網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下我國環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

朱剛耀

（銅陵市義安區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站）

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下我國環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

朱剛耀

（銅陵市義安區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站）

在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展的現(xiàn)階段，環(huán)境問題一直都是全社會(huì)所廣泛關(guān)注的內(nèi)容，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作也提出了越來越高的要求。在信息時(shí)代當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測(cè)工作帶來了較大的機(jī)遇，已經(jīng)有越來越多的研究人員將環(huán)境監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)二者之間實(shí)現(xiàn)有機(jī)的結(jié)合，充分的發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用?；诖?，本文以無線傳感技術(shù)為例，對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下我國環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；無線傳感技術(shù)

前言

環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)際上采取系統(tǒng)調(diào)查研究的方式，對(duì)影響環(huán)境質(zhì)量的因素代表值進(jìn)行測(cè)定和分析，對(duì)環(huán)境質(zhì)量的污染程度及其變化趨勢(shì)進(jìn)行確定，進(jìn)而為環(huán)境治理和建設(shè)提供科學(xué)合理依據(jù)的一種系統(tǒng)性工作內(nèi)容。環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境保護(hù)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對(duì)環(huán)境保護(hù)工作的高效開展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中，信息技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有低功耗、短時(shí)延、高安全性等優(yōu)勢(shì)，再加之網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，設(shè)備的復(fù)雜程度低、運(yùn)行成本低和容量大等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建中發(fā)揮了巨大的作用，受到了研究人員的關(guān)注和青睞。

1 我國環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

在過去的一段時(shí)間之內(nèi)，我國環(huán)境監(jiān)測(cè)工作在一定程度上取得了較大的成效，初步形成了具有我國鮮明特色的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和管理體系，且在污染源普查、污染減排以及水專項(xiàng)等工作中起到了巨大的技術(shù)支撐作用，在推動(dòng)我國環(huán)保事業(yè)健康發(fā)展上做出了重要的貢獻(xiàn)，不僅監(jiān)測(cè)隊(duì)伍實(shí)現(xiàn)了不斷的壯大，對(duì)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)能力以提升；而且與環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)的科研工作也隨之實(shí)現(xiàn)了飛速的發(fā)展，形成了環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。然而，我國環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中也不可避免的存在著一些實(shí)際問題，一方面，在環(huán)境監(jiān)測(cè)隊(duì)伍的建設(shè)上面還存在問題，在新污染源不斷產(chǎn)生和臨時(shí)突發(fā)性任務(wù)日漸繁重的情況下，由于監(jiān)測(cè)隊(duì)伍人員少，設(shè)備技術(shù)老舊，使得對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析能力較低；另一方面，資源配置不合理，監(jiān)測(cè)技術(shù)能力不足，對(duì)污染事故的反應(yīng)能力較差，在出現(xiàn)污染事故的時(shí)候無法在第一時(shí)間做出正確的反應(yīng)；再加之缺乏對(duì)污染源的自動(dòng)監(jiān)控和流動(dòng)監(jiān)測(cè)能力，不能對(duì)實(shí)際的污染狀況做出正確的判斷。

2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下我國環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)組成

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下我國環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用方面。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是由大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)所需傳感器、中央處理器、電壓轉(zhuǎn)換器、電流、無線收發(fā)器以及高效電池等微型模塊所構(gòu)成，這些模塊按照一定的協(xié)議共同組成了無線網(wǎng)絡(luò)；且每個(gè)微型模塊在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中都代表了一個(gè)單獨(dú)的通信節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)具有與之相對(duì)應(yīng)的唯一的地址標(biāo)識(shí)。而且，每個(gè)無線傳感器的通信節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)等功能，同時(shí)也可以自動(dòng)生成路由。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如下：①無線傳感器會(huì)對(duì)所接收到的信號(hào)進(jìn)行感知，將信號(hào)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，由A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的處理和分析，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸給微處理器；②由微處理器對(duì)所接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)換成待發(fā)送的信號(hào)，并采取一定的控制策略將待發(fā)送的信號(hào)通過無線通信模塊進(jìn)行發(fā)射。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能模塊

2.2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊的核心部件所采用的是由TI公司所提供的CC2530 F256型中央處理芯片。CC2530是最新一代Zig Bee技術(shù)片上系統(tǒng)的解決方案，在其中存在一個(gè)兼容無線射頻收發(fā)器和增強(qiáng)型的CPU內(nèi)核、256KB的Flash程序存儲(chǔ)器、8KB的RAM、8通道12位的A/D轉(zhuǎn)換器、21個(gè)通用的GPIO端口和2個(gè)USART接口；在該模塊當(dāng)中支持2～3.6V的供電電壓，其中具有喚醒模式、睡眠模式和中斷模式這三種電源管理模式；無線接收靈敏度和抗干擾性較強(qiáng)，其傳輸距離＞75m，最高的傳輸速率能夠達(dá)到250kbps。

在CC2530的內(nèi)部存在數(shù)量較多且必要的集成電路，信號(hào)收發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)只需要借助數(shù)量較少的外圍電路。數(shù)據(jù)處理模塊的主要任務(wù)包括負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的無線傳輸通信、完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)、完成程序的下載及在線調(diào)試仿真以及實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的休眠。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)利用了I/O口來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集。在對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了保證其靈活性和可擴(kuò)展性，預(yù)留了傳感器接口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采用I2C和1-Wire總線技術(shù)的傳感器或模擬傳感器的擴(kuò)展。

將環(huán)境監(jiān)測(cè)類型的實(shí)際需求為根據(jù)，傳感器的節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光強(qiáng)、二氧化硫濃度等環(huán)境因子的同時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)低功耗、低成本、高精度以及硬件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化性和靈活性等方面進(jìn)行綜合的考量，確定傳感器型號(hào)的選擇如下所示：AM2301型空氣溫濕度傳感器、ISL2901型光照傳感器、B-530型二氧化碳傳感器、CF-100型二氧化硫傳感器；其中的AM2301、ISL2901型傳感器為數(shù)字傳感器，其他的則為模擬傳感器。ISL2901型傳感器的掛接是位于I2C總線之上，能夠利用P3.0口實(shí)現(xiàn)與主芯片之間的通信；而AM2301型傳感器的P2.0口則是通過1-Wire總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與主芯片之間的通信。

2.2.3 電源模塊

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的主芯片需要3.3V的電壓，而傳感器的常用供電電壓有3.3V、5V、12V這三種類型，為了能夠同時(shí)滿足大多數(shù)傳感器的實(shí)際需求，同時(shí)為擴(kuò)展使用不同類型的傳感器提供便利，在對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候提供了3.3V、5V、12V這三種類型的電壓；其中的主電源則采用了鋰電池和5V電源適配器這兩種方式，針對(duì)主板的主要電壓參數(shù)為3.3V，利用TPS79533型芯片將主電源轉(zhuǎn)換到3.3V的電壓之上，其輸入電平的范圍在2.7～5.5V范圍之間；而5～12V電壓轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)則采用了LM2585型芯片，以此為二氧化碳等傳感器提供與之相適應(yīng)的工作電壓。

2.2.4 調(diào)試模塊

對(duì)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的調(diào)試模塊而言，仿真器是通過1.0芯的JTAG接口與CC2530內(nèi)部當(dāng)中的調(diào)試模塊之間實(shí)現(xiàn)連接的，其主要的功能是對(duì)內(nèi)電路進(jìn)行調(diào)試。通過這個(gè)調(diào)試接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)閃存存儲(chǔ)器的擦除、停止，執(zhí)行由8051內(nèi)核所提供的指令，開始執(zhí)行用戶程序，設(shè)置代碼斷點(diǎn)和執(zhí)行內(nèi)核中全部指令的單步調(diào)試等內(nèi)容；借助這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠較好的執(zhí)行對(duì)內(nèi)電路的調(diào)試和外部閃存編程的任務(wù)。

3 結(jié)束語

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展和人們生活水平實(shí)現(xiàn)不斷提高的現(xiàn)階段，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)工作也提出了越來越高的要求，對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性等方面也予以了高度的重視，對(duì)數(shù)據(jù)需求種類的多樣性也越來越突出，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的開展帶來了較大的便利。以CC2530無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)為構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中采用了Zig Bee無線傳輸協(xié)議，對(duì)傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的布線困難問題實(shí)現(xiàn)了有效的解決，表現(xiàn)出組網(wǎng)靈活、采集準(zhǔn)確、低功耗和低成本等優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的大氣污染、水文、智能交通監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了較為廣泛的應(yīng)用。

[1]張京，楊啟良，戈振揚(yáng)，齊亞峰，等.溫室環(huán)境參數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建與CC2530傳輸特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，07：139～147.

[2]王靜，趙鵬舉，胡云冰，李法平，等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的三峽流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，07：75～79.

[3]鄒歡，張毅杰，楊彥鑫，張雪萍，等.溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，09：9.

[4]付海龍，賈銘椿，彭桂初.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核電站環(huán)境輻射連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2010，06：839～842.

[5]李健.無線傳感網(wǎng)絡(luò)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014，04：81.

X831

A

1004-7344（2016）17-0260-02

2016-5-18

朱剛耀（1970-），男，工程師，本科，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)管理工作。