仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現

高浩煒 繆成根 邱增玉

摘 要：隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，智能感知技術在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域將會有更廣泛的應用。筆者利用傳感器網絡技術和Arduino硬件開發(fā)平臺，嘗試搭建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線傳輸布局小、維護困難的問題，實現了仿真生態(tài)環(huán)境各類監(jiān)測指標數據的實時采集和應用分析。

關鍵詞：Arduino平臺;生態(tài)環(huán)境監(jiān)測;傳感器

中圖分類號：X83文獻標識碼：A文章編號：1008-4428（2019）05-0170-02

近年來，隨著現代社會工業(yè)文明的進步和高度發(fā)展，人們面臨的環(huán)境污染問題日益嚴峻，環(huán)境保護問題受到社會的普遍關注。特別是物聯(lián)網智能應用技術的迅猛發(fā)展，環(huán)境保護的措施和手段出現了許多新發(fā)展、新動態(tài)，如智能感知與4G/5G、Wi-Fi等無線通信方式的深度融合應用，越來越多的國家提出并測試了“智能和環(huán)?！钡母拍睢Ｒ苿咏K端、云存儲和物聯(lián)網等概念的小型化和輕量化，也為無線傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)控與檢測等領域的應用提供了極大的便利，人們希望實時掌握自身生活環(huán)境狀態(tài)信息成為一種可能。因此，本文利用智能感知、無線傳輸和Arduino開發(fā)平臺，在模擬仿真生態(tài)環(huán)境下，設計并實現了一套基于智能采集和數據聚合分析的軟硬件集成應用系統(tǒng)， 進一步探索利用現代新興科技對生態(tài)環(huán)境實現智能感知、環(huán)境監(jiān)測和大數據分析等深度應用。

一、 物聯(lián)網與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

（一）物聯(lián)網

物聯(lián)網是以互聯(lián)網為基礎，通過智能感知識別和網絡傳輸等技術將現實中海量終端聯(lián)系起來，形成的一種新型的、泛在的通信網絡。物聯(lián)網主要分為感知層、傳輸層、應用層三個層次，主要利用各類機械、電子、光學傳感器，自動采集聲音、壓力、溫度、濕度等信息，將感知得到的數據和網絡傳輸設備、信息處理設備等組合起來，通過智能處理為人類提供服務。

（二）環(huán)境監(jiān)測

實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境是解決環(huán)境污染問題的基礎。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的智能化和實時化是生態(tài)文明系統(tǒng)的重要組成部分。充分利用現代新興技術，提高監(jiān)控數據質量，監(jiān)控信息利用效率。為智能行為提供數據保障，進而提高生態(tài)文明建設的科學決策水平。

按照上述分析，筆者利用魚缸、土壤、水、金魚等，模擬構建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，同時采用多種類型傳感器二十四小時測量環(huán)境變化的實時數據，再通過有線或無線傳輸網絡將數據發(fā)送到APP應用終端，對數據進行智能分析，如濕度、pH值、溫度和二氧化碳濃度等生態(tài)數據的智能采集;通過對實施監(jiān)測數據的智能分析，實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境質量和變化趨勢，可廣泛用于生態(tài)環(huán)境的污染指標預警、空氣質量監(jiān)測、水質安全保護、雨水酸度檢測等方面。

目前，我國生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)測應用要求主要體現在內容和運行方式上。從內容上看，要求構建“完備設置和自動實時預警”的環(huán)境監(jiān)測體系，實現環(huán)境污染源監(jiān)測的全面覆蓋。從運行方式上看，要求構建“全國聯(lián)網、依法追責”大數據應用平臺，實現生態(tài)數據監(jiān)控數據共享和信息的統(tǒng)一發(fā)布。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的關鍵是制定和完善相關法律、法規(guī)和標準。相關部門及時完善環(huán)境監(jiān)測評價體系，加強生態(tài)監(jiān)測數據之間的可比性，確保污染物排放源和各監(jiān)測機構實施統(tǒng)一的技術標準。

二、 模擬生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構建

（一）硬件系統(tǒng)

1. 傳感網絡（WSN）

生態(tài)區(qū)域中設置多個固定或可移動的傳感器節(jié)點，聚合節(jié)點之間實現無線通信形成一個多條網絡系統(tǒng)。傳感器網絡節(jié)點包含：傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點。傳感器節(jié)點可以充當路由節(jié)點，并將匯聚節(jié)點連接到監(jiān)控計算機。在硬件結構中，減少傳感器模塊并添加串行通信模，其作用是協(xié)調生態(tài)區(qū)域中被監(jiān)視對象的信息感測、獲取、處理和傳輸，并將數據傳輸到網絡數據中心。傳感器網絡的顯著特點是自組織網絡拓撲、電池功率有限、部署速度快、容錯性強、隱蔽性強等。傳感器網絡由大量小型、低成本的通信設備組成，收集和處理相關的數據傳感器節(jié)點。

2. 路由協(xié)議

數據傳輸的過程需要選用合適的路由協(xié)議。在能量的消耗方面，數據傳輸相較于數據采集和數據計算，消耗的能量最高。傳統(tǒng)的Ad Hoc網絡路由協(xié)議設計通常首先提供最高質量的服務（QoS），然后考慮能源效率。因此，傳感器網絡的特性決定高能效路由協(xié)議無法使用傳統(tǒng)路由算法。

3. 數據融合

數據融合是指將多傳感器信息源的數據和信息進行組合，實現更為準確的特性估計，完成生態(tài)環(huán)境的重要性和威脅性實時、完整評估的處理過程。從物聯(lián)網的傳感層到應用層，各種信息的類型和數量成倍增加，并且還要增加要分析的數據量。與此同時，如何從海量數據中挖掘隱藏信息和有效數據以及實現多個系統(tǒng)或異構網絡之間的數據融合，也給數據處理帶來巨大挑戰(zhàn)。

（二）Arduino開發(fā)平臺

Arduino是一個使用方便、靈活的開源電子原型平臺。此平臺具有與 Java、 C語言相似的 Processing/ Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包括兩個部分：硬件部分是Arduino板，可用于電路連接; 另外一個則是Arduino IDE。 IDE是用戶二次開發(fā)接口，將編寫好的程序代碼燒制到Arduino電路板后，程序就可以被執(zhí)行。Arduino可以通過各種傳感器感知環(huán)境，例如通過控制光線強弱、電機和其他設備來反饋和影響環(huán)境。電路板上的微控制器可以用Arduino的編程語言來編寫程序，最終編譯成二進制文件被微控制器執(zhí)行。此外，Arduino的編程接口直觀明了，編程方法相對簡單，用戶可以控制和實現特定的功能。

三、 仿真生態(tài)環(huán)境的實現

（一）基本要求

利用Arduino的硬件平臺和傳感器網絡技術，可以有效、便捷的實現仿真生態(tài)環(huán)境設計。模擬生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器在數量和質量方面都發(fā)揮著重要作用，對監(jiān)控系統(tǒng)產生重大影響，應根據具體實際需求進行選擇，注意減少系統(tǒng)開銷。系統(tǒng)傳感節(jié)點可以在用戶需要時收集環(huán)境數據，也可以根據設置的收集周期長度自動收集和發(fā)送環(huán)境數據。應根據工作模式采用主動和被動隨機選擇模式。當傳感器節(jié)點被設置為路由節(jié)點時，可以同時實現數據包的傳輸，進而擴大傳感網絡的覆蓋范圍并提高數據傳輸能力。

將光傳感器、水濁度傳感器、pH傳感器、二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器等模塊搭建在模擬生態(tài)系統(tǒng)中，并通過通信模塊相互聯(lián)系組成一個傳感器網絡，以便進行數據的收集與分析。運用新興智能感知術和通信技術為仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究和設計提供堅實的保障。

（二）硬件選擇

1. 光傳感器

光傳感器是能夠快速感測從紫外光到紅外光的光能并將光能轉換成電信號的裝置。光傳感器主要分為四種類型：紅外光傳感器、環(huán)境光傳感器、太陽光傳感器、紫外光傳感器。本實驗中主要采用的是DFRobot公司生產的模擬環(huán)境光傳感器LX1972?？梢姽庹丈涞捻憫匦耘c人眼的響應特性相似，可以模擬人眼對環(huán)境光強度的判斷。該傳感器的工作電壓范圍為3至5.5V，工作溫度范圍為-40至80°C，照度范圍為1至800Lux。

2. 二氧化碳傳感器

在本實驗中，使用的是DFRobot公司生產的高精度紅外DAC二氧化碳傳感器，其有效量程可達0至5000ppm。該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理來探測空氣中二氧化碳的含量，內置溫度補償，具有無氧依賴性和選擇性。DFRobot紅外激光傳感器是一種高性能傳感器，結合先進的紅外吸收氣體檢測技術，精密的光路設計與電路設計。

3. pH值傳感器

pH傳感器通常用于對溶液進行工業(yè)測量。在本實驗中，使用的是DFRobot公司生產的模擬pH傳感器，主要包括：板載電源指示燈，BNC接口和PH2.0接口等。PH傳感器的電極采用的是玻璃電極和參比電極相組合的復合電極。它是用于測量水溶液中氫離子活性的PH測量組分，即pH值。該傳感器的工作電壓為5V，測量范圍是0至14pH，測量環(huán)境的溫度可以在0℃至60℃，響應時間小于1min。

4. 水濁度傳感器

濁度傳感器利用光學原理，通過測量溶液中的透光率和散射率，綜合測定溶液的濁度。在本實驗中，使用的是DFRobot公司生產的Arduino水濁度傳感器。該傳感器的精度較高且性能穩(wěn)定，可以持續(xù)較長時間記錄水濁度。 該傳感器的工作電壓為5V，工作電流40mA（MAX），響應時間可以小于500ms。 操作溫度在-30℃至80℃之間，而存儲溫度在-10℃至80℃之間。

5. 溫度傳感器

溫度傳感器是一種能夠檢測溫度并轉換成可識別信號的傳感器。溫度傳感器品類繁多。根據測量方法，它可以分為兩類：非接觸型和接觸型。本實驗采用的是BME280傳感器。BME280是一款集溫度、濕度、氣壓于一體的環(huán)境傳感器。

（三）系統(tǒng)配置要點

1. LX1972模擬環(huán)境光傳感器

使用時需注意：①模塊上有感光元件和模擬傳感器的標識，數據線的顏色對應于DFRobot擴展板。用戶插入擴展板并燒錄已編好的代碼使用。②模擬電壓在5V，工作電壓情況范圍0至3.6V。

2. 二氧化碳傳感器模塊設置

使用時需注意：①置Gravity接口使得傳感器能夠直接兼容DFRobot Arduino IO擴展板，即插即用，無須額外接線。②傳感器必須使用5V供電。③這款二氧化碳傳感器靈敏度比較高，所以會造成讀數起伏略大，可以通過若干數值取平均值的方式降低讀數的偏差。

3. pH值傳感器

使用時需注意：①第一次或長期不使用時，需要將電極球和砂芯浸入3NKCL溶液中活化8小時。②電極塞保持清潔干燥。③電極在使用時，應將陶瓷砂芯和出液膠圈去除，以使鹽橋溶液保持一定的速度。④為確保測量精度，建議使用校準溶液定期校準pH計，以防止出現大的誤差。

4. 水濁度傳感器

使用時需注意：①傳感器探頭頂部不防水。②該傳感器可以選擇數字信號或者模擬信號輸出，“D/A”輸出選擇開關，“A”為模擬量輸出，“D”為數字量輸出。

四、 結語

隨著物聯(lián)網技術與應用的快速發(fā)展和深度應用，基于智能感知和泛在互聯(lián)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將得到更加廣泛的應用，人們將會更加方便的關注生態(tài)環(huán)境信息。本文利用傳感器網絡技術和Arduino硬件開發(fā)平臺，嘗試搭建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線傳輸的布局小、維護困難的問題，實現了生態(tài)環(huán)境指標的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)很大程度上降低勞動力成本，進一步實現環(huán)境信息的全面、快捷、統(tǒng)一管理。但是，實際應用中仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要采用有線信號傳輸模式，布線比較復雜，傳輸距離受到限制，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性仍需要進一步提高。此外，現有監(jiān)控節(jié)點電量有限，需要人工定期更換，存在維護不便的缺點。

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作者簡介：

高浩煒，男，江蘇無錫人，江蘇警官學院計算機信息與網絡安全系學生;

繆成根，男，山東濟寧人，江蘇警官學院計算機信息與網絡安全系學生;

邱增玉，男，安徽宿州人，江蘇警官學院計算機信息與網絡安全系學生。