基于无线传感器网络的有毒气体监测系统设计

      在工业生产过程中有许多领域会涉及到有毒气体的Ⅸ域，国家、行业、企业从各个方面配置了各种类型的监测设备和仪器，为保护在该区域作业的工作人员的安全起到了重要作用，但固定的有线的监测设备仍是当今的主流。本文从另一方面利用无线传感器网络技术提出一种新的监测系统，即基于无线传感器网络的有毒气体监测系统，该系统充分考虑到有毒气体区域的特殊性和无线传感器网络的自身特点。利用无线从传感器网络技术组建的监测网络，具有组网方便、安全、精确并能实现远程控制。

      无线传感器网络是一组传感器以Ad hoc方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中的感知对象的信息，并发布给观察者。其应用有着十分广阔的前景，在军事、国防、工农业生产、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域都有潜在的实用价值，被认为足对21世纪产生臣大影响的技术之一。

2 系统设计

2.1 系统网络模型

      无线传感器网络体系结构有对等式和层次分布式。本体系采用层次分布式，如图1所示。最低层为分布在监测区域的传感器节点，被分布后将以自组形式构建网络，传感器节点将所采集数据打包后传向簇头，簇头再将其传送至基站，基站与有线网络连接，将整个区域内采集的数据通过Internet传向远程控制端供其集中处理。

2.2 传感器节点设计

      系统要求传感器节点内部要具备监测、存储、分析比较等功能。传感器节点由数据采集模块、控制模块、无线通信模块和能源供给模块4部分组成，如图2所示。

数据采集模块 由一组传感器和相应的AC／DC转换装置组成，负责对监测区域的信息采集和相应的数据转换。模块采可用红外气敏传感器，当红外辐射通过被测气体时，气体分子能够吸收光能，通过测量入射光和透射光的强度可以监测出相应气体的浓度。

控制模块 负责存储和处理本传感器节点所采集的数据和其他节点发送来的数据。存储当前节点所采集到的有毒气体浓度值，路由节点具备有转发功能，存储转发该信息。

无线通信模块 负责与其他节点之间通信，通信系统应有信号的发送和接收功能，在多传感器系统中，在传送的信号中加入传感节点的编号，信号格式可以设计如下所示，簇头和基站的存储采用对列结构：

能量供应模块 负责为节点提供所需的电能。对于无线传感器网络，能量问题是关键，各个层次要尽可能地降低能耗，尤其是控制模块和通信模块的各个环节。目前人们提出的节能策略主要有休眠机制、数据融合、冲突避免与纠错以及多跳短距离通信等。

2.3 传感器节点分布

      系统采用分层结构，网络被划分为多个簇(Cluster)，每个簇由一个簇头(Cluster head)和多个簇成员组成，这些簇头形成了高一级的网络。簇头节点对簇内数据进行融合，负责簇间的数据转发和向基站转发，而簇成员只负责数据采集。这样减少了网络中路由控制信息的数量，减少了网络流量，从而延长网络生存期。簇头要么预先指定，要么由节点使用分簇算法自动选举产生。当前的分簇算法主要有随机分簇算法和分布式分簇算法。

2.4 传感器节点的路由

       传感器网络路由协议主要有平面型路由协议、层次型路由协议和基于地理位置信息型路由协议，目前大多集中在低能耗协议的研究上。本系统采用UC Berkely的Tin-yOS中所采用的树型路由机制，其构建路由的思想是，每个节点维护一个相邻的节点的信息表，同时记录父节点的标识(ID)，每个节点保存相邻节点的信号的强弱属性，从邻节点选择信号强且距离根节点最近的作为父节点，为保持路由稳定，父节点不轻易更换。

3 软件设计

3.1 系统开发环境

      系统开发环境为无线传感器网络，在无线传感器网络中，使用UC Berkely的TinyOs。TinyOS是一个专为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系统，他具有基于组件的特性，用最小代码快速来创新和实现。TinyOS的组件库包括了网络协议，分布式服务，传感器驱动和数据获取工具，用户可以根据自己特殊需要进行扩展。TinyOS的事件驱动执行模式使得能耗管理更细密，允许动态性调度。TinyOS操作系统的应用结构如图3所示。

3.2 开发语言

       在TinyOS上编写程序使用的语言为nesC(networkembedded systems C)，nesC为应用于嵌入式系统的一种类C语言，他支持基于组件的编程模式，引入了接口和组件的概念。

3.3 仿真平台

       TOSSIM(TinyOS mote simulator)是用于对采用TinyOS的Motes进行bit级仿真的工具。TOSSIM将TinyOS环境下的nesC代码直接编译为可在PC环境下运行的可执行文件，提供了不用将程序下载的真实的Mote节点上就可以对程序进行测试的一个平台。TOSSIM还提供了用于显示仿真情况的用户界面TinyViz．。

3.4 节点模块程序流程

       传感器节点部署到监测区域后，要进行初始化，设置相应初始值，然后等待基站发送监测命令，如果接到命令就开始计时，在规定时间内测定其所在位置的时间段气体浓度值，如果超时，就继续等待下一轮命令。当测试完毕，就对相关数据转换打包上传，如果没有接到基站确认数据，即发送不成功，就再次将存储的采集到的数据包上传。节点模块的程序流程如图4所示。

4 结 语

     本文利用无线传感器网络技术，构建了一个基于无线传感器网络有毒气体监测系统，能够完成特殊区域——有毒气体区域的数据采集、分析和处理，具有组网方便、使用安全等优点，为相关行业的有毒气体监测提供技术支持。