息如：光照、温度、湿度等，telosb节点的设计带有温湿度传感器SHT11和光照传感器S1087。

（1）温湿度传感器。SHT11系列单芯片传感器是将传感元件和感知信号处理电路集成在一个微小芯片上的传感器专用CMOSenor技术传感器，传感器包含测湿元件和测温元件用来测试感知目标的温湿度，内有一个14位的A/D输出精确的数字信号以及串行接口实现信号输出。该系列传感芯片具有抗干扰能力强，响应快等特点，一直处于行业领先水平，并且设计体积小，超低功耗，抗干扰能力强，使之能够适应各种类型的环境监测，也是本系统的温湿度监测的最佳选择。

（2）光照传感器。S1087是陶瓷封装提供低暗电流的光电二极管，陶瓷封装采用的是光渗透技术，因此可以达到无杂散光从侧面或背面的活动区域，这使得在可见光到近红外范围内可靠的光学测量，从低光照水平到高光照水平的宽动态范围。

（3）二氧化碳传感器。COZIR是目前功耗最低的二氧化碳监测传感器，在太阳能供电情况下，特别适合室外长时间、大规模部署。内置PCB板的封装，有量程0～5000 ppm，0～1%，0～2%供选择；可用AD直接读出，功耗仅为3.5mW，带温度补偿、湿度补偿，以及感知白天黑夜的环境状态，预热时间仅10s，内置PCB板的封装。(www.xing528.com)

（四）无线Mesh网络

无线Mesh网络既是无线传感子网的网关，也可以作为视频采集网络采集和传输视频数据。可由系统前端采集信号，通过无线Mesh网络设备（无线Mesh路由器）经多跳传输至终端。Ad hoc网络具备动态扩展、自组网、自配置、自管理以及自愈合等优良特性。无线Mesh网络系统包括：无线Mesh设备、无线传感子网汇聚节点、智能球型IP摄像机、太阳能供电系统。

1.Mesh设备介绍

系统所选用的5.8GHz的Mesh模块，是新一代高性能无线Mesh产品。可以根据用户的实际要求，提供可定制化的产品服务，它是基于Wi-Fi技术和自组网技术相互融合后，二次开发而成。系统具备分布式多跳功能，能迅速实现无线覆盖。Mesh设备可以满足复杂或对网络安全要求高的环境下开展无线数据传输、无线视频图像监控、IP视频会议、IP音视频电话、无线定位、无线数控等业务；广泛应用于较大范围覆盖、高安全性的无线网络接入。由于监控区域可能处于野外环境，不具备市电供电条件，需要采用太阳能供电系统对监控点各终端设备供电。硬件选择按照实际需求如下。

（1）路由主板。具体Mesh的Route Board我们选用mikrotik提供的RB411U，RB411U是一个通用小型装置。它包括：连接3G上网卡的Mini PCI插槽，一个USB2.0端口，一个mini PCI-E插槽，一个对3G的SIM卡插槽。该板有两种供电方式：具有直接输入电源插孔（5.5毫米外部和内部直径2毫米，母口）和具有Po E供电能力，但在同一时间只能使用一种供电方式。Router Board的411U配备了一个可靠的14W板载电源保护，电压为27.6V的电压过压保护。所以在误接高电压情况下，不会烧坏主板。路由板RB411U主板都兼容标准通过以太网供电接口（除了数据传输的能力），并接受供电可达100米（330米）长的以太网电缆连接到以太网端口。

（2）无线网卡。无线Mesh用无线网卡，功能跟一般的无线网卡一样，实现无线信号传输，收发的设备，结合主板，只要在信号辐射范围内接入局域网，就能实现网络连接，完成一个相当于无线路由器的功能，只是功能相比无线路由器更加强大，传输距离远，AP覆盖区域更大。无线网卡按照其接口的不同可以分为PCMCIA无线网卡、Mini PCI无线网卡、PCI无线网卡等，我们使用的无线网卡，按照传输速率分为54M和108M，但是该数据不是一成不变的，根据该性能和实际环境将会有所减少。考虑到通信距离所需要的发射功率，为增加传输距离，以及提高在无线距离之内的传输带宽，传输选用WL017无线网卡。

WL017具有如下特点：①设计体积小，功耗低，最大高输出功率可达600mW；②主芯片采用Atheros 5414芯片，性能稳定；③可工作在2.4/5.8GHz两种频段，符合IEEE 802.11a/b/g标准；④支持多种无线加密方式，用来保障无线安全，加密协议有64/128 Bit WEP，WPA/WPA2，IEEE802.1X；⑤具有Super AG模式最大动态带宽可达108Mbps。

（3）天线。天线的选择，在无线Mesh网络设计中占有极其重要的地位，正确的选择可以大大地提高无线Mesh网络节点之间的通信质量，增强网络的健壮性。为避开通用频段，我们选择5.8GHZ的全向玻璃钢天线。天线是将电功率转换成无线电波的一种电气设备，它通常用在无线发射器或无线电接收机中。在传输过程中，一个无线电发射器提供一定振荡频率的电流到天线的终端，天线把当前转化为电磁波（无线电波）能量辐射出去。在接收时，天线获取部分的电磁波的功率，以便在其端部产生一个微小的电压，被放大之后施加到一个接收器。导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。

影响无线Mesh网络节点的通信距离，除了发射功率以及固有的干扰，天线的增益也占有很重要的地位，它表示定向天线辐射集中程度的参数，为定向天线和无方向天线在预定方向产生的电场强度平方之比。增益特性表现为：①天线是无源器件，不能产生能量，天线增益只是将能量有效集中向某特定的方向辐射或接收电磁波能力；②天线增益由振子叠加而产生，增益越高，天线长度越长；③天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。影响无线Mesh网络节点的通信质量，很大程度上取决于天线的波瓣宽度，不管是单向天线还是全向天线，在纵向上具有一定的辐射角，这些辐射角度，即波瓣宽度，一般方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。

我们选择的天线为健博通12DB全向天线TQJ-5800AD，工作在5GHZ频段以避开繁忙的2.4G，波瓣宽度为7度。本系统无线Mesh网络节点可实现的通信距离为5～10千米，带宽高达54Mbps的基于Wi-Fi的Ad hoc自组织无线网络节点。

2.智能球形摄像机

智能摄像机，负责对现场进行可视化实时监测，满足监控的无盲区，系统与无线传感器网络环境监测节点相结合，实现监控目标区域的全方位无盲点监测。监控摄像头分布在各个部署区域，通过接入无线Mesh网络，形成大规模的监控网络，有强大的数据采集和报警处理功能，与数据监控系统无缝结合，当发生异常情况时，将以警报提醒。以无线Mesh实现远程监控与数据传输。该系统具有如下特点：①高清晰图像画面，方向可精密调节，上下左右图像无抖动调节运转平稳，反应灵敏；②支持RS-485控制下自动识别；③支持三维智能定位功能，可实现点击跟踪和放大；④支持数据断电不丢失，断电状态记忆功能，上电后自动回到断电前的云台和镜头状态；⑤支持防雷、防浪涌、防突波功能；⑥室外球达到IP66防护等级；⑦支持曼码协议。

3.供电系统

（1）太阳能电池板。太阳能电池板选用70W多晶硅太阳能光伏板，具有高转换效率和高输出效率的优势，为提高弱光时的采光效率，提高弱光效应，选用太阳能电池板为多晶硅板，表面附有高透光率的优质钢化玻璃，增强了太阳能电池板的抗腐蚀性和耐用性。太阳能电池板阵列表面都经过化学处理，使之能够更好地吸收光照能量，以最大限度地减少因表面反射带来的光能损失，提高光能利用率，在多晶硅芯片组装时采用栅线工艺，提高组件的可靠性。良好的太阳能电池板阵列必须符合IEC国家抗冲击能力检测，避免硬性损坏。

（2）充放电控制器。充放电控制器采用传统工业的串联式PWM控制充电方式，使用单片机实现MCU控制，辅以专用软件实现智能控制，实现充电曲线最优化调整，比一般的充电方式提高了充电效率；符合12V蓄电池充电特性，具有过冲断开，过放保护，过载保护，防反接保护，专业的温度补偿技术等特点，保证在即使误操作情况下不损坏任何部件。充放电控制器全部采用工业级别设计，具有防腐蚀特性，能够适应高温差的变化。数字化的设计使得各关键点电压温度漂移控制在最低水平，在使用时分别用三个LED灯，直观地显示。

（3）蓄电池。本系统为了保证光伏系统中铅酸蓄电池的质量，促进优质光伏专用蓄电池的应用，选用光伏系统的储能胶体蓄电池。该系列电池在循环使用、深度放电、高低温下使用、耐过充能力、欠充电恢复能力等方面都有显著提高。用胶体电池，用来满足阴雨天及早晚等光照不足情况下的正常供电，其具有超长寿命：寿命比常规铅酸电池长一倍左右；高低温特性；可在-20～55℃区间内高效工作，优于铅酸蓄电池；放电曲线平直，拐点高；比能量特别是比功率要比常规铅酸电池大20%；无游离电解液，可任意方向放置工作等优点。