小编精心整理了《定向天线技术环境监测论文(精选3篇)》，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。摘要：AdHoc网络目前的发展速度很快，应用前景广泛，该文从组网模式、拓扑结构、网络管理策略等方面对该网络展开研究，定性分析了AdHoc网络的全向和定向路由性能，并在此基础上利用Matlab仿真路由发现机制，对这两种不同的路由机制进行仿真实验，通过对结果的对比分析，讨论了这两种路由的性能差异，以期对AdHoc网络路由技术的发展起到一定的参考作用。
定向天线技术环境监测论文 篇1：
钢铁厂区车地无线传输网络应用
摘 要：目前，钢铁厂区内铁水运输的机车大都为人工操控，随着智慧制造升级的需要，实现铁水运输线路无人化作业，并提高铁路的运输效率已经刻不容缓。而车地无线网络的建设为机车无人驾驶的关键一环，通过对各类无线网络类型建设的分析和研究，并结合当前钢铁厂区内的环境现状，文章提出可供相关建设与设计人员参考的无线网络建设思路。
关键词：无线;长期演进技术;无线通信技术
0 引 言
近年来，很多钢铁厂都在积极筹备智慧制造规划和新一轮信息化建设，力争通过信息化建设，达到工艺流程缩短、生产作业环节简化、降低生产运行成本，提升生产效率，提升企业竞争力的目的。
目前，铁水运输的机车大都为人工操控，这就需要对传统的鱼雷罐车或者机车进行改造，为其增加车地无线控制系统，在控制中心直接对鱼雷罐车或者机车进行远程无线监视和控制，实现机车无人驾驶，铁水运输线路无人化作业，提高铁路的运输效率。
而车地无线网络的建设为机车无人驾驶或者自动驾驶的关键性技术之一，能采用的网络建设方式和方法也很多，大致上可以归纳为采用Wi-Fi技术或者采用LTE技术这两大类。
1 厂区内无线网络建设的分类
在厂区内建设车地无线传输方案，可以分为以下几种方案。
1.1 采用Wi-Fi技术来建设无线方案
对于信号覆盖要求比较高的厂区可以采用2.4 GHz的802.11n无线传输协议的无线冗余Wi-Fi方案，频率使用范围为：2.4～2.483 GHz;对于业务带宽要求比较高的厂区可以采用5.8 GHz的802.11n或者802.11AC无线传输协议的无线冗余Wi-Fi方案，频率使用范围为：5.725～5.825 GHz。
1.2 采用LTE技术来建设无线方案
对于信号覆盖和稳定性要求比较高的厂区，可以采用1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案，频率使用范围：1 785～1 805 MHz;以及 5.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案，频率使用范围与Wi-Fi 方案的5.8 GHz 频率范围相同;对于5G信号覆盖比较成熟的厂区可以采用运营商的5G LTE（第五代移动通信系统）冗余专网方案。
2 厂区内无线网络建设的分析
2.1 厂区的环境对于车地无线网络的建设影响
厂区的环境对于车地无线网络的建设影响主要有以下几点：
（1）厂区室外环境下需要考虑厂区内的很多金属遮挡问题，在信号被遮挡的地方，如果测试信号不好，需要对无线进行补盲。
（2）厂区车辆的作业工位点大都在金属厂房内，并在作业时间会关闭金属卷帘门，且最大纵深长达几十米，厂房内最里面的信号覆盖是需要注意的地方，需要對信号进行详细测试，必要时候进行补盲。
（3）厂区内在作业区的空气环境比较差，且铁水罐运输铁水时通常高达千度以上，空气中弥漫的金属粉尘对于无线信号的传输也有一定的影响，在粉尘较多的地方需要考虑无线信号的强度和如何来建设覆盖点布设的位置。
2.2 厂区铁轨的运输范围对于车地无线网络的建设影响
厂区内的铁水运输线路并非一条直线型的线路，是由多条铁轨并行在各个高炉及工位点进行运输，并具有较多的岔道，每段铁轨的直线距离不长，但无线信号需要覆盖的范围较大。
如采用漏缆进行覆盖，由于漏缆横向覆盖范围在8～12米左右，距离越长，信号覆盖会逐渐衰减，很难同时覆盖多条铁轨，因此一般会使用无线定向天线来进行信号覆盖较为合适。
2.3 频率带宽对于车地无线网络的建设影响
频率带宽对于车地无线网络的建设影响主要有以下几点：
（1）2.4 GHz和5.8 GHz的频率为民用频率，可直接进行频率使用。
（2）1.8 GHz频率为需要向当地无线电管理委员会进行频率申请，频率申请通过后方能进行项目建设。因此1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案如需建设，还需要对项目覆盖范围进行电磁环境监测，在电磁环境满足条件的基础上向无委会提出申请，批复同意后方能进行。
（3）运营商的5G LTE频率，运营商可以直接使用。
2.4 各个车地无线方案的建设分析
2.4.1 采用2.4 GHz和5.8 GHz的Wi-Fi方案建设分析
频率使用：Wi-Fi为民用频率，可直接使用，但非常容易受到附近民用Wi-Fi同频信号的干扰。稳定性：相对于LTE网络，无论在时延还是网络切换上都会差很多，冗余组网较为复杂，可靠性一般。工程量：由于覆盖范围很低，一般120米左右间隔就要布设一个无线点位，整个项目布设点位将相当多，如果再加上冗余方案，施工将会非常复杂，工程量非常大，运维也将成为大问题。
2.4.2 采用5.8 GHz的eLTE方案建设分析
频率使用：民用频率，可直接使用，很容易受到同频信号干扰;稳定性：采用LTE网络技术，时延和网络切换很不错，冗余组网，可靠性高;工程量：由于覆盖范围稍低，一般300米左右间隔就要布设一个无线点位，整个项目覆盖冗余方案，布设点位也比较多，施工也较为复杂，工程量也非常大。
2.4.3 采用1.8 GHz的eLTE方案建设分析
频率使用：专用频率，需向当地无线电管理委员会批复方能使用，专用频段，抗干扰能力强，避免公众开放的信号频段重叠，能抵抗Wi-Fi、蓝牙、公网等外系统干扰;稳定性：采用LTE网络技术，时延和网络切换很不错，冗余组网，可靠性高;工程量：600米左右间隔来设计，覆盖整个项目范围，布设点位少，施工量相对较小，单小区覆盖距离远，大幅降低维护工作量。
2.4.4 采用运营商的5G LTE方案建设分析
频率使用：专用频率，运营商提供;稳定性：采用运营商单网网络，稳定性一般;工程量：组网网络由运营商建设，项目内的施工工程量较少。
3 厂区内无线网络的建设设计
车地无线控制系统对于无线网络稳定性要求非常高，因此对于车地无线网络建设，主要还是以1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案和运营商的5G LTE冗余专网方案来建设，以下将以这两种方案的建设来做设计。
3.1 1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案设计
下文从总体设计、线覆盖设计、频段设计、网络设计、网络安全设计、网络性能设计、抗干扰设计、总体方案设计方面对1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案进行说明：
（1）总体设计。需要勘察厂区的铁轨路线，按照包括频点分析与规划、无线覆盖设计、链路预算、抗干扰设计、网络管理等，对无线传输平台的各个关键点进行详细设计。
（2）无线覆盖设计。根据站间距1.2 km来规划设计覆盖点位，采用定向天线，将项目范围完全覆盖，如有盲点，再进行补盲。
（3）频段设计。1.8 GHz可使用频率带宽共计为20 MHz，由于有5 MHz的带宽为轨道交通使用，一般可以申请资源10 MHz左右，采用5 MHz+5 MHz冗余双网设计。
（4）网络设计。采用A网和B网组双网，双网负荷分担机制实现双网可以同时承载无线传输业务，同时利用双网频谱资源，相对于主备双网实现了频谱利用率翻番，并提高业务承载的健壮性。
（5）网络安全设计。传输通道采用独立的在线冗余物理通信通道设计。无线系统A网通道和B网通道的访问控制相互独立。不同类型的数据传输通道采用不同的VLAN（虚拟局域网）进行传输，并达到A网和B网双活的冗余方案。车载无线单元与基站之间在传递数据前建立授权并关联。
（6）网络性能设计。首先，eLTE系统的可用性不低于99.99%;其次，车辆控制业务要求丢包率不超过1%、通信中断时间不超过2 s的概率不小于99.99%;以及车辆控制业务数据周期性发送，上行每路传输速率不小于60 kbps/s，下行每路传输速率不小于40 kbps/s。
（7）抗干扰设计。eLTE系统内干扰主要来自同频邻区干扰，需考虑同频邻区间的干扰两个小区的相互干扰。如果和周边地铁的使用频率冲突，在行业中根据频谱特性及应用范围不同，满足一定隔离度后可进行复用。
系统外干扰需同时考虑到与电信、移动DCS、移动LTE1800频谱的隔离，需上下各隔离5MHz作为隔离带宽，建议申请1 790～1 800 MHz，共计10 MHz频谱作为1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案使用。
（8）方案设计。1.8GHz eLTE的無线冗余专网建设的方案，拓扑如图1所示。
在控制中心机房部署无线核心网设备、网管设备、A网和B网双网无线BBU基站，BBU基站通过单模光缆与现场各点位无线射频单元RRU设备相连并架设专用定向天线，与混铁车或机车上的无线接收终端通过1.8 GHz eLTE无线技术相连接，组成厂区内的车地无线传输专网。
在每列混铁车或机车头端各设置2套车载无线设备，其中1套无线设备接入A网，1套无线设备接入B网。A网和B网同时工作，从而保证双网络单点故障时业务不中断。
在某钢铁企业无人化运输无线系统项目采用的就是1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案，在控制中心部署1.8 GHz的无线核心网设备，通过RRU单元与车载无线相连接，形成了1.8 GHz的eLTE无线专网。
3.2 运营商5G LTE专网方案设计
运营商5G LTE专网方案相比于1.8 GHz eLTE的无线冗余专网方案在网络建设上，由于无线网络和设备都由运营商提供，建设上相对要简单些，但也需要运营商在厂区内现场勘察，并且对项目需要覆盖区域的5G信号进行专门的建设覆盖，在部分厂房内还需要进行补盲。
运营商5G LTE专网方案建设方案，拓扑如图2所示。
运营商5G LTE专网方案设计具体为：
（1）需要在建设的控制中心核心网络与运营商网络打通。
（2）机车或混铁车上部署5G工业无线终端，与控制中心内网相连接。
（3）针对车载端的无线终端有2种方式与控制中心连接：
1）无线终端通过5G LTE公网的接入形式与内网的控制中心网络连接：需要在控制中心网络出口处部署一套内网服务器，无线终端通过5G LTE连接到运营商网络，通过内网服务器跳转到控制中心核心网络。此种连接方式，只能通过车载无线终端发起网络连接，建立起通信协议后才能来回传送数据。无线终端通过运营商的流量卡拿到的是运营商网络分配的IP，车载设备的内部网络设备通过这个运营商分配的IP与外部网络相连，通信发起方式只能是从车载无线终端发起，是单向的。由于无线终端通过5G LTE运营商拿到的是运营商分配的IP，会暴露在公网上，安全性较差。
2）无线终端通过5G LTE的专网接入形式与内网的控制中心网络连接：在控制中心网络与运营商网络打通后，在两个网络中建立隧道，这样就建立起了5G LTE专网，把无线终端接入5G LTE网络后，车载网络可以直接与控制中心网络打通，无论车载无线终端向控制中心应用服务器发起数据连接，还是控制中心应用服务器向车载设备发起连接，都能互相直接通信。通信發起方是双向的。由于无线终端通过5G LTE运营商拿到的是控制中心的专网IP，并不会暴露在公网上，安全性较高。
在某钢铁企业车地联控无线系统项目采用的就是5G LTE的专网方案，通过运营商开通的专网卡加入车载的无线终端中，并启用隧道技术，打通车和中央设备的无线通信传输。
4 结 论
通过对钢铁厂区车地无线网络的相关分析，并结合车地无线网络的建设方案优缺点，提出车地无线网络的建设设计方案，最大限度地为钢铁厂区的车地无线网络建设的项目设计人员提供解决方案思路。
参考文献：
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[5] 中华人民共和国工业和信息化部.数字蜂窝移动通信网TD-LTE无线网工程设计暂行规定：YD/T 5123-2015 [S].北京：人民邮电出版社，2015.
作者简介：孙超（1980.03—），男，汉族，上海人，工程师，本科，研究方向：计算机网络。
作者：孙超
定向天线技术环境监测论文 篇2：
关于Ad Hoc网络定向/全向路由性能的研究
摘要：AdHoc网络目前的发展速度很快，应用前景广泛，该文从组网模式、拓扑结构、网络管理策略等方面对该网络展开研究，定性分析了AdHoc网络的全向和定向路由性能，并在此基础上利用Matlab仿真路由发现机制，对这两种不同的路由机制进行仿真实验，通过对结果的对比分析，讨论了这两种路由的性能差异，以期对Ad Hoc网络路由技术的发展起到一定的参考作用。
关键词：AdHoc网络；路由性能；AODV
1概述
随着无线通信技术、传感器技术和互联网技术的快速发展与不断融合，诞生了许多新型的网络传输技术，其中Ad Hoe网络就是具有代表性的一款灵活性高、组网快捷、可维护性好的移动网络。其具有以下特点：
（1）快捷的接人方式。Ad Hoe网络中的节点可实现非常灵活快捷的接入操作，甚至不需要考虑任何的先验信息；即使为了兼顾网络的整体安全性，对节点的审核工作也仅仅局限在少量的规划信息方面，并不會对网络接人造成明显的影响。
（2）网络拓扑结构动态性强。由于Ad Hoe内的节点可以在网络覆盖区域内任意移动，并可随时接人褪出网络，因此造成了该类型网络拓扑变化频率高、变化幅度大的额特点。对于这种动态性强的网络，一般可采取适当的网络管理策略来对其进行自适应的维护与调整。
（3）动态多跳路由。在移动Ad Hoe网络中并不存在具有主导地位的核心节点，而是将所有节点平等对待，各个节点既作为通信的发送或接收方，也作为中转站点，起到路由器的功能。且由于信号功率相对较低，覆盖范围有限，因此数据的传输可能穿越多个节点方能完成，由此而导致了多跳路由这一特点。
由以上特点可以看出，移动Ad Hoe网络是一个灵活、多跳、自治的网络系统。但也正是由于这种特点，导致了网络的稳定性能易受到威胁这一弱点，必须通过节点动态交互网络拓扑信息才能保障拓扑结构的稳定。而若采用传统网络中路由信息的交换方式则会导致大规模的数据通信量，无论从节约能耗的角度，还是保障有效吞吐量的角度来看都是不可行的，因此必须根据Ad Hoe的通信特征，以及该网络的具体应用场合来制定合身的路由协议，提高网络效能。
2Ad Hoe网络路由协议分类研究
截至目前，针对移动Ad Hoe网络的分类方法已有多种，分类依据也各不相同，本文按照使用天线为准则，将其划分为全向路由和定向路由两大类病分别进行性能分析。
2.1全向路由协议
全向路由采用全向天线，其信号增益不会因为方位角的不同而存在差异，因此在复杂环境中，该种通信方式可以获得较好的通信效果，同时显著地简化了路由检测和维护工作。全向路由协议通常有以下两种模式：
（1）主动式路由协议（表驱动路由协议），该协议要求网络内部的各个节点必须在当前网络是否发生了拓扑变化时向全网广播具体变化的信息，而若超过其更新时间，也必须定期广播其掌握的网络拓扑信息及相关的链路度量。这种主动更新的方式可以较好的保持网内所有节点的同步性，并且收敛性能好，对网络的结构变化可以做出较快的反应。该模式的代表性协议是目的节点序列距离矢量协议。
（2）被动式路由协议（按需路由协议）。与上一种协议相比，主动式路由协议最大的不同之处就在于不会对网络发生的变化进行随时更新，各个节点也不必要定期的交换大量的网络拓扑信息，而是仅在通信发生时，由源节点触发路由创建事件，从而查寻可到达目的节点的有效路由，在此過程中，源节点采用洪泛方式将路由请求包发送到其邻居节点，再由邻居节点转发路由请求包，直到获得可达目的节点的路由。在该条路由被确立之后，所包含的各个节点就需要对此路由进行维护，以保障其在通信过程中的可靠性。在通信完成后，源节点释放该调路由，各个节点就可将相关信息从缓存中清除。该模式在通信频率较小，但单次通信量较大的应用场合表现良好，有效提高了信道的有效利用率，大幅度减少了网络维护的工作量。其代表性的协议有动态源路由协议和按需距离矢量路由协议。
2.2定向路由协议
全向路由虽然在路由发现与维护方面具有优势，但同样也存在传输容量较小、网络安全性较低、抗干扰性较差的特点，因此近年来逐渐被定向路由所取代。定向路由采用定向天线，在大幅度提高了传输的指向性的同时，也有效控制了通信信号被检测和干扰的概率，提高了网络通信的安全性和隐蔽性，另一方面，通过定向天线主辦变窄所带来的信号增益，也有效提高了网络的传输容量。定向路由模式需要解决的首要问题就是定向天线的控制与瞄准，从而提高节点发现路由的可能性，避免出现“隐藏”终端和“暴露”终端的现象。定向路由协议包括多种具体的应用协议，其中较为常用的有以下两种：
（1）动态源路由协议（DDSR）.该路由协议结合了源路由协议的一些优点，当源节点需要与目标节点进行通信时，并不会直接搜索可达目的地的路由，而是在自身维持的一张缓存表中查看以往的记录信息，若发现保存有到达目标节点的路由信息，则按照该路由的指引发起定向路由请求分组，后续的各个节点均执行类似的操作，最终到达目的地；若在缓存中无法找到相关信息，则启用DMAC中的全网扫描搜索机制，去查找并确立到达目标节点的路由，并将其记录在缓存中，以备下次通信时使用。
（2）位置信息辅助按需距离矢量路由协议（DLAODV）。该路由协议利用定向天线的高传输能力以及位置信息所提供的稳健信息建立定向路由。在建立通信的阶段，若需要对目标节点的位置信息进行搜索时，则采用AODV的按需路由发现方式来进行全局扫描，并找到一条可用的路由，完成路由发现工作。而在经过每一个中间节点时，都充分利用定向天线高传输能力，重新进行路由发现操作，以保障下一跳节点的最优性，最大程度的缩短路由跳数，从而提高单位时间内的通信效率。
3定向与全向路由协议性能比较
对工作于复杂多变环境下的移动自组织网络，虽然定向路由与全向路由所采用的原理与手段不尽相同，但均是为确保源节点与目的节点的互通、互联，保障端到端消息可靠传输。对路由优劣的评价标准有多种，且根据应用场合的不同而有所差异，但一般情况下最常用的指标有路由获取时延、路由开销、功耗、平均跳数、吞吐量这五种。本文采用这五种指标对全向路由与定向路由两种协议进行陸能方面的对比分析，结果如表1所示。
观察表1可以发现，在路由获取时延方面，表驱动路由DSDV性能最佳，耗时最短，但这种路由方式的开销较大，占用网络资源较多，其余的全向路由与定向路由性能相当；在路由开销方面，除DSDV外，定向路由的开销稍高于全向路由，但在平均条数方面，由于定向路由启用了路由压缩策略，因此其路由跳数普遍低于全向路由；在功耗方面，定向路由较为稳定，而全向路由则随着路由开销的变化呈现出较大的波动；最后在吞吐量方面，定向路由由于得到了主辦变窄带来的增益效果，因此网络容量得到明显提升，在单位时间内传输完成的数据规模显著高于全向路由，优势明显。因此可以得出结论，当全向天线与定向天线结合使用时，网络借助全向天线良好的拓扑发现优势，将更加适用于复杂多变的应用环境，具有较强的抗干扰能力。
4定向与全向路由仿真分析
选用全向AODV路由协议以及结合贪婪转发策略的AODV定向路由协议，借助于仿真工具分析定向路由与全向路由的不同，进一步直观印证定向路由的优势。
4.1仿真环境
本文在Intel Celeron CPU G540双核（2.5GHz和2.49GHZ）、内存2 GB的计算机硬件环境下，以MatlabR2009a为软件环境，模拟网络拓扑动态变换下全向与定向的路由发现机制，形成全向和定向路由，进行定性分析和比较。仿真实验参数配置如表2所示。
4.2仿真结果与分析
选择节点在初始狀态时呈正态分布，区域面积为600kmx600km，分别以16、32、50节点进行仿真，路由发现结果如图1中的（a）、（b）、（c）所示，圖中灰节点为源节点，黑节点为目的节点，虚线为全向路由，黑粗线为定向路由。
对以上三图进行对比可以发现，由于借助了全向天线的路由发现优势，以及定向天线的功效增幅优势，使得该协议下的路由跳数得到了有效的缩减。由此可以得出结论，在复杂的网络环境下，定向路由的平均跳数不超过全向路由的平均跳数，而结合全向淀向天线的Ad Hoc网络在路由选择方面具有很大的灵活性。
5结束语
本文对全向路由和定向路由的通信机制、协议特点进行了详细的对比分析，并通过仿真实验证实了这两种协议各自的优势。并提出在实际组网工作中，可以尝试将两种模式进行有机结合，实现取长补短的效果，充分发挥出Ad Hoc网络的卓越性能，更好地为我国的工业生产、环境监测以及国防事业服务。
作者：朱智胜
定向天线技术环境监测论文 篇3：
WSN森林微气象信息监测的组网试验研究
摘 要：为了实现对森林微气象监测的智能化和信息化，本文提出了基于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的森林微气象数据监测系统。该系统选取广州市天河区的火炉山森林公园为试验区，布置了22个无线传感器网络节点，WSN网络覆盖面积为3500平方米，构成森林微气象数据监测系统，实现对森林微气象的监测，通过森林微气象监测上位机软件，收集到的数据有1.75万条。实现了通过网络节点采集森林环境信息，对数据进行处理和融合后传输到基站，再通过GPRS传送到远程监测上位机软件，经过一年左右的运行可以证明该系统稳定性好，能够大大提高森林微气象监测的效率。
关键词：无线传感器网络;森林微气象;气象监测
0 引 言
森林微氣象主要研究森林上空大气下垫面边界层内各物理量的垂直变化规律，监测的物理量包括森林植被热量以及太阳辐射总量等。微气象数据是森林微气象研究的数据基础，森林微气象学主要关注的数据有：太阳辐射、空气温湿度、CO2的含量、风向和风速、降雨量、土壤的水分含量、土壤温度等[1]。传统的森林微气象数据是通过气象监测站和人工移动设备进行采集获取微气象数据。采用无线传感器网络技术能够在监测区域内部署大量传感器节点，自组织构建通信网络，通过多跳传输完成数据的传输，具有成本低、自组织和容错性高的优点。
目前无线传感器网络在林业生产环境的应用情形有：（1）森林火灾监测。通过在无线传感器网络接入烟雾传感器或者温湿度传感器，并设置一定的报警机制，能够实现对森林火灾的监测与灾区报警任务。（2）生物多样性监测。可以在动物身上安装一些定位传感器，对动物进行实时跟踪，可用于在热带雨林或者寒冷的极地环境探索动物的多样性。也可以高频采集特定区域的环境信息，从而对生物的多样性进行分析。（3）生态环境监测。主要监测生态环境的土壤含水量。（4）精准林业。通过传感器网络技术准确计量和监测林木生长状况，帮助林业管理员获取森林环境特性及林木生长的有效数据。
针对森林微气象监测的实际管理需求，本文提出了一种采用无线传感器网络技术，结合数据可视化技术的检测系统，对森林环境信息监测的发展起到保障作用，具有广泛的应用前景。
1 系统总体设计
1.1 系统整体架构设计
无线传感器网络系统的设计由4个模块组成，分别是数据感知模块、数据处理模块、数据融合模块和数据传输模块，如图1所示。森林微气象的数据感知原理是通过加载在传感器节点的不同类型的无线传感器进行感知，数据经过多跳无线传输方式完成数据的汇聚融合，并通过Internet、GPRS、4G等通信网络上传到远程终端服务器[2]，在森林微气象监测系统上位机软件当中实时显示出来，WSN的系统结构图如图2所示。
1.2 WSN节点硬件设计
本系统所设计的无线传感器网络节点由4个组成部分，分别为数据处理模块、数据感知模块、通信模块以及电源模块[3]。数据处理模块根据所要监测的环境信息配置不同的传感器，要求传感器的封装性能好、体积小、电路简单。当前适用于森林微气象监测的传感器有：光照度传感器、土壤水分传感器、温湿度传感器DHT22、CO2传感器。本系统的WSN节点挂载传感器有：光照度传感器、土壤水分传感器、温度传感器、温湿度传感器DHT22、CO2传感器等，整个网络覆盖范围约3500m2。各节点封装满足IP65的等级要求，为了将其固定在树木支干上，我们采用了捆绑的方式。传感器节点最为关键的组成部分是数据处理器，无线传感器网络节点采用了ATmega128L微控制器，该控制器功耗较低且集成了多种数据资源。无线通信模块对于节点的通信和数据传输具有重要作用，节点的通信距离受射频传输能力限制，要求无线模块的功耗越低越好，本系统的WSN节点射频模块采用CC2430无线通信模块。WSN网络节点结构如图3所示。
1.3 WSN路由协议设计
在无线传感器网络通信中，数据的传输性能直接决定了网络质量的好坏[4]，设计适合森林环境树木多、遮挡严重、地形落差大、环境恶劣的无线传感器网络路由协议尤为关键。本系统设置了结合定向天线和全向天线性能的无线传感器网络路由协议，能够预设数据通信的大体方向，将数据朝着工作需求的方向进行传输，引入有限状态机制将网络节点分类划分为休眠状态和激活状态，以能量优先为导向，网络节点根据通信需要进行状态的自动切换。路由构建机制由3部分组成，分别是网络初始化、邻居报文交互、邻居表维护。在初始化阶段进行邻居表初始化，邻居间交互SniffMsg和AckMsg消息报文，完成节点入网并更新自身HC（跳数信息）。根据邻居信息把邻居划分到不同的邻居记录表AdjacencyList中，包括父节点记录表、兄弟节点记录表、子节点记录表。路由维护阶段通过邻居交互报文更新节点邻居状态表AdjacencyState。
2 试验研究与数据管理
2.1 节点部署方案
在森林微气象环境监测当中，由于考虑到野外环境的不确定性，对于硬件节点必须要进行封装，可采用金属外壳或者塑料外壳进行防水密闭设计，并且在部署节点过程中要考虑到节点的朝向以及周边有无覆盖物，最好部署在较为宽广的地方，以避免外界环境因素引起的通信质量差的问题。为控制系统的成本，在实际监测的试验中会在满足覆盖整片区域的基础上减少部署节点的数量，但是，为了提高网络容错能力，仍需保证网络具有一定冗余性[5]。
本系统于2018年5月至今在火炉山森林公园进行了面向森林微气象监测的实地试验，火炉山森林公园位于广州市天河区，长约3km，面积6km2，火炉山森林资源丰富，共30多个科、50多个属、100多个品种，主要由亚热带和南亚热带优良阔叶树种组成。监测系统布置了22个无线传感器网络节点，森林环境监测节点部署图如图4所示。在实际组网监测过程中发现，采用定向天线与全向天线相结合的节点部署方案在保证节点连通性上效果较好。网络覆盖面积为3500m2，构成森林微气象数据监测系统，实现了网络节点通过采集森林环境信息、数据处理和数据融合后达到基站，再通过GPRS传送到远程上位机软件，在一年多的时间里，累计收集到的数据有1.75万条。
2.2 SQL Server數据处理
森林微气象数据监测汇聚节点能够将收集到的数据传输至远程服务器当中，服务器的数据经过处理后，在森林微气象监测系统进行在线显示。其数据处理过程为：SQL Server进行解析、处理收集到的数据后进行校验，分析图像数据包的完整性，并进行报文传输，再以动态图呈现出实时的数据，如温度、湿度、CO2浓度。
2.3 数据显示与参数配置
采用Web形式实现对森林微气象监测系统的数据管理，用户可通过已接入互联网的PC机、Pad、手机等远程进行数据查询和网络参数的配置。远程上位机监测系统能对数据进行实时显示，并能将数据存储在数据库当中，方便用户进行历史数据查询，基于DreamWare技术可视化，将探测到的节点温度、湿度、CO2浓度信息进行连续显示，能够有效呈现网络的拓扑状态以及节点的信息，对于温度过高或者湿度较低的区域，进行灾情预警。表1为2016年6月14日不同节点监测到的温度数据，表2为不同节点监测到的湿度数据。
3 结 论
经实际组网部署试验，基于混合天线WSN的森林微气象数据监测系统能够实现对森林微气象信息的采集、分析、存储及预警功能，在森林微气象环境信息监测方面具有广泛的应用前景，对于林业工作者开展数字林业、推动生态环境保护具有重要意义。
参考文献：
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作者简介：郑少雄（1990-），男，汉族，广东饶平人，讲师，硕士研究生，毕业于华南农业大学，研究方向：信息系统管理、无线传感器网络。
作者：郑少雄