基于WSN的大學(xué)校園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

葉 蕾， 周宇峰， 蔡 越， 李 翀

（浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江臨安311300）

0 引 言

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市環(huán)境問題日益頻發(fā)，人們對于生態(tài)環(huán)境日益關(guān)注，城市綠地越來越多進入人們視野，而城市綠地是城市中不]可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，在改善城市環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的作用，因此通過對城市綠地智能監(jiān)測和感知研究城市綠地特性，對改善城市生態(tài)環(huán)境問題以及城市熱島效應(yīng)具有重要意義。然而對于城市環(huán)境監(jiān)測而言，傳統(tǒng)監(jiān)測方法利用監(jiān)測站或者是人工移動設(shè)備，不能滿足于靈活且高效的綠地監(jiān)測，針對上述缺陷［1-5］?；谏鲜銮闆r現(xiàn)提出一種基于WSN的城市綠地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺實時顯示數(shù)據(jù)，同時滿足存儲查閱等功能，方便用戶后續(xù)工作。

大學(xué)校園是一個相對獨立的社區(qū)，新建設(shè)的大學(xué)校區(qū)一般都有66.67 ha（1 000畝）以上，具有城市森林所包含的各種載體和功能。為了便于研究，試驗地選擇在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)，其占地166.67 ha（2 500畝），學(xué)校重視生態(tài)文化建設(shè)，“兩園（校園、植物園）合一”，被教育部、國家林業(yè)和草原局等單位授予“國家生態(tài)文明教育基地”。將該系統(tǒng)應(yīng)用于校園綠地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，主要包括：環(huán)境溫濕度、CO2的濃度、空氣PM2.5、PM10的濃度、環(huán)境噪音、太陽輻射等氣象因子。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與校園環(huán)境監(jiān)測相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)采集器、傳感器，經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形成信息監(jiān)控管理平臺，該監(jiān)測子站具備了大氣PM2.5、PM10監(jiān)測、環(huán)境溫濕度及光照監(jiān)測、噪聲監(jiān)測等多種功能，通過各硬件傳感器連接控制板進行采集傳輸至網(wǎng)絡(luò)平臺進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)平臺作為一個互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化平臺，具有對各個子站的監(jiān)控功能以及對數(shù)據(jù)的記錄、查詢、輸出等多種功能，該系統(tǒng)可實現(xiàn)24 h候全天候?qū)崟r在線監(jiān)測，采用MODBUS協(xié)議的RTU方式，通過4G網(wǎng)進行無線數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可看出，系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測流程主要分為3個部分：

（1）數(shù)據(jù)采集部分。系統(tǒng)通過與相應(yīng)的傳感器（光照強度、空氣溫濕度、環(huán)境PM2.5、PM10、環(huán)境噪音、空氣CO2）等器件連接對校園環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，采集節(jié)點將解析處理上傳數(shù)據(jù)庫進行分類儲存。

（2）數(shù)據(jù)傳輸處理部分。接收傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，分類保存至數(shù)據(jù)庫，后端服務(wù)器接收指令請求并將執(zhí)行結(jié)果返回用戶。

（3）面向用戶的監(jiān)測系統(tǒng)部分。用戶通過手機或PC機快捷、直觀操作使用本系統(tǒng)，靈活利用定位功能。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行室外環(huán)境數(shù)據(jù)采集和傳輸，中心節(jié)點、路由器節(jié)點和傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，主要包括傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊和電源模塊，其中傳感器模塊負責(zé)室外環(huán)境數(shù)據(jù)采集，包括空氣溫濕度、CO2濃度、PM2.5、PM10濃度、噪聲和光照強度，處理器模塊采用DSP，負責(zé)AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀取等，通信模塊，電源模塊負責(zé)提供以上工作的能量，保證設(shè)備正常運作。該系統(tǒng)傳感器監(jiān)測能力和監(jiān)測范圍如表1所示。

表1 環(huán)境氣體在線監(jiān)測能力和監(jiān)測范圍

2.1 傳感器選型

（1）光照傳感器。該系統(tǒng)采用的BH1750FVI是日本RHOM株式會社推出的I2C總線接口的數(shù)字式光照強度傳感器，作為一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，支持大范圍光照強度變化，具有高精度、高靈敏、高一致性等特點，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化［6-7］。

（2）溫濕度傳感器。核心器件采用Sensirion公司生產(chǎn)的SHT21芯片，具有完全標定、數(shù)字輸出、I2C接口、高分辨率等優(yōu)點，每測量一次溫濕度就要經(jīng)過：啟動傳感器、啟動/停止時序、發(fā)送設(shè)備地址和測量命令等步驟，其測量溫度范圍在-40～120°C，精度在±0.5°C，測量空氣相對濕度范圍在0-100%RH，精度在±4.5%［7］。濕度（SRH）和溫度（ST）數(shù)據(jù)經(jīng)過以下公式的換算：

即可得到相應(yīng)的相對濕度RH（%RH）和溫度T（℃），式（1）為濕度轉(zhuǎn)換函數(shù)、式（2）為溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，其中所得溫度ST、濕度SRH、實際溫度T、濕度RH［7］。

（3）CO2傳感器。CO2采用的是CRIR M1商用二氧化碳（CO2）傳感器，其中，一端是紅外光源，另一端是裝有濾光片的探測器。光源發(fā)出的輻射波長包括CO2的吸收帶，濾光片阻斷對CO2的存在不敏感的波長，提高選擇性和靈敏度，當(dāng)光通過傳感腔時，如果存在CO2，則會吸收一部分光。然后，可以將源發(fā)出的光和檢測器接收到的光之間的差異轉(zhuǎn)換為CO2濃度讀數(shù)。自動基線校正（ABC）功能可以在預(yù)先設(shè)置的時間間隔內(nèi)自動校準傳感器的最小讀數(shù)至400×10-6CO2，這提高了長期穩(wěn)定性，并且無須進行校準，它具有單通道、非色散紅外技術(shù)、自動基線校準、溫度補償、UART數(shù)字界面等特性。

（4）聲音傳感器。聲音傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出，一般應(yīng)用包括電容式聲音傳感器和駐極體聲音傳感器，具有靈敏度高、準確度高、測量范圍大以及高穩(wěn)定性，該系統(tǒng)噪音監(jiān)測采用的是駐極體聲音傳感器，另外具備的優(yōu)點是采用駐極體材料，能有效避免極化電壓［9］。由于傳感器得到的電信號很微弱，在數(shù)據(jù)傳輸和處理的時候必須進行放大處理，但會造成噪聲拾取，因此，為了濾除有效音頻信號以外的噪聲信號，對信號進行濾波處理送至微處理器進行經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接受，并傳送給計算機［10］。

（5）PM2.5、PM10傳感器。PM2.5、PM10監(jiān)測采用激光傳感器SDS011，激光經(jīng)過散射后，能夠檢測到＜±10μg/m3+10%讀數(shù)，分辨精度在1μg/m3的懸浮顆粒物濃度，串口通信協(xié)議速率在9 600、1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，對所設(shè)置的光學(xué)傳感器上面輸出的信號進行進一步的數(shù)字處理，然后測量其參數(shù)設(shè)定，結(jié)果顯示、按鍵、時間、日期等都由內(nèi)置微機控制、實現(xiàn)［11］。

2.2 通信協(xié)議部分

針對該系統(tǒng)采用工作于12 V電壓并利用RS-485通信的傳感器，主從式半雙工通信，主機呼叫從機地址，從機應(yīng)答方式通信，數(shù)據(jù)幀格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗位，工作波特率為9 600 Kb/s，消息幀包含：STA（幀起始符）、AD（地址域）、C（控制域）、LEN（數(shù)據(jù)長度域）、DATA（數(shù)據(jù)域）、CRC（校驗碼）、END（幀結(jié)束符）［7］。在通信過程中，須通過MAX3485芯片收發(fā)控制腳的電平，實現(xiàn)相應(yīng)接口傳感器的型號收發(fā)，通信雙方都按照本數(shù)據(jù)幀的格式規(guī)范進行傳送和解析。

傳感器軟件節(jié)點包括監(jiān)測節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、上位機通信和數(shù)據(jù)庫，采集節(jié)點將各路傳感器的數(shù)據(jù)進行AD轉(zhuǎn)換［12］，發(fā)送給路由器節(jié)點，數(shù)據(jù)協(xié)議模塊采用的是MODBUS協(xié)議中的RTU方式，在RTU方式下，使用RTU該模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，當(dāng)?shù)刂酚蚪邮盏?，每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的，在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結(jié)束，一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，如果在消息幀完成之前有超過3.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域［13］。

在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中，通常會使用485收發(fā)器來轉(zhuǎn)換TTL電平和RS-485電平。節(jié)點中的串口控制器使用RX與TX信號線連接到485收發(fā)器上，而收發(fā)器通過差分線連接到網(wǎng)絡(luò)總線，串口控制器與收發(fā)器之間一般使用TTL信號傳輸，收發(fā)器與總線則使用差分信號來傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時，串口控制器的TX信號經(jīng)過收發(fā)器轉(zhuǎn)換成差分信號傳輸?shù)娇偩€上，而接收數(shù)據(jù)時，收發(fā)器把總線上的差分信號轉(zhuǎn)化成TTL信號通過RX引腳傳輸?shù)酱诳刂破髦小ＭǔＴ谶@些節(jié)點中只能有一個主機，剩下的全為從機。在總線的起止端分別加了一個120Ω的匹配電阻。

3 軟件設(shè)計

基于ASP.NET和PHP.平臺開發(fā)的Web應(yīng)用，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)進行訪問，實時及時獲取環(huán)境生態(tài)氣象數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)分為3層邏輯結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、頁面顯示層［13］。服務(wù)器通過數(shù)據(jù)識別，存儲在數(shù)據(jù)庫表中，基于SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計生態(tài)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)庫（侯瑞），實現(xiàn)空氣溫度、濕度、光照強度、CO2等信息的Web服務(wù)器存儲，數(shù)據(jù)訪問層完成最基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)數(shù)據(jù)查找，頁面顯示層則是授權(quán)用戶通過瀏覽器訪問當(dāng)前或歷史信息并提供數(shù)據(jù)下載［14］。監(jiān)測軟件具有以下功能：①實時顯示當(dāng)前時刻的各個環(huán)境觀測站數(shù)據(jù)；②歷史紀錄，可以按照任意時間查詢歷史記錄以及保存生成EXCEL或PDF作為原始數(shù)據(jù)存儲；③報警記錄，當(dāng)某監(jiān)測數(shù)值超過設(shè)定范圍時，發(fā)出警告信息并保存記錄；④歷史曲線，通過設(shè)定任意長度時間范圍，選擇某一指標值大致區(qū)間范圍，將繪制以時間軸為橫坐標的歷史曲線［15］。

4 實驗應(yīng)用

自2019年8月至今在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)進行全面環(huán)境監(jiān)測實驗樣地布設(shè)，監(jiān)測部署圖如圖2所示，標定點即代表架設(shè)儀器地方，該監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)10個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，覆蓋整個校區(qū)，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集生態(tài)環(huán)境信息，數(shù)據(jù)處理融合到達基站，再通過GPRS傳送到上位機軟件。圖3所示是設(shè)備部署架設(shè)圖，其設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，生態(tài)環(huán)境氣象監(jiān)測平臺主界面，用戶可通過已接入互聯(lián)網(wǎng)手機或PC機等遠程登錄賬號密碼查詢設(shè)備運行狀態(tài)，圖5為某一傳感器采集的一天內(nèi)的數(shù)據(jù)變化曲線圖，其中圖5（a）～圖5（g）分別表示CO2、PM2.5、溫度、濕度、光照、噪聲、PM10。

圖2 校園環(huán)境監(jiān)測節(jié)點部署圖

圖3 設(shè)備架設(shè)部署

圖4 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 傳感器歷史曲線記錄

5 結(jié) 語

大氣環(huán)境監(jiān)測儀通過前端的各氣體傳感器氣體采集氣體，將采集的信號按序通過接口協(xié)議進入無線通信節(jié)點設(shè)備DVR的獨立（DTU）傳輸通道，經(jīng)處理后輸入到單元內(nèi)數(shù)據(jù)采集器；采集器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線數(shù)據(jù)傳輸終端，通過中端TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳入到大氣監(jiān)測平臺系統(tǒng)；系統(tǒng)按照《國家空氣監(jiān)測網(wǎng)子站監(jiān)測數(shù)據(jù)報送傳輸協(xié)議》規(guī)定的內(nèi)容接收和存儲子站上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)；將接收到的數(shù)據(jù)進行解析、存儲、處理、審核及上傳等處理工作，及時在終端平臺上進行圖形展示和數(shù)據(jù)分析。針對CO2、PM2.5、PM10、溫濕度等環(huán)境參數(shù)的野外試驗進行長期監(jiān)測，設(shè)計并實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)系統(tǒng)，解決了多點、同步、長期、高效的車輛問題，具備監(jiān)測、傳輸、查詢、存儲等多功能，在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)試驗站進行科研實驗建設(shè)，并取得良好的效果。