图2 矿井环境检测系统
图3 桥梁状态检测
举例来说，目前我国煤矿采用的煤矿支架压力监测系统都是以工业CAN总线为基础，井下监测系统与地面信息中心通过电缆或光纤连接，构成有线信息传输网络，网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求。将带有压力传感器的节点嵌入到各支架上形成自组织路由传感器，即可有效解决压力等环境参数采集和检测任务，随着工作面的移动而通信不受影响，如图4所示。
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CAN 总线 协议转换 地面 上位机 数据分析与处理 井下 环境采集 节点 环境采集 环境采集 节点
节点 无线网关 CAN
图4.矿井环境监测系统
在图4中，各个无线矿压采集节点和无线网关之间形成一个自组织的网络，无线矿压采集节点采用电池供电，无线网关采用稳压电源供电，通过CAN总线实现地面数据监视和处理部分与井下设备通信。
系统可以通过光纤环网、电话线或者电缆实现地面系统与井下压力采集系统的通信和传输。上位机实现数据分析与处理并接入互联网。
3 物联网环境监测系统设计
作为环境参数监测的一个具体应用，在下述描述中以压力参数为例。
3.1无线采集节点设计
3.1.1节点结构及功能设计
无线传感器节点是无线传感网络的组成单元，可以看作是一种非常小型的计算机，一般由以下四个部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。无线传感器网络可以在任何时刻、任何地点不需要任何现有基础网络设施，包括有线和无线设施支持的条件下，快速构建起一个移动通信网络。网络的运行维护管理等完全在网络内部实现，网络还需要一些基站来建立传感器
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网络与外界的联系，但各传感器节点构成的网络依然是一个自组织的无中心的无线网络。
图 5 无线传感节点结构
如图5所示，传感器模块主要是用来采集各类信息，如温度、湿度、声音、加速度、全球定位信息等，并负责将模拟信息量化为数字信息，传递给其它模块进行处理；处理器模块包括处理器和存储器两部分，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需要的能量。
节点的能量靠电池提供，其能量有限由于条件的限制，难以在使用中给节点更换电池，所以传感器节点的能量限制是整个系统设计瓶颈，它直接决定了网络的工作寿命；另一方面，传感器节点的计算能力和存储能力都较低，使得其不能进行复杂的计算和数据存储，有效的路由协议是系统设计的关键。
无线传感器网络的能量管理主要体现在传感器节点电源管理上和有效节能的通信协议设计上，WSN是通过能量管理协议来负责网络能量的管理。其中和电源单元发生关联的有很多的模块，包括感应单元、处理单元、通信单元定位系统和移动装置等模块。其中，从传感器节点的结构来看，除了供电模块外，其它的模块都存在着电源能量消耗。在某个传感器应用现场，节点的主要任务就是监测事件，一旦事件发生就要快速执行本地采集数据的处理，然后发送数据到目的节点。因此，耗能可以分成三个组成部分：感应、通信和数据处理部分。传感器网络的协议主要考虑如何在通信部分实现有效的节能。很多研究和测量成果都表明：节点空闲监听会消耗接收数据所需能量的50％-100％左右。
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在实际应用中，如果没有感应事件发生，节点大多数时间处于空闲模式，这是能量浪费的主要来源。能量管理协议的核心思想就是让不执行感应任务的节点直接进入睡眠状态。因此，无线传感网络能耗的特点如下：①节点能耗与其操作模式关系较大，②无线传感器的能耗主要来源于无线的传输以及传输的数据量。
对于无线传感网，能量浪费主要来源于下面几个方面：①由于数据包冲突造成的能量浪费，如多个节点向同一个节点传输数据造成数据包碰撞、重传从而造成能量浪费；②由于不必要侦听造成能量浪费，比如一个节点侦听到不是自己的数据包所造成的能量浪费；③无线模块长期处于空闲状态所造成能量浪费，节点处于空闲状态的能耗可以和接收状态及发送状态的能耗比拟，如果节点无线模块长期处于空闲状态就会造成大量能量浪费：④由于收发节点没有协调好所造成的不必要数据发送，比如当发送端发送数据时，接收端处于睡眠状态，此时发送的数据会造成能量的浪费。
系统设计中我们采用了专为嵌入式无线传感网络设计的TinyOs操作系统。TinyOS采用了组件的结构，它是一个基于事件的系统。TinyOS设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用，其技术特点表现在：
轻线程：解决节点操作可能比较频繁，线程较短，传统进程/线程调度无法满足。
主动消息：在发送消息的同时传送处理这个消息的相应处理函数ID和处理数据，接收方得到消息后可立即进行处理，从而减少通信量事件驱动：整个系统的运行是因为事件驱动而运行的，没有事件发生时微处理器进入睡眠状态，从而可以达到节能的目的。
组件化编程：组件就是对软硬件进行功能抽象。整个系统是由组件构成的，通过组件提高软件重用度和兼容性。程序员只关心组件的功能和自己的业务逻辑，而不必关心组件的具体实现，从而提高编程效率。
依据以上设计思路，设计完成的本系统采集节点主要由处理器、通信控制器、RTC实时时钟电路、数据显示、数据存储、油压采集以及射频通信模块组成。结构框图如图6所示。
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主处理芯片组 射频通讯模块 实时时钟模块 液晶显示模块 参数 采集模块 数据存储模块
图6 环境参数采集节点功能图
各模块功能和设计：
①网络节点采用模块化设计，包含射频通讯模块、传感器AD采集模块、RTC实时时钟模块、LCD显示模块、数据存储模块。
②节点每隔规定时间（通常2秒）采集数据，并将数据记录，同时加上时间信息，然后节点尝试将数据再上传至网关。
③若上传失败，则数据将被记录在存储模块中，存储空间为128KB，等待通讯恢复后再将数据上传回来。
④每个监控节点间可以转发其它节点信息，以实现多跳的特性，节点间自动完成MESH网络，并可快速适应环境变化，保证数据传输稳定。 3.1.2 硬件设计
节点硬件主处理器采用TI公司生产的一款专用于IEEE802.15.4和Zigbee通信协议的片上系统（SoC)CMOS解决方案。如图7所示，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大
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