WSN森林微氣象信息監(jiān)測(cè)的組網(wǎng)試驗(yàn)研究

摘 ?要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)森林微氣象監(jiān)測(cè)的智能化和信息化，本文提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）的森林微氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)選取廣州市天河區(qū)的火爐山森林公園為試驗(yàn)區(qū)，布置了22個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，WSN網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為3500平方米，構(gòu)成森林微氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林微氣象的監(jiān)測(cè)，通過(guò)森林微氣象監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件，收集到的數(shù)據(jù)有1.75萬(wàn)條。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集森林環(huán)境信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合后傳輸?shù)交荆偻ㄟ^(guò)GPRS傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件，經(jīng)過(guò)一年左右的運(yùn)行可以證明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能夠大大提高森林微氣象監(jiān)測(cè)的效率。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);森林微氣象;氣象監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9;TN929.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）17-0154-03

Abstract：In order to realize the intelligence and informatization of forest micrometeorological monitoring，a forest micrometeorological data monitoring system based on wireless sensor networks （WSN） is proposed. The system takes Huolushan Forest Park in Tianhe District of Guangzhou City as the experimental area，and arranges 22 wireless sensor network nodes. The WSN network covers an area of 3500 square meters. It forms a forest micro-meteorological data monitoring system，which realizes the monitoring of forest micro-meteorology. The data collected through the software of the upper computer of forest micro-meteorological monitoring are collected. There are 17.5 million items. The system can collect forest environmental information through network node，process and fuse data，then transmit them to base station，and then transmit them to remote monitoring PC software through GPRS. After about a year of operation，it can be proved that the system is stable and can greatly improve the efficiency of forest micro-meteorological monitoring.

Keywords：wireless sensor network;forest micrometeorology;meteorological monitoring

0 ?引 ?言

森林微氣象主要研究森林上空大氣下墊面邊界層內(nèi)各物理量的垂直變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)的物理量包括森林植被熱量以及太陽(yáng)輻射總量等。微氣象數(shù)據(jù)是森林微氣象研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，森林微氣象學(xué)主要關(guān)注的數(shù)據(jù)有：太陽(yáng)輻射、空氣溫濕度、CO2的含量、風(fēng)向和風(fēng)速、降雨量、土壤的水分含量、土壤溫度等[1]。傳統(tǒng)的森林微氣象數(shù)據(jù)是通過(guò)氣象監(jiān)測(cè)站和人工移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行采集獲取微氣象數(shù)據(jù)。采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，自組織構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多跳傳輸完成數(shù)據(jù)的傳輸，具有成本低、自組織和容錯(cuò)性高的優(yōu)點(diǎn)。

目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用情形有：（1）森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)。通過(guò)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入煙霧傳感器或者溫濕度傳感器，并設(shè)置一定的報(bào)警機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)與災(zāi)區(qū)報(bào)警任務(wù)。（2）生物多樣性監(jiān)測(cè)。可以在動(dòng)物身上安裝一些定位傳感器，對(duì)動(dòng)物進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，可用于在熱帶雨林或者寒冷的極地環(huán)境探索動(dòng)物的多樣性。也可以高頻采集特定區(qū)域的環(huán)境信息，從而對(duì)生物的多樣性進(jìn)行分析。（3）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境的土壤含水量。（4）精準(zhǔn)林業(yè)。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)準(zhǔn)確計(jì)量和監(jiān)測(cè)林木生長(zhǎng)狀況，幫助林業(yè)管理員獲取森林環(huán)境特性及林木生長(zhǎng)的有效數(shù)據(jù)。

針對(duì)森林微氣象監(jiān)測(cè)的實(shí)際管理需求，本文提出了一種采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)森林環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的發(fā)展起到保障作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由4個(gè)模塊組成，分別是數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)融合模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，如圖1所示。森林微氣象的數(shù)據(jù)感知原理是通過(guò)加載在傳感器節(jié)點(diǎn)的不同類(lèi)型的無(wú)線傳感器進(jìn)行感知，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳無(wú)線傳輸方式完成數(shù)據(jù)的匯聚融合，并通過(guò)Internet、GPRS、4G等通信網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程終端服務(wù)器[2]，在森林微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件當(dāng)中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，WSN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 ?WSN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由4個(gè)組成部分，分別為數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)感知模塊、通信模塊以及電源模塊[3]。數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)所要監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息配置不同的傳感器，要求傳感器的封裝性能好、體積小、電路簡(jiǎn)單。當(dāng)前適用于森林微氣象監(jiān)測(cè)的傳感器有：光照度傳感器、土壤水分傳感器、溫濕度傳感器DHT22、CO2傳感器。本系統(tǒng)的WSN節(jié)點(diǎn)掛載傳感器有：光照度傳感器、土壤水分傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器DHT22、CO2傳感器等，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍約3500m2。各節(jié)點(diǎn)封裝滿(mǎn)足IP65的等級(jí)要求，為了將其固定在樹(shù)木支干上，我們采用了捆綁的方式。傳感器節(jié)點(diǎn)最為關(guān)鍵的組成部分是數(shù)據(jù)處理器，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用了ATmega128L微控制器，該控制器功耗較低且集成了多種數(shù)據(jù)資源。無(wú)線通信模塊對(duì)于節(jié)點(diǎn)的通信和數(shù)據(jù)傳輸具有重要作用，節(jié)點(diǎn)的通信距離受射頻傳輸能力限制，要求無(wú)線模塊的功耗越低越好，本系統(tǒng)的WSN節(jié)點(diǎn)射頻模塊采用CC2430無(wú)線通信模塊。WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 ?WSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中，數(shù)據(jù)的傳輸性能直接決定了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞[4]，設(shè)計(jì)適合森林環(huán)境樹(shù)木多、遮擋嚴(yán)重、地形落差大、環(huán)境惡劣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議尤為關(guān)鍵。本系統(tǒng)設(shè)置了結(jié)合定向天線和全向天線性能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，能夠預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)通信的大體方向，將數(shù)據(jù)朝著工作需求的方向進(jìn)行傳輸，引入有限狀態(tài)機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分類(lèi)劃分為休眠狀態(tài)和激活狀態(tài)，以能量?jī)?yōu)先為導(dǎo)向，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信需要進(jìn)行狀態(tài)的自動(dòng)切換。路由構(gòu)建機(jī)制由3部分組成，分別是網(wǎng)絡(luò)初始化、鄰居報(bào)文交互、鄰居表維護(hù)。在初始化階段進(jìn)行鄰居表初始化，鄰居間交互SniffMsg和AckMsg消息報(bào)文，完成節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)并更新自身HC（跳數(shù)信息）。根據(jù)鄰居信息把鄰居劃分到不同的鄰居記錄表AdjacencyList中，包括父節(jié)點(diǎn)記錄表、兄弟節(jié)點(diǎn)記錄表、子節(jié)點(diǎn)記錄表。路由維護(hù)階段通過(guò)鄰居交互報(bào)文更新節(jié)點(diǎn)鄰居狀態(tài)表AdjacencyState。

2 ?試驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)管理

2.1 ?節(jié)點(diǎn)部署方案

在森林微氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中，由于考慮到野外環(huán)境的不確定性，對(duì)于硬件節(jié)點(diǎn)必須要進(jìn)行封裝，可采用金屬外殼或者塑料外殼進(jìn)行防水密閉設(shè)計(jì)，并且在部署節(jié)點(diǎn)過(guò)程中要考慮到節(jié)點(diǎn)的朝向以及周邊有無(wú)覆蓋物，最好部署在較為寬廣的地方，以避免外界環(huán)境因素引起的通信質(zhì)量差的問(wèn)題。為控制系統(tǒng)的成本，在實(shí)際監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)中會(huì)在滿(mǎn)足覆蓋整片區(qū)域的基礎(chǔ)上減少部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，但是，為了提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力，仍需保證網(wǎng)絡(luò)具有一定冗余性[5]。

本系統(tǒng)于2018年5月至今在火爐山森林公園進(jìn)行了面向森林微氣象監(jiān)測(cè)的實(shí)地試驗(yàn)，火爐山森林公園位于廣州市天河區(qū)，長(zhǎng)約3km，面積6km2，火爐山森林資源豐富，共30多個(gè)科、50多個(gè)屬、100多個(gè)品種，主要由亞熱帶和南亞熱帶優(yōu)良闊葉樹(shù)種組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置了22個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，森林環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署圖如圖4所示。在實(shí)際組網(wǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用定向天線與全向天線相結(jié)合的節(jié)點(diǎn)部署方案在保證節(jié)點(diǎn)連通性上效果較好。網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為3500m2，構(gòu)成森林微氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集森林環(huán)境信息、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合后達(dá)到基站，再通過(guò)GPRS傳送到遠(yuǎn)程上位機(jī)軟件，在一年多的時(shí)間里，累計(jì)收集到的數(shù)據(jù)有1.75萬(wàn)條。

2.2 ?SQL Server數(shù)據(jù)處理

森林微氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⑹占降臄?shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器當(dāng)中，服務(wù)器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，在森林微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行在線顯示。其數(shù)據(jù)處理過(guò)程為：SQL Server進(jìn)行解析、處理收集到的數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)，分析圖像數(shù)據(jù)包的完整性，并進(jìn)行報(bào)文傳輸，再以動(dòng)態(tài)圖呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、CO2濃度。

2.3 ?數(shù)據(jù)顯示與參數(shù)配置

采用Web形式實(shí)現(xiàn)對(duì)森林微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，用戶(hù)可通過(guò)已接入互聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)、Pad、手機(jī)等遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置。遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，方便用戶(hù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，基于DreamWare技術(shù)可視化，將探測(cè)到的節(jié)點(diǎn)溫度、濕度、CO2濃度信息進(jìn)行連續(xù)顯示，能夠有效呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錉顟B(tài)以及節(jié)點(diǎn)的信息，對(duì)于溫度過(guò)高或者濕度較低的區(qū)域，進(jìn)行災(zāi)情預(yù)警。表1為2016年6月14日不同節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)，表2為不同節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的濕度數(shù)據(jù)。

3 ?結(jié) ?論

經(jīng)實(shí)際組網(wǎng)部署試驗(yàn)，基于混合天線WSN的森林微氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)森林微氣象信息的采集、分析、存儲(chǔ)及預(yù)警功能，在森林微氣象環(huán)境信息監(jiān)測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于林業(yè)工作者開(kāi)展數(shù)字林業(yè)、推動(dòng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：鄭少雄（1990-），男，漢族，廣東饒平人，講師，碩士研究生，畢業(yè)于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究方向：信息系統(tǒng)管理、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。