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摘要：本文对自动化环境监测站进行了研究，提出了基于WSN技术的自动化环境监测站智能升级的总体软硬件设计方案，具有准确度高、安全可加密、成本低、低功耗、可远程控制、应用范围广等特点，适合多种应用场景使用。
关键词：WSN;自动化;环境监测站;远程控制
随着社会智能化程度的提高，物联网的发展壮大彻底改变了人与人营造的机器世界和环境的交流方式，使人类能够更简单地获取各种信息，更容易与机器交流互动，甚至可以在机器与机器之间利用网络建立通信对话的桥梁，让信息更好的交流融合，更好地为人类服务。随着物联网和移动互联概念的兴起，人们已不再满足于仅仅从网络上获取和查看环境监测数据，更多地希望能从智能移动设备随时获取监测数据的同时，还需要按照自己所预定义的规则来对自己的远程设备执行相应的管理动作。从物联网的概念出发，这类应用更接近于物联网的本质，即实现物与物的交流，机器控制机器（M2M），人类在这些应用环境中只是一个能够设定机器预定执行规则的监视者。
随着人工智能、大数据时代的来临，通过对海量的传感器数据进行存储、云运算和分析，从中提取出有价值的信息并形成模型，对环境监测、天气预报、城市交通管理、动物种群监测、自然科学研究等方面的研究都具有十分重要的意义。物联网应用技术的发展成熟发展成熟为自动化环境监测站的智能升级提供了有效的解决方案。本文基于无线传感网（WSN）技术，设计了一套自动化环境监测站系统。
一、需求分析
通过广泛调研环境监测相关企事业单位与行业应用后，发现越来越多的场景需要自动化的环境监测，如：气象观测、农业大棚管理、校园安防、火灾监测等。当前的各种环境监测设备多是单独或者线下运行，数据采集、多点传输、远程控制的智能化程度低，传输的可靠、安全、成本方面难以兼顾。分析当前自动化环境监测站的智能升级的需要，列出如下的设计需求：（1）满足多点、多传感器无线组网测量，提高测量准确度和测量范围;（2）组网灵活，容易部署，可以根据需要，实现自组网，并可自由添加或者去除某些测量节点，以便适用于多种测量场景;（3）低功耗，可站的智能解决方案。以根据测量需求灵活休眠，可依靠电池长时间工作;（4）加密可靠传输，信号抗干扰能力强;（5）搭建私有物联网平台，连接网关和多个控制端，显示并存储历史数据;（6）可以自由或者依靠大数据、人工智能设定测量策略，实现自动控制、自动报警;（7）可以在PC端或者移动端遠程查看、控制、推送报警信息;（8）软硬件成本低，容易实现等。
二、系统总体设计
根据物联网应用系统常见的三层体系架构的设计原理，在保证性能的前提下，严格控制成本、功耗，根据上面分析出的设计需求从感知层、网络层、应用层展开软硬件相关设计，本文设计的自动化环境监测站系统结构如图1所示。
硬件设计方面，采用自组网、安全性高、抗干扰能力强的ZigBee无线通信技术，在TI公司的CC2530单片机上运行ZigBee协议栈，各个ZigBee终端节点可根据测量需要选择搭载温度、湿度、大气压、风速、有害气体、二氧化碳、火焰、烟雾、人体感应、加速度等不同传感器，也可以根据需要搭载相应的执行器件，无线通信节点现场部署方便，也可以解决现场感知通道单一问题，提高测量准确性和可靠性;ZigBee中心控制节点与常用的ESP8266 WiFi通信模块或者Air202 GPRS通信模块组成网关，运行Web服务，将本地的测量数据收集后，进行初步分析处理后，通过MQTT协议（小数据）或者TCP协议（大数据）传输到物联网云平台进行。
软件设计方面，使用搭建的私有的物联网云平台实现数据的展示存储、传感器的增删修改、测量策略的设定、报警信息的推送。使用C#编写PC端软件，使用Java Web编写网页端，使用Android编写移动端软件，实现多终端显示与控制，方便用户及时收到环境异常报警信息。
三、系统测试结果及分析
系统经过相应防护后，通过在气象观测、农业大棚管理、校园安防、火灾监测等不同应用场景长期测试，整个自动化环境监测系统工作稳定，使用过程中无线测量节点部署灵活，可扩展性强;ZigBee网络具有自愈性，除中心节点外，即使其它部分节点意外失联也不会影响剩余节点重新自组网;多传感器多点测量，抗干扰能力强，数据稳定可靠;功耗低、抗干扰能力强;同时在物联网平台、PC端软件、移动的软件上稳定地实现了远程在线策略设定、报警、显示、存储等功能。
四、总结
本文详细分析了当前自动化环境监测站的智能升级的设计需求，基于WSN技术，设计出一套适合多种应用场景使用的低成本无线自动化环境监测站系统，可以将测量的数据通过多种方式提供给有需求的用户，经系统测试及结果分析，对应设计需求，实现了数据可靠采集、多点传输、远程控制，传输的可靠高，安全，成本低。测到的数据还可以适当提供接口，作为官方气象网络或者环境监测信息的补充，为相关部门提供环境信息参考;也可以为大数据、人工智能等新一代信息技术提供基础训练参考数据，智能设定测量报警策略，应用于更多复杂的环境监测场合。
参考文献：
[1]马忠彧， 马宏锋， 彭琳茹， et al. 面向环境监测的WSN中基于定向传输的高能效路由算法[J]. 传感技术学报， 2018.
[2]王宇飞， 张国平， 蔡盼盼， et al. 基于FreeModbus的智能库房环境监控系统的设计[J]. 电子测量技术， 2018.
[3]樊丽， 肖鹏浩， 赵海涛. 基于ZigBee和云端的室内环境监测系统[J]. 电视技术， 2018， 42（12）：42-48.
[4]常勇. 基于4G网络的果园环境监测系统研究与开发[D].
[5]张庆雷. 基于物联网架构的可移动温室环境监测系统研究[D].
作者介绍：昌厚峰（1989 -），男，山东平度人，硕士研究生，潍坊职业学院助教，研究方向：物联网应用技术、智能硬件开发。
关键词：WSN;自动化;环境监测站;远程控制
随着社会智能化程度的提高，物联网的发展壮大彻底改变了人与人营造的机器世界和环境的交流方式，使人类能够更简单地获取各种信息，更容易与机器交流互动，甚至可以在机器与机器之间利用网络建立通信对话的桥梁，让信息更好的交流融合，更好地为人类服务。随着物联网和移动互联概念的兴起，人们已不再满足于仅仅从网络上获取和查看环境监测数据，更多地希望能从智能移动设备随时获取监测数据的同时，还需要按照自己所预定义的规则来对自己的远程设备执行相应的管理动作。从物联网的概念出发，这类应用更接近于物联网的本质，即实现物与物的交流，机器控制机器（M2M），人类在这些应用环境中只是一个能够设定机器预定执行规则的监视者。
随着人工智能、大数据时代的来临，通过对海量的传感器数据进行存储、云运算和分析，从中提取出有价值的信息并形成模型，对环境监测、天气预报、城市交通管理、动物种群监测、自然科学研究等方面的研究都具有十分重要的意义。物联网应用技术的发展成熟发展成熟为自动化环境监测站的智能升级提供了有效的解决方案。本文基于无线传感网（WSN）技术，设计了一套自动化环境监测站系统。
一、需求分析
通过广泛调研环境监测相关企事业单位与行业应用后，发现越来越多的场景需要自动化的环境监测，如：气象观测、农业大棚管理、校园安防、火灾监测等。当前的各种环境监测设备多是单独或者线下运行，数据采集、多点传输、远程控制的智能化程度低，传输的可靠、安全、成本方面难以兼顾。分析当前自动化环境监测站的智能升级的需要，列出如下的设计需求：（1）满足多点、多传感器无线组网测量，提高测量准确度和测量范围;（2）组网灵活，容易部署，可以根据需要，实现自组网，并可自由添加或者去除某些测量节点，以便适用于多种测量场景;（3）低功耗，可站的智能解决方案。以根据测量需求灵活休眠，可依靠电池长时间工作;（4）加密可靠传输，信号抗干扰能力强;（5）搭建私有物联网平台，连接网关和多个控制端，显示并存储历史数据;（6）可以自由或者依靠大数据、人工智能设定测量策略，实现自动控制、自动报警;（7）可以在PC端或者移动端遠程查看、控制、推送报警信息;（8）软硬件成本低，容易实现等。
二、系统总体设计
根据物联网应用系统常见的三层体系架构的设计原理，在保证性能的前提下，严格控制成本、功耗，根据上面分析出的设计需求从感知层、网络层、应用层展开软硬件相关设计，本文设计的自动化环境监测站系统结构如图1所示。
硬件设计方面，采用自组网、安全性高、抗干扰能力强的ZigBee无线通信技术，在TI公司的CC2530单片机上运行ZigBee协议栈，各个ZigBee终端节点可根据测量需要选择搭载温度、湿度、大气压、风速、有害气体、二氧化碳、火焰、烟雾、人体感应、加速度等不同传感器，也可以根据需要搭载相应的执行器件，无线通信节点现场部署方便，也可以解决现场感知通道单一问题，提高测量准确性和可靠性;ZigBee中心控制节点与常用的ESP8266 WiFi通信模块或者Air202 GPRS通信模块组成网关，运行Web服务，将本地的测量数据收集后，进行初步分析处理后，通过MQTT协议（小数据）或者TCP协议（大数据）传输到物联网云平台进行。
软件设计方面，使用搭建的私有的物联网云平台实现数据的展示存储、传感器的增删修改、测量策略的设定、报警信息的推送。使用C#编写PC端软件，使用Java Web编写网页端，使用Android编写移动端软件，实现多终端显示与控制，方便用户及时收到环境异常报警信息。
三、系统测试结果及分析
系统经过相应防护后，通过在气象观测、农业大棚管理、校园安防、火灾监测等不同应用场景长期测试，整个自动化环境监测系统工作稳定，使用过程中无线测量节点部署灵活，可扩展性强;ZigBee网络具有自愈性，除中心节点外，即使其它部分节点意外失联也不会影响剩余节点重新自组网;多传感器多点测量，抗干扰能力强，数据稳定可靠;功耗低、抗干扰能力强;同时在物联网平台、PC端软件、移动的软件上稳定地实现了远程在线策略设定、报警、显示、存储等功能。
四、总结
本文详细分析了当前自动化环境监测站的智能升级的设计需求，基于WSN技术，设计出一套适合多种应用场景使用的低成本无线自动化环境监测站系统，可以将测量的数据通过多种方式提供给有需求的用户，经系统测试及结果分析，对应设计需求，实现了数据可靠采集、多点传输、远程控制，传输的可靠高，安全，成本低。测到的数据还可以适当提供接口，作为官方气象网络或者环境监测信息的补充，为相关部门提供环境信息参考;也可以为大数据、人工智能等新一代信息技术提供基础训练参考数据，智能设定测量报警策略，应用于更多复杂的环境监测场合。
参考文献：
[1]马忠彧， 马宏锋， 彭琳茹， et al. 面向环境监测的WSN中基于定向传输的高能效路由算法[J]. 传感技术学报， 2018.
[2]王宇飞， 张国平， 蔡盼盼， et al. 基于FreeModbus的智能库房环境监控系统的设计[J]. 电子测量技术， 2018.
[3]樊丽， 肖鹏浩， 赵海涛. 基于ZigBee和云端的室内环境监测系统[J]. 电视技术， 2018， 42（12）：42-48.
[4]常勇. 基于4G网络的果园环境监测系统研究与开发[D].
[5]张庆雷. 基于物联网架构的可移动温室环境监测系统研究[D].
作者介绍：昌厚峰（1989 -），男，山东平度人，硕士研究生，潍坊职业学院助教，研究方向：物联网应用技术、智能硬件开发。