基于物聯網的沿海濕地環境監測系統設計與實現

高子儀+邵星+王翠香+陳希

摘要：濕地作為一種寶貴的生態資源，在維持生態平衡、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，設計了基于物聯網的沿海濕地環境監測系統。系統通過部署面向沿海濕地環境監測的無線傳感器網絡，實現對沿海濕地環境的遠程自動監測。用戶可以查看濕地環境實時數據和歷史數據，當環境數據發生異常時可發送短信報警，從而提高了沿海濕地環境監測的智能化水平。

關鍵詞：物聯網；沿海濕地；環境監測；安卓；無線傳感網

DOIDOI：10.11907/rjdk.171433

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：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特功能的生態系統，它不僅為人類提供大量食物、原料和水資源，而且在維持生態平衡、保持生物多樣性和珍稀物種資源，以及涵養水源、蓄洪防旱、降解污染、調節氣候、補充地下水、控制土壤侵蝕等方面起到重要作用。

鹽城工學院地處沿海城市江蘇鹽城。鹽城因濕地遼闊被譽為“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，濕地環境面臨人類活動、環境污染等多方面威脅，濕地保護和濕地環境監測刻不容緩。

近年來，物聯網[2]技術作為國家戰略性新興產業得到迅猛發展。物聯網是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，將物品與互聯網連接進行信息交換和通訊，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[3]。物聯網實現人們對物理世界更加透徹和深入的感知，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網的目標是實現物與物、物與人，所有物品與網絡連接，方便識別、管理和控制[4]。

作為物聯網關鍵技術之一的無線傳感網，可以通過無線方式自組織組網，并將感知數據上傳或下發，非常適合遠程環境監測領域[5]。本文提出利用物聯網技術解決沿海濕地環境監測問題[6]。利用物聯網技術構建濕地環境監測無線傳感網[7]，實現對大面積濕地環境的感知覆蓋[8]。感知的濕地環境數據[9]實時上傳到后臺數據中心，用戶可通過PC客戶端、手機APP[10]等方式實時查看濕地環境數據。發生異常時，可通過短信等方式向用戶報警，從而實現實時、自動化的沿海濕地環境智能監測，提高濕地環境監測效率，促進沿海濕地環境保護，實現綠色可持續發展。

1 系統架構與設計路線

基于物聯網的沿海濕地環境監測系統主要分為2個部分：即面向濕地環境監測的無線傳感器網絡、面向濕地環境數據的后臺服務器。

面向濕地監測的無線傳感器網絡，通過在沿海濕地范圍內全面部署無線傳感器節點，節點之間通過無線鏈路，并遵循Zigbee協議，自組織形成無線多跳網絡，實現對濕地環境的多參數、大范圍數據采集，并將采集的數據上傳至匯聚節點（Sink Node），匯聚節點將數據轉發給網關節點。

面向濕地環境數據的后臺服務器，負責存儲采集得到的濕地環境數據并進行簡單處理。在濕地環境數據發生異常時及時發出報警信息。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器，查看濕地環境的實時數據和歷史數據。

網關節點一邊連接濕地環境監測無線傳感器網絡，另一邊連接因特網，作為濕地環境監測無線傳感器網絡和后臺服務器之間的橋梁，負責協議的轉換和數據轉發，將環境數據轉發至后臺服務器。

基于物聯網的沿海濕地環境監測系統架構如圖1所示。

基于物聯網的沿海濕地環境監測系統設計框架如圖2所示。

從任務需求出發，分析系統設計和開發中的關鍵問題，有針對性地提出解決方案。具體來說，在感知環境數據選擇方面，將選擇濕地環境中的空氣和水體數據，如溫濕度、光照、PM2.5、水體PH、水體濁度等參數進行采集和感知。在傳感器節點組網方面，選用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack協議棧開發傳感器節點組網程序。在服務器后臺數據庫方面，選用MySQL作為后臺數據庫，存儲采集的各種濕地環境數據。后臺服務器使用Java語言開發后臺管理軟件界面，并與移動端通信。基于Android平臺開發移動客戶端，實現對濕地環境數據的實時監測。

系統采用自頂向下、逐步細化的模塊化方式進行研究和開發。首先進行項目的總體設計和模塊劃分，然后針對每個模塊進行設計和開發，最后進行系統聯調。模塊開發總是在前期完成模塊的基礎上，不斷將新模塊加入系統，以便于發現模塊之間的問題以及模塊設計中的缺陷，提高系統設計和開發速度。

2 監測系統設計

2.1 無線傳感器網絡設計

面向沿海濕地環境監測的無線傳感器網絡設計如圖3所示。整個傳感器網絡包括9種傳感器節點，分別是溫度傳感器節點、濕度傳感器節點、光照傳感器節點、PH傳感器節點、水體濁度傳感器節點、PM2.5傳感器節點、結露傳感器節點、氣壓傳感器節點、煙霧傳感器節點。

這9種類型的傳感器節點通過Zigbee協議實現網狀組網，并將感知的環境數據發送給協調器節點，協調器節點通過網關節點連接Internet。

2.2 后臺服務器軟件設計

后臺服務器軟件設計如圖4所示。后臺服務器軟件系統負責接收協調器節點上報的沿海濕地環境數據并進行處理：一方面利用MySQL數據庫存儲數據，另一方面按照移動端需求，通過Socket向移動端發送歷史或實時環境數據。

2.3 移動APP設計

Android客戶端系統設計如圖5所示。Android客戶端一方面接收PC端通過Socket發來的環境數據，通過動態曲線實時展現當前濕地的實時數據；另一方面，可以查詢PC端存儲的歷史數據并展現。Android客戶端還可設定報警閾值，當某項濕地環境數據發生異常時，通過短信主動報警。

3 環境監測系統實現

3.1 原型系統結構

沿海濕地環境監測原型系統部署了6個無線傳感器節點，共連接9種傳感器。無線傳感器節點通過Zigbee協議自組織連接到協調器節點。協調器節點一方面通過Zigbee協議接收其它節點發來的濕地環境數據，另一方面通過串口連接到服務器，將接收到的濕地環境數據發送給服務器。在服務器上部署后臺服務器軟件，負責濕地環境數據的存儲及與Android終端的通信。服務器和Android終端連接到同一局域網，通過Socket方式實現數據通信。

3.2 后臺服務器軟件實現

后臺服務器軟件界面如圖6所示。后臺服務器軟件使用Java Swing開發，可通過串口讀取協調器節點發送的濕地環境數據，并將其存儲到MySQL數據庫中。同時通過 “啟動服務”按鈕，為Android終端提供Socket服務，允許Android終端訪問數據庫中的實時數據和歷史數據。

3.3 Android終端軟件實現

Android終端軟件基于Android Studio開發，可運行于主流版本的Android終端上。Android終端軟件主要負責濕地環境實時數據、歷史數據的展現，以及數據異常時的報警。

Android終端實時數據展現界面如圖7所示。在該界面，點擊“連接”按鈕，軟件將通過Socket與后臺服務器建立連接，接收后臺服務器發來的濕地環境實時數據。濕地環境實時數據在二維坐標中以動態曲線方式向用戶展現。在二維圖像下有濕地環境參數相關按鈕，用戶可以點擊選擇想要查看的濕地環境參數。不同的環境數據以不同顏色的動態曲線實時展現。

Android終端歷史數據查詢界面如圖8所示。在該界面上，用戶可選擇所要查詢的環境數據類型，并通過文本框輸入查詢數據的起始和終止時刻，點擊“開始查詢”按鈕后，以曲線方式展現某項環境數據在指定時間段內的變化情況。

Android終端環境數據超限閾值設置界面如圖9所示。在該界面，用戶可為每種濕地環境數據設置上限和下限值，并設定報警短信發送的目標號碼。當某項環境數據值超出設定的上限或下限后，指定手機將接收到報警短信。

4 結語

沿海濕地環境監測檢測系統利用物聯網技術，實現對沿海濕地環境9種參數的遠程實時監測。用戶可通過Android移動端APP實時查看濕地環境數據，查詢指定時間段內的濕地環境歷史數據。當相關濕地環境參數超過用戶設定的上限或下限時將收到報警短信提醒。應用該系統可提升沿海濕地環境監測的自動化和智能化水平，提高沿海濕地資源保護效率。

參考文獻：

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[9]杜巖.基于ZigBee協議的遠程監控系統設計[J].軟件導刊，2015，14（11）： 95-97.

[10]李文翔，李忠森.基于Android平臺的智能溫控系統設計與實現[J].軟件導刊，2016，15（6）： 85-87.

（責任編輯：杜能鋼）