基于無線Mesh網絡的城市環境監測系統研究

摘 ?要：為了對日益嚴重的城市環境污染進行實時監測，設計了一套集成無線傳感器網絡和無線Mesh網絡的城市環境綜合監測系統。系統通過基于ARM和Linux的集成數據采集終端，采集各種環境指標以及其他信息，如二氧化碳濃度、光照強度、可燃氣體濃度等，通過無線Mesh路由方式，上傳到匯聚節點，并記錄到數據庫中。系統分別在Windows PC和Linux手持移動設備上開發了上位機軟件，具有易部署、易擴展、采集指標全、功耗低等特點。

關鍵詞：無線環境監測;無線傳感網;無線Mesh網絡;數據庫

中圖分類號：TP277 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）04-0194-03

Abstract：In order to monitor the increasingly serious urban environmental pollution in real time，an integrated urban environmental monitoring system based on wireless sensor network and wireless Mesh network is designed. Through the integrated data acquisition terminal based on ARM and Linux，the system collects various environmental indicators and other information，such as carbon dioxide concentration，illumination intensity，combustible gas concentration，etc.，and uploads them to the sink node through wireless Mesh routing mode，and records them in the database. The system also develops software on Windows PC and Linux handheld mobile devices，which has the characteristics of easy deployment，easy expansion，complete acquisition index and low power consumption.

Keywords：wireless environment monitoring;WSN;WMN;database

0 ?引 ?言

隨著中國社會城市化進程的發展，我國城市的工業化和現代化水平不斷提高，然而工業化和現代化進程所帶來的負面效應也在不斷地加大，工業生產和礦物質能源的大量使用所產生的粉塵、二氧化碳等污染物嚴重影響到人們的生活質量甚至人身健康。

近年來，我國越來越重視環境監測在環境保護中的作用，2017年9月出臺的“關于深化環境監測改革提高環境監測數據質量的意見”，明確指出要強化高新技術應用。加強物聯網技術在環境監測和質量管理中的應用，加強重點區域，尤其是在城市的環境問題中的應用。因此，利用科技手段切實解決城市中的環境問題，既迎合了國家可持續發展和環境保護戰略的要求，也是科技與民生切實結合的發展方向，具有極大的市場發展空間。為了對日益嚴重的城市環境污染進行實時監測，本文基于江西省科技落地計劃項目，設計了一套集成無線傳感器網絡（WSN）和無線Mesh網絡（WMN）的城市環境綜合監測系統。

1 ?系統總體結構設計

整個系統采用了清晰的分層數據處理模型，最底層是傳感器的數據采集，中間層是無線網絡的數據轉發和數據庫的存儲，最上層是用戶的信息獲取和分析展示，包括PC端的用戶信息獲取和手持設備的信息獲取[1]，圖1是系統整體架構圖。

根據“高內聚低耦合”的設計原則，根據功能和通信個體，將整個城市無線環境綜合監測系統分為八個子系統構成，分別是：（1）綜合數據采集終端展示子系統：包含集成數據采集終端和一個無線Mesh路由器。（2）無線傳感網絡匯聚展示終端：包含無線傳感網根節點、轉換設備和無線Mesh路由器。（3）無線Mesh網絡子系統：由多個無線Mesh路由器構成。（4）無線傳感器網絡子系統：包含一個由高度異構性的無線傳感器節點構成的自組網。（5）無線Mesh視頻監控子系統：即視頻圖像采集系統。（6）環境數據存儲中心：包含數據庫服務器和數據接收及數據處理系統。（7）個人電腦客戶端子系統：以環境數據存儲中心提供的數據為基礎，運行在Windows個人電腦的客戶端軟件系統。（8）手持設備客戶端子系統：以環境數據存儲中心提供的數據為基礎，運行在手持移動終端的軟件系統。

這些子系統與物聯網系統的感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層相對應。其中，無線傳感器節點、無線傳感網根節點、集成數據采集終端和視頻圖像采集系統與感知識別層對應;由無線傳感網絡和無線Mesh網絡組成的混合網絡，構成了系統的網絡構建層;環境數據存儲中心對應系統的管理服務層;最后，個人電腦客戶端系統和手持設備客戶端系統與系統的綜合應用層相對應。

2 ?主要模塊分析與設計

2.1 ?綜合數據采集終端展示子系統

綜合數據采集終端展示子系統包含集成數據采集終端和一個無線Mesh路由器。基于ARM和Linux嵌入式平臺的集成數據采集終端采用S3C6410嵌入式平臺，并搭載一個SHT11溫濕度數字傳感器和一個廣譜氣體濃度傳感器，主要為了采集城市環境的溫濕度和可燃性氣體濃度，并且通過無線Mesh網絡進行數據傳輸，如圖2所示。

綜合數據采集終端程序流程如圖3所示。

2.2 ?無線Mesh網絡子系統

無線Mesh網絡子系統由多個無線Mesh路由器構成。無線Mesh網絡也稱為無線多跳（multi-hop）網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。

由于城市地域較廣，而用于采集數據的各個節點又分布在城市的各個角落，并且環境指標的數據量巨大且復雜多樣，所以，環境監測必須解決遠距離、高帶寬的數據傳輸的問題。因此，僅僅依靠無線傳感網的近距離傳輸是遠遠不夠的。系統中引入了無線Mesh網絡，與無線傳感網絡構成了混合網絡，即傳感器節點之間通過無線傳感網進行路由和通信，而無線傳感網和環境數據存儲中心、集成數據采集終端和數據中心、客戶端軟件和數據中心之間的遠程通信，則依靠無線Mesh網絡實現。無線傳感網絡和無線Mesh網絡組成的混合網絡，構成了系統的網絡構建層[2]。

2.3 ?環境數據存儲中心

環境數據存儲中心處于匯聚節點、集成數據采集終端和數據庫服務器的中間地帶，是聯系三者的紐帶。系統采用了三層架構（3-tier application）的設計模式。通常意義上的三層架構就是將整個業務應用劃分為表現層（UI）、業務邏輯層（BLL）、數據訪問層（DAL）。區分層次的目的即為了“高內聚低耦合”的思想[3]。

三層之間的關系為：下層為上層提供服務，上層調用下層完成自身的功能，如圖4所示。三層架構的優點是具有低耦合性、高重用性和可適用性，生命周期成本較低，易于部署，便于維護，有利于軟件工程化管理。

基于以上架構設計了UML類圖，如圖5所示。其中Model.data是用于訪問數據庫的實體類，其數據成員與數據表中的屬性一一對應。DBHelper屬于數據訪問層，用于操作數據庫，主要是向數據庫中插入新記錄。ConnectionSettings允許用戶對服務器本機IP地址、監聽端口號、數據庫IP地址以及串口端口號進行設置。ServiceController根據用戶的設置管理服務，如開啟和關閉套接字接收數據的服務、處理接收到的數據等等。MainForm是用于和用戶進行交互的單例對象[4]。

2.4 ?手持設備客戶端子系統

手持設備客戶端子系統是以環境數據存儲中心提供的數據為基礎，運行在手持移動終端的軟件系統，用于顯示相關環境數據信息。該手持終端的顯示屏幕為7英寸液晶觸摸顯示屏，尺寸為800×480像素。主界面占滿整個屏幕，分為兩個部分，左部包括四個按鈕，分別是當前信息查詢、歷史信息查詢、節點信息查詢和退出。右部是當前信息子界面，在該子界面中，顯示的數據信息主要包括當前環境指標信息、當前節點狀態信息等，其中當前環境指標信息包括當前所測量的各類環境信息，如溫度、濕度、CO2濃度、可吸入顆粒物、瓦斯濃度等，并采用溫度計進行顯示，數值顯示更加有立體感，同時還根據數據的大小進行不同顏色的顯示，比如當溫度過高時，該欄目顯示的顏色變為深色[5]，如圖6所示。

3 ?結 ?論

本文詳細闡述了基于物聯網的城市環境監測系統的總體方案和主要模塊設計，經過測試表明，系統各項環境指標的測量均非常準確，整個混合網絡的通信狀況非常好，在接入網絡的節點較多的情況下，仍能夠保持環境監測和客戶端顯示的實時性。本文設計的系統通過將無線傳感網和無線Mesh網絡相結合，構建混合網絡，集成溫濕度、可燃氣體、光照強度、可吸入顆粒濃度等多種傳感器，并部分采用鋰電池和太陽能混合供電的方式，具有易部署、易擴展、采集指標全、功耗低等特點。

參考文獻：

[1] 劉云浩.物聯網導論 [M].北京：科學出版社，2010.

[2] 黃書強，王高才，單志廣，等.智慧城市中無線網絡節點部署優化方案研究 [J].計算機研究與發展，2014，51（2）：278-289.

[3] 潘玉蘭，劉廣聰.一種能量高效的無線傳感網分簇路由算法 [J/OL]. 計算機應用研究，2019，37（9）[2019-10-09]. https：//doi.org/10.19734/j.issn.1001-3695.2019.04.0158.

[4] 韓雨澇.面向帶狀無線傳感網低延遲可靠數據收集算法 [J].計算機工程與應用，2019，55（21）：104-109.

[5] ZYGOWSKI C，JAEKEL A. Optimal path planning strategies for monitoring coverage holes in Wireless Sensor Networks [J/OL]. Ad Hoc Networks，2020（96）[2019-10-09]. https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1570870519300290.

作者簡介：洪耀球（1979-），男，漢族，江西樂平人，副教授，碩士，主要研究方向：嵌入式技術。