WSN森林微氣象信息監測的組網試驗研究

摘 ?要：為了實現對森林微氣象監測的智能化和信息化，本文提出了基于無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）的森林微氣象數據監測系統。該系統選取廣州市天河區的火爐山森林公園為試驗區，布置了22個無線傳感器網絡節點，WSN網絡覆蓋面積為3500平方米，構成森林微氣象數據監測系統，實現對森林微氣象的監測，通過森林微氣象監測上位機軟件，收集到的數據有1.75萬條。實現了通過網絡節點采集森林環境信息，對數據進行處理和融合后傳輸到基站，再通過GPRS傳送到遠程監測上位機軟件，經過一年左右的運行可以證明該系統穩定性好，能夠大大提高森林微氣象監測的效率。

關鍵詞：無線傳感器網絡;森林微氣象;氣象監測

中圖分類號：TP212.9;TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0154-03

Abstract：In order to realize the intelligence and informatization of forest micrometeorological monitoring，a forest micrometeorological data monitoring system based on wireless sensor networks （WSN） is proposed. The system takes Huolushan Forest Park in Tianhe District of Guangzhou City as the experimental area，and arranges 22 wireless sensor network nodes. The WSN network covers an area of 3500 square meters. It forms a forest micro-meteorological data monitoring system，which realizes the monitoring of forest micro-meteorology. The data collected through the software of the upper computer of forest micro-meteorological monitoring are collected. There are 17.5 million items. The system can collect forest environmental information through network node，process and fuse data，then transmit them to base station，and then transmit them to remote monitoring PC software through GPRS. After about a year of operation，it can be proved that the system is stable and can greatly improve the efficiency of forest micro-meteorological monitoring.

Keywords：wireless sensor network;forest micrometeorology;meteorological monitoring

0 ?引 ?言

森林微氣象主要研究森林上空大氣下墊面邊界層內各物理量的垂直變化規律，監測的物理量包括森林植被熱量以及太陽輻射總量等。微氣象數據是森林微氣象研究的數據基礎，森林微氣象學主要關注的數據有：太陽輻射、空氣溫濕度、CO2的含量、風向和風速、降雨量、土壤的水分含量、土壤溫度等[1]。傳統的森林微氣象數據是通過氣象監測站和人工移動設備進行采集獲取微氣象數據。采用無線傳感器網絡技術能夠在監測區域內部署大量傳感器節點，自組織構建通信網絡，通過多跳傳輸完成數據的傳輸，具有成本低、自組織和容錯性高的優點。

目前無線傳感器網絡在林業生產環境的應用情形有：（1）森林火災監測。通過在無線傳感器網絡接入煙霧傳感器或者溫濕度傳感器，并設置一定的報警機制，能夠實現對森林火災的監測與災區報警任務。（2）生物多樣性監測。可以在動物身上安裝一些定位傳感器，對動物進行實時跟蹤，可用于在熱帶雨林或者寒冷的極地環境探索動物的多樣性。也可以高頻采集特定區域的環境信息，從而對生物的多樣性進行分析。（3）生態環境監測。主要監測生態環境的土壤含水量。（4）精準林業。通過傳感器網絡技術準確計量和監測林木生長狀況，幫助林業管理員獲取森林環境特性及林木生長的有效數據。

針對森林微氣象監測的實際管理需求，本文提出了一種采用無線傳感器網絡技術，結合數據可視化技術的檢測系統，對森林環境信息監測的發展起到保障作用，具有廣泛的應用前景。

1 ?系統總體設計

1.1 ?系統整體架構設計

無線傳感器網絡系統的設計由4個模塊組成，分別是數據感知模塊、數據處理模塊、數據融合模塊和數據傳輸模塊，如圖1所示。森林微氣象的數據感知原理是通過加載在傳感器節點的不同類型的無線傳感器進行感知，數據經過多跳無線傳輸方式完成數據的匯聚融合，并通過Internet、GPRS、4G等通信網絡上傳到遠程終端服務器[2]，在森林微氣象監測系統上位機軟件當中實時顯示出來，WSN的系統結構圖如圖2所示。

1.2 ?WSN節點硬件設計

本系統所設計的無線傳感器網絡節點由4個組成部分，分別為數據處理模塊、數據感知模塊、通信模塊以及電源模塊[3]。數據處理模塊根據所要監測的環境信息配置不同的傳感器，要求傳感器的封裝性能好、體積小、電路簡單。當前適用于森林微氣象監測的傳感器有：光照度傳感器、土壤水分傳感器、溫濕度傳感器DHT22、CO2傳感器。本系統的WSN節點掛載傳感器有：光照度傳感器、土壤水分傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器DHT22、CO2傳感器等，整個網絡覆蓋范圍約3500m2。各節點封裝滿足IP65的等級要求，為了將其固定在樹木支干上，我們采用了捆綁的方式。傳感器節點最為關鍵的組成部分是數據處理器，無線傳感器網絡節點采用了ATmega128L微控制器，該控制器功耗較低且集成了多種數據資源。無線通信模塊對于節點的通信和數據傳輸具有重要作用，節點的通信距離受射頻傳輸能力限制，要求無線模塊的功耗越低越好，本系統的WSN節點射頻模塊采用CC2430無線通信模塊。WSN網絡節點結構如圖3所示。

1.3 ?WSN路由協議設計

在無線傳感器網絡通信中，數據的傳輸性能直接決定了網絡質量的好壞[4]，設計適合森林環境樹木多、遮擋嚴重、地形落差大、環境惡劣的無線傳感器網絡路由協議尤為關鍵。本系統設置了結合定向天線和全向天線性能的無線傳感器網絡路由協議，能夠預設數據通信的大體方向，將數據朝著工作需求的方向進行傳輸，引入有限狀態機制將網絡節點分類劃分為休眠狀態和激活狀態，以能量優先為導向，網絡節點根據通信需要進行狀態的自動切換。路由構建機制由3部分組成，分別是網絡初始化、鄰居報文交互、鄰居表維護。在初始化階段進行鄰居表初始化，鄰居間交互SniffMsg和AckMsg消息報文，完成節點入網并更新自身HC（跳數信息）。根據鄰居信息把鄰居劃分到不同的鄰居記錄表AdjacencyList中，包括父節點記錄表、兄弟節點記錄表、子節點記錄表。路由維護階段通過鄰居交互報文更新節點鄰居狀態表AdjacencyState。

2 ?試驗研究與數據管理

2.1 ?節點部署方案

在森林微氣象環境監測當中，由于考慮到野外環境的不確定性，對于硬件節點必須要進行封裝，可采用金屬外殼或者塑料外殼進行防水密閉設計，并且在部署節點過程中要考慮到節點的朝向以及周邊有無覆蓋物，最好部署在較為寬廣的地方，以避免外界環境因素引起的通信質量差的問題。為控制系統的成本，在實際監測的試驗中會在滿足覆蓋整片區域的基礎上減少部署節點的數量，但是，為了提高網絡容錯能力，仍需保證網絡具有一定冗余性[5]。

本系統于2018年5月至今在火爐山森林公園進行了面向森林微氣象監測的實地試驗，火爐山森林公園位于廣州市天河區，長約3km，面積6km2，火爐山森林資源豐富，共30多個科、50多個屬、100多個品種，主要由亞熱帶和南亞熱帶優良闊葉樹種組成。監測系統布置了22個無線傳感器網絡節點，森林環境監測節點部署圖如圖4所示。在實際組網監測過程中發現，采用定向天線與全向天線相結合的節點部署方案在保證節點連通性上效果較好。網絡覆蓋面積為3500m2，構成森林微氣象數據監測系統，實現了網絡節點通過采集森林環境信息、數據處理和數據融合后達到基站，再通過GPRS傳送到遠程上位機軟件，在一年多的時間里，累計收集到的數據有1.75萬條。

2.2 ?SQL Server數據處理

森林微氣象數據監測匯聚節點能夠將收集到的數據傳輸至遠程服務器當中，服務器的數據經過處理后，在森林微氣象監測系統進行在線顯示。其數據處理過程為：SQL Server進行解析、處理收集到的數據后進行校驗，分析圖像數據包的完整性，并進行報文傳輸，再以動態圖呈現出實時的數據，如溫度、濕度、CO2濃度。

2.3 ?數據顯示與參數配置

采用Web形式實現對森林微氣象監測系統的數據管理，用戶可通過已接入互聯網的PC機、Pad、手機等遠程進行數據查詢和網絡參數的配置。遠程上位機監測系統能對數據進行實時顯示，并能將數據存儲在數據庫當中，方便用戶進行歷史數據查詢，基于DreamWare技術可視化，將探測到的節點溫度、濕度、CO2濃度信息進行連續顯示，能夠有效呈現網絡的拓撲狀態以及節點的信息，對于溫度過高或者濕度較低的區域，進行災情預警。表1為2016年6月14日不同節點監測到的溫度數據，表2為不同節點監測到的濕度數據。

3 ?結 ?論

經實際組網部署試驗，基于混合天線WSN的森林微氣象數據監測系統能夠實現對森林微氣象信息的采集、分析、存儲及預警功能，在森林微氣象環境信息監測方面具有廣泛的應用前景，對于林業工作者開展數字林業、推動生態環境保護具有重要意義。

參考文獻：

[1] 王霓虹，劉曉錫.林區生態環境監測的無線傳感器網絡數據融合技術研究 [J].森林工程，2012，28（4）：85-88.

[2] 鄭少雄.基于混合天線無線傳感器網絡的森林微氣象數據監測研究 [J].農業網絡信息，2017（6）：10-13.

[3] 李敬兆，郭明明，張曉明.地空交互多感融合森林防護監測系統 [J].傳感器與微系統，2019，38（1）：110-113+116.

[4] 左是，劉竹林，李禎.基于森林環境監測的無線傳感器網絡路由技術研究 [J].湖北工業職業技術學院學報，2018，31（3）：62-65.

[5] 蔣小川.節能型無線傳感器網絡在森林環境監測中的應用 [J].南京林業大學學報（自然科學版），2014，38（4）：14-18.

作者簡介：鄭少雄（1990-），男，漢族，廣東饒平人，講師，碩士研究生，畢業于華南農業大學，研究方向：信息系統管理、無線傳感器網絡。