楊鼎成 劉偉東 肖霖 陳浩樂 李胤鋒

關(guān)鍵詞： 無人機; ZigBee; 物聯(lián)網(wǎng); GPRS; 環(huán)境監(jiān)測; 數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）01?0019?05

Abstract： A regional environment monitoring system based on unmanned aerial vehicle （UVA） is introduced in this paper， which has the characteristics of various functions， easy operation and strong flexibility. This system combining the ZigBee wireless sensor network， GPRS network and UVA flight control can realize the real?time monitoring of the temperature and humidity in the region. The terminal nodes of the temperature and humidity sensor are deployed in the monitoring area. Since the coordinator can only collect the data within the limited region， the UAV carrying coordinator is used to collect the data of the relevant area. The terminal node transmits the collected data to the coordinator in the UVA by means of ZigBee network. The coordinator sends the collected data to the server by means of GPRS network. The server processes the transmitted data， and monitors the regional environment data in real time by means of an easily?operational and multifunctional client.

Keywords： UAV; ZigBee; Internet of Things; GPRS; environment monitoring; database

0 ?引 ?言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)為核心的信息產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一也備受關(guān)注。此外，對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測已經(jīng)成為社會的熱點話題，人們通過對環(huán)境的實時監(jiān)測來了解生態(tài)環(huán)境的發(fā)展規(guī)律，從而保證在保護生態(tài)環(huán)境的條件下經(jīng)濟建設的可持續(xù)發(fā)展。在傳統(tǒng)的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測中，勘察人員攜帶溫度計、濕度儀等設備進行巡檢，對于地勢較為復雜的環(huán)境一般采用徒步的方式進行定期巡查。隨著科學技術(shù)的進步和社會經(jīng)濟的發(fā)展，一方面，區(qū)域環(huán)境監(jiān)測業(yè)務范圍不斷拓寬，區(qū)域觀測項目和內(nèi)容等不斷增加，這對觀測手段和方法以及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)和應用提出了越來越高的要求;另一方面，現(xiàn)代電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)[1]、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進了環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，有利于滿足社會各部門對環(huán)境監(jiān)測工作越來越高的要求。

本文設計一種基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過智能化監(jiān)測工具與信息網(wǎng)絡[2]實現(xiàn)監(jiān)測項目自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)自動采集輸出、信息智能收集與上報，并提供可視化監(jiān)測平臺[3?4]，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果實時統(tǒng)計分析與智能告警。解決了復雜條件下的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測問題，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的技術(shù)積累與優(yōu)勢[5?7]，大大提高了對區(qū)域環(huán)境實時監(jiān)測的穩(wěn)定性及可靠性。

1 ?方案論證與系統(tǒng)設計

1.1 ?方案論證

本文所設計系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)對區(qū)域環(huán)境的在線檢測與長期監(jiān)測，對區(qū)域的溫度、濕度進行實時監(jiān)測，掌握環(huán)境生態(tài)的動態(tài)變化，并在生態(tài)環(huán)境失常時向監(jiān)控中心告警。

由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器大規(guī)模組網(wǎng)將會影響通信距離和環(huán)境適應性，導致維護成本高、功耗大等一系列后果。本文系統(tǒng)采用無人機作為協(xié)調(diào)器的搭載平臺，克服傳感器ZigBee網(wǎng)絡通信距離限制。無人機是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執(zhí)行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器[8]，無人機遙感技術(shù)作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有高時效、高分辨率等性能，是衛(wèi)星遙感與載人機航空遙感的有力補充[9]，與衛(wèi)星遙感和載人機航空遙感相比，更加方便、快捷，響應能力快，其生存力強，對氣候條件要求低，對地形適應性強，因此搭載協(xié)調(diào)器的無人機能快速、便捷、高效地對大范圍區(qū)域內(nèi)的終端節(jié)點進行覆蓋式的數(shù)據(jù)搜集。無人機通常采集自地面或者海平面的數(shù)據(jù)，可以作為有效、靈活的數(shù)據(jù)采集者，并且可以很容易地重復數(shù)據(jù)采集的工作[8，10]。另外，無人機也能很方便地進入地理環(huán)境險惡的地區(qū)進行數(shù)據(jù)采集。

考慮到協(xié)調(diào)器搭載在無人機平臺上，收集完數(shù)據(jù)之后要對其進行直接的數(shù)據(jù)讀取較為繁瑣，且不太實際，要做到數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，需要協(xié)調(diào)器能在短時間內(nèi)將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控端，因此采用GPRS進行協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的即時發(fā)送。我國的GPRS信號覆蓋面最廣，且具有成本極低、連接速度快、傳輸過程耗能少等一系列優(yōu)點[11?12]。在發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)這些對傳輸速率要求不高的場景時，GPRS技術(shù)成為了實現(xiàn)該功能的首選。協(xié)調(diào)器利用GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端服務器，服務器對數(shù)據(jù)進行讀取，整理后發(fā)送至服務器端的監(jiān)控界面，完成實時監(jiān)控功能的實現(xiàn)。

1.2 ?系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，系統(tǒng)主要功能分為環(huán)境監(jiān)測信息采集功能與可視化監(jiān)控功能。

環(huán)境監(jiān)測信息采集功能包括：

1） 對于簡單的環(huán)境指標，如溫度、濕度等，采用多種傳感器采集相應的信息。

2） 環(huán)境監(jiān)測節(jié)點具備自組織自由化無線通信能力，采集到的信息將匯聚到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，各個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡匯集到平臺中心服務器。

3） 無人機飛控環(huán)節(jié)，利用無人機GPS導航，根據(jù)傳感器節(jié)點的地理位置信息，采用優(yōu)化航路，在最短路徑上獲取傳感器節(jié)點信息，節(jié)省能耗。

可視化監(jiān)控功能包括：

1） 信息查詢與輸出：實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動提取和交互查詢，具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計等值線生成等功能。

2） 數(shù)據(jù)分析：利用數(shù)據(jù)挖掘方法，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)分析，分析數(shù)據(jù)變化趨勢等，從中獲得有益的數(shù)據(jù)與結(jié)論。

3） 自動預警功能：根據(jù)相關(guān)環(huán)境參數(shù)設定閾值，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)自動化預警功能，可以為防洪防旱、環(huán)境保護提供更多準備時間。

4） 遠程操作功能：通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程設備重啟、復位等工作，此外，支持遠程服務器在線監(jiān)控功能。

2 ?硬件電路

本文設計硬件電路采用3種類型電路板，分別為溫濕度采集板、節(jié)點模塊板和GPRS模塊板。溫濕度采集板與節(jié)點模塊板之間采用的是3針單排引腳插入連接，節(jié)點模塊版與GPRS模塊板之間采用的是杜邦線連接。

2.1 ?溫濕度采集板

溫濕度采集板包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。溫濕度采集板電路圖如圖2所示。

2.2 ?節(jié)點模塊板

節(jié)點模塊板由底板和頂板兩部分組成。其中，底板主要集成了以下幾個部分。溫濕度傳感器接口部分用于連接溫濕度采集板;USB口部分可以給開發(fā)板供電，且具有USB轉(zhuǎn)串口功能，用于調(diào)試程序;電池接口通過電池盒給模塊板供電;DEBUG調(diào)試口用于在線調(diào)試程序或者下載程序。電路圖如圖3所示。

頂板（射頻板）采用TI公司的CC2530作為處理核心。CC2530使用的是8051CPU一個單周期的兼容內(nèi)核，具有高達256 KB的閃存和20 KB的擦出周期、8 KB RAM，以支持無線更新和大型應用程序并用于更為復雜的應用和ZigBee應用。頂板還集成了時鐘、電源管理相關(guān)模塊和無線信號收發(fā)相關(guān)模塊。

GPRS模塊的核心采用的是SIM800A模塊，能支持的工作頻段為EGSM 900和DCS 1800。支持GPRS multi?slot class 12和GPRS編碼格式CS?1，CS?2，CS?3和CS?4。該模塊主要集成了外置電源接口、3 V單片機接口、SIM卡接口，并采用CH340G的USB轉(zhuǎn)串口芯片，便于通過USB直接調(diào)試。電路圖分別如圖4，圖5所示。

3 ?軟件流程設計

3.1 ?軟件流程設計綜述

本文系統(tǒng)的節(jié)點模塊和客戶端的編寫環(huán)境為Windows，節(jié)點模塊的編程語言是C語言，編寫工具采用IAR Embedded Workbench;客戶端的編程語言是C++語言，編寫工具采用Qt Creator。

節(jié)點模塊軟件主要基于ZigBee 2007的協(xié)議棧Z?Stack?CC2530?2.3.0進行編寫，該協(xié)議分為兩部分：IEEE 802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問層技術(shù)規(guī)范;ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡層、應用程序支持子層、應用層技術(shù)規(guī)范。本文系統(tǒng)主要在應用層對軟件進行設計。

監(jiān)控界面通過TCP接收拓撲信息數(shù)據(jù)并解析，并根據(jù)拓撲信息畫出直觀拓撲圖，該拓撲圖要能根據(jù)收到的拓撲信息動態(tài)刷新改變。當收到節(jié)點異常信息時，能夠報警提示監(jiān)控人員，同時也可查看各節(jié)點歷史信息，用圖表方式顯示，還可實時觀察溫濕度變化曲線。

3.2 ?軟件工作流程圖

3.2.1 ?節(jié)點模塊軟件流程圖

節(jié)點模塊部分主要分為協(xié)調(diào)器部分、終端節(jié)點部分和溫濕度傳感器三個部分。這三部分的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2.2 ?監(jiān)控界面軟件流程圖

1） 總體結(jié)構(gòu)。該軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括節(jié)點拓撲圖的動態(tài)顯示模塊、節(jié)點歷史信息查詢模塊、節(jié)點當前信息曲線圖動態(tài)顯示模塊，如圖7所示。

2） 拓撲圖（Topology）模塊。該模塊包括：接收數(shù)據(jù)，通過TCP連接GPRS發(fā)送過來的ZigBee節(jié)點信息的數(shù)據(jù)幀;解析數(shù)據(jù)，用于拆分接收的數(shù)據(jù)包并根據(jù)接收數(shù)據(jù)父節(jié)點與節(jié)點網(wǎng)絡信息計算網(wǎng)絡階數(shù)及每階節(jié)點數(shù)，方便后面畫圖，動態(tài)顯示節(jié)點拓撲，解析后的數(shù)據(jù)還要存到數(shù)據(jù)庫里，用于后面節(jié)點歷史信息查詢使用;畫圖，根據(jù)解析出來的結(jié)果畫出拓撲圖，用不同顏色表示不同節(jié)點（協(xié)調(diào)器、路由器、終端），根據(jù)解析網(wǎng)絡信息將節(jié)點連接起來。在拓撲圖模塊還實現(xiàn)了接收異常數(shù)據(jù)報警功能，通過解析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)節(jié)點采用節(jié)點顏色周期變化達到閃爍效果來提醒監(jiān)測人員。該模塊流程圖如圖8所示。

3） 信息查詢顯示（display）模塊。該模塊包括時間段選擇部分和信息顯示部分，選擇某個時間段并點擊拓撲圖中的某個節(jié)點，即可顯示出該節(jié)點的歷史信息，該信息通過查詢數(shù)據(jù)庫獲取。該模塊流程圖如圖9所示。

4 ?系統(tǒng)測試

測試實物圖如圖10所示。配備溫濕度傳感器的終端節(jié)點分布在300 m2左右的復雜環(huán)境中，無人機搭載協(xié)調(diào)器模塊按預先規(guī)劃的路線在區(qū)域上空巡航，巡航高度為8 m，飛行速度為20 km/h，服務器端從服務器獲取無人機所收集到的數(shù)據(jù)，在監(jiān)控界面即時顯示出各個終端節(jié)點的工作狀態(tài)及其所收集的數(shù)據(jù)。在無人機飛過相應節(jié)點時，監(jiān)控界面能在允許延遲范圍內(nèi)顯示數(shù)據(jù)，即表示試驗成功，界面如圖11所示。

在測試監(jiān)控報警功能時，令終端環(huán)境符合報警條件，此時監(jiān)控界面發(fā)出警報，表示結(jié)果有效，報警功能正常，此時報警界面如圖12所示，監(jiān)測界面的異常節(jié)點變紅，發(fā)出警報。

5 ?結(jié) ?語

區(qū)域環(huán)境監(jiān)測是具有迫切現(xiàn)實意義的常用技術(shù)，現(xiàn)存檢測方法多種多樣。隨著技術(shù)的發(fā)展，檢測設備逐漸朝著小型化、多功能化發(fā)展。本文設計的區(qū)域環(huán)境檢測系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)，綜合GPRS云端數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃悸泛蜔o人機搭載協(xié)調(diào)器模塊進行數(shù)據(jù)收集的實施方法，監(jiān)測過程中，利用終端節(jié)點的傳感器模塊對周邊環(huán)境溫濕度進行采集，然后對所得數(shù)據(jù)進行處理發(fā)送至無人機搭載的協(xié)調(diào)器模塊，無人機得到數(shù)據(jù)后，使用GPRS模塊將信息發(fā)送至云端服務器，監(jiān)控終端對數(shù)據(jù)進行整理，并將結(jié)果顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面上。該系統(tǒng)具有功能多樣、操作簡單、拓展性強等特點，可實現(xiàn)環(huán)境溫濕度檢測、數(shù)據(jù)存儲、突變檢測、遠程告警、終端輸出等功能，滿足實際使用需求。

注：本文通訊作者為楊鼎成。

參考文獻

[1] 昂志敏，金海紅，范之國，等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與通信實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（10）：47?49.

ANG Zhimin， JIN Haihong， FAN Zhiguo， et al. WSN node design and communication realization based on ZigBee protocol [J]. Modern electronics technique， 2007， 30（10）： 47?49.

[2] 董海濤，屈玉貴，趙保華.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡平臺的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與應用，2007，33（12）：124?126.

DONG Haitao， QU Yugui， ZHAO Baohua. Design and implementation of ZigBee wireless sensor network platform [J]. Computer technology and its applications， 2007， 33（12）： 124?126.

[3] 李興偉，周宇飛，李小川，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能林火監(jiān)測技術(shù)研究[J].廣東林業(yè)科技，2015（2）：73?77.

LI Xingwei， ZHOU Yufei， LI Xiaochuan， et al. Study on intelligent forest fire monitoring techniques based on the internet of things [J]. Guangdong forestry science and technology， 2015（2）： 73?77.

[4] 邵日攀.物聯(lián)網(wǎng)應用[J].經(jīng)濟視野，2013（7）：274.

SHAO Ripan. The application of Internet of Things [J]. Economic perspective， 2013（7）： 274.

[5] 蒙海濤，張驥，易曉娟，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應用[J].環(huán)境科學與管理，2013，38（1）：10?12.

MENG Haitao， ZHANG Ji， YI Xiaojuan， et al. Application of IoT technology in environmental monitoring [J]. Environmental science and management， 2013， 38（1）： 10?12.

[6] 王希杰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應用研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（7）：149?152.

WANG Xijie. Application research of ecological environment monitoring based on internet of things technology [J]. Sensors and microsystems， 2011， 30（7）： 149?152.

[7] KOULALI S， SABIR E， TALEB T， et al. A green strategic activity scheduling for UAV networks： a sub?modular game perspective [J]. IEEE communications magazine， 2016， 54（5）： 58?64.

[8] HO D T， GROTLI E I， SUJIT P B， et al. Performance evaluation of cooperative relay and particle swarm optimization path planning for UAV and wireless sensor network [C]// 2013 IEEE Globecom Workshops. Atlanta， GA： IEEE， 2013： 1403?1408.

[9] CHANDRASEKHARAN S， GOMEZ K， AL?HOURANI A， et al. Designing and implementing future aerial communication networks [J]. IEEE communications magazine， 2016， 54（5）： 26?34.

[10] XIAO Z， XIA P， XIA X G. Enabling UAV cellular with millimeter?wave communication： potentials and approaches [J]. IEEE communications magazine， 2016， 54（5）： 66?73.

[11] 陳琦，韓冰，秦偉俊，等.基于ZigBee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機研究與發(fā)展，2011，48（z2）：367?372.

CHEN Qi， HAN Bing， QIN Weijun， et al. Design and implementation of the Internet of Things gateway based on ZigBee/GPRS [J]. Journal of computer research and development， 2011， 48（S2）： 367?372.

[12] 唐艷榮.基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)汽車控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學，2012.

TANG Yanrong. Research on key technology of Internet of Things vehicle control based on GPRS [D]. Hefei： Anhui Agricultural University， 2012.