基于WSN的大學(xué)校園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 蕾， 周宇峰， 蔡 越， 李 翀

（浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安311300）

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市環(huán)境問(wèn)題日益頻發(fā)，人們對(duì)于生態(tài)環(huán)境日益關(guān)注，城市綠地越來(lái)越多進(jìn)入人們視野，而城市綠地是城市中不]可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，在改善城市環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的作用，因此通過(guò)對(duì)城市綠地智能監(jiān)測(cè)和感知研究城市綠地特性，對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題以及城市熱島效應(yīng)具有重要意義。然而對(duì)于城市環(huán)境監(jiān)測(cè)而言，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法利用監(jiān)測(cè)站或者是人工移動(dòng)設(shè)備，不能滿足于靈活且高效的綠地監(jiān)測(cè)，針對(duì)上述缺陷［1-5］。基于上述情況現(xiàn)提出一種基于WSN的城市綠地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)滿足存儲(chǔ)查閱等功能，方便用戶后續(xù)工作。

大學(xué)校園是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的社區(qū)，新建設(shè)的大學(xué)校區(qū)一般都有66.67 ha（1 000畝）以上，具有城市森林所包含的各種載體和功能。為了便于研究，試驗(yàn)地選擇在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)，其占地166.67 ha（2 500畝），學(xué)校重視生態(tài)文化建設(shè)，“兩園（校園、植物園）合一”，被教育部、國(guó)家林業(yè)和草原局等單位授予“國(guó)家生態(tài)文明教育基地”。將該系統(tǒng)應(yīng)用于校園綠地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，主要包括：環(huán)境溫濕度、CO2的濃度、空氣PM2.5、PM10的濃度、環(huán)境噪音、太陽(yáng)輻射等氣象因子。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與校園環(huán)境監(jiān)測(cè)相結(jié)合，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器、傳感器，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形成信息監(jiān)控管理平臺(tái)，該監(jiān)測(cè)子站具備了大氣PM2.5、PM10監(jiān)測(cè)、環(huán)境溫濕度及光照監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)等多種功能，通過(guò)各硬件傳感器連接控制板進(jìn)行采集傳輸至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)平臺(tái)作為一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)，具有對(duì)各個(gè)子站的監(jiān)控功能以及對(duì)數(shù)據(jù)的記錄、查詢、輸出等多種功能，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)24 h候全天候?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)，采用MODBUS協(xié)議的RTU方式，通過(guò)4G網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可看出，系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)流程主要分為3個(gè)部分：

（1）數(shù)據(jù)采集部分。系統(tǒng)通過(guò)與相應(yīng)的傳感器（光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、環(huán)境PM2.5、PM10、環(huán)境噪音、空氣CO2）等器件連接對(duì)校園環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集節(jié)點(diǎn)將解析處理上傳數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類儲(chǔ)存。

（2）數(shù)據(jù)傳輸處理部分。接收傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，分類保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，后端服務(wù)器接收指令請(qǐng)求并將執(zhí)行結(jié)果返回用戶。

（3）面向用戶的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分。用戶通過(guò)手機(jī)或PC機(jī)快捷、直觀操作使用本系統(tǒng)，靈活利用定位功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行室外環(huán)境數(shù)據(jù)采集和傳輸，中心節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主要包括傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊和電源模塊，其中傳感器模塊負(fù)責(zé)室外環(huán)境數(shù)據(jù)采集，包括空氣溫濕度、CO2濃度、PM2.5、PM10濃度、噪聲和光照強(qiáng)度，處理器模塊采用DSP，負(fù)責(zé)AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀取等，通信模塊，電源模塊負(fù)責(zé)提供以上工作的能量，保證設(shè)備正常運(yùn)作。該系統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)能力和監(jiān)測(cè)范圍如表1所示。

表1 環(huán)境氣體在線監(jiān)測(cè)能力和監(jiān)測(cè)范圍

2.1 傳感器選型

（1）光照傳感器。該系統(tǒng)采用的BH1750FVI是日本RHOM株式會(huì)社推出的I2C總線接口的數(shù)字式光照強(qiáng)度傳感器，作為一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，支持大范圍光照強(qiáng)度變化，具有高精度、高靈敏、高一致性等特點(diǎn)，利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化［6-7］。

（2）溫濕度傳感器。核心器件采用Sensirion公司生產(chǎn)的SHT21芯片，具有完全標(biāo)定、數(shù)字輸出、I2C接口、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，每測(cè)量一次溫濕度就要經(jīng)過(guò)：?jiǎn)?dòng)傳感器、啟動(dòng)/停止時(shí)序、發(fā)送設(shè)備地址和測(cè)量命令等步驟，其測(cè)量溫度范圍在-40～120°C，精度在±0.5°C，測(cè)量空氣相對(duì)濕度范圍在0-100%RH，精度在±4.5%［7］。濕度（SRH）和溫度（ST）數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以下公式的換算：

即可得到相應(yīng)的相對(duì)濕度RH（%RH）和溫度T（℃），式（1）為濕度轉(zhuǎn)換函數(shù)、式（2）為溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，其中所得溫度ST、濕度SRH、實(shí)際溫度T、濕度RH［7］。

（3）CO2傳感器。CO2采用的是CRIR M1商用二氧化碳（CO2）傳感器，其中，一端是紅外光源，另一端是裝有濾光片的探測(cè)器。光源發(fā)出的輻射波長(zhǎng)包括CO2的吸收帶，濾光片阻斷對(duì)CO2的存在不敏感的波長(zhǎng)，提高選擇性和靈敏度，當(dāng)光通過(guò)傳感腔時(shí)，如果存在CO2，則會(huì)吸收一部分光。然后，可以將源發(fā)出的光和檢測(cè)器接收到的光之間的差異轉(zhuǎn)換為CO2濃度讀數(shù)。自動(dòng)基線校正（ABC）功能可以在預(yù)先設(shè)置的時(shí)間間隔內(nèi)自動(dòng)校準(zhǔn)傳感器的最小讀數(shù)至400×10-6CO2，這提高了長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且無(wú)須進(jìn)行校準(zhǔn)，它具有單通道、非色散紅外技術(shù)、自動(dòng)基線校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、UART數(shù)字界面等特性。

（4）聲音傳感器。聲音傳感器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，一般應(yīng)用包括電容式聲音傳感器和駐極體聲音傳感器，具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大以及高穩(wěn)定性，該系統(tǒng)噪音監(jiān)測(cè)采用的是駐極體聲音傳感器，另外具備的優(yōu)點(diǎn)是采用駐極體材料，能有效避免極化電壓［9］。由于傳感器得到的電信號(hào)很微弱，在數(shù)據(jù)傳輸和處理的時(shí)候必須進(jìn)行放大處理，但會(huì)造成噪聲拾取，因此，為了濾除有效音頻信號(hào)以外的噪聲信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理送至微處理器進(jìn)行經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接受，并傳送給計(jì)算機(jī)［10］。

（5）PM2.5、PM10傳感器。PM2.5、PM10監(jiān)測(cè)采用激光傳感器SDS011，激光經(jīng)過(guò)散射后，能夠檢測(cè)到＜±10μg/m3+10%讀數(shù)，分辨精度在1μg/m3的懸浮顆粒物濃度，串口通信協(xié)議速率在9 600、1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，對(duì)所設(shè)置的光學(xué)傳感器上面輸出的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字處理，然后測(cè)量其參數(shù)設(shè)定，結(jié)果顯示、按鍵、時(shí)間、日期等都由內(nèi)置微機(jī)控制、實(shí)現(xiàn)［11］。

2.2 通信協(xié)議部分

針對(duì)該系統(tǒng)采用工作于12 V電壓并利用RS-485通信的傳感器，主從式半雙工通信，主機(jī)呼叫從機(jī)地址，從機(jī)應(yīng)答方式通信，數(shù)據(jù)幀格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位，工作波特率為9 600 Kb/s，消息幀包含：STA（幀起始符）、AD（地址域）、C（控制域）、LEN（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域）、DATA（數(shù)據(jù)域）、CRC（校驗(yàn)碼）、END（幀結(jié)束符）［7］。在通信過(guò)程中，須通過(guò)MAX3485芯片收發(fā)控制腳的電平，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)接口傳感器的型號(hào)收發(fā)，通信雙方都按照本數(shù)據(jù)幀的格式規(guī)范進(jìn)行傳送和解析。

傳感器軟件節(jié)點(diǎn)包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)通信和數(shù)據(jù)庫(kù)，采集節(jié)點(diǎn)將各路傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換［12］，發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)協(xié)議模塊采用的是MODBUS協(xié)議中的RTU方式，在RTU方式下，使用RTU該模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，當(dāng)?shù)刂酚蚪邮盏剑總€(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的，在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束，一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，如果在消息幀完成之前有超過(guò)3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域［13］。

在RS-485通信網(wǎng)絡(luò)中，通常會(huì)使用485收發(fā)器來(lái)轉(zhuǎn)換TTL電平和RS-485電平。節(jié)點(diǎn)中的串口控制器使用RX與TX信號(hào)線連接到485收發(fā)器上，而收發(fā)器通過(guò)差分線連接到網(wǎng)絡(luò)總線，串口控制器與收發(fā)器之間一般使用TTL信號(hào)傳輸，收發(fā)器與總線則使用差分信號(hào)來(lái)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串口控制器的TX信號(hào)經(jīng)過(guò)收發(fā)器轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)傳輸?shù)娇偩€上，而接收數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)器把總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)化成TTL信號(hào)通過(guò)RX引腳傳輸?shù)酱诳刂破髦小ＭǔＴ谶@些節(jié)點(diǎn)中只能有一個(gè)主機(jī)，剩下的全為從機(jī)。在總線的起止端分別加了一個(gè)120Ω的匹配電阻。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于ASP.NET和PHP.平臺(tái)開(kāi)發(fā)的Web應(yīng)用，用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)時(shí)及時(shí)獲取環(huán)境生態(tài)氣象數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)分為3層邏輯結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、頁(yè)面顯示層［13］。服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)識(shí)別，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)表中，基于SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)生態(tài)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)庫(kù)（侯瑞），實(shí)現(xiàn)空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2等信息的Web服務(wù)器存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層完成最基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查找，頁(yè)面顯示層則是授權(quán)用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)當(dāng)前或歷史信息并提供數(shù)據(jù)下載［14］。監(jiān)測(cè)軟件具有以下功能：①實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)刻的各個(gè)環(huán)境觀測(cè)站數(shù)據(jù)；②歷史紀(jì)錄，可以按照任意時(shí)間查詢歷史記錄以及保存生成EXCEL或PDF作為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；③報(bào)警記錄，當(dāng)某監(jiān)測(cè)數(shù)值超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，發(fā)出警告信息并保存記錄；④歷史曲線，通過(guò)設(shè)定任意長(zhǎng)度時(shí)間范圍，選擇某一指標(biāo)值大致區(qū)間范圍，將繪制以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)的歷史曲線［15］。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

自2019年8月至今在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)進(jìn)行全面環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣地布設(shè)，監(jiān)測(cè)部署圖如圖2所示，標(biāo)定點(diǎn)即代表架設(shè)儀器地方，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布設(shè)10個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，覆蓋整個(gè)校區(qū)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集生態(tài)環(huán)境信息，數(shù)據(jù)處理融合到達(dá)基站，再通過(guò)GPRS傳送到上位機(jī)軟件。圖3所示是設(shè)備部署架設(shè)圖，其設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，生態(tài)環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)主界面，用戶可通過(guò)已接入互聯(lián)網(wǎng)手機(jī)或PC機(jī)等遠(yuǎn)程登錄賬號(hào)密碼查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，圖5為某一傳感器采集的一天內(nèi)的數(shù)據(jù)變化曲線圖，其中圖5（a）～圖5（g）分別表示CO2、PM2.5、溫度、濕度、光照、噪聲、PM10。

圖2 校園環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署圖

圖3 設(shè)備架設(shè)部署

圖4 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 傳感器歷史曲線記錄

5 結(jié) 語(yǔ)

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)儀通過(guò)前端的各氣體傳感器氣體采集氣體，將采集的信號(hào)按序通過(guò)接口協(xié)議進(jìn)入無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備DVR的獨(dú)立（DTU）傳輸通道，經(jīng)處理后輸入到單元內(nèi)數(shù)據(jù)采集器；采集器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端，通過(guò)中端TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳入到大氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)；系統(tǒng)按照《國(guó)家空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)子站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)送傳輸協(xié)議》規(guī)定的內(nèi)容接收和存儲(chǔ)子站上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、處理、審核及上傳等處理工作，及時(shí)在終端平臺(tái)上進(jìn)行圖形展示和數(shù)據(jù)分析。針對(duì)CO2、PM2.5、PM10、溫濕度等環(huán)境參數(shù)的野外試驗(yàn)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)組網(wǎng)系統(tǒng)，解決了多點(diǎn)、同步、長(zhǎng)期、高效的車輛問(wèn)題，具備監(jiān)測(cè)、傳輸、查詢、存儲(chǔ)等多功能，在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)試驗(yàn)站進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)建設(shè)，并取得良好的效果。