楊千才

（山東省聊城生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 聊城 252000）

近年來，隨著環(huán)境保護(hù)理念的深入人心，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測日益受到重視。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要途徑，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息的采集打下堅實基礎(chǔ)[1-3]。本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測諸多生態(tài)環(huán)境影響因子，如空氣溫度與濕度、土壤水分、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤pH 和降水量等，并將數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，以便進(jìn)行分析處理。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，依據(jù)約定協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連，物體通過信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[4-5]。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，有助于構(gòu)建科學(xué)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系，提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量[6-8]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有自組織、無須布線、易安裝、攜帶方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，它是數(shù)字化信息采集的重要手段，可以應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。隨著時代的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測逐漸走向智能化。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

近年來，我國高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，積極開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測相結(jié)合，提高環(huán)境監(jiān)測效果，有效改善生態(tài)環(huán)境?；赪SN 的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)測單元、ZigBee 智能網(wǎng)關(guān)和傳感器單元組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。ZigBee 各終端節(jié)點(diǎn)連接相應(yīng)的傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過ZigBee 自組網(wǎng)絡(luò)的一個或者多個路由器轉(zhuǎn)發(fā)，將其傳到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口把數(shù)據(jù)存在本地計算機(jī)端，并通過5G 模塊把數(shù)據(jù)通過固定的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）地址發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。上位機(jī)單元通過網(wǎng)絡(luò)可以查詢數(shù)據(jù)，并實時顯示和分析數(shù)據(jù)，用戶也可以通過手機(jī)連接數(shù)據(jù)庫來查看信息，從而實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

3 硬件設(shè)計

3.1 WSN 的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

Z-Stack 協(xié)議棧的建立以IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為基礎(chǔ)，其定義了協(xié)議的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有成本低、功耗低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠度高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在無線監(jiān)測領(lǐng)域。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3種，即星形網(wǎng)絡(luò)、簇形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。無線信號傳播會受到地形和障礙物的影響而發(fā)生折射和反射，因此本系統(tǒng)選擇簇形網(wǎng)絡(luò)，它能夠保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，自組織能力較強(qiáng)，適用于采集復(fù)雜地形環(huán)境數(shù)據(jù)。WSN 的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 WSN 的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Z-Stack 協(xié)議棧的數(shù)據(jù)傳輸方式有3種，即廣播、組播和單播。由于監(jiān)測環(huán)境的需要，本設(shè)計將終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的傳輸方式設(shè)置為單播，指向協(xié)調(diào)器的地址發(fā)送數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則設(shè)置為廣播傳輸，傳輸對象為網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的所有設(shè)備。這種傳輸機(jī)制能夠有效減少數(shù)據(jù)冗余，保證數(shù)據(jù)的真實性。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該系統(tǒng)將STM32-LPC1752 芯片作為微控制單元（MCU），以ZigBeeCC2530 低功耗模塊作為搭建WSN 網(wǎng)絡(luò)的主要模塊。傳感器單元采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息后，終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后通過串口將其發(fā)送到MCU 單元。存儲數(shù)據(jù)后，本地上位機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行處理，判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，一旦出現(xiàn)異常，便觸發(fā)5G（SIM5320E）模塊來發(fā)送短信給指定用戶進(jìn)行報警。系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）模塊可定位每個節(jié)點(diǎn)的相對具體區(qū)域，使得用戶準(zhǔn)確判斷每個監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的具體情況。另外，將數(shù)據(jù)通過5G 模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)系統(tǒng)，用戶通過訪問固定的IP 地址來獲取實時數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)的監(jiān)控中心采用C 語言進(jìn)行設(shè)計，可以實現(xiàn)網(wǎng)頁和服務(wù)器的連接，訪問數(shù)據(jù)庫接收的實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁包含實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)曲線展現(xiàn)等功能，用戶在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方都可以隨時查看實時數(shù)據(jù)。借助數(shù)據(jù)曲線展現(xiàn)功能，用戶可以更好地觀察和分析數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛運(yùn)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)日益成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)自動監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時發(fā)布預(yù)警。本次生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安裝方便、實時性好等突出優(yōu)勢。經(jīng)應(yīng)用測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的空氣溫度和濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、CO2濃度、土壤濕度、降水量等重要環(huán)境因子，滿足生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需求，為進(jìn)一步保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供可靠數(shù)據(jù)。今后要加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究，不斷拓展監(jiān)測范圍，以促進(jìn)我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)代化。