基于無線傳感網(wǎng)的大水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應用研究

郭 強

(安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術學院 電氣工程學院，合肥 230051)

工農業(yè)發(fā)展的同時所帶來的水域污染問題愈發(fā)嚴重，不僅對水域產(chǎn)業(yè)造成威脅，也使生態(tài)環(huán)境遭受破壞。同時，一些地區(qū)由于無節(jié)制地擴大水域養(yǎng)殖范圍、一味追求產(chǎn)出量，使水域生態(tài)污染加劇，進一步加大了生態(tài)環(huán)境的壓力[1]。為了解決這些問題，生態(tài)環(huán)保單位對大水域生態(tài)環(huán)境提出了監(jiān)督管理政策，即根據(jù)水域資源賦存生物，定期對大水域的生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，掌握區(qū)域中對環(huán)境造成威脅的相關因素，由此提出針對性的保護措施，降低生態(tài)環(huán)境的污染。盡管傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術可實現(xiàn)對水域數(shù)據(jù)的動態(tài)化管理，但隨著水域養(yǎng)殖畜牧業(yè)的不斷發(fā)展，污染數(shù)據(jù)的變化速度已呈現(xiàn)出不可控趨勢。為此，在傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作實施的基礎上，引入無線傳感網(wǎng)技術，它屬于一種分布式網(wǎng)絡，其末梢可有效檢測與感知外部數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)通過傳感裝置進行傳輸[2]。由于此種網(wǎng)絡具有靈活性高、連接方式無限定的特點，因此在獲取動態(tài)化數(shù)據(jù)方面具有顯著優(yōu)勢?；诖?，本文將應用無線傳感網(wǎng)技術，開展大水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究，解決當下水域環(huán)境監(jiān)測中存在的問題，為生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供有效路徑。

1 大水域生態(tài)環(huán)境污染現(xiàn)狀

對某大水域進行生態(tài)環(huán)境污染分析發(fā)現(xiàn)，造成大水域生態(tài)環(huán)境污染的主要原因是水體中氮氧化物質的含量過高。其中無機氮元素的含量已超標，與無污染水質呈現(xiàn)嚴重不匹配的現(xiàn)狀[3]。大水域中含有大量的抗生素物質，這種物質不僅在水域中出現(xiàn)，也是地下污水、管道污水的構成成分。盡管我國已根據(jù)大水域水質的污染現(xiàn)狀提出了一些解決措施，但由于水質變化無明顯規(guī)律，且生態(tài)單位獲取的數(shù)據(jù)缺乏時效性，導致目前我國大水域的水質污染現(xiàn)狀無顯著改善。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件整體結構設計

本系統(tǒng)硬件部分的主要作用是對大水域生態(tài)環(huán)境中的各項數(shù)據(jù)進行采集，并通過ZigBee完成對數(shù)據(jù)的傳輸，最后對不同服務器進行管理。本系統(tǒng)的硬件整體結構設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結構

數(shù)據(jù)采集主要包括控制板和傳感器2種硬件設備。控制板通過傳感器來獲取大水域生態(tài)中影響其各項指標的數(shù)據(jù)；傳感器根據(jù)需測試項目來具體選擇，項目包含：大水域生態(tài)環(huán)境的光照強度、空氣濕度、土壤溫度、土壤中電解質含量等[4]。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸主要包含系統(tǒng)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸模塊以及各個路由器節(jié)點、協(xié)調節(jié)點，將通過傳感器獲取到的數(shù)據(jù)通過相應的終端與路由節(jié)點，上傳到協(xié)調節(jié)點中，通過協(xié)調節(jié)點之間相互配合，完成對采集數(shù)據(jù)的獲取和處理。最后，將其發(fā)送到相應的管理服務器中[5]。在系統(tǒng)運行過程中，服務器會為系統(tǒng)各個模塊下達不同的動作指令，在傳輸動作指令的過程中也同樣需要協(xié)調節(jié)點之間的相互配合。當服務器采集到多種參數(shù)數(shù)據(jù)時，通過上位機平臺可將數(shù)據(jù)全部進行發(fā)布。系統(tǒng)用戶也可以通過支持的瀏覽器在線查看大水域生態(tài)環(huán)境的具體數(shù)據(jù)變化情況。

2.2 節(jié)點控制板選型

節(jié)點控制板是無線傳感網(wǎng)絡中的核心控制設備，包含了微處理裝置、電源控制電路以及輸入輸出接口等結構。本文選用德國FESTO費斯托公司設計生產(chǎn)的CPX-FB1260-18型號總線節(jié)點控制器[6]。該型號節(jié)點控制器采用JENNIC生產(chǎn)的CPX-FB1260-18型號的Zigbee IC控制芯片，可適用于2.4 GHz 501.14.2的RF收發(fā)器；具有極高的接收靈敏度以及抗干擾性能；可編程高達5.5 dBm的傳輸功率；只需要連接較少數(shù)量的外部元器件，即可完成對大水魚生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸；8 mm×8 mm的Zigbee封裝；主動模式RX下的功耗為25 mA，主動模式TX下的功耗為28 mA，供電模式下的功耗為0.3 mA，睡眠供電模式下的功耗為1.5 μA；具備代碼預取功能的低功耗微控制器內核；支持各類硬件的自主調試功能。CPX-FB1260-18型號總線節(jié)點控制器除Zigbee無線網(wǎng)上協(xié)議通信功能以外，還具備對傳感器裝置的基本控制功能[7]。將控制板連接無線傳感器終端位置上，通過建立與各個傳感器裝置的接口連接，實現(xiàn)對其數(shù)據(jù)采集的控制。

CPX-FB1260-18型號總線節(jié)點控制器中的微處理裝置，采用高性能、低功耗的32位微控制器，在一個時鐘周期當中可以獲得超過2 MIPS(Million Instructions Per Second，單字長定點指令平均執(zhí)行速度)的數(shù)據(jù)吞吐量。在開發(fā)系統(tǒng)的過程中，可以在功耗與處理速度之間快速的找出最優(yōu)方案[8]。除此之外，微處理裝置當中還嵌入了3.2 GHz ISM頻段低功耗的收發(fā)裝置，具備-250 dBm的接收靈敏度，發(fā)送功率為6.5 dBm，數(shù)據(jù)的傳輸速率可從原本的240 Kb/s提升到2.5 Mb/s，可應用在ZigBee低速、短距離的傳輸無線網(wǎng)絡協(xié)議當中。

節(jié)點控制板中的電源管理模塊采用外部直流電源提供電量，并結合USB充電和VIN管腳連接的供電方式。其中主要供電部分為外部直流電源，提供電壓為6～15 V。在停電狀態(tài)下，USB充電可提供4 V電壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3 無線傳感器選型

本系統(tǒng)采用接口形式的連接傳感器模塊，增強傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器節(jié)點的靈活性與復用性。將主機與被控對象信息交換場所以插槽形式引出，并在電路板當中設置+15 V電源插槽結構和4.4 V電源插槽，為外接傳感器提供所需的工作電流[9]。選用SJF56-4110高性能型號傳感器，該傳感器當中內置MDU-1205芯片，作為傳感器的復合型芯片能夠有效提高系統(tǒng)對大水域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測精度。表1為SJF56-4110型號高性能傳感器的各項參數(shù)。

表1 SJF56-4110型號高性能傳感器各項參數(shù)

綜合表1中的內容，SJF56-4110型號傳感器可以滿足本系統(tǒng)對大水域生態(tài)環(huán)境各項參數(shù)的實時監(jiān)測。該傳感器當中共包含12個引腳，其中1個用于接地，3個用于輸入4.4 V電源，其余引腳分別用于數(shù)字接口的輸入與輸出、模擬電壓的輸出以及內部接地[10]。根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用SJF56-4110型號高性能傳感器的數(shù)字輸入輸出方法，通過控制板為傳感器提供+4.4 V的電源，實現(xiàn)對傳感器信號的采集。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 解析與轉化生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)

考慮到使用節(jié)點控制板對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理可能存在空間數(shù)據(jù)表達誤差[11]，因此引入無線傳感網(wǎng)技術，將獲取的生態(tài)環(huán)境原始數(shù)據(jù)轉換成可視化空間數(shù)據(jù)。此過程需要遵循網(wǎng)絡中ZigBee數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，對大水域中涉及的生態(tài)數(shù)據(jù)進行解析處理。

處理過程中，應控制網(wǎng)絡中組網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)與傳感器獲取的生態(tài)數(shù)據(jù)所屬周期是一致的，在解析生態(tài)數(shù)據(jù)時，可同步建立大水域區(qū)域現(xiàn)場的數(shù)據(jù)無線通信路徑，邊獲取數(shù)據(jù)邊增加數(shù)據(jù)包信息，使無線傳感網(wǎng)終端的串口數(shù)據(jù)具備一定的時效性。根據(jù)上述過程分析，將數(shù)據(jù)解析與傳輸?shù)倪^程表示為：

(1)

根據(jù)式(1)選取計算后的大水域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)集合中與無線傳感網(wǎng)絡的同名點[12]。建立以網(wǎng)絡傳輸協(xié)議為標準的數(shù)據(jù)通信模型，利用無線傳感網(wǎng)絡組建方式自由的特點，進行生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的再搭建，將搭建好的數(shù)據(jù)環(huán)境，轉換為以數(shù)據(jù)集為基礎的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)求和文件。此過程可由式(2)表示。

(2)

式中：Ej為生態(tài)環(huán)境信息在大水域中的分布；k為原始數(shù)據(jù)集合；j為水域中的點云數(shù)據(jù)集合；n為數(shù)據(jù)轉化次數(shù)。根據(jù)式(2)，利用無線傳輸網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點可以隨時增加或者減少的特點，完成對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的解析與轉化。

3.2 大水域生態(tài)環(huán)境動態(tài)化數(shù)據(jù)監(jiān)測

由于大水域內生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化影響因素眾多，針對其特征，將其劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)2種類型[13]。根據(jù)上述對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的解析處理，同步參考生態(tài)環(huán)境體制建設框架，可知靜態(tài)數(shù)據(jù)為硬件設備可直接測得的數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)為需要社會多種因素統(tǒng)計的數(shù)據(jù)?；诖耍o出如表2所示的生態(tài)環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測允許范圍。

表2 生態(tài)環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測允許范圍

根據(jù)表2中對應的動態(tài)數(shù)據(jù)允許監(jiān)測范圍，結合大水域生態(tài)資源的賦存量，引入生態(tài)指數(shù)模型，結合多種因素對監(jiān)測系統(tǒng)的影響，執(zhí)行監(jiān)測行為，記錄數(shù)據(jù)波動情況。

自然因素中氣候條件是動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測主要影響因素，其中降水量、氣候溫度、地表溫度等氣象因子對于生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化影響較大[14]。因此，可將平均氣溫、降水量、地表溫度以及平均濕度變化作為主要自然因素，分析氣象因子的變化情況得到監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對區(qū)域水域污染源進行監(jiān)控，包括工業(yè)生產(chǎn)排放物質、礦山開采中垃圾排放量等，獲取大水域區(qū)域內生態(tài)環(huán)境的所有相關數(shù)據(jù)，此過程應注意生態(tài)環(huán)境監(jiān)測點布置的合理性，并對閉合性水域進行填充[15]。在此基礎上將獲取的空間環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)進行重疊，刪除重疊區(qū)域數(shù)據(jù)，重構監(jiān)測數(shù)據(jù)集合，以此實現(xiàn)大水域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測。

4 對比實驗

4.1 實驗準備

實驗以某水域生態(tài)環(huán)境為實驗對象，該大水域面積為31 615 m2，與該水域連接的河流和湖泊數(shù)量共32個，并且附近還建有3個大型水庫，因此該大水域生態(tài)環(huán)境對于該區(qū)域周圍的生產(chǎn)、生活具有重要影響作用，具有一定的監(jiān)督價值。利用此次設計監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該大水域生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，傳統(tǒng)系統(tǒng)以基于數(shù)據(jù)挖掘技術的大水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為例，設計對比實驗。實驗中均使用Windows10為實驗操作系統(tǒng)，設定節(jié)點控制板硬件設備運行參數(shù)為：控制周期為5 min，控制頻率為15.4 Hz，控制額定電壓為5.5 V；無線傳感器硬件設備運行參數(shù)為：無線傳感器讀取信號頻率為13.5 Hz，讀取生態(tài)信號時間為100 min，最小誤差為0.01。

4.2 實驗結果與分析

系統(tǒng)監(jiān)測時間為240 h，監(jiān)測周期為10 h，設定監(jiān)測點200個，即每10 h系統(tǒng)要對所有監(jiān)測點水域生態(tài)環(huán)境進行一次監(jiān)測，監(jiān)測過程中對2個系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行記錄。實驗以漏監(jiān)數(shù)量作為結果，進行對比分析，如表3所示。

表3 2種系統(tǒng)漏監(jiān)數(shù)量對比

從表3可以看出，本系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)對所有監(jiān)測點的監(jiān)測；傳統(tǒng)系統(tǒng)則存在大量漏監(jiān)情況。說明本系統(tǒng)更適合大水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測點漏監(jiān)的原因可能包括：1)監(jiān)測點設置問題；2)數(shù)據(jù)傳輸不流暢；3)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)轉化能力較差，無法實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)轉化；4)其他不可控的干擾因素。本系統(tǒng)漏監(jiān)原因主要是不可控的干擾因素，而傳統(tǒng)系統(tǒng)中監(jiān)測點設置、數(shù)據(jù)傳輸、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)轉化的問題，在本系統(tǒng)中得到較好解決。