一種物聯(lián)網(wǎng)濕地?zé)o線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁 齊

(常熟市林業(yè)站，江蘇 常熟 215500)

濕地是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，被稱為“地球之腎”。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國在濕地保護(hù)上也加大了力度，但是濕地保護(hù)仍然還面臨著水體污染、面積萎縮和生物多樣性減少等諸多問題。在此背景下，濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遙感技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段，能夠有效地提高環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，提升環(huán)境監(jiān)測(cè)效率，為濕地生態(tài)資源保護(hù)和合理開發(fā)利用提供重要的數(shù)據(jù)支撐，在促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面也起著重要的作用。總之，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)建濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)無線網(wǎng)絡(luò)，可以全面感知濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)上傳到PC客戶端與手機(jī)App，還能隨時(shí)查看濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全過程、多方面和持續(xù)性的環(huán)境監(jiān)測(cè)，由無線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若有數(shù)據(jù)異常，還可借助短信方式報(bào)警，便于對(duì)濕地環(huán)境進(jìn)行全面智能監(jiān)測(cè)，滿足濕地動(dòng)植物資源調(diào)查和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求，最終促進(jìn)濕地建設(shè)朝著綠色可持續(xù)方向發(fā)展。

1 濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)研究

國內(nèi)濕地環(huán)境方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)50年代，這方面研究多需要專業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)采集樣本數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，然后進(jìn)行樣本分析，最后整理成結(jié)論研究濕地環(huán)境。但該方法會(huì)消耗很多時(shí)間，且在數(shù)據(jù)采集期間還會(huì)產(chǎn)生很多人為誤差，加上數(shù)據(jù)采集時(shí)間較為離散，很難展現(xiàn)某一時(shí)間內(nèi)濕地環(huán)境的變化。到20世紀(jì)90年代，國內(nèi)濕地環(huán)境建設(shè)取得新的進(jìn)步。自改革政策的落實(shí)，很多西方技術(shù)被應(yīng)用到國內(nèi)濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中。借助濕地環(huán)境評(píng)估和濱海濕地變遷模擬方面的研究，國內(nèi)濕地研究中首次融入了計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)。之后，將這些技術(shù)應(yīng)用到遼河濕地景觀規(guī)劃當(dāng)中，這為國內(nèi)濕地研究開啟了新的道路[1]。

2 濕地監(jiān)測(cè)站創(chuàng)建的意義

國內(nèi)濕地占地面積近6 600萬hm2，該面積占比世界濕地面積11%，位居世界第4。這里天然濕地占地面積約2 590萬hm2，里面包含淺海水域、沼澤和天然湖泊等不同類型。在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中，隨著人類活動(dòng)的增加，濕地周遭城市土地需求不斷增加，其不合理的濕地開發(fā)行為，導(dǎo)致周遭濕地面積不斷下降。與此同時(shí)，濕地退化問題越來越嚴(yán)重。濕地環(huán)境退化，即周遭生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能不斷下降，產(chǎn)生的危害為：一，對(duì)生態(tài)平衡造成破壞，增加自然災(zāi)害發(fā)生概率。隨著濕地的退化，綠植物種不斷減少，生態(tài)多樣性逐漸被破壞，洪澇與干旱災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。二，水調(diào)蓄能力不斷下降，濕地退化導(dǎo)致水凈化力不斷下降，水循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)被破壞。三，植被覆蓋率逐漸下降，土壤逐漸被侵蝕。隨著濕地水環(huán)境的改變，綠色植物生長(zhǎng)率備受影響，植被覆蓋率逐漸減少，濕地環(huán)境蓄水率隨之下降。隨著土壤侵蝕度的增加，在風(fēng)化作用下，環(huán)境沙漠化程度不斷加重[2]。

與大面積水域相比，濕地水環(huán)境有其特殊性。江河、湖海等大面積水域一般在地理上具有統(tǒng)一性，一個(gè)水域是一個(gè)完整的整體，而濕地水環(huán)境水域多為分散的、獨(dú)立的局部水域，水域大小不一致、形狀不規(guī)則、生物多樣性復(fù)雜，環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)難度較大，監(jiān)測(cè)結(jié)果易受到人為、季節(jié)等因素的影響，基于物聯(lián)網(wǎng)的無線檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)水域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠快捷、準(zhǔn)確地評(píng)估水環(huán)境參數(shù)，為濕地污染預(yù)警和防治提供技術(shù)支持[3]。

一直以來，受到技術(shù)方面的限制，關(guān)于濕地退化方面研究多以人工監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集為主。在不同傳感器與集成電路技術(shù)快速發(fā)展中，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)等方面發(fā)展，傳統(tǒng)濕地監(jiān)測(cè)方式備受打擊，生態(tài)環(huán)境技術(shù)發(fā)生明顯改變。野外設(shè)立無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即可對(duì)濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)站情況進(jìn)行全面了解[4]。

3 系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計(jì)線路

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的濕地環(huán)境無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含2部分：一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；二，濕地環(huán)境數(shù)據(jù)后臺(tái)服務(wù)器。其中，就前者而言，在濕地四周布設(shè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，讓節(jié)點(diǎn)間借助無線鏈路進(jìn)行連接，同時(shí)按照ZigBee協(xié)議，組織并構(gòu)成無線多跳網(wǎng)，即可采集濕地環(huán)境參數(shù)與數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)中，之后該節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中。對(duì)后者來說，濕地環(huán)境數(shù)據(jù)后臺(tái)服務(wù)器，主要責(zé)任為采集、存儲(chǔ)、處理獲得的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。濕地環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常期間，及時(shí)給出警報(bào)信息。此時(shí)，用戶借助PC端即可對(duì)后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行訪問，便于查詢濕地環(huán)境數(shù)據(jù)信息[5]。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在連接濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)期間，另外一端和因特網(wǎng)相連，身為濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)無線網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)服務(wù)間的橋梁，其主要責(zé)任為轉(zhuǎn)換協(xié)議與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，之后將數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)服務(wù)器中。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1，具體設(shè)計(jì)框架圖見圖2。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

站在任務(wù)需求視角分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)期間的主要問題，便于提出最佳問題解決方案。在了解環(huán)境數(shù)據(jù)方面，可以將濕地環(huán)境內(nèi)水與空氣數(shù)據(jù)，例如水體pH、光照和濕度等不同參數(shù)進(jìn)行感知。傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)中，使用CC2530芯片及Z——Stack協(xié)議?？蓜?chuàng)建傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，將MySQL當(dāng)做后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，便于采集存貯不同濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。服務(wù)器應(yīng)用Java語言研發(fā)管理軟件界面，同時(shí)和移動(dòng)終端進(jìn)行通信。以安卓系統(tǒng)為平臺(tái)，研究移動(dòng)客戶端，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)[6]。

系統(tǒng)使用逐步細(xì)化與自頂向下方式進(jìn)行開發(fā)。先劃分項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)與模塊，接著就各模塊內(nèi)容逐一進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，最后開展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。模塊研發(fā)多以前期模塊為基礎(chǔ)，隨后陸續(xù)融入新的系統(tǒng)，便于及時(shí)找到模塊間與設(shè)計(jì)中的問題，從而不斷提升系統(tǒng)研發(fā)速度。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

濕地環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)見圖3，傳感器網(wǎng)絡(luò)包含9個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同傳感器節(jié)點(diǎn)借助ZigBee協(xié)議可建立組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，然后將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)借助網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)相連。

圖3 濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.2 后臺(tái)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)見圖4，該軟件主要負(fù)責(zé)采集協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后對(duì)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。數(shù)據(jù)處理期間，可以應(yīng)用MySQL存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，接著結(jié)合移動(dòng)端需求，借助Socket朝著移動(dòng)端口傳遞環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖4 后臺(tái)服務(wù)器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3 移動(dòng)App設(shè)計(jì)

安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)不僅可以接收到PC端傳來的數(shù)據(jù)信息，還能借助動(dòng)態(tài)曲線充分展現(xiàn)本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；再者，還能及時(shí)查找PC端歷史數(shù)據(jù)。安卓端還能設(shè)定報(bào)警閾值，若某一數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，借助短信就能報(bào)警。

5 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5.1 原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有6個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其中連接傳感器共9個(gè)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)借助ZigBee協(xié)議和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)既要接收濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，還要借助串口和服務(wù)器相連，然后將收到的數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。并在服務(wù)器中部署相應(yīng)軟件，便于存儲(chǔ)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，加強(qiáng)和安卓終端間的通信。安卓終端與服務(wù)區(qū)連接在相同局域網(wǎng)中，借助Socket完成數(shù)據(jù)通信[7]。

5.2 后臺(tái)服務(wù)器軟件

后臺(tái)服務(wù)器軟件借助Java Swing 研發(fā)，借助串口獲得協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將其存貯在MySQL內(nèi)。隨后借助“啟動(dòng)服務(wù)”按鈕，即可為安裝系統(tǒng)提供Socket服務(wù)，便于安卓終端可以訪問數(shù)據(jù)庫內(nèi)容[8]。

5.3 安卓終端軟件

安卓軟件可以在主流安卓終端運(yùn)行。安卓終端軟件主要負(fù)責(zé)展現(xiàn)實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)，遇到數(shù)據(jù)異常情況及時(shí)報(bào)警。實(shí)時(shí)安裝終端數(shù)據(jù)界面中，“連接”鍵可以和后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行連接，便于收到后臺(tái)傳來的濕地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。二維坐標(biāo)中濕地環(huán)境數(shù)據(jù)借助動(dòng)態(tài)曲線展現(xiàn)在用戶眼前。二維圖像前有濕地環(huán)境參數(shù)按鈕，點(diǎn)擊該按鈕即可選擇想要的環(huán)境參數(shù)。對(duì)于不同環(huán)境數(shù)據(jù)而言，其將用不同顏色曲線展現(xiàn)出來。安卓歷史數(shù)據(jù)查詢界面中，用戶選擇自身所要查找的數(shù)據(jù)類型，然后在文本框內(nèi)輸入數(shù)據(jù)起始與終端時(shí)間，最后點(diǎn)擊查詢鍵，即可用曲線方式向人們展現(xiàn)某時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化[9]。

6 濕地環(huán)境變化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施

(1)濕地面積監(jiān)測(cè)。濕地面積監(jiān)測(cè)以濕地質(zhì)量與面積變化為核心，引起濕地面積改變的因素有：管理影響、外部趨勢(shì)等，例如氣候變化。該過程中監(jiān)測(cè)目的為及時(shí)判定濕地變化程度及原因，便于及時(shí)采取停止措施。濕地面積監(jiān)測(cè)使用的指標(biāo)有：生境斑塊、生境類型面積等對(duì)照分析。濕地面積監(jiān)測(cè)法主要包括地圖勾繪、實(shí)地調(diào)查、GIS與遙感[10]。

(2)水文情勢(shì)監(jiān)測(cè)。水文情勢(shì)改變多因人類活動(dòng)與中上游取水過度導(dǎo)致的，也有部分原因?yàn)樗w沼澤化，有機(jī)物累積過多，從而使得地面上升，最終使得水文情勢(shì)不斷改變。濕地水溫變化，可以從水量平衡、水位高度、潮汐和降水量等方面看出來[11]。

(3)有毒、污染物監(jiān)測(cè)。濕地有毒有害物質(zhì)包括磷殺蟲劑、洗滌劑和工業(yè)廢棄物等，這些物質(zhì)多由人類活動(dòng)產(chǎn)生，進(jìn)而危及濕地生態(tài)系統(tǒng)。其中污染物監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括：不同有毒物質(zhì)、生物體、放射性物質(zhì)等濃度[12]。

(4)生物多樣性監(jiān)測(cè)。因難以直接開展化學(xué)監(jiān)測(cè)，所以通常多使用生物監(jiān)測(cè)法。也就是對(duì)很多大型水生生物、陸生植物和魚等進(jìn)行化學(xué)毒物與金屬污染等方面監(jiān)測(cè)。其中，生物多樣性監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括：種群數(shù)量、本地物種和外來物種等方面影響。具體檢測(cè)方法可以通過查找資料與實(shí)地調(diào)查開展。

7 結(jié)語

沿海濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即可對(duì)9種參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。用戶借助安卓移動(dòng)端即可查詢濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，查找特定時(shí)期下濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。若濕地環(huán)境參數(shù)超過上限與下限，則會(huì)收到警報(bào)短信。使用這一系統(tǒng)可以提高濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)智能水平，不斷提升濕地資源保護(hù)效率?；谖锫?lián)網(wǎng)的濕地?zé)o線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的檢測(cè)，實(shí)時(shí)地顯示和傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠形成濕地水環(huán)境檢測(cè)信息網(wǎng)，具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確性高，為濕地保護(hù)提供技術(shù)支持，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。