基于物聯(lián)網(wǎng)曹妃甸濕地監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

王建華 龔瑞昆

華北理工大學電氣工程學院 河北唐山 063000

位于曹妃甸區(qū)的曹妃甸濕地總面積約540平方公里，濕地內(nèi)的野生動植物種類達1200余種，因此曹妃甸濕地被國際濕地組織譽為開發(fā)潛力巨大且不可多得的濕地保護區(qū)[1]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的曹妃甸濕地監(jiān)測系統(tǒng)在多種領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，并且隨著ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)、云計算技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的線路部署復雜、運行效率低下、覆蓋范圍窄等問題得以解決[2]。本文針對曹妃甸濕地生態(tài)環(huán)境中智能監(jiān)測系統(tǒng)缺乏的問題，研究設(shè)計了基于ZigBee與GPRS的曹妃甸濕地監(jiān)測系統(tǒng)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)來彌補ZigBee傳輸距離短的缺點，實現(xiàn)遠近數(shù)據(jù)通信，并基于ZigBee技術(shù)效率高、安全性高等特點進行網(wǎng)絡(luò)通信自組，顯著提高系統(tǒng)的實用性與可靠性，實現(xiàn)對溫濕度、光照強度、酸堿性、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的有效采集與傳輸，滿足濕地保護需求。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體構(gòu)建

曹妃甸濕地監(jiān)測系統(tǒng)基于新型無線技術(shù)ZigBee以及GPRS無線業(yè)務(wù)，監(jiān)測系統(tǒng)的組成主要包括數(shù)據(jù)節(jié)點模塊、通信模塊以及云中心。

數(shù)據(jù)采集模塊將曹妃甸濕地的溫度、濕度、水質(zhì)酸堿性、光照強度等數(shù)據(jù)進行采集，遵循ZigBee協(xié)議將匯集的節(jié)點數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)接收到來自應(yīng)用端的指令后，將其下達至ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊，同時又將數(shù)據(jù)采集模塊返回的環(huán)境參數(shù)打包處理后經(jīng)由GPRS傳送至云中心，云中心構(gòu)架了虛擬服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行處理后，操作人員可通過用戶端對數(shù)據(jù)進行查看與分析，面向曹妃甸濕地環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的用戶端能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)測、查詢、異常報警等功能[3]。

1.2 數(shù)據(jù)節(jié)點模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)節(jié)點模塊以CC2530作為主控制芯片，模塊還包括電源、UPS、太陽能版、USB接口、溫濕度傳感器、氣體煙霧傳感器、環(huán)境光傳感器等檢測元件組成。

CC2530是德州儀器開發(fā)的一款專門用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募尚酒?。其?yōu)點在于低運行功耗和構(gòu)建成本，在實際環(huán)境中的部署極為便利。

1.3 通信模塊設(shè)計

系統(tǒng)的通信模塊主要包括STM32主控芯片、RS232串口、集成UPS的電源模塊以及TR-800GSM/GPRS模塊，TR-800模塊配備由80個管腳，且芯片內(nèi)置了600000Bite的空間供文件存儲，支持最高85.6Kbps下載速度。

首先將帶有GPRS服務(wù)的SIM卡置入模塊卡槽中，然后STM32主控芯片向TR-800模塊發(fā)送指令，GPRS模塊與云中心服務(wù)器鏈接并進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)節(jié)點模塊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)節(jié)點模塊負責對各個傳感器數(shù)據(jù)進行收集與整理，應(yīng)用于監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)節(jié)點模塊采用低功耗設(shè)計，并實現(xiàn)具有中繼通訊功能的無線組網(wǎng)。數(shù)據(jù)節(jié)點模塊啟動后首先讀取自身配置，判斷自身為終端節(jié)點或是中繼節(jié)點，配置為中繼節(jié)點的模塊將保持運行常態(tài)，持續(xù)對終端節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行接收與儲存，并在云中心服務(wù)器發(fā)出調(diào)取指令后將數(shù)據(jù)進行傳送。同時為了方便巡檢人員查看，集成按鍵在被按下時，LED屏顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)并保持30S。

2.2 通信模塊軟件設(shè)計

通信模塊軟件功能主要包括應(yīng)用端操作指令的接收以及濕地環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送，系統(tǒng)將監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)通過MCU的解析命令傳送至GPRS模塊，再以TXT文本形式發(fā)送至云中心服務(wù)器，云中心服務(wù)器ID與注冊設(shè)備的ID統(tǒng)一進行分配，根據(jù)需求自定義數(shù)據(jù)流的名稱。

2.3 云中心設(shè)計

云平臺是指基于硬件的服務(wù)，可以擴展并向其他用戶提供基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)、中間件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠程監(jiān)控和管理。在基于ZigBee與GPRS框架的基礎(chǔ)上引入云計算中心，設(shè)計服務(wù)于曹妃甸濕地監(jiān)測方面的云中心的構(gòu)架以及面向環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)資源的虛擬化資源池，以實現(xiàn)資源的查閱、管理以及評估決策。

3 系統(tǒng)測試

選取部署的四個監(jiān)測節(jié)點進行測試，驗證系統(tǒng)功能及性能，系統(tǒng)通過ZigBee組網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送至通信模塊，再通過串口通信傳輸至GPRS并經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)上傳至云中心服務(wù)器，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對曹妃甸濕地環(huán)境的實時監(jiān)測。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的曹妃甸濕地監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),實現(xiàn)了對來自數(shù)據(jù)節(jié)點模塊的數(shù)據(jù)進行傳輸與處理,經(jīng)測試，系統(tǒng)在應(yīng)用端能夠?qū)崿F(xiàn)對濕地環(huán)境信息的查詢、分析等功能，相比于其他普通監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用范圍更廣，應(yīng)用環(huán)境更加靈活，在濕地生態(tài)保護方面有很好的發(fā)展前景。