江禹生，樊 宇

（重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

近年來，我國積極發(fā)展城市森林，重慶等一些城市還提出建設(shè)“森林城市”的目標(biāo)。城市綠化已成為城市環(huán)境建設(shè)的重要方面，尤其是對城市森林的環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測是科學(xué)評價城市生態(tài)服務(wù)功能、科學(xué)分析城市森林結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。然而，由于城市森林的異質(zhì)性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、分布破碎性、交互頻率性和空間異質(zhì)性使得生態(tài)環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測變得十分困難。傳統(tǒng)的監(jiān)測通常采用氣象站法、定點觀測法、運動樣帶法、遙感測定及模擬預(yù)測法［1］等5種方法，只能表明是某一個時段上的觀測，不能反映溫度的不同和不斷變化，因此，需要發(fā)展新的技術(shù)來準(zhǔn)確地監(jiān)測這些效應(yīng)。而且，現(xiàn)有的研究主要集中在對單一環(huán)境效應(yīng)的評估上，包括熱島效應(yīng)、土壤環(huán)境和雨水資源等，缺乏能夠全面地反映影響城市森林環(huán)境效應(yīng)因子的統(tǒng)一的監(jiān)測手段。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）具有節(jié)點數(shù)量多、全天候?qū)崟r監(jiān)測以及多環(huán)境因子的同步感知［2］等特點。從無線監(jiān)測方法來看，可以做到大范圍布設(shè)測量，異步與同步融合，連續(xù)觀測，少人工或者無人工，從定點監(jiān)測和模型估計做出連續(xù)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。雖然目前通過布置WSNs來實現(xiàn)對目標(biāo)進行前端監(jiān)測的研究已趨于成熟［3］，但是缺乏對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時界面顯示和遠程觀測的后端處理［4］，而該目標(biāo)正是城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測所需要達到的。因此，針對城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控現(xiàn)狀，本文采用WSNs，GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建混合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種新的適應(yīng)城市森林環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對城市森林環(huán)境效應(yīng)的連續(xù)觀測和同步感知。

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

本文設(shè)計了一種新的適應(yīng)于城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從全網(wǎng)范圍上看，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)被抽象為一個包含3種基本網(wǎng)絡(luò):WSNs，GPRS和Internet的混合網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1 混合組網(wǎng)模型Fig 1 Model of hybrid networking

從圖1可以看出:系統(tǒng)組網(wǎng)主要由三大基本部分組成，它們之間相互交流相互通信，完成信息采集與傳輸。

第一部分為WSNs網(wǎng)關(guān)節(jié)點部分，主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。在城市森林的監(jiān)測區(qū)域部署大量節(jié)點，構(gòu)成小型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)環(huán)境效應(yīng)因子的實時監(jiān)測與采集。

第二部分為基站部分，完成 Zig Bee，GPRS，Internet不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間的通信轉(zhuǎn)換功能。

第三部分為管理平臺，通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問第二部分的基站，對第一部分的WSNs進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 混合網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常用的短距離無線通信技術(shù)有多種，用于2．4GHz頻段的主要有UWB，Zig Bee、藍牙和Wi-Fi等。通過對基于城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測的混合網(wǎng)絡(luò)模型定義，對各個協(xié)議性能的比較分析表明Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積小，組網(wǎng)靈活，部署方便，功耗極低，因此，本文選擇Zig Bee協(xié)議來實現(xiàn)WSNs網(wǎng)關(guān)節(jié)點組網(wǎng)。同時選擇GPRS協(xié)議和TCP/IP協(xié)議解決WSNs網(wǎng)關(guān)節(jié)點與管理平臺間的長距離通信問題，通過協(xié)同多種通信協(xié)議完成城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng)，構(gòu)成分布式的WSNs。

對城市森林環(huán)境效應(yīng)實時監(jiān)控需要自動監(jiān)測環(huán)境效應(yīng)因子，如，溫度、濕度、光強度以及土壤溫度、濕度等參數(shù)，并及時在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布［5］?；谏鲜鰬?yīng)用需求，設(shè)計的WSNs系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，將終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點分布在城市森林的不同物理空間，構(gòu)成城市森林的WSNs。其中，終端節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)信息采集;路由器節(jié)點負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);協(xié)調(diào)器負責(zé)在網(wǎng)絡(luò)的中心控制階段發(fā)起新網(wǎng)絡(luò)的建立;網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)配置整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，收集各節(jié)點采集到的信息，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與封裝后，由通信單元將信息傳送至服務(wù)器，并通過Internet發(fā)布。

圖2 WSNs系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 System structure diagram of WSNs

2．2 網(wǎng)絡(luò)拓撲

將城市森林劃分為若干被監(jiān)測區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成一個相對獨立的Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)完成數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)功能。將傳感器節(jié)點部署在這些沒有基礎(chǔ)設(shè)施的物理空間內(nèi)，且傳感器節(jié)點的位置是可移動的;節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系不能預(yù)先得到，而且隨時變化。傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自適應(yīng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中每個節(jié)點與它的鄰居節(jié)點間可以直接通信，這些節(jié)點既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。

Zig Bee支持包含有主從設(shè)備的星型、樹簇型和對等拓撲結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點彼此并不通信，所有信息都要通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā);樹簇型網(wǎng)絡(luò)中包括協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點，路由器節(jié)點完成數(shù)據(jù)的路由功能，終端節(jié)點的信息一般要通過路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)后才能到達協(xié)調(diào)器節(jié)點，同樣協(xié)調(diào)器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理;對等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間彼此互連互通，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)一般以多跳方式進行，每個節(jié)點都有轉(zhuǎn)發(fā)功能，這是一種最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通常情況下星型網(wǎng)和樹簇型網(wǎng)絡(luò)是一點對多點，因系統(tǒng)采用的傳感器數(shù)量眾多，通信距離較近，且網(wǎng)絡(luò)組建采用樹簇型拓撲結(jié)構(gòu)算法相對簡單，又可以在很大程度上滿足城市森林監(jiān)控的需求。另外，節(jié)點內(nèi)部電路簡單，只有很少或沒有消耗能量的內(nèi)存，更利于節(jié)約能耗［6］，因此，采用樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。圖3為分簇后的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，在整個網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點相當(dāng)于監(jiān)控子節(jié)點的簇首，而協(xié)調(diào)器節(jié)點又相當(dāng)于路由節(jié)點的簇首。

2．3 組網(wǎng)方式

圖3 分簇后的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig 3 Topology structure of Zig Bee network after clustering

目前，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點獲取傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)之后，通過有線方式（網(wǎng)線、串口等）與計算機相連，后經(jīng)計算機利用網(wǎng)卡接入外部網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能［7］。這種傳統(tǒng)的通信方式成本高、開銷大。因為城市森林的異質(zhì)性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、分布破碎性、交互頻率性和空間異質(zhì)性使得通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點與計算機以有線的方式直接作為外部網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備具有較大難度。因此，需采用具有多種通信功能的網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)接入來滿足城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

多通信網(wǎng)關(guān)接入部分主要完成Zig Bee，GPRS，Internet等不同通信協(xié)議間的通信轉(zhuǎn)換功能。整個網(wǎng)關(guān)接入部分由每個小區(qū)域網(wǎng)關(guān)節(jié)點和基站組成。小區(qū)域網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要完成Zig Bee通信協(xié)議與GPRS通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換功能;基站則完成GPRS通信協(xié)議與Internet通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換功能。在多通信網(wǎng)關(guān)接入部分中每一個小區(qū)域的網(wǎng)關(guān)節(jié)點為普通節(jié)點，而基站為該部分整體的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。多通信網(wǎng)關(guān)接入部分對應(yīng)圖1的第二部分。

3 硬件設(shè)計

考慮到城市森林中節(jié)點數(shù)目較多，數(shù)據(jù)量相對較大，且需實現(xiàn)遠程監(jiān)控，故選用32位CPU;同時為了減少能耗，需采用功耗低的CPU，綜合考慮功耗、性價比和設(shè)計需求，采用三星ARM9內(nèi)核的低功耗EMPU S3C2410A，Zig Bee網(wǎng)絡(luò)通信的射頻模塊選用低功耗的CC2430，為適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，Internet通信采用BENQ的M23 GPRS模塊。

CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案，能夠提高性能并能滿足低功耗Zig Bee/IEEE 802．15．4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，體積小，需要的外部元件數(shù)量少，性能穩(wěn)定且功耗極低，適合開發(fā)小型2．4 GHz產(chǎn)品，可滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示，微控制器通過SPI總線和一些離散控制信號與射頻收發(fā)器相連;通過發(fā)射、接收端口與M23模塊連接，微控制器充當(dāng)SPI主器件，而Zig Bee無線收發(fā)器CC2430充當(dāng)SPI從器件，控制器實現(xiàn)了IEEE 802．15．4MAC層和Zig Bee協(xié)議層，還包含了特定的應(yīng)用邏輯，Microchip協(xié)議棧提供了完全集成的驅(qū)動程序，免除了主應(yīng)用程序管理的RF收發(fā)器的功能任務(wù)，完成GPRS通信功能的芯片使用BENQ公司的M23，該模塊通過RS—232串口與微控制器的RS—232串口相連，實現(xiàn)微控制器通過GPRS發(fā)送、接收數(shù)據(jù)命令的功能。

監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由傳感器和A/D完成;數(shù)據(jù)處理單元負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù);射頻收發(fā)單元負責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理單元為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

圖4 無線傳感器節(jié)點核心部分電路圖Fig 4 Circuit of core part in wireless sensor node

多通信網(wǎng)關(guān)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖5，包括ARM處理器、Zig Bee通信模塊和GPRS通信模塊、存儲單元、電源模塊等。ARM選用三星ARM9內(nèi)核的低功耗EMPU S3C2410A，該單片機采用MMU，AMBA總線和Harvard高速緩存體系結(jié)構(gòu)，并且提供了一組完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備接口，大大減少了整個系統(tǒng)的成本。Zig Bee通信模塊與傳感器節(jié)點的無線通信模塊一樣選用CC2430。GPRS模塊選用BENQ公司的一種多功能GSM/GPRS無線通信模塊M23，支持GSM900/DCS1800/PCS1900 3個頻段，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，采用3．3～4．5 V電壓供電，具有短消息服務(wù)、語音通話、數(shù)據(jù)傳真等功能，對外可提供天線接口、模擬音頻接口、異步串行接口和SIM卡接口等，工作范圍大，抗干擾能力強，適用于工業(yè)應(yīng)用場合，該模塊為中遠程無線通信提供了解決方案。

4 數(shù)據(jù)傳輸流程

圖5 多通信網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Hardware structure diagram of multi-communication gateway node

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)訪問流程如圖6所示。依據(jù)管理平臺的要求對監(jiān)測參數(shù)設(shè)置閾值，判斷這個節(jié)點采集到的監(jiān)測信息是否超標(biāo)。如果超標(biāo)則指示燈亮、蜂鳴器鳴叫，同時主動向監(jiān)控中心發(fā)送警告信息;如果正常，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲在本地FLASH以供查詢。監(jiān)控主機向需要訪問的節(jié)點主動發(fā)出訪問請求命令，該命令通過Internet傳送到基站，然后通過GPRS發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)對隸屬于它的簇網(wǎng)絡(luò)支路進行通信廣播，喚醒需要查詢簇的簇首節(jié)點;簇首節(jié)點再向本簇普通節(jié)點廣播，激活休眠節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信;普通節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點進行數(shù)據(jù)合成處理后沿原路反饋給監(jiān)控主機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。目前設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部單片機程序是固化的，系統(tǒng)上電后程序開始執(zhí)行直至系統(tǒng)關(guān)閉，程序無法被修改。但是，基于城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過管理平臺以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送控制命令來修改程序，以改變參數(shù)閾值。

圖6 數(shù)據(jù)訪問流程圖Fig 6 Flow chart of data accessing

5 實驗結(jié)果

為了驗證所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，選擇在重慶城區(qū)的一片“綠化森林”中進行實驗測試。通過在監(jiān)控區(qū)域安放10個內(nèi)置溫濕度傳感器的無線傳感器節(jié)點構(gòu)建2個小區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，其中每個網(wǎng)絡(luò)包含2個分簇（3個普通節(jié)點1個簇首節(jié)點）和1個網(wǎng)關(guān)，各監(jiān)測節(jié)點實時采集環(huán)境監(jiān)測因子數(shù)據(jù)并傳輸?shù)焦芾碇行模晒芾碇行拇鎯?、處理以及實時顯示。表1為節(jié)點3采集到土壤溫濕度的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

在網(wǎng)關(guān)接入層的基站處設(shè)計了一個嵌入式Web服務(wù)器，可以組建成一個簡易網(wǎng)絡(luò)實驗平臺。用戶只要通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽和分析，尤其可通過數(shù)據(jù)庫遠程調(diào)用和在線圖表分析功能，各種環(huán)境因子的變化和趨勢一目了然呈現(xiàn)在管理者面前。應(yīng)用者只要通過聯(lián)網(wǎng)計算機即可隨時了解城市森林的環(huán)境監(jiān)測因子的實時變化。

表1 節(jié)點3采集的溫濕度數(shù)據(jù)Tab 1 Temperature and humidity data collected by node 3

在實驗過程中，通過Internet訪問基站W(wǎng)eb服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)維護管理和查看監(jiān)測信息。混合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以有效地監(jiān)測到城市森林環(huán)境的異常狀況，并主動上報給監(jiān)測中心，提供有效的參考數(shù)據(jù)，確保城市森林生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。小區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點絕大數(shù)時間都處于休眠（未進行數(shù)據(jù)傳輸）狀態(tài)，可以大幅降低節(jié)點的能量消耗，有效延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新的適合城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)—包含WSNs，GPRS和Internet的混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，并建立了相應(yīng)的混合網(wǎng)絡(luò)模型。同時，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)訪問流程。實驗表明:該組網(wǎng)策略和數(shù)據(jù)訪問流程能滿足城市森林環(huán)境效應(yīng)監(jiān)控的需求。

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