基于物聯網曹妃甸濕地監測預警系統研究

王建華 龔瑞昆

華北理工大學電氣工程學院 河北唐山 063000

位于曹妃甸區的曹妃甸濕地總面積約540平方公里，濕地內的野生動植物種類達1200余種，因此曹妃甸濕地被國際濕地組織譽為開發潛力巨大且不可多得的濕地保護區[1]。

基于物聯網的曹妃甸濕地監測系統在多種領域都有廣泛應用，并且隨著ZigBee技術、GPRS技術、云計算技術的發展，使得傳統數據監測系統中存在的線路部署復雜、運行效率低下、覆蓋范圍窄等問題得以解決[2]。本文針對曹妃甸濕地生態環境中智能監測系統缺乏的問題，研究設計了基于ZigBee與GPRS的曹妃甸濕地監測系統，通過GPRS網絡來彌補ZigBee傳輸距離短的缺點，實現遠近數據通信，并基于ZigBee技術效率高、安全性高等特點進行網絡通信自組，顯著提高系統的實用性與可靠性，實現對溫濕度、光照強度、酸堿性、視頻監控等數據的有效采集與傳輸，滿足濕地保護需求。

1 系統整體結構與硬件設計

1.1 系統整體構建

曹妃甸濕地監測系統基于新型無線技術ZigBee以及GPRS無線業務，監測系統的組成主要包括數據節點模塊、通信模塊以及云中心。

數據采集模塊將曹妃甸濕地的溫度、濕度、水質酸堿性、光照強度等數據進行采集，遵循ZigBee協議將匯集的節點數據傳送至網關。系統網關接收到來自應用端的指令后，將其下達至ZigBee數據采集模塊，同時又將數據采集模塊返回的環境參數打包處理后經由GPRS傳送至云中心，云中心構架了虛擬服務器與數據庫，對數據進行處理后，操作人員可通過用戶端對數據進行查看與分析，面向曹妃甸濕地環境監測數據的用戶端能夠實現對數據的監測、查詢、異常報警等功能[3]。

1.2 數據節點模塊設計

數據節點模塊以CC2530作為主控制芯片，模塊還包括電源、UPS、太陽能版、USB接口、溫濕度傳感器、氣體煙霧傳感器、環境光傳感器等檢測元件組成。

CC2530是德州儀器開發的一款專門用于無線傳感器網絡中進行數據傳輸的集成芯片。其優點在于低運行功耗和構建成本，在實際環境中的部署極為便利。

1.3 通信模塊設計

系統的通信模塊主要包括STM32主控芯片、RS232串口、集成UPS的電源模塊以及TR-800GSM/GPRS模塊，TR-800模塊配備由80個管腳，且芯片內置了600000Bite的空間供文件存儲，支持最高85.6Kbps下載速度。

首先將帶有GPRS服務的SIM卡置入模塊卡槽中，然后STM32主控芯片向TR-800模塊發送指令，GPRS模塊與云中心服務器鏈接并進行數據傳輸。

2 系統軟件設計

2.1 數據節點模塊軟件設計

數據節點模塊負責對各個傳感器數據進行收集與整理，應用于監測系統的數據節點模塊采用低功耗設計，并實現具有中繼通訊功能的無線組網。數據節點模塊啟動后首先讀取自身配置，判斷自身為終端節點或是中繼節點，配置為中繼節點的模塊將保持運行常態，持續對終端節點傳輸的數據進行接收與儲存，并在云中心服務器發出調取指令后將數據進行傳送。同時為了方便巡檢人員查看，集成按鍵在被按下時，LED屏顯示監測數據并保持30S。

2.2 通信模塊軟件設計

通信模塊軟件功能主要包括應用端操作指令的接收以及濕地環境監測數據的發送，系統將監測采集到的數據通過MCU的解析命令傳送至GPRS模塊，再以TXT文本形式發送至云中心服務器，云中心服務器ID與注冊設備的ID統一進行分配，根據需求自定義數據流的名稱。

2.3 云中心設計

云平臺是指基于硬件的服務，可以擴展并向其他用戶提供基礎服務、數據、中間件、網絡和數據服務，實現對物聯網設備的遠程監控和管理。在基于ZigBee與GPRS框架的基礎上引入云計算中心，設計服務于曹妃甸濕地監測方面的云中心的構架以及面向環境監測數據資源的虛擬化資源池，以實現資源的查閱、管理以及評估決策。

3 系統測試

選取部署的四個監測節點進行測試，驗證系統功能及性能，系統通過ZigBee組網技術將數據采集節點的數據發送至通信模塊，再通過串口通信傳輸至GPRS并經由網絡上傳至云中心服務器，測試結果表明該系統能夠實現對曹妃甸濕地環境的實時監測。

4 結語

基于物聯網的曹妃甸濕地監測預警系統,實現了對來自數據節點模塊的數據進行傳輸與處理,經測試，系統在應用端能夠實現對濕地環境信息的查詢、分析等功能，相比于其他普通監測系統，應用范圍更廣，應用環境更加靈活，在濕地生態保護方面有很好的發展前景。