劉皎 曹榮榮

摘? ?要：文章設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)實時采集大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，并利用4G無線通信技術(shù)對采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境溫濕度、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PM2.5質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行實時顯示及存儲功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);環(huán)境監(jiān)測;Zig Bee

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在多個領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，如智能環(huán)境監(jiān)測、智慧交通、智能家居、智慧消防以及智能醫(yī)療監(jiān)測等方面[1-3]。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，對環(huán)境監(jiān)測工作的要求也越來越高。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到環(huán)境監(jiān)測中來，不僅能夠解決以往實時性差等問題[4-6]，更能夠提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性及準(zhǔn)確性[7-8]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)對環(huán)境中的有害氣體進(jìn)行精確檢測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、存儲及分析。通過對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析，可以制定出適合本地的環(huán)境保護(hù)措施及方案，以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的。

1? ? 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通常采用分層架構(gòu)實現(xiàn)（見圖1）。自下而上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。感知層主要是利用各種類型的傳感器實現(xiàn)物體特征的信息收集，網(wǎng)絡(luò)層則基于各種通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，應(yīng)用層是指系統(tǒng)的實際應(yīng)用，是對獲取的各種信息進(jìn)行智能化處理后與各種實際應(yīng)用相結(jié)合后的結(jié)果。

2? ? 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括了應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及感知層。

2.1? 應(yīng)用層

應(yīng)用層是環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最終用戶，包括環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用門戶及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。門戶主要為環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的各種用戶提供入口及交互界面。應(yīng)用系統(tǒng)包括了環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、污染源監(jiān)控、環(huán)境風(fēng)險應(yīng)急處理及其綜合管理和服務(wù)等。應(yīng)用層以IT基礎(chǔ)設(shè)施、軟件服務(wù)為依托，支撐環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，將從感知層采集到的各項數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分析、顯示以及存儲，使用戶對監(jiān)測現(xiàn)場的大氣環(huán)境情況的了解更為直觀、更為清楚。

2.2? 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要由環(huán)保部門的政務(wù)專網(wǎng)、電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等組成，支持各環(huán)保部門之間的環(huán)境信息數(shù)據(jù)傳遞。網(wǎng)絡(luò)層主要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，包括了近距離傳輸和遠(yuǎn)距離傳輸兩部分。近距離傳輸主要采用ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等技術(shù)[10-11]，而ZigBee技術(shù)具有低復(fù)雜性、低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)多等優(yōu)點，因此，在近距離傳輸時采用ZigBee方案。在遠(yuǎn)距離傳輸時，由于4G網(wǎng)絡(luò)具有容量大速率高的特點[12-13]，所以采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

2.3? 感知層

感知層主要利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，其中包括CO、SO2、NOx粉塵顆粒濃度等參數(shù)的監(jiān)測。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)由位于監(jiān)測區(qū)域的一組低功耗、低成本、具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)收發(fā)的傳感器節(jié)點組成。

3? ? 系統(tǒng)設(shè)計

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點包括了終端節(jié)點及路由節(jié)點，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及傳輸功能。兩種節(jié)點之間的差異在于，終端節(jié)點在完成數(shù)據(jù)采集之后將自身數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而路由節(jié)點在發(fā)送自身采集數(shù)據(jù)的同時還需要轉(zhuǎn)發(fā)其子節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的多跳傳輸。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、主控制器模塊、無線通信模塊、電源模塊組成。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)并匯總各個傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，控制4G模塊與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信并上傳數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點由電源模塊、ZigBee無線通信模塊、主控制器模塊以及4G模塊組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器為無線通信模塊，利用CC2530芯片實現(xiàn)。主控制器模塊是網(wǎng)關(guān)節(jié)點的核心，選用LPC2138芯片實現(xiàn)，處理能力強，運算速度快。主控制器模塊的主要功能是實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點上的ZigBee無線通信模塊進(jìn)行通信、收發(fā)數(shù)據(jù)，并能夠控制4G通信模塊與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信、上傳數(shù)據(jù)。

終端的監(jiān)測軟件是由VC編程完成，包括監(jiān)測系統(tǒng)的登錄界面、數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示以及數(shù)據(jù)存儲3個部分。在該監(jiān)測軟件上能夠完成服務(wù)器與客戶機的數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)顯示，并將所獲數(shù)據(jù)存儲在后臺數(shù)據(jù)表格之中，以便用戶對數(shù)據(jù)的查看及分析。

4? ? 系統(tǒng)測試

在監(jiān)測中心點擊進(jìn)入監(jiān)測主界面之后，首先，啟動服務(wù)器與客戶機通信，當(dāng)這兩者通信完成后，服務(wù)器便可接收客戶機發(fā)送的數(shù)據(jù)。其次，利用控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲。在系統(tǒng)測試過程中，將各類傳感器安置在不同監(jiān)測點以采集相關(guān)數(shù)據(jù)。測試時，共設(shè)有兩個監(jiān)測區(qū)域，每個監(jiān)測區(qū)域包含3個傳感器節(jié)點，每30 s完成一次數(shù)據(jù)采集，并通過 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)及無線通信模塊實時地將采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測中心服務(wù)器上并顯示，數(shù)據(jù)顯示界面如圖3所示。

5? ? 結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低成本、可靠性強、時延短、智能化、可擴展性強等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的不足之處。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中，使環(huán)境監(jiān)測的實時性及準(zhǔn)確性得到極大的提高，同時，為整個社會的綠色發(fā)展起到了極大的推動作用。

項目基金：2018年第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目;項目編號：201801082072。商洛學(xué)院科研基金項目;項目編號：16SKY006。商洛學(xué)院2018年根植地方行動計劃立項資助項目;項目編號：gz201834。

作者簡介：劉皎（1986— ），女，陜西商洛人，講師，碩士;研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

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Abstract：An environment monitoring system based on Internet of Things is designed. The system mainly uses ZigBee sensor network and wireless communication technology to collect and transmit the atmospheric environment data monitored by each sensor node within the monitoring range. The monitoring system can realize real-time display and storage functions of parameters such as ambient temperature and humidity， CO mass fraction， NOx mass fraction， and PM2.5 mass fraction.

Key words：Internet of Things; environmental monitoring; ZigBee