基于传感网的智能环境监测系统设计与实现——传感网课程设计实践报告

随着物联网技术的快速发展,传感网作为物联网感知层的核心技术，通过部署大量传感器节点实现对物理世界的实时数据采集与传输，在智慧城市、环境监测、智能家居等领域展现出广阔应用前景，本次传感网课程设计以“智能环境监测系统”为核心目标，综合运用传感器技术、无线通信技术、嵌入式开发及云计算等知识，设计并实现了一套低功耗、实时、可靠的环境监测系统，通过该设计，旨在深化对传感网络架构、协议栈及数据融合技术的理解，提升工程实践与问题解决能力。

系统需求分析与总体设计

1 需求分析

系统需实现对环境温度、湿度、光照强度、PM2.5浓度等关键参数的实时监测，并满足以下核心需求：

实时性：传感器数据采集周期≤1分钟，数据上传延迟≤5秒；
低功耗：节点采用电池供电，续航时间≥7天（休眠模式）；
可靠性：无线通信丢包率≤5%，支持数据重传机制；
可扩展性：支持传感器节点的动态加入与离开；
可视化：用户可通过Web端实时查看数据历史曲线与阈值报警。

2 总体架构

系统采用三层传感网经典架构：感知层、网络层、应用层。

感知层：由多个传感器节点（终端节点+协调器）组成，负责采集环境参数；
网络层：基于ZigBee协议构建无线自组织网络，实现数据多跳传输；
应用层：通过云平台（阿里云IoT）接收数据，提供Web端监控界面与API接口。

系统硬件设计与实现

1 传感器节点设计

终端节点以低功耗微控制器STM32L151为核心,集成以下模块：

传感器模块：温湿度传感器（DHT11，精度±2℃/±5%RH）、光照传感器（BH1750，精度±1 lux）、PM2.5传感器（GP2Y1010AU0F，检测范围0-500 μg/m³）；
无线通信模块：ZigBee模块（XBee S2C，采用ZigBee PRO协议，支持Mesh组网）；
电源模块：3.7V锂电池+TP4056充电管理，支持太阳能板供电（可选）；
调试模块：SWD接口用于程序烧录与调试。

协调器节点与终端节点硬件结构一致,但通过USB转串口模块与PC连接，负责组建网络并汇聚数据。

2 网关设计

网关采用ESP32开发板,通过Wi-Fi模块将ZigBee网络数据上传至阿里云IoT平台，ESP32内置双核处理器，支持Wi-Fi与蓝牙，具备较强的数据处理与边缘计算能力，可实现对原始数据的初步过滤（如异常值剔除）。

系统软件设计与实现

1 感知层软件设计

终端节点程序基于Keil MDK开发，采用C语言编写，核心功能包括：

传感器驱动：通过I2C（BH1750）或单总线（DHT11）协议读取传感器数据，实现数据校验（如DHT11的8位校验和）；
低功耗管理：采用STM32的STOP模式，每分钟通过RTC唤醒一次完成数据采集与发送，唤醒后进入休眠，功耗≤10μA；
ZigBee通信：通过AT指令集配置XBee模块，加入协调器组建的网络，采用非确认（UNICAST）方式上传数据，若未收到ACK则重传3次。

协调器节点程序通过ZigBee模块的API接口接收终端节点数据,并通过串口转发至网关。

2 网络层与云平台设计

ZigBee网络组建：协调器通过AT命令“ATID”设置网络ID（如1234），“ATSC”设置信道（如CH=11），终端节点通过“ATNJ”加入网络；
云平台配置：在阿里云IoT创建产品“智能环境监测”，定义设备（如Node_01），并配置物模型（温度、湿度、光照、PM2.5四个属性，类型分别为float/int/int/float）；
数据上传协议：终端节点将传感器数据封装为JSON格式（如{"temp":25.6,"humi":60,"light":800,"pm25":35}），通过ESP32的MQTT客户端上传至云平台。