基于無線傳感器網絡技術的水體環境監測系統

彭宇帆+溫華

摘 要：隨著社會整體環保意識的提高，越來越多的人們開始關注物種保護的問題。尤其是諸如中華白海豚等生活在人口稠密地區的我國特有珍惜物種。但受限于資金與技術，目前還沒有便捷有效的手段對這些珍惜物種棲息地的水體環境進行監測。文中所述的基于ZigBee無線技術構建的水體信息實時監測網絡方案就是為解決這一問題而做出的嘗試。

關鍵詞：無線傳感器網絡；水環境實時監測；物種保護；監測網絡

中圖分類號：TP39；X834 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

中國是世界上生物多樣性最豐富的國家之一。我國擁有脊椎動物6 266種，約占世界脊椎動物種類總數的10%；我國擁有高等植物三萬余種，居世界第三位。這些生物廣泛分布在我國各地區，與人類共同生活在這片土地上。過去，由于片面追求經濟效益以及對環保工作的疏忽，許多珍稀物種的棲息地遭到了人為破壞。空氣污染、水污染、土壤污染和噪聲污染不僅讓許多地區的野生動植物失去了理想的家園，也嚴重影響了人類的生活質量。隨著全社會知識水平和文化素質的提高，人們越來越意識到環境保護的重要意義，而物種保護則是環境保護的一個重要方面。通過了解野生動物的生存狀態，能夠客觀了解一個地區的環境水平。例如在《中國物種紅色名錄》中就提到，一種名為金線蛙的珍稀物種就是北京地區工業污染的指示劑。通過保護一個地區的珍惜動物，就能在客觀上促進該地區的自然環境的改善，進而提高該地區人民的生活質量。

珠江口位于我國經濟發展極為活躍的珠江三角洲地區，這里不僅集中了香港、澳門兩個特別行政區，而且緊靠深圳與珠海兩個經濟特區。這里的水面上常年穿梭著各類船舶，多條繁忙的航道在此處交匯，即將通車的港珠澳大橋也坐落于此。而同時，這里也是國家一級保護動物中華白海豚最重要的棲息地之一，是中華白海豚國家級自然保護區的所在地。如何在經濟活動如此繁忙的地區做好珍惜物種的保護工作，是一大難題。

中華白海豚（Sousa chinensis）屬于鯨類海豚科，是一種水生哺乳動物，喜歡生活在咸淡水區域的淺水層，不連續的分布于印度洋和太平洋沿岸的河流入海口。和許多其它種類的鯨或海豚相似，中華白海豚也依靠回聲定位進行覓食、交流、躲避敵害等活動。由于其棲息的河流入海口的淺水層（深度一般不超過25 m）是人類活動最頻繁的水域，因此非常容易受到因人類活動產生的噪聲干擾。由于回聲定位系統的需要，白海豚的聽覺極其發達，這也使得它們對噪聲的忍耐程度很低，尤其當噪聲所在的頻段與白海豚回聲定位系統的頻段重合時，它們受到的干擾尤其明顯。由于回聲定位失靈而擱淺或誤入危險區域導致死亡的案例近年來屢見不鮮，這為中華白海豚的保護提出了巨大的挑戰。

要對中華白海豚進行保護，首先必須做到對水中噪聲的監控。通過大范圍的實時水下噪聲監控，可以找出對中華白海豚威脅最大的噪聲源，并精確的進行干預。但遺憾的是，這一工作始終未能很好的完成。

阻礙這一重要工作的最主要原因便是成本，由于目前主要采用人工方式監測，而每次監測都需要雇船出海。這種監測方式只能勉強滿足科研需要，如果需要對整個保護區進行長期監測，則人員與時間成本都超過了保護區的承受能力。因此，目前急需一種低成本的、高度自動化的區域監測方式來替代原有的測量方法。

隨著物聯網技術的逐漸成熟，一種基于無線傳感器網絡技術的新型信息管理方案有望破解這一困局。

1 技術方案

1.1 適用場合

本文所論述的解決方案適用于淺水區域的水下噪聲監測需求，需要該區域有適于在流動水體中固定探測終端的附著物。

1.2 系統結構

本方案的主體部分是一個基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，該網絡負責收集各終端采集的環境信息并將其發送到用戶指定的接收端。

用于信息采集的設備是麥克風及各類傳感器。麥克風可測量水下噪聲的響度，傳感器可測量水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。這些信息經綜合分析，可以反映水體的污染狀況，對比白海豚等水生生物理想的生存環境，可對它們的生存質量做出大致評估。麥克風和傳感器均與一個ZigBee終端組成一個探測單元，由一個集成了小型光伏發電設備的電池組供電。該探測單元將被固定在例如橋墩、航標等位置，每一個測量單元都根據其所處的位置編號。由于各測量單位之間均采用自動組網的無線通信方式，故僅需進行簡單的安放與固定工作。ZigBee技術允許終端與其它單元配合形成一個自組織的無線網絡，并通過ZigBee網關將數據傳輸至云端。用戶可通過智能手機或平板電腦等移動終端隨時查閱所需信息。網絡組網結構如圖1所示。

1.3 系統參數

本方案使用CC2430系列ZigBee芯片。該芯片采用IEEE 802.15.4標準，有兩種可選的硬件方案，其主要區別在于功率的不同以及由功率不同帶來的最大通信距離的差別。

當各探測終端與通信節點之間距離較近時，可采用普通方案。普通方案中采用的CC2430片上系統集成的CC2420RF收發器，經測試，在無障礙物的情況下可保證直線距離60 m內的數據傳輸。采用這種方案可降低供電設備的成本，在較為理想的情況下，其能耗完全由小型光伏發電設備提供。安裝后，在使用壽命期間無需更換電池組。

當監測水域面積較大，且可供固定探測終端的位置相聚較遠時，或某些探測點與其它終端或通信節點之間有障礙物時，可選擇大功率路由節點。大功率路由節點在普通節點的基礎上增加了兩個設備，分別為一個CC2591射頻前端和一個為其提供能源的TPS73033模塊。經測試，大功率路由節點在無明顯障礙物的情況下可保證直線距離400 m內的數據傳輸，或可保證近距離穿透三堵約30 cm厚的混凝土墻。

1.4 網絡拓撲

由于目標監測水域的情況較為復雜，也為了方便以后推廣到其它水域，本方案采用網狀網路由的方式進行網絡拓撲的自組織。該組織方式采用了矢量簡化算法（AODVjr），適用于水域環境監測的數據傳輸需要，在數據傳輸量較小的情況下（主要是噪聲分貝數、溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡單數值信息），保證網絡具有良好的健壯性。endprint

2 功能應用

2.1 數據獲取

CC2430芯片的片上系統自帶AD轉換模塊，可將麥克風及各類傳感器提供的電壓信號轉化成數字信號。麥克風測量到的聲音信號以5 s為一個窗口通過快速傅里葉變換轉化為頻率信號，并分別求出低、中、高頻段的分貝數，與其它傳感器測量的數值一并發送到云端儲存。

2.2 數據傳輸

采用ZigBee技術的數據傳輸速度介于20～250 Kb/s之間，而每個傳感器每次所需傳輸的數據只有幾字節，數據傳輸的實時性可以得到有效保證。

2.3 節點分布

ZigBee網關可以安放在保安的監控室內，并從那里連接英特網。各通訊節點或測量終端則在保證相互距離不超過400m的情況下尋找橋墩或航標位置進行固定。其中橋墩部分是測量的重點，主要用于監控橋上重型汽車的通行是否對白海豚的生活造成影響。其中高頻段的聲音采集還可用于捕捉白海豚的回聲定位信號，可為研究大橋對中華白海豚南北遷徙的影響提供科學依據。

2.4 信息獲取

用戶可以方便的通過各種移動設備訪問云端并實時查詢目標水域的環境信息，如圖2所示。

3 技術優勢

與以往的采用人工出海監測的方式相比，本方案提出的利用無線傳感器網絡進行水域環境監測的方法具有巨大的成本和效能優勢，其對比見表1所列。

4 結 語

本文提供了一個水域環境實時監測的解決方案，可用于在珠江口海域進行白海豚等珍惜水生生物的保護工作。相比過去依賴人工的監測方式，該方案雖然在首次設備安裝方面投入較大，但卻能夠大大提高監測效果，并在長期工作中顯著減輕人員和資金的消耗。該方案的順利實施還需要對白海豚的生活習性、耐受能力等信息進行更深入的了解與水生生物領域及環境保護領域專家們的大力協助。

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