江禹生,樊 宇
(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院,重慶 400044)
近年來(lái),我國(guó)積極發(fā)展城市森林,重慶等一些城市還提出建設(shè)“森林城市”的目標(biāo)。城市綠化已成為城市環(huán)境建設(shè)的重要方面,尤其是對(duì)城市森林的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)是科學(xué)評(píng)價(jià)城市生態(tài)服務(wù)功能、科學(xué)分析城市森林結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。然而,由于城市森林的異質(zhì)性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、分布破碎性、交互頻率性和空間異質(zhì)性使得生態(tài)環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)變得十分困難。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)通常采用氣象站法、定點(diǎn)觀測(cè)法、運(yùn)動(dòng)樣帶法、遙感測(cè)定及模擬預(yù)測(cè)法[1]等5種方法,只能表明是某一個(gè)時(shí)段上的觀測(cè),不能反映溫度的不同和不斷變化,因此,需要發(fā)展新的技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)這些效應(yīng)。而且,現(xiàn)有的研究主要集中在對(duì)單一環(huán)境效應(yīng)的評(píng)估上,包括熱島效應(yīng)、土壤環(huán)境和雨水資源等,缺乏能夠全面地反映影響城市森林環(huán)境效應(yīng)因子的統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)手段。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)以及多環(huán)境因子的同步感知[2]等特點(diǎn)。從無(wú)線監(jiān)測(cè)方法來(lái)看,可以做到大范圍布設(shè)測(cè)量,異步與同步融合,連續(xù)觀測(cè),少人工或者無(wú)人工,從定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和模型估計(jì)做出連續(xù)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。雖然目前通過(guò)布置WSNs來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行前端監(jiān)測(cè)的研究已趨于成熟[3],但是缺乏對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)界面顯示和遠(yuǎn)程觀測(cè)的后端處理[4],而該目標(biāo)正是城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)所需要達(dá)到的。因此,針對(duì)城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控現(xiàn)狀,本文采用WSNs,GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建混合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)了一種新的適應(yīng)城市森林環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市森林環(huán)境效應(yīng)的連續(xù)觀測(cè)和同步感知。
本文設(shè)計(jì)了一種新的適應(yīng)于城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從全網(wǎng)范圍上看,監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)被抽象為一個(gè)包含3種基本網(wǎng)絡(luò):WSNs,GPRS和Internet的混合網(wǎng)絡(luò)模型,如圖1所示。
圖1 混合組網(wǎng)模型Fig 1 Model of hybrid networking
從圖1可以看出:系統(tǒng)組網(wǎng)主要由三大基本部分組成,它們之間相互交流相互通信,完成信息采集與傳輸。
第一部分為WSNs網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)部分,主要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。在城市森林的監(jiān)測(cè)區(qū)域部署大量節(jié)點(diǎn),構(gòu)成小型的傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)環(huán)境效應(yīng)因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集。
第二部分為基站部分,完成 Zig Bee,GPRS,Internet不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間的通信轉(zhuǎn)換功能。
第三部分為管理平臺(tái),通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)第二部分的基站,對(duì)第一部分的WSNs進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)有多種,用于2.4GHz頻段的主要有UWB,Zig Bee、藍(lán)牙和Wi-Fi等。通過(guò)對(duì)基于城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)的混合網(wǎng)絡(luò)模型定義,對(duì)各個(gè)協(xié)議性能的比較分析表明Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小,組網(wǎng)靈活,部署方便,功耗極低,因此,本文選擇Zig Bee協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)WSNs網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。同時(shí)選擇GPRS協(xié)議和TCP/IP協(xié)議解決WSNs網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與管理平臺(tái)間的長(zhǎng)距離通信問(wèn)題,通過(guò)協(xié)同多種通信協(xié)議完成城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng),構(gòu)成分布式的WSNs。
對(duì)城市森林環(huán)境效應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控需要自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境效應(yīng)因子,如,溫度、濕度、光強(qiáng)度以及土壤溫度、濕度等參數(shù),并及時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布[5]?;谏鲜鰬?yīng)用需求,設(shè)計(jì)的WSNs系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,將終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分布在城市森林的不同物理空間,構(gòu)成城市森林的WSNs。其中,終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息采集;路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)的中心控制階段發(fā)起新網(wǎng)絡(luò)的建立;網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)配置整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),收集各節(jié)點(diǎn)采集到的信息,進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與封裝后,由通信單元將信息傳送至服務(wù)器,并通過(guò)Internet發(fā)布。
圖2 WSNs系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 System structure diagram of WSNs
將城市森林劃分為若干被監(jiān)測(cè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的Zig Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)功能。將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在這些沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的物理空間內(nèi),且傳感器節(jié)點(diǎn)的位置是可移動(dòng)的;節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系不能預(yù)先得到,而且隨時(shí)變化。傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力,能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理,通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自適應(yīng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)與它的鄰居節(jié)點(diǎn)間可以直接通信,這些節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者,也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。
Zig Bee支持包含有主從設(shè)備的星型、樹簇型和對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)彼此并不通信,所有信息都要通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);樹簇型網(wǎng)絡(luò)中包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn),路由器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的路由功能,終端節(jié)點(diǎn)的信息一般要通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)后才能到達(dá)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),同樣協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理;對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間彼此互連互通,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)一般以多跳方式進(jìn)行,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有轉(zhuǎn)發(fā)功能,這是一種最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通常情況下星型網(wǎng)和樹簇型網(wǎng)絡(luò)是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn),因系統(tǒng)采用的傳感器數(shù)量眾多,通信距離較近,且網(wǎng)絡(luò)組建采用樹簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法相對(duì)簡(jiǎn)單,又可以在很大程度上滿足城市森林監(jiān)控的需求。另外,節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電路簡(jiǎn)單,只有很少或沒(méi)有消耗能量的內(nèi)存,更利于節(jié)約能耗[6],因此,采用樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3為分簇后的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)的簇首,而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)又相當(dāng)于路由節(jié)點(diǎn)的簇首。
圖3 分簇后的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig 3 Topology structure of Zig Bee network after clustering
目前,大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)之后,通過(guò)有線方式(網(wǎng)線、串口等)與計(jì)算機(jī)相連,后經(jīng)計(jì)算機(jī)利用網(wǎng)卡接入外部網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能[7]。這種傳統(tǒng)的通信方式成本高、開銷大。因?yàn)槌鞘猩值漠愘|(zhì)性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、分布破碎性、交互頻率性和空間異質(zhì)性使得通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)以有線的方式直接作為外部網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備具有較大難度。因此,需采用具有多種通信功能的網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)接入來(lái)滿足城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信需求。
多通信網(wǎng)關(guān)接入部分主要完成Zig Bee,GPRS,Internet等不同通信協(xié)議間的通信轉(zhuǎn)換功能。整個(gè)網(wǎng)關(guān)接入部分由每個(gè)小區(qū)域網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和基站組成。小區(qū)域網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要完成Zig Bee通信協(xié)議與GPRS通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換功能;基站則完成GPRS通信協(xié)議與Internet通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換功能。在多通信網(wǎng)關(guān)接入部分中每一個(gè)小區(qū)域的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn),而基站為該部分整體的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。多通信網(wǎng)關(guān)接入部分對(duì)應(yīng)圖1的第二部分。
考慮到城市森林中節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多,數(shù)據(jù)量相對(duì)較大,且需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,故選用32位CPU;同時(shí)為了減少能耗,需采用功耗低的CPU,綜合考慮功耗、性價(jià)比和設(shè)計(jì)需求,采用三星ARM9內(nèi)核的低功耗EMPU S3C2410A,Zig Bee網(wǎng)絡(luò)通信的射頻模塊選用低功耗的CC2430,為適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,Internet通信采用BENQ的M23 GPRS模塊。
CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案,能夠提高性能并能滿足低功耗Zig Bee/IEEE 802.15.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求,體積小,需要的外部元件數(shù)量少,性能穩(wěn)定且功耗極低,適合開發(fā)小型2.4 GHz產(chǎn)品,可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示,微控制器通過(guò)SPI總線和一些離散控制信號(hào)與射頻收發(fā)器相連;通過(guò)發(fā)射、接收端口與M23模塊連接,微控制器充當(dāng)SPI主器件,而Zig Bee無(wú)線收發(fā)器CC2430充當(dāng)SPI從器件,控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4MAC層和Zig Bee協(xié)議層,還包含了特定的應(yīng)用邏輯,Microchip協(xié)議棧提供了完全集成的驅(qū)動(dòng)程序,免除了主應(yīng)用程序管理的RF收發(fā)器的功能任務(wù),完成GPRS通信功能的芯片使用BENQ公司的M23,該模塊通過(guò)RS—232串口與微控制器的RS—232串口相連,實(shí)現(xiàn)微控制器通過(guò)GPRS發(fā)送、接收數(shù)據(jù)命令的功能。
監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由傳感器和A/D完成;數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù);射頻收發(fā)單元負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信,交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理單元為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量,通常采用微型電池。
圖4 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)核心部分電路圖Fig 4 Circuit of core part in wireless sensor node
多通信網(wǎng)關(guān)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖5,包括ARM處理器、Zig Bee通信模塊和GPRS通信模塊、存儲(chǔ)單元、電源模塊等。ARM選用三星ARM9內(nèi)核的低功耗EMPU S3C2410A,該單片機(jī)采用MMU,AMBA總線和Harvard高速緩存體系結(jié)構(gòu),并且提供了一組完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備接口,大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的成本。Zig Bee通信模塊與傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊一樣選用CC2430。GPRS模塊選用BENQ公司的一種多功能GSM/GPRS無(wú)線通信模塊M23,支持GSM900/DCS1800/PCS1900 3個(gè)頻段,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,采用3.3~4.5 V電壓供電,具有短消息服務(wù)、語(yǔ)音通話、數(shù)據(jù)傳真等功能,對(duì)外可提供天線接口、模擬音頻接口、異步串行接口和SIM卡接口等,工作范圍大,抗干擾能力強(qiáng),適用于工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合,該模塊為中遠(yuǎn)程無(wú)線通信提供了解決方案。
圖5 多通信網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Hardware structure diagram of multi-communication gateway node
本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)流程如圖6所示。依據(jù)管理平臺(tái)的要求對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置閾值,判斷這個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的監(jiān)測(cè)信息是否超標(biāo)。如果超標(biāo)則指示燈亮、蜂鳴器鳴叫,同時(shí)主動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)送警告信息;如果正常,則將當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地FLASH以供查詢。監(jiān)控主機(jī)向需要訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出訪問(wèn)請(qǐng)求命令,該命令通過(guò)Internet傳送到基站,然后通過(guò)GPRS發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)對(duì)隸屬于它的簇網(wǎng)絡(luò)支路進(jìn)行通信廣播,喚醒需要查詢簇的簇首節(jié)點(diǎn);簇首節(jié)點(diǎn)再向本簇普通節(jié)點(diǎn)廣播,激活休眠節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;普通節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到簇首節(jié)點(diǎn),簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)合成處理后沿原路反饋給監(jiān)控主機(jī),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。目前設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部單片機(jī)程序是固化的,系統(tǒng)上電后程序開始執(zhí)行直至系統(tǒng)關(guān)閉,程序無(wú)法被修改。但是,基于城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過(guò)管理平臺(tái)以無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送控制命令來(lái)修改程序,以改變參數(shù)閾值。
圖6 數(shù)據(jù)訪問(wèn)流程圖Fig 6 Flow chart of data accessing
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的有效性,選擇在重慶城區(qū)的一片“綠化森林”中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)在監(jiān)控區(qū)域安放10個(gè)內(nèi)置溫濕度傳感器的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建2個(gè)小區(qū)域網(wǎng)絡(luò),其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包含2個(gè)分簇(3個(gè)普通節(jié)點(diǎn)1個(gè)簇首節(jié)點(diǎn))和1個(gè)網(wǎng)關(guān),各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集環(huán)境監(jiān)測(cè)因子數(shù)據(jù)并傳輸?shù)焦芾碇行?,由管理中心存?chǔ)、處理以及實(shí)時(shí)顯示。表1為節(jié)點(diǎn)3采集到土壤溫濕度的部分?jǐn)?shù)據(jù)。
在網(wǎng)關(guān)接入層的基站處設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器,可以組建成一個(gè)簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。用戶只要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽和分析,尤其可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程調(diào)用和在線圖表分析功能,各種環(huán)境因子的變化和趨勢(shì)一目了然呈現(xiàn)在管理者面前。應(yīng)用者只要通過(guò)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)即可隨時(shí)了解城市森林的環(huán)境監(jiān)測(cè)因子的實(shí)時(shí)變化。
表1 節(jié)點(diǎn)3采集的溫濕度數(shù)據(jù)Tab 1 Temperature and humidity data collected by node 3
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)Internet訪問(wèn)基站W(wǎng)eb服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理和查看監(jiān)測(cè)信息?;旌媳O(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可以有效地監(jiān)測(cè)到城市森林環(huán)境的異常狀況,并主動(dòng)上報(bào)給監(jiān)測(cè)中心,提供有效的參考數(shù)據(jù),確保城市森林生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。小區(qū)域內(nèi)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)絕大數(shù)時(shí)間都處于休眠(未進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸)狀態(tài),可以大幅降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗,有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
本文設(shè)計(jì)了一種新的適合城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)—包含WSNs,GPRS和Internet的混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法,并建立了相應(yīng)的混合網(wǎng)絡(luò)模型。同時(shí),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)訪問(wèn)流程。實(shí)驗(yàn)表明:該組網(wǎng)策略和數(shù)據(jù)訪問(wèn)流程能滿足城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控的需求。
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