淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持下的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔志偉，周 祎，王 瑋，武煜坤，儀明臣

（1.青島吉美來科技有限公司，山東 青島 266100；2.山東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 濟(jì)南 250001）

引言

人類與環(huán)境相互作用、相互促進(jìn)、相互制約，具有一定的對立統(tǒng)一關(guān)系，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以人類-環(huán)境系統(tǒng)為特定研究對象，研究環(huán)境在人類活動(dòng)干預(yù)下發(fā)生的變化，以及為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定采取的措施，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 概述

1.1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

全球氣候變暖及極端氣候、氣象的出現(xiàn)，對人類生產(chǎn)生活造成了一定影響。因此我們需要進(jìn)行更加科學(xué)、完善的環(huán)境監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)各種環(huán)境參數(shù)，如溫度、大氣壓力、降水、太陽輻射和風(fēng)況等。通過觀測、積累數(shù)據(jù)和編制環(huán)境污染公報(bào)等方法預(yù)測環(huán)境危害的發(fā)展情況已經(jīng)不能滿足需要，而環(huán)境監(jiān)測是一個(gè)觀察、評估和預(yù)測環(huán)境狀況變化的信息系統(tǒng)，其目的是在自然過程的背景下突出這些變化的人為因素[1]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持下的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器連接到各種開源微處理器以進(jìn)行定制數(shù)據(jù)收集，包括 Arduino Pro Mini、Margay等微控制器。其中，Arduino Pro Mini 使用板載讀卡器或SD屏蔽將數(shù)據(jù)記錄到SD閃存卡，而和 Margay微處理器使用板載蜂窩數(shù)據(jù)功能和自定義固件將數(shù)據(jù)上傳到云終端。這些微處理器中的每一個(gè)都與數(shù)字傳感器兼容，支持廣泛使用的環(huán)境傳感器和設(shè)備，允許在單個(gè)微控制器上擴(kuò)展至多達(dá)8個(gè)相同的設(shè)備[2]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持下的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持下的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)勢，是具有完全可編程的通用數(shù)字、模擬和I2C端口，可與各種環(huán)境傳感器（如光度計(jì)、濕度計(jì)、氣體傳感器等）兼容[3]。

為在數(shù)據(jù)采集、傳輸、交換、存儲(chǔ)等方面發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)按照國家環(huán)?？偩值募夹g(shù)要求，采用多層模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、污染源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、公眾監(jiān)督與執(zhí)法檢查系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、視頻在線監(jiān)控系統(tǒng)、治污設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)組成。各模塊之間相對獨(dú)立的同時(shí)，相互協(xié)作，能24小時(shí)自動(dòng)、連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測水污染物（COD、TOC、NH3-N、總磷及部分重金屬）和大氣污染物（SO2、NOX、煙塵等主要污染因子）的情況，業(yè)務(wù)擴(kuò)展性較高。因此，環(huán)境部門能夠全面掌握污染源現(xiàn)場視頻及污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源情況等；再通過監(jiān)測中心站，運(yùn)用電子地圖、全球定位、應(yīng)急預(yù)案、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種方式上傳，生成數(shù)據(jù)、圖片、視頻資料，以高效防止污染事件發(fā)生。

1.2 無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢

1.2.1 低速率

54 M路由器的實(shí)際速 率一般為20 Mbps；150 M路由器的實(shí)際速率為70～80 Mbps；300 M路由器的實(shí)際速率一般在90～100 Mbps左右。

1.2.2 低功耗

在“待機(jī)”模式下，典型啟動(dòng)時(shí)間通常在5～10 μs范圍內(nèi)；在深度休眠或“深睡”模式中，功耗降至絕對最小值，有時(shí)低至20 nA。

1.2.3 傳輸距離較長

在技術(shù)規(guī)格、環(huán)境條件、設(shè)備質(zhì)量的加持下，無線路由器即使在嘈雜的環(huán)境中，也能長距離傳輸更大的數(shù)據(jù)包。目前，其最大傳輸距離通常為180～200米左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的無線路由器。

1.2.4 高可靠性

傳感器數(shù)據(jù)在提供給分布式估計(jì)系統(tǒng)之前在多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，該系統(tǒng)從可用數(shù)據(jù)中提取相關(guān)信息。

1.2.5 動(dòng)態(tài)性

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的死亡、移動(dòng)，新節(jié)點(diǎn)的加入及環(huán)境條件變化導(dǎo)致通信鏈路的帶寬變化，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有可調(diào)整性和可重構(gòu)性[4]。

1.3 ZigBee無線通信技術(shù)的優(yōu)勢

1.3.1 低功耗

ZigBee技術(shù)有非常明顯的低功耗優(yōu)勢，它的協(xié)議支持一些設(shè)備在沒有任務(wù)時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，更利于節(jié)點(diǎn)降低能耗。

1.3.2 時(shí)延短

ZigBee技術(shù)最大傳輸速率為250 kbps。低速率，時(shí)延也相對很短。

1.3.3 網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee技術(shù)在一個(gè)ID的網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)它的地址范圍，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可包含6萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，即使是簡單的星型結(jié)構(gòu)也可容納256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3.4 可靠性

Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低數(shù)據(jù)速率無線技術(shù)，Zigbee代表了SG-HAN中普遍采用的智能家居和智能能源標(biāo)準(zhǔn)之一。

1.3.5 安全性

ZigBee支持智能計(jì)量、AMI，并提供公用事業(yè)和家用設(shè)備間的可靠通信。工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz頻段，最大數(shù)據(jù)速率是 250 kbps，更加安全。

2 方案設(shè)計(jì)

我們的生活和生產(chǎn)需要良好的水資源和環(huán)境維系，但隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，水環(huán)境問題不容忽視。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，可對水域水生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，直觀地反映生態(tài)環(huán)境、水質(zhì)環(huán)境的安全狀況，進(jìn)而避免突發(fā)性污染事件的暴發(fā)。

其中，水生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控平臺(tái)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)輸送模塊、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等，水質(zhì)、氣象和視頻信息會(huì)通過端口實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，相關(guān)人員能夠及時(shí)掌握生態(tài)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場動(dòng)態(tài)。數(shù)據(jù)分析依靠報(bào)表生成單元和報(bào)表導(dǎo)出單元，包括日、周、月、季、年報(bào)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)日數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值，分析和總結(jié)水質(zhì)情況；水質(zhì)信息采集模塊包括聲學(xué)多普勒測流儀，能實(shí)時(shí)監(jiān)測不同深度流層的流速、流向以及濕地水位。利用現(xiàn)代信息技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和報(bào)告，可以使我們及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握河湖水質(zhì)狀況和動(dòng)態(tài)變化趨勢，成功實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)和氣象等生態(tài)要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以避免人工取樣檢測分析耗時(shí)長、缺乏連續(xù)性、無法響應(yīng)水域應(yīng)急需求等弊端。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)

選取SHT11為無線節(jié)點(diǎn)的環(huán)境采集傳感器、數(shù)據(jù)采集終端和ZigBee無線通信，對整體環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測。所有傳感器與計(jì)算機(jī)連接的同時(shí)，各個(gè)設(shè)備模塊之間還可進(jìn)行相互間的連接通信，實(shí)行身份識(shí)別功能驗(yàn)證等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效的監(jiān)測[5]。

2.1.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)采用STM32微處理器作為NB-IoT網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主控芯片，通信模塊采用NB-IoT和LoRa的母線槽溫度采集網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)包上傳至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。NB-IoT一般包括LoRa收發(fā)天線和射頻模塊、以及NB-IoT的射頻模塊和收發(fā)天線、存儲(chǔ)器、調(diào)試接口、電源模塊等。

2.1.3 傳感器節(jié)點(diǎn)

本次設(shè)計(jì)的基于無線傳感器的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

2.1.4 GPRS無線傳輸模塊

系統(tǒng)選用德州儀器（TI）公司旗下全資子公司Chipcon生產(chǎn)的CC1 100。CC1 100是基于Chipcon0.18 微米CMOS晶體的 SmartRF 04技術(shù)，發(fā)射頻率主要設(shè)定在315、433、868和915 MHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)PAN ID建立網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)接受包含PAN ID在內(nèi)的信標(biāo)幀。網(wǎng)絡(luò)建立流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)建立流程圖

2.2.2 路由器

聯(lián)合優(yōu)化拓?fù)浜停ǚ歉綦x）路由的算法，網(wǎng)絡(luò)需求可以通過可重構(gòu)交換機(jī)直接路由，搜索通信范圍內(nèi)是否存在網(wǎng)絡(luò)。

2.2.3 遠(yuǎn)程服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用簡單的AT命令進(jìn)行控制，在編程的一開始就要在IAR中選擇不同的設(shè)備類型將它們區(qū)分開來，設(shè)備類型的選取如圖4所示。

圖4 設(shè)備類型的選取

在選擇設(shè)備類型后，編譯器會(huì)根據(jù)該設(shè)備類型相對應(yīng)的配置文件來編譯這個(gè)工程。

2.2.4 編解碼插件開發(fā)

本文試圖開發(fā)一個(gè)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并確立了以下要求：低成本的創(chuàng)建和運(yùn)行，終端測量站的自主性、可擴(kuò)展性，采集數(shù)據(jù)的在線訪問，數(shù)據(jù)的安全性和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；趯Νh(huán)境的審查，將其與通過環(huán)境安全的定性和定量特征表示的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)進(jìn)行比較。環(huán)境影響評價(jià)方法在系統(tǒng)開發(fā)過程中包含了從規(guī)劃值出發(fā)對環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、分析、跟蹤和監(jiān)測的一系列措施，以下是編解碼插件開發(fā)的算法和流程：（1）開始流程；（2）確定參數(shù)；（3）設(shè)計(jì)參數(shù)組合；（4）FEM模擬；（5）輸入溫度信息；（6）確定好計(jì)算機(jī)算值和測量值之間的閾值；（7）獲取輸出并繪制圖形以供分析；（8）結(jié)束流程。

3 結(jié)語

綜上所述，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)本身并不包括環(huán)境質(zhì)量管理活動(dòng)，但它具有做出重大環(huán)境意義決定所必需的信息來源。這項(xiàng)工作所涉及的環(huán)境監(jiān)測是一個(gè)流動(dòng)觀測點(diǎn)系統(tǒng)，用于對一定區(qū)域范圍內(nèi)溫度、濕度、光照、降水量、風(fēng)速、沙塵的監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)快組網(wǎng)、低功耗的數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)分析處理。