基于ZigBee和GIS的校園環境實時監測系統設計

許 可，許迪文，楊潤書，黃義忠

?

基于ZigBee和GIS的校園環境實時監測系統設計

許 可1，許迪文2，楊潤書1，黃義忠1

（1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.湘潭大學信息工程學院，湖南 湘潭 411105）

針對目前校園小環境監測時效性偏低的問題，提出將ZigBee網絡技術與GIS技術應用到校園環境監測系統中。采用以CC2530網絡處理器模塊為核心構建的ZigBee網絡，采集校園環境數據，并將其通過網絡傳輸到系統數據庫，結合GIS平臺，實現對數據的查看、分析和處理。結果表明：系統能對校園環境進行實時監測。在監測系統中引入ZigBee和GIS技術，對未來更精準的監測具有一定的指導意義。

ZigBee；GIS；校園環境；實時監測

0 引言

近年來，我國科技與經濟迅猛發展，但環境問題也越來越突出。如今，環境問題已成為當今社會廣泛關注的問題，而解決該問題的關鍵就是環境監測[1]。針對我國高校校園小環境的監測，能夠幫助我們及時發現校園小環境存在的問題，并據此對環境問題提出科學的解決方案。

受益于無線傳感器網絡技術的不斷發展，使通過無線傳感器網絡方式進行環境監測成為可能。相比于傳統的人工方式進行環境監測，通過使用低功耗、低成本、低速率的短距離無線通信新標準ZigBee來進行環境監測，解決了傳統有線網絡系統布線難、成本高以及不易擴展等問題[2]，很適合于校園環境監測。本文從環境監測的角度出發，設計了一種基于ZigBee和GIS的校園環境實時監測系統，可以實現對校園環境數據的實時采集，并通過ZigBee網絡傳輸該數據，對數據進行即時的儲存與分析，最終實現無線網絡下的環境數據實時監測。

1 系統總體方案及工作原理

本系統總體架構主要由現場終端節點、協調器節點、ZigBee傳輸網絡、系統數據庫和監控中心等幾部分構成。系統結構圖如圖1。

圖1 系統結構圖

系統采用自下至上的思路進行設計，其中最基礎、最底層的部分就是現場終端節點，它負責采集校園環境中的溫度、濕度、氣壓和PM2.5的信息，采集完成后將這些數據通過ZigBee網絡發送給協調器節點。協調器節點收集完成后，將數據進行分析處理，再通過ZigBee網絡發送給遠程上位機。其中，ZigBee技術是一種新興的短距離無線傳感網絡通信技術，因其功耗低、短距離等優點應用于各個領域[3]。它使本系統得以高效、便捷地傳輸數據。

遠程上位機接收到數據以后，將其導入access數據庫，即系統數據庫。數據庫對接收到的信息進行分類處理。最后，基于GIS平臺搭建的監控中心，通過調用系統數據庫與地圖數據，把地理位置與相關屬性信息有機地結合起來, 根據實際需要科學準確、圖文并茂地輸出處理結果給用戶[4]，使得用戶可以實時監控各個監測點的情況。

2 系統硬件設計

本系統硬件部分主要由太陽能供電模塊、溫濕度采集模塊、氣壓采集模塊、PM2.5傳感器模塊和CC2530網絡處理器模塊。其中CC2530網絡處理器模塊為主控芯片，太陽能供電模塊為其他各模塊提供電力來源，其余各模塊負責采集實時環境數據。圖2為系統硬件框圖。下面為各模塊具體介紹。

圖2 系統硬件框圖

2.1 CC2530網絡處理器模塊

本系統采用CC2530芯片作為主控芯片，它是ZigBee新一代SOC芯片真正的片上系統解決方案，支持IEEE 802.15.4 標準/Zig BeeRF4CE、ZigBee網絡、家居及樓宇自動化、工業測控等領域，也是目前眾多Zig Bee設備產品中表現最為出眾的微處理器之一[5]。CC2530的功耗低、成本低已經組網靈活等特點，非常符合本系統的設計要求。

2.2 太陽能供電模塊

本系統使用太陽能電池板進行供電，由太陽能電池輸出的12V電壓的電能，經過穩壓芯片LM7805后，可以輸出穩定5 V電壓的電能。圖3為太陽能供電模塊原理圖。

圖3 太陽能供電模塊原理圖

2.3 溫濕度采集模塊

從測量精度、體積大小、穩定性等幾方面考慮，本系統采用SHT21溫濕度傳感器，其性能相較于前一代傳感器（SHT11）有很大提升,它的測溫范圍為-40—+125℃，精度誤差為±0.3℃；濕度檢測范圍為0—100%RH，精度誤差為±2%RH，可以滿足系統測溫的精度需求。該芯片除了配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器外，還包含一個放大器、A/D轉換器、OTP內存和數字處理單元[6]。

濕度RH轉換

溫度T轉換：

SHT21采用單總線方式通信，數據傳輸和控制均可由單總線完成。因此通過與CC2530網絡處理器的簡單連接便可以實現實時溫濕度采集。

2.4 氣壓采集模塊

為了測量環境的氣壓，本系統選用BMP180氣壓傳感器。它是Bosch公司退出的一款高精度數字氣壓傳感器，具有體積小、功耗低等特點。它提供了I2C接口進行訪問，使我們可以通過簡單的連接方式將其連接至主控芯片，從而實現氣壓數據的采集。它的溫度測量范圍是-40℃~85℃，氣壓測量范圍是300~1100 hPa（海拔-500 m~9000 m）。

2.5 PM2.5傳感器模塊

監測PM2.5可以對環境狀況進行評估、根據成分分析查找污染源，從而對研究和采取有效的治理措施，減少或消除污染，保障國民健康，具有重要的社會意義和經濟意義[7]。

本系統用于測量PM2.5指數的傳感器模塊為GP2Y1010AU0F，它是一款光學灰塵濃度檢測傳感器。它具有體積小，靈敏度高等特點，可以用它來測量0.8微米以上的微小粒子，來達到測量環境中煙氣、粉塵、花粉等濃度的目的。它的工作溫度為-10℃~65℃。

灰塵傳感器GP2Y1010AU0F的連接電路如圖4所示。

圖4 灰塵傳感器GP2Y1010AU0F的連接電路

3 系統軟件設計

3.1 現場終端節點軟件設計

現場終端節點主要負責數據的采集，它與協調器節點通過ZigBee網絡進行通信。其軟件流程圖如圖5。現場終端節點在上電初始化后，會向協調器節點請求加入網絡，在加入網絡成功后，它會將自身的網絡地址發送給協調器節點。新加入的節點必須通過已存在網絡中的全功能設備才能成功入網絡，在通信范圍內的全功能設備會請求加入ZigBee網絡，然后為其節點分配一個獨一無二的ID[8]。之后現場終端節點會進入低功耗模式等待，當需要傳輸數據時，它將會被喚醒并開始采集和傳輸數據，數據傳輸完成時，它會再次進入低功耗模式等待。

3.2 協調器節點軟件設計

協調器節點是整個ZigBee網絡的核心，它主要負責組建ZigBee子網絡，接收子網絡下各節點發送的環境監數據。其軟件流程圖如圖6。協調器節點在上電初始化后，開始進行信道檢測，并新建網絡。新建網絡成功后，協調器進入無線監控狀態，在此狀態下等待是否有新節點加入網絡，當新節點加入時，為其分配網絡地址，之后接收其數據并進行上位機通信。

圖5 現場終端節點軟件流程圖

3.3 系統數據庫設計

系統數據庫是整個監測系統的中樞，用于儲存系統的全部數據，并為監測點與監控中心之間提供了一座連接彼此的通信橋梁[9]。本系統面向對象進行設計，選用Microsoft Office Access作為數據庫平臺，其主要有實時數據庫和屬性數據庫。

實時數據庫主要包括校園環境的溫濕度信息、氣壓信息和PM2.5數值。屬性數據庫主要包括現場采集節點的編號及其位置信息。有了這些信息，我們就可以查詢到現場采集節點的實時狀態，并且可以清晰地在地圖上查找到對應節點的位置，為系統與GIS平臺的融合提供了數據庫基礎。

3.4 監控中心架構設計

地理信息系統（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個或部分地球表面與空間地理分布有關的數據信息的計算機系統。它的主要功能是實現地理空間數據的采集、編輯、管理、分析、統計與制圖等[10]。

圖6 協調器節點軟件流程圖

圖7 系統數據庫結構

感知層的環境監測無線傳感網絡之所以是根據校園地理空間的功能區域進行分布，是因為想要更為直接的觀測校園環境。各監測數據的實時采集、顯示以及統計分析后形成的各種專題圖也應是在城市空間地域上進行的空間展布，所以系統應用層的開發離不開地理信息系統[11]。

系統應用層利用GIS技術進行搭建，其中開發平臺選用ESRI公司的ArcGIS Server 10.2，編程平臺采用Microsoft公司的Visual Studio 2015，開發語言選用C#進行編程。圖8為監控中心架構層次圖。

圖8 監控中心架構層次圖

應用層主要負責充當用戶與整個系統的交互媒介，它的主要功能有：顯示地圖、查詢數據庫得到用戶所需要的信息。作為開發平臺的ArcGIS Server 10.2支撐著整個應用層的開發。ArcGIS Server是一個為構建空間相關的企業級應用的平臺，它包含一個可共享的GIS軟件對象庫(ArcObjects),能在企業和Web計算框架中建立以服務器為中心、集中式管理并以網絡為核心支持多用戶的GIS應用,擁有制圖、查尋分析和地理編碼的全部功能[12]。

4 系統測試與結果分析

考慮到ZigBee無線傳感網絡受距離影響較大，故在校園中100m3范圍內選取三個采集點來進行系統測試，采集點的位置信息如表1所示，其坐標系為WGS-84坐標系。每1分鐘對環境進行一次采集，某次檢測結果如表2所示。

表1 采集點位置信息

Tab.1 Collection point location information

表2 系統測試結果

Tab.2 System test results

對比當天實時氣象數據，溫度22℃、濕度28%RH、氣壓1023 hPa、空氣質量優，系統測試結果具有一定的參考意義。鑒于本系統的環境數據處理方式是采集與傳輸，傳輸過程不會對系統待測參數帶來誤差，故誤差主要發生在數據采集過程[13]。

隨后對GIS平臺進行測試，經測試，該平臺可以實現以下功能，平臺預覽圖如圖9。

地圖的瀏覽功能。可以實現對地圖的放大、縮小、移動等功能，滿足用戶對監測環境大致情況進行瀏覽的需求。

圖9 平臺預覽圖

現場終端節點定位功能。通過對節點號進行選擇，結合數據庫中各個節點的位置信息，可以實現對各個現場終端節點的位置在地圖上的定位。

實時數據查詢功能。用戶選擇需要查詢的節點后，點擊實時數據按鈕，系統便會通過查找系統數據庫，將該節點的溫濕度、氣壓和PM2.5數值信息顯示出來。

5 結語

本文將ZigBee技術和GIS的融合，應用到校園環境實時監測中，通過結合ZigBee技術的靈活組網的特點以及GIS對數據的強大管理能力，實現了對校園環境的實時遠程監測。利用該系統，我們可以對校園環境進行全天候、全方位的監測，對未來的城市環境監測具有一定的指導意義。在之后的開發中，如果能進一步提高測量精度，將會使整個系統更加完善可靠。

[1] 高惠燕. 一種Zigbee環境監測網絡的設計與實現[J]. 浙江萬里學院學報, 2008(2): 43-47.

[2] 管超, 邵小桃. 基于ZigBee的振動報警系統的設計與實現[J].軟件, 2015, 36(6): 146-151.

[3] 滕志軍, 曲兆強, 張力, 呂金玲, 薛永久, 李冠男. 基于改進ZigBee路由算法的溫室大棚在線監測系統[J].江蘇農業科學, 2017, 45(21): 247-251.

[4] 王雙森, 韓世鵬. 物聯網技術推進GIS在環境監測中的應用[J].信息通信, 2011(3): 51.

[5] 衣翠平, 柏逢明. 基于ZigBee技術的CC2530糧庫溫濕度檢測系統研究[J]. 長春理工大學學報(自然科學版), 2011, 34(4): 53-57.

[6] Sensirion.SHT21技術手冊[EB/OL]. https://www.sensirion. com/cn/download-center/.

[7] 陳芳. 小型智能化車載PM2.5檢測系統[J]. 軟件, 2018, 39(2): 164-165.

[8] 楊瑞峰, 王雄, 郭晨霞, 張鵬. 基于ZigBee無線傳感網絡環境監測系統設計與應用[J]. 電子器件, 2017, 40(3): 760-765.

[9] 于寶堃, 胡瑜. GIS和ZigBee技術在農業溫室監測系統中的應用[J]. 湖北農業科學, 2014, 53(1): 211-215.

[10] 陳美伊. 基于GIS 的旅游景區虛擬實現技術的研究[J].軟件, 2015, 36(10): 30-32.

[11] Zhong S, Zhou L, Wang Z. Software for Environmental Impact Assessment of Air Pollution Dispersion Based on ArcGIS[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 10: 2792-2797.

[12] 吳功和, 叢明日. 基于ArcGIS Server的分布式GIS應用[J].測繪科學技術學報, 2006(1): 52-55.

[13] 沈益輝, 秦會斌. 基于Zigbee無線傳感器網絡的環境監測系統設計[J]. 軟件導刊, 2017, 16(12): 102-105.

Design of a Real-time Campus Environmental Monitoring System Based on ZigBee and GIS

XU Ke1, XU Di-wen2, YANG Run-shu1, HUANG Yi-zhong1

(1. Faulty of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

To solve the problem of low timeliness in the monitoring of campus environment, this paper put forward ZigBee network technology and GIS technology applied to campus environmental monitoring system. Using CC2530 Network processor module as the core to build the ZigBee network, this system collects the environment data in the campus, and transmit it to the system database through the network, and then combine the GIS platform to realize the view, analysis and processing of the data. The results show that the system can monitor the campus environment in real time. Introducing ZigBee and GIS technology into the monitoring system, it will be instructive for more accurate monitoring in the future.

ZigBee; GIS; Campus environment; Real-time monitoring

TP277

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.024

許可(1994-)，男，昆明理工大學國土資源工程學院碩士研究生，研究方向為3S集成與應用；許迪文(1994-)，男，研究生，主要研究方向：控制工程與自動化裝置；楊潤書(1963-)，男，正高級工程師，主要研究方向：GPS及工程測量的應用與研究；黃義忠(1972-)，男，副教授，主要研究方向：土地資源管理。

本文著錄格式：許可，許迪文，楊潤書，等. 基于ZigBee和GIS的校園環境實時監測系統設計[J]. 軟件，2018，39（7）：116-120