彭宇帆+溫華

摘 要：隨著社會整體環(huán)保意識的提高，越來越多的人們開始關(guān)注物種保護(hù)的問題。尤其是諸如中華白海豚等生活在人口稠密地區(qū)的我國特有珍惜物種。但受限于資金與技術(shù)，目前還沒有便捷有效的手段對這些珍惜物種棲息地的水體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。文中所述的基于ZigBee無線技術(shù)構(gòu)建的水體信息實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)方案就是為解決這一問題而做出的嘗試。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；水環(huán)境實時監(jiān)測；物種保護(hù)；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP39；X834 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

中國是世界上生物多樣性最豐富的國家之一。我國擁有脊椎動物6 266種，約占世界脊椎動物種類總數(shù)的10%；我國擁有高等植物三萬余種，居世界第三位。這些生物廣泛分布在我國各地區(qū)，與人類共同生活在這片土地上。過去，由于片面追求經(jīng)濟(jì)效益以及對環(huán)保工作的疏忽，許多珍稀物種的棲息地遭到了人為破壞?？諝馕廴尽⑺廴?、土壤污染和噪聲污染不僅讓許多地區(qū)的野生動植物失去了理想的家園，也嚴(yán)重影響了人類的生活質(zhì)量。隨著全社會知識水平和文化素質(zhì)的提高，人們越來越意識到環(huán)境保護(hù)的重要意義，而物種保護(hù)則是環(huán)境保護(hù)的一個重要方面。通過了解野生動物的生存狀態(tài)，能夠客觀了解一個地區(qū)的環(huán)境水平。例如在《中國物種紅色名錄》中就提到，一種名為金線蛙的珍稀物種就是北京地區(qū)工業(yè)污染的指示劑。通過保護(hù)一個地區(qū)的珍惜動物，就能在客觀上促進(jìn)該地區(qū)的自然環(huán)境的改善，進(jìn)而提高該地區(qū)人民的生活質(zhì)量。

珠江口位于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展極為活躍的珠江三角洲地區(qū)，這里不僅集中了香港、澳門兩個特別行政區(qū)，而且緊靠深圳與珠海兩個經(jīng)濟(jì)特區(qū)。這里的水面上常年穿梭著各類船舶，多條繁忙的航道在此處交匯，即將通車的港珠澳大橋也坐落于此。而同時，這里也是國家一級保護(hù)動物中華白海豚最重要的棲息地之一，是中華白海豚國家級自然保護(hù)區(qū)的所在地。如何在經(jīng)濟(jì)活動如此繁忙的地區(qū)做好珍惜物種的保護(hù)工作，是一大難題。

中華白海豚（Sousa chinensis）屬于鯨類海豚科，是一種水生哺乳動物，喜歡生活在咸淡水區(qū)域的淺水層，不連續(xù)的分布于印度洋和太平洋沿岸的河流入海口。和許多其它種類的鯨或海豚相似，中華白海豚也依靠回聲定位進(jìn)行覓食、交流、躲避敵害等活動。由于其棲息的河流入海口的淺水層（深度一般不超過25 m）是人類活動最頻繁的水域，因此非常容易受到因人類活動產(chǎn)生的噪聲干擾。由于回聲定位系統(tǒng)的需要，白海豚的聽覺極其發(fā)達(dá)，這也使得它們對噪聲的忍耐程度很低，尤其當(dāng)噪聲所在的頻段與白海豚回聲定位系統(tǒng)的頻段重合時，它們受到的干擾尤其明顯。由于回聲定位失靈而擱淺或誤入危險區(qū)域?qū)е滤劳龅陌咐陙韺乙姴货r，這為中華白海豚的保護(hù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

要對中華白海豚進(jìn)行保護(hù)，首先必須做到對水中噪聲的監(jiān)控。通過大范圍的實時水下噪聲監(jiān)控，可以找出對中華白海豚威脅最大的噪聲源，并精確的進(jìn)行干預(yù)。但遺憾的是，這一工作始終未能很好的完成。

阻礙這一重要工作的最主要原因便是成本，由于目前主要采用人工方式監(jiān)測，而每次監(jiān)測都需要雇船出海。這種監(jiān)測方式只能勉強(qiáng)滿足科研需要，如果需要對整個保護(hù)區(qū)進(jìn)行長期監(jiān)測，則人員與時間成本都超過了保護(hù)區(qū)的承受能力。因此，目前急需一種低成本的、高度自動化的區(qū)域監(jiān)測方式來替代原有的測量方法。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型信息管理方案有望破解這一困局。

1 技術(shù)方案

1.1 適用場合

本文所論述的解決方案適用于淺水區(qū)域的水下噪聲監(jiān)測需求，需要該區(qū)域有適于在流動水體中固定探測終端的附著物。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案的主體部分是一個基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)收集各終端采集的環(huán)境信息并將其發(fā)送到用戶指定的接收端。

用于信息采集的設(shè)備是麥克風(fēng)及各類傳感器。麥克風(fēng)可測量水下噪聲的響度，傳感器可測量水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。這些信息經(jīng)綜合分析，可以反映水體的污染狀況，對比白海豚等水生生物理想的生存環(huán)境，可對它們的生存質(zhì)量做出大致評估。麥克風(fēng)和傳感器均與一個ZigBee終端組成一個探測單元，由一個集成了小型光伏發(fā)電設(shè)備的電池組供電。該探測單元將被固定在例如橋墩、航標(biāo)等位置，每一個測量單元都根據(jù)其所處的位置編號。由于各測量單位之間均采用自動組網(wǎng)的無線通信方式，故僅需進(jìn)行簡單的安放與固定工作。ZigBee技術(shù)允許終端與其它單元配合形成一個自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，并通過ZigBee網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至云端。用戶可通過智能手機(jī)或平板電腦等移動終端隨時查閱所需信息。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

本方案使用CC2430系列ZigBee芯片。該芯片采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，有兩種可選的硬件方案，其主要區(qū)別在于功率的不同以及由功率不同帶來的最大通信距離的差別。

當(dāng)各探測終端與通信節(jié)點之間距離較近時，可采用普通方案。普通方案中采用的CC2430片上系統(tǒng)集成的CC2420RF收發(fā)器，經(jīng)測試，在無障礙物的情況下可保證直線距離60 m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。采用這種方案可降低供電設(shè)備的成本，在較為理想的情況下，其能耗完全由小型光伏發(fā)電設(shè)備提供。安裝后，在使用壽命期間無需更換電池組。

當(dāng)監(jiān)測水域面積較大，且可供固定探測終端的位置相聚較遠(yuǎn)時，或某些探測點與其它終端或通信節(jié)點之間有障礙物時，可選擇大功率路由節(jié)點。大功率路由節(jié)點在普通節(jié)點的基礎(chǔ)上增加了兩個設(shè)備，分別為一個CC2591射頻前端和一個為其提供能源的TPS73033模塊。經(jīng)測試，大功率路由節(jié)點在無明顯障礙物的情況下可保證直線距離400 m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，或可保證近距離穿透三堵約30 cm厚的混凝土墻。

1.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由于目標(biāo)監(jiān)測水域的情況較為復(fù)雜，也為了方便以后推廣到其它水域，本方案采用網(wǎng)狀網(wǎng)路由的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖越M織。該組織方式采用了矢量簡化算法（AODVjr），適用于水域環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸需要，在數(shù)據(jù)傳輸量較小的情況下（主要是噪聲分貝數(shù)、溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡單數(shù)值信息），保證網(wǎng)絡(luò)具有良好的健壯性。endprint

2 功能應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)獲取

CC2430芯片的片上系統(tǒng)自帶AD轉(zhuǎn)換模塊，可將麥克風(fēng)及各類傳感器提供的電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。麥克風(fēng)測量到的聲音信號以5 s為一個窗口通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻率信號，并分別求出低、中、高頻段的分貝數(shù)，與其它傳感器測量的數(shù)值一并發(fā)送到云端儲存。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采用ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度介于20～250 Kb/s之間，而每個傳感器每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有幾字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性可以得到有效保證。

2.3 節(jié)點分布

ZigBee網(wǎng)關(guān)可以安放在保安的監(jiān)控室內(nèi)，并從那里連接英特網(wǎng)。各通訊節(jié)點或測量終端則在保證相互距離不超過400m的情況下尋找橋墩或航標(biāo)位置進(jìn)行固定。其中橋墩部分是測量的重點，主要用于監(jiān)控橋上重型汽車的通行是否對白海豚的生活造成影響。其中高頻段的聲音采集還可用于捕捉白海豚的回聲定位信號，可為研究大橋?qū)χ腥A白海豚南北遷徙的影響提供科學(xué)依據(jù)。

2.4 信息獲取

用戶可以方便的通過各種移動設(shè)備訪問云端并實時查詢目標(biāo)水域的環(huán)境信息，如圖2所示。

3 技術(shù)優(yōu)勢

與以往的采用人工出海監(jiān)測的方式相比，本方案提出的利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水域環(huán)境監(jiān)測的方法具有巨大的成本和效能優(yōu)勢，其對比見表1所列。

4 結(jié) 語

本文提供了一個水域環(huán)境實時監(jiān)測的解決方案，可用于在珠江口海域進(jìn)行白海豚等珍惜水生生物的保護(hù)工作。相比過去依賴人工的監(jiān)測方式，該方案雖然在首次設(shè)備安裝方面投入較大，但卻能夠大大提高監(jiān)測效果，并在長期工作中顯著減輕人員和資金的消耗。該方案的順利實施還需要對白海豚的生活習(xí)性、耐受能力等信息進(jìn)行更深入的了解與水生生物領(lǐng)域及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域?qū)＜覀兊拇罅f(xié)助。

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