基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高子儀+邵星+王翠香+陳希

摘要：濕地作為一種寶貴的生態(tài)資源，在維持生態(tài)平衡、保持生物多樣性等方面具有重要作用。針對我國豐富的沿海濕地資源，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過部署面向沿海濕地環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對沿海濕地環(huán)境的遠(yuǎn)程自動監(jiān)測。用戶可以查看濕地環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)可發(fā)送短信報(bào)警，從而提高了沿海濕地環(huán)境監(jiān)測的智能化水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；沿海濕地；環(huán)境監(jiān)測；安卓；無線傳感網(wǎng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171433

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0089-03

0 引言

濕地[1]是地球上具有多種獨(dú)特功能的生態(tài)系統(tǒng)，它不僅為人類提供大量食物、原料和水資源，而且在維持生態(tài)平衡、保持生物多樣性和珍稀物種資源，以及涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候、補(bǔ)充地下水、控制土壤侵蝕等方面起到重要作用。

鹽城工學(xué)院地處沿海城市江蘇鹽城。鹽城因濕地遼闊被譽(yù)為“東方濕地之都”，其市域東部擁有太平洋西海岸、亞洲大陸邊緣最大的海岸型濕地[1]，面積680多萬畝，占江蘇省灘涂總面積的7/10，全國的1/7，被列入世界重點(diǎn)濕地名錄。但隨著氣候變化和人類活動的影響，鹽城濕地面積不斷減少，濕地環(huán)境面臨人類活動、環(huán)境污染等多方面威脅，濕地保護(hù)和濕地環(huán)境監(jiān)測刻不容緩。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)[2]技術(shù)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人們對物理世界更加透徹和深入的感知，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有物品與網(wǎng)絡(luò)連接，方便識別、管理和控制[4]。

作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的無線傳感網(wǎng)，可以通過無線方式自組織組網(wǎng)，并將感知數(shù)據(jù)上傳或下發(fā)，非常適合遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域[5]。本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決沿海濕地環(huán)境監(jiān)測問題[6]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建濕地環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)[7]，實(shí)現(xiàn)對大面積濕地環(huán)境的感知覆蓋[8]。感知的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)[9]實(shí)時(shí)上傳到后臺數(shù)據(jù)中心，用戶可通過PC客戶端、手機(jī)APP[10]等方式實(shí)時(shí)查看濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。發(fā)生異常時(shí)，可通過短信等方式向用戶報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、自動化的沿海濕地環(huán)境智能監(jiān)測，提高濕地環(huán)境監(jiān)測效率，促進(jìn)沿海濕地環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)路線

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分：即面向濕地環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、面向濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的后臺服務(wù)器。

面向濕地監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過在沿海濕地范圍內(nèi)全面部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過無線鏈路，并遵循Zigbee協(xié)議，自組織形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對濕地環(huán)境的多參數(shù)、大范圍數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node），匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

面向濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的后臺服務(wù)器，負(fù)責(zé)存儲采集得到的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡單處理。在濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。用戶可通過PC或移動終端以有線、無線等方式訪問后臺服務(wù)器，查看濕地環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一邊連接濕地環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，另一邊連接因特網(wǎng)，作為濕地環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和后臺服務(wù)器之間的橋梁，負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺服務(wù)器。

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的沿海濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

從任務(wù)需求出發(fā)，分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)中的關(guān)鍵問題，有針對性地提出解決方案。具體來說，在感知環(huán)境數(shù)據(jù)選擇方面，將選擇濕地環(huán)境中的空氣和水體數(shù)據(jù)，如溫濕度、光照、PM2.5、水體PH、水體濁度等參數(shù)進(jìn)行采集和感知。在傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方面，選用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序。在服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)庫方面，選用MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，存儲采集的各種濕地環(huán)境數(shù)據(jù)。后臺服務(wù)器使用Java語言開發(fā)后臺管理軟件界面，并與移動端通信。基于Android平臺開發(fā)移動客戶端，實(shí)現(xiàn)對濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

系統(tǒng)采用自頂向下、逐步細(xì)化的模塊化方式進(jìn)行研究和開發(fā)。首先進(jìn)行項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)和模塊劃分，然后針對每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。模塊開發(fā)總是在前期完成模塊的基礎(chǔ)上，不斷將新模塊加入系統(tǒng)，以便于發(fā)現(xiàn)模塊之間的問題以及模塊設(shè)計(jì)中的缺陷，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)速度。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

面向沿海濕地環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖3所示。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括9種傳感器節(jié)點(diǎn)，分別是溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、光照傳感器節(jié)點(diǎn)、PH傳感器節(jié)點(diǎn)、水體濁度傳感器節(jié)點(diǎn)、PM2.5傳感器節(jié)點(diǎn)、結(jié)露傳感器節(jié)點(diǎn)、氣壓傳感器節(jié)點(diǎn)、煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)。

這9種類型的傳感器節(jié)點(diǎn)通過Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀組網(wǎng)，并將感知的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接Internet。

2.2 后臺服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

后臺服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。后臺服務(wù)器軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上報(bào)的沿海濕地環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理：一方面利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，另一方面按照移動端需求，通過Socket向移動端發(fā)送歷史或?qū)崟r(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.3 移動APP設(shè)計(jì)

Android客戶端系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。Android客戶端一方面接收PC端通過Socket發(fā)來的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過動態(tài)曲線實(shí)時(shí)展現(xiàn)當(dāng)前濕地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；另一方面，可以查詢PC端存儲的歷史數(shù)據(jù)并展現(xiàn)。Android客戶端還可設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)某項(xiàng)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，通過短信主動報(bào)警。

3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

沿海濕地環(huán)境監(jiān)測原型系統(tǒng)部署了6個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，共連接9種傳感器。無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過Zigbee協(xié)議自組織連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一方面通過Zigbee協(xié)議接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，另一方面通過串口連接到服務(wù)器，將接收到的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。在服務(wù)器上部署后臺服務(wù)器軟件，負(fù)責(zé)濕地環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲及與Android終端的通信。服務(wù)器和Android終端連接到同一局域網(wǎng)，通過Socket方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.2 后臺服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)

后臺服務(wù)器軟件界面如圖6所示。后臺服務(wù)器軟件使用Java Swing開發(fā)，可通過串口讀取協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)通過 “啟動服務(wù)”按鈕，為Android終端提供Socket服務(wù)，允許Android終端訪問數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

3.3 Android終端軟件實(shí)現(xiàn)

Android終端軟件基于Android Studio開發(fā)，可運(yùn)行于主流版本的Android終端上。Android終端軟件主要負(fù)責(zé)濕地環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)異常時(shí)的報(bào)警。

Android終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展現(xiàn)界面如圖7所示。在該界面，點(diǎn)擊“連接”按鈕，軟件將通過Socket與后臺服務(wù)器建立連接，接收后臺服務(wù)器發(fā)來的濕地環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。濕地環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在二維坐標(biāo)中以動態(tài)曲線方式向用戶展現(xiàn)。在二維圖像下有濕地環(huán)境參數(shù)相關(guān)按鈕，用戶可以點(diǎn)擊選擇想要查看的濕地環(huán)境參數(shù)。不同的環(huán)境數(shù)據(jù)以不同顏色的動態(tài)曲線實(shí)時(shí)展現(xiàn)。

Android終端歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖8所示。在該界面上，用戶可選擇所要查詢的環(huán)境數(shù)據(jù)類型，并通過文本框輸入查詢數(shù)據(jù)的起始和終止時(shí)刻，點(diǎn)擊“開始查詢”按鈕后，以曲線方式展現(xiàn)某項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)在指定時(shí)間段內(nèi)的變化情況。

Android終端環(huán)境數(shù)據(jù)超限閾值設(shè)置界面如圖9所示。在該界面，用戶可為每種濕地環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)置上限和下限值，并設(shè)定報(bào)警短信發(fā)送的目標(biāo)號碼。當(dāng)某項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)值超出設(shè)定的上限或下限后，指定手機(jī)將接收到報(bào)警短信。

4 結(jié)語

沿海濕地環(huán)境監(jiān)測檢測系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對沿海濕地環(huán)境9種參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。用戶可通過Android移動端APP實(shí)時(shí)查看濕地環(huán)境數(shù)據(jù)，查詢指定時(shí)間段內(nèi)的濕地環(huán)境歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)相關(guān)濕地環(huán)境參數(shù)超過用戶設(shè)定的上限或下限時(shí)將收到報(bào)警短信提醒。應(yīng)用該系統(tǒng)可提升沿海濕地環(huán)境監(jiān)測的自動化和智能化水平，提高沿海濕地資源保護(hù)效率。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）