基于無(wú)人機(jī)的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

楊鼎成 劉偉東 肖霖 陳浩樂(lè) 李胤鋒

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī); ZigBee; 物聯(lián)網(wǎng); GPRS; 環(huán)境監(jiān)測(cè); 數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）01?0019?05

Abstract： A regional environment monitoring system based on unmanned aerial vehicle （UVA） is introduced in this paper， which has the characteristics of various functions， easy operation and strong flexibility. This system combining the ZigBee wireless sensor network， GPRS network and UVA flight control can realize the real?time monitoring of the temperature and humidity in the region. The terminal nodes of the temperature and humidity sensor are deployed in the monitoring area. Since the coordinator can only collect the data within the limited region， the UAV carrying coordinator is used to collect the data of the relevant area. The terminal node transmits the collected data to the coordinator in the UVA by means of ZigBee network. The coordinator sends the collected data to the server by means of GPRS network. The server processes the transmitted data， and monitors the regional environment data in real time by means of an easily?operational and multifunctional client.

Keywords： UAV; ZigBee; Internet of Things; GPRS; environment monitoring; database

0 ?引 ?言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)為核心的信息產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一也備受關(guān)注。此外，對(duì)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為社會(huì)的熱點(diǎn)話(huà)題，人們通過(guò)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)了解生態(tài)環(huán)境的發(fā)展規(guī)律，從而保證在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的條件下經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。在傳統(tǒng)的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)中，勘察人員攜帶溫度計(jì)、濕度儀等設(shè)備進(jìn)行巡檢，對(duì)于地勢(shì)較為復(fù)雜的環(huán)境一般采用徒步的方式進(jìn)行定期巡查。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面，區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)范圍不斷拓寬，區(qū)域觀(guān)測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容等不斷增加，這對(duì)觀(guān)測(cè)手段和方法以及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來(lái)越高的要求;另一方面，現(xiàn)代電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)[1]、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，有利于滿(mǎn)足社會(huì)各部門(mén)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作越來(lái)越高的要求。

本文設(shè)計(jì)一種基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)智能化監(jiān)測(cè)工具與信息網(wǎng)絡(luò)[2]實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目自動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集輸出、信息智能收集與上報(bào)，并提供可視化監(jiān)測(cè)平臺(tái)[3?4]，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析與智能告警。解決了復(fù)雜條件下的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)題，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的技術(shù)積累與優(yōu)勢(shì)[5?7]，大大提高了對(duì)區(qū)域環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性及可靠性。

1 ?方案論證與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?方案論證

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域環(huán)境的在線(xiàn)檢測(cè)與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)區(qū)域的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握環(huán)境生態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，并在生態(tài)環(huán)境失常時(shí)向監(jiān)控中心告警。

由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器大規(guī)模組網(wǎng)將會(huì)影響通信距離和環(huán)境適應(yīng)性，導(dǎo)致維護(hù)成本高、功耗大等一系列后果。本文系統(tǒng)采用無(wú)人機(jī)作為協(xié)調(diào)器的搭載平臺(tái)，克服傳感器ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離限制。無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空器[8]，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有高時(shí)效、高分辨率等性能，是衛(wèi)星遙感與載人機(jī)航空遙感的有力補(bǔ)充[9]，與衛(wèi)星遙感和載人機(jī)航空遙感相比，更加方便、快捷，響應(yīng)能力快，其生存力強(qiáng)，對(duì)氣候條件要求低，對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)，因此搭載協(xié)調(diào)器的無(wú)人機(jī)能快速、便捷、高效地對(duì)大范圍區(qū)域內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行覆蓋式的數(shù)據(jù)搜集。無(wú)人機(jī)通常采集自地面或者海平面的數(shù)據(jù)，可以作為有效、靈活的數(shù)據(jù)采集者，并且可以很容易地重復(fù)數(shù)據(jù)采集的工作[8，10]。另外，無(wú)人機(jī)也能很方便地進(jìn)入地理環(huán)境險(xiǎn)惡的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

考慮到協(xié)調(diào)器搭載在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，收集完數(shù)據(jù)之后要對(duì)其進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)讀取較為繁瑣，且不太實(shí)際，要做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要協(xié)調(diào)器能在短時(shí)間內(nèi)將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控端，因此采用GPRS進(jìn)行協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的即時(shí)發(fā)送。我國(guó)的GPRS信號(hào)覆蓋面最廣，且具有成本極低、連接速度快、傳輸過(guò)程耗能少等一系列優(yōu)點(diǎn)[11?12]。在發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)這些對(duì)傳輸速率要求不高的場(chǎng)景時(shí)，GPRS技術(shù)成為了實(shí)現(xiàn)該功能的首選。協(xié)調(diào)器利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，整理后發(fā)送至服務(wù)器端的監(jiān)控界面，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)。

1.2 ?系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，系統(tǒng)主要功能分為環(huán)境監(jiān)測(cè)信息采集功能與可視化監(jiān)控功能。

環(huán)境監(jiān)測(cè)信息采集功能包括：

1） 對(duì)于簡(jiǎn)單的環(huán)境指標(biāo)，如溫度、濕度等，采用多種傳感器采集相應(yīng)的信息。

2） 環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具備自組織自由化無(wú)線(xiàn)通信能力，采集到的信息將匯聚到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)匯集到平臺(tái)中心服務(wù)器。

3） 無(wú)人機(jī)飛控環(huán)節(jié)，利用無(wú)人機(jī)GPS導(dǎo)航，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，采用優(yōu)化航路，在最短路徑上獲取傳感器節(jié)點(diǎn)信息，節(jié)省能耗。

可視化監(jiān)控功能包括：

1） 信息查詢(xún)與輸出：實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取和交互查詢(xún)，具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等值線(xiàn)生成等功能。

2） 數(shù)據(jù)分析：利用數(shù)據(jù)挖掘方法，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)分析，分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)等，從中獲得有益的數(shù)據(jù)與結(jié)論。

3） 自動(dòng)預(yù)警功能：根據(jù)相關(guān)環(huán)境參數(shù)設(shè)定閾值，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化預(yù)警功能，可以為防洪防旱、環(huán)境保護(hù)提供更多準(zhǔn)備時(shí)間。

4） 遠(yuǎn)程操作功能：通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備重啟、復(fù)位等工作，此外，支持遠(yuǎn)程服務(wù)器在線(xiàn)監(jiān)控功能。

2 ?硬件電路

本文設(shè)計(jì)硬件電路采用3種類(lèi)型電路板，分別為溫濕度采集板、節(jié)點(diǎn)模塊板和GPRS模塊板。溫濕度采集板與節(jié)點(diǎn)模塊板之間采用的是3針單排引腳插入連接，節(jié)點(diǎn)模塊版與GPRS模塊板之間采用的是杜邦線(xiàn)連接。

2.1 ?溫濕度采集板

溫濕度采集板包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。溫濕度采集板電路圖如圖2所示。

2.2 ?節(jié)點(diǎn)模塊板

節(jié)點(diǎn)模塊板由底板和頂板兩部分組成。其中，底板主要集成了以下幾個(gè)部分。溫濕度傳感器接口部分用于連接溫濕度采集板;USB口部分可以給開(kāi)發(fā)板供電，且具有USB轉(zhuǎn)串口功能，用于調(diào)試程序;電池接口通過(guò)電池盒給模塊板供電;DEBUG調(diào)試口用于在線(xiàn)調(diào)試程序或者下載程序。電路圖如圖3所示。

頂板（射頻板）采用TI公司的CC2530作為處理核心。CC2530使用的是8051CPU一個(gè)單周期的兼容內(nèi)核，具有高達(dá)256 KB的閃存和20 KB的擦出周期、8 KB RAM，以支持無(wú)線(xiàn)更新和大型應(yīng)用程序并用于更為復(fù)雜的應(yīng)用和ZigBee應(yīng)用。頂板還集成了時(shí)鐘、電源管理相關(guān)模塊和無(wú)線(xiàn)信號(hào)收發(fā)相關(guān)模塊。

GPRS模塊的核心采用的是SIM800A模塊，能支持的工作頻段為EGSM 900和DCS 1800。支持GPRS multi?slot class 12和GPRS編碼格式CS?1，CS?2，CS?3和CS?4。該模塊主要集成了外置電源接口、3 V單片機(jī)接口、SIM卡接口，并采用CH340G的USB轉(zhuǎn)串口芯片，便于通過(guò)USB直接調(diào)試。電路圖分別如圖4，圖5所示。

3 ?軟件流程設(shè)計(jì)

3.1 ?軟件流程設(shè)計(jì)綜述

本文系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)模塊和客戶(hù)端的編寫(xiě)環(huán)境為Windows，節(jié)點(diǎn)模塊的編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言，編寫(xiě)工具采用IAR Embedded Workbench;客戶(hù)端的編程語(yǔ)言是C++語(yǔ)言，編寫(xiě)工具采用Qt Creator。

節(jié)點(diǎn)模塊軟件主要基于ZigBee 2007的協(xié)議棧Z?Stack?CC2530?2.3.0進(jìn)行編寫(xiě)，該協(xié)議分為兩部分：IEEE 802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層技術(shù)規(guī)范;ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用程序支持子層、應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。本文系統(tǒng)主要在應(yīng)用層對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

監(jiān)控界面通過(guò)TCP接收拓?fù)湫畔?shù)據(jù)并解析，并根據(jù)拓?fù)湫畔?huà)出直觀(guān)拓?fù)鋱D，該拓?fù)鋱D要能根據(jù)收到的拓?fù)湫畔?dòng)態(tài)刷新改變。當(dāng)收到節(jié)點(diǎn)異常信息時(shí)，能夠報(bào)警提示監(jiān)控人員，同時(shí)也可查看各節(jié)點(diǎn)歷史信息，用圖表方式顯示，還可實(shí)時(shí)觀(guān)察溫濕度變化曲線(xiàn)。

3.2 ?軟件工作流程圖

3.2.1 ?節(jié)點(diǎn)模塊軟件流程圖

節(jié)點(diǎn)模塊部分主要分為協(xié)調(diào)器部分、終端節(jié)點(diǎn)部分和溫濕度傳感器三個(gè)部分。這三部分的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2.2 ?監(jiān)控界面軟件流程圖

1） 總體結(jié)構(gòu)。該軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D的動(dòng)態(tài)顯示模塊、節(jié)點(diǎn)歷史信息查詢(xún)模塊、節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信息曲線(xiàn)圖動(dòng)態(tài)顯示模塊，如圖7所示。

2） 拓?fù)鋱D（Topology）模塊。該模塊包括：接收數(shù)據(jù)，通過(guò)TCP連接GPRS發(fā)送過(guò)來(lái)的ZigBee節(jié)點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)幀;解析數(shù)據(jù)，用于拆分接收的數(shù)據(jù)包并根據(jù)接收數(shù)據(jù)父節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)信息計(jì)算網(wǎng)絡(luò)階數(shù)及每階節(jié)點(diǎn)數(shù)，方便后面畫(huà)圖，動(dòng)態(tài)顯示節(jié)點(diǎn)拓?fù)?，解析后的?shù)據(jù)還要存到數(shù)據(jù)庫(kù)里，用于后面節(jié)點(diǎn)歷史信息查詢(xún)使用;畫(huà)圖，根據(jù)解析出來(lái)的結(jié)果畫(huà)出拓?fù)鋱D，用不同顏色表示不同節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器、路由器、終端），根據(jù)解析網(wǎng)絡(luò)信息將節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。在拓?fù)鋱D模塊還實(shí)現(xiàn)了接收異常數(shù)據(jù)報(bào)警功能，通過(guò)解析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)顏色周期變化達(dá)到閃爍效果來(lái)提醒監(jiān)測(cè)人員。該模塊流程圖如圖8所示。

3） 信息查詢(xún)顯示（display）模塊。該模塊包括時(shí)間段選擇部分和信息顯示部分，選擇某個(gè)時(shí)間段并點(diǎn)擊拓?fù)鋱D中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，即可顯示出該節(jié)點(diǎn)的歷史信息，該信息通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取。該模塊流程圖如圖9所示。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試實(shí)物圖如圖10所示。配備溫濕度傳感器的終端節(jié)點(diǎn)分布在300 m2左右的復(fù)雜環(huán)境中，無(wú)人機(jī)搭載協(xié)調(diào)器模塊按預(yù)先規(guī)劃的路線(xiàn)在區(qū)域上空巡航，巡航高度為8 m，飛行速度為20 km/h，服務(wù)器端從服務(wù)器獲取無(wú)人機(jī)所收集到的數(shù)據(jù)，在監(jiān)控界面即時(shí)顯示出各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)及其所收集的數(shù)據(jù)。在無(wú)人機(jī)飛過(guò)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，監(jiān)控界面能在允許延遲范圍內(nèi)顯示數(shù)據(jù)，即表示試驗(yàn)成功，界面如圖11所示。

在測(cè)試監(jiān)控報(bào)警功能時(shí)，令終端環(huán)境符合報(bào)警條件，此時(shí)監(jiān)控界面發(fā)出警報(bào)，表示結(jié)果有效，報(bào)警功能正常，此時(shí)報(bào)警界面如圖12所示，監(jiān)測(cè)界面的異常節(jié)點(diǎn)變紅，發(fā)出警報(bào)。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)是具有迫切現(xiàn)實(shí)意義的常用技術(shù)，現(xiàn)存檢測(cè)方法多種多樣。隨著技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)設(shè)備逐漸朝著小型化、多功能化發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的區(qū)域環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)，綜合GPRS云端數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃悸泛蜔o(wú)人機(jī)搭載協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的實(shí)施方法，監(jiān)測(cè)過(guò)程中，利用終端節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊對(duì)周邊環(huán)境溫濕度進(jìn)行采集，然后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)送至無(wú)人機(jī)搭載的協(xié)調(diào)器模塊，無(wú)人機(jī)得到數(shù)據(jù)后，使用GPRS模塊將信息發(fā)送至云端服務(wù)器，監(jiān)控終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并將結(jié)果顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面上。該系統(tǒng)具有功能多樣、操作簡(jiǎn)單、拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、突變檢測(cè)、遠(yuǎn)程告警、終端輸出等功能，滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

注：本文通訊作者為楊鼎成。

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