米西峰，郭天一，靳繼紅

（焦作師范高等?？茖W(xué)校，河南 焦作 454000）

0 引言

公園是城市的一張綠色名片，其生態(tài)建設(shè)水平和質(zhì)量不僅體現(xiàn)了城市的環(huán)境綠化水平，同時也對城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)、社會經(jīng)濟發(fā)展、城市居民生活品質(zhì)的提高起著極其重要的作用。

目前的城市公園生態(tài)建設(shè)往往依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗，種植一些綠色長青樹木，在池塘湖泊里養(yǎng)一些魚類，公園的空氣質(zhì)量主要依靠自身的樹木花草來調(diào)節(jié)，這些遠遠沒有挖掘出公園的巨大潛力，也無法很好地實施公園的生態(tài)建設(shè)。另外，公眾在享受公園優(yōu)美環(huán)境的同時，一些游客也給公園的環(huán)境管理帶來了一些負面影響：損壞花草樹木、污染湖泊池塘、隨意丟棄垃圾等，這些行為不僅破壞了公園的生態(tài)環(huán)境，也給管理人員增加了清理的負擔。如何實現(xiàn)公園生態(tài)環(huán)境的智能化管理成為擺在管理人員面前的一道難題。

本文基于目前城市公園生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，利用物聯(lián)網(wǎng)、Zigbee（紫蜂）等技術(shù)開發(fā)一個環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時采集公園監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息，利用數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)對環(huán)境參數(shù)進行分析處理，且當環(huán)境參數(shù)異常時可以進行預(yù)警處理，不僅可以為城市公園后續(xù)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)信息，而且可以使公園的自動化管理水平得到進一步提高，體現(xiàn)了城市公園建設(shè)的智能化、綠色化，同時也節(jié)省了人力資源，為有關(guān)部門進一步加強生態(tài)建設(shè)的舉措提供了建議及相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

1 物聯(lián)網(wǎng)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的研究現(xiàn)狀

環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護的前提，因此，國內(nèi)許多專家對物聯(lián)網(wǎng)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面做了一些研究，并取得了一些階段性進展。魏東在文獻［1］中，提出為了了解生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，評估其對生態(tài)系統(tǒng)與人民健康水平的影響，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤電基地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，改善了現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)自動化水平較低、成本較高、時空覆蓋面較低等問題。劉維棟在文獻［2］中，提出為了給青海省生態(tài)系統(tǒng)的各項服務(wù)提供科學(xué)量化指標，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成天空地人一體化林業(yè)生態(tài)監(jiān)測體系，為青海省生態(tài)立省戰(zhàn)略的實施提供了科學(xué)依據(jù)。

在河南省內(nèi)，對物聯(lián)網(wǎng)在生態(tài)領(lǐng)域的監(jiān)測研究較少且大多是針對某些特定應(yīng)用而設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)，對公園這種比較復(fù)雜的環(huán)境區(qū)域的監(jiān)測系統(tǒng)的有效研究則極為稀少。陳冬勤在文獻［3］中，提出利用物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，將航空遙感監(jiān)測技術(shù)與地面監(jiān)測手段相結(jié)合，設(shè)計了天地一體化的環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)，達到對高速公路建設(shè)期環(huán)境保護實時動態(tài)監(jiān)管的目的。楊曉在文獻［4］中，提出利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以省內(nèi)某合作社為對象，設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的果品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測和果品質(zhì)量溯源系統(tǒng)。張帥亮在文獻［5］中，提出采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計用于作物生長環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)，可實現(xiàn)作物生長環(huán)境信息的采集并實時顯示。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在煤電、林業(yè)、高速公路建設(shè)、果品、作物生長等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)測中。而對于復(fù)雜的城市公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測參數(shù)極少，而且多采用傳統(tǒng)的分區(qū)域、分時段、選取樣品的傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式，費時費力，監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)不全面。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市公園生態(tài)建設(shè)的應(yīng)用還有很大的研究空間。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)就是把所有物體通過射頻識別等信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理[6]。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)、智能交通、智慧醫(yī)療、智慧環(huán)境等領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣、應(yīng)用廣泛，根據(jù)信息采集、傳輸和處理的原則，物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層是物聯(lián)網(wǎng)中最基礎(chǔ)的一層，負責識別物體和采集數(shù)據(jù)，獲取環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜態(tài)或動態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)層負責把感知層采集的信息可靠傳輸?shù)綉?yīng)用層，是感知層和應(yīng)用層之間進行信息通信的保障。應(yīng)用層通過處理感知信息，為用戶提供多種應(yīng)用服務(wù)。因此，應(yīng)用層包括應(yīng)用支撐子層和應(yīng)用子層。應(yīng)用支撐子層負責提供數(shù)據(jù)處理、共享以及互通等通用基礎(chǔ)服務(wù)；應(yīng)用子層在應(yīng)用支撐子層的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在不同領(lǐng)域的各種具體應(yīng)用。

綜上所述，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在公園生態(tài)建設(shè)方面，設(shè)計環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，也需要從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層面進行設(shè)計。

首先設(shè)計感知層。在城市公園中布置一系列傳感器，利用這些傳感器采集公園的環(huán)境參數(shù)：溫度、濕度、光照度、噪聲、水位、水溫等，并將采集的信息進行匯總；同時，在監(jiān)測區(qū)域中部署相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備（如：加熱器等）。

其次設(shè)計網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要利用無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行牡纳衔粰C上和云平臺上。

再次設(shè)計應(yīng)用層。在控制中心的計算機上對接收到的環(huán)境參數(shù)進行存儲、顯示，而且還可以將采集數(shù)據(jù)傳輸至云平臺以實現(xiàn)信息的共享和互通。這些數(shù)據(jù)信息一方面可以為后續(xù)城市公園的環(huán)境保護、物種選擇和植被覆蓋等生態(tài)建設(shè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，另一方面當某項環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時（比如池塘的水溫過高），控制中心可以及時將該情況告知管理人員，并且能夠自動或者手動開啟相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備去解決問題。

根據(jù)以上的分析及設(shè)計思路，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，感知層根據(jù)公園面積可以部署多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）監(jiān)測區(qū)域，在每個監(jiān)測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點負責采集環(huán)境參數(shù)，并通過路由節(jié)點傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點進行信息匯總，各個節(jié)點之間遵循Zigbee協(xié)議自組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?？紤]到公園面積一般比較大，Zigbee的拓撲結(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)層利用現(xiàn)有的無線傳輸技術(shù)（如Wi-Fi）等將感知信息可靠傳輸至主控中心的上位機和云平臺上。

在應(yīng)用層，上位機上可設(shè)計一款控制軟件用于實現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)的處理及顯示，并存儲于信息存儲數(shù)據(jù)庫中；云平臺上的數(shù)據(jù)信息可以在需要時利用手機App等設(shè)備進行查詢或下載。同時，利用專家系統(tǒng)指導(dǎo)城市公園后續(xù)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。上位機和云平臺還可以根據(jù)當前采集數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的閾值之間的差異，控制感知層的執(zhí)行設(shè)備進行相應(yīng)操作，達到調(diào)整環(huán)境狀態(tài)的目的。

3 系統(tǒng)模擬及分析

在筆者學(xué)校的實驗室對基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)監(jiān)測預(yù)警方法進行了模擬。

首先利用傳感器、路由器等設(shè)備搭建硬件平臺，然后，在計算機上通過Visual Studio 2017軟件，使用C#語言編寫了主控軟件。軟件功能包括：管理員登錄、實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、歷史記錄查詢?nèi)椆δ?。其中，管理員登錄界面如圖2所示。

圖2 管理員登錄界面

在圖2的管理員登錄界面輸入正確的用戶名和密碼，點擊“登錄”按鈕，即可跳轉(zhuǎn)到“生態(tài)環(huán)境監(jiān)測”界面，如3所示?！吧鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測”界面包括實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測和歷史記錄查詢功能。

圖3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測界面

點擊“實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測”按鈕，可以實時采集實驗室的環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，用于查詢以及作為公園環(huán)境建設(shè)的數(shù)據(jù)來源。某個時刻采集到的實驗室的環(huán)境參數(shù)如圖4所示：

圖4 某時刻采集的環(huán)境參數(shù)

如圖4中所示，系統(tǒng)自動地采集一系列環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C的主控軟件上，進行顯示和存儲。在該界面上，還可以設(shè)置溫度的界限值（比如，圖4中設(shè)置為26℃），而監(jiān)測到的當前環(huán)境溫度為27.8℃，已經(jīng)超過了溫度的閾值，此時，系統(tǒng)會顯示警示語“溫度高，請采取降溫措施！”。

點擊“歷史記錄查詢”按鈕，可以查詢數(shù)據(jù)庫中存儲的環(huán)境參數(shù)信息。某個時刻查詢的數(shù)據(jù)信息如圖5所示：

圖5 某時刻查詢歷史記錄

經(jīng)過上述實驗，可以驗證該環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的可用性。另外，該系統(tǒng)具有良好的可擴展性和可移植性，可以根據(jù)實際場景需要增刪所需監(jiān)測參數(shù)，以及增刪監(jiān)測參數(shù)的閾值信息設(shè)置功能等。

4 結(jié)語

工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，使生態(tài)環(huán)境遭到了前所未有的破壞。為了踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念，建設(shè)生態(tài)城市已刻不容緩，而公園作為城市的名片，其生態(tài)建設(shè)必然是重中之重。在此背景下，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的城市公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警方法。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面，實現(xiàn)了對溫度、濕度、光照度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸、存儲與顯示等功能，改善了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方法無法全方位不間斷采集的弊端。本文設(shè)計的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)部署容易，成本不高，并且不需要太多的人力，適合城市公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域；另外，該系統(tǒng)可以進行擴展和移植，若更換采集節(jié)點的傳感器類型，還可將該方法應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如公園的水質(zhì)監(jiān)測、沙漠綠植研究等方面。