基于ZigBee和GIS的校园环境实时监测系统设计

许 可，许迪文，杨润书，黄义忠



基于ZigBee和GIS的校园环境实时监测系统设计

许 可1，许迪文2，杨润书1，黄义忠1

（1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.湘潭大学信息工程学院，湖南 湘潭 411105）

针对目前校园小环境监测时效性偏低的问题，提出将ZigBee网络技术与GIS技术应用到校园环境监测系统中。采用以CC2530网络处理器模块为核心构建的ZigBee网络，采集校园环境数据，并将其通过网络传输到系统数据库，结合GIS平台，实现对数据的查看、分析和处理。结果表明：系统能对校园环境进行实时监测。在监测系统中引入ZigBee和GIS技术，对未来更精准的监测具有一定的指导意义。

ZigBee；GIS；校园环境；实时监测

0 引言

近年来，我国科技与经济迅猛发展，但环境问题也越来越突出。如今，环境问题已成为当今社会广泛关注的问题，而解决该问题的关键就是环境监测[1]。针对我国高校校园小环境的监测，能够帮助我们及时发现校园小环境存在的问题，并据此对环境问题提出科学的解决方案。

受益于无线传感器网络技术的不断发展，使通过无线传感器网络方式进行环境监测成为可能。相比于传统的人工方式进行环境监测，通过使用低功耗、低成本、低速率的短距离无线通信新标准ZigBee来进行环境监测，解决了传统有线网络系统布线难、成本高以及不易扩展等问题[2]，很适合于校园环境监测。本文从环境监测的角度出发，设计了一种基于ZigBee和GIS的校园环境实时监测系统，可以实现对校园环境数据的实时采集，并通过ZigBee网络传输该数据，对数据进行即时的储存与分析，最终实现无线网络下的环境数据实时监测。

1 系统总体方案及工作原理

本系统总体架构主要由现场终端节点、协调器节点、ZigBee传输网络、系统数据库和监控中心等几部分构成。系统结构图如图1。

图1 系统结构图

系统采用自下至上的思路进行设计，其中最基础、最底层的部分就是现场终端节点，它负责采集校园环境中的温度、湿度、气压和PM2.5的信息，采集完成后将这些数据通过ZigBee网络发送给协调器节点。协调器节点收集完成后，将数据进行分析处理，再通过ZigBee网络发送给远程上位机。其中，ZigBee技术是一种新兴的短距离无线传感网络通信技术，因其功耗低、短距离等优点应用于各个领域[3]。它使本系统得以高效、便捷地传输数据。

远程上位机接收到数据以后，将其导入access数据库，即系统数据库。数据库对接收到的信息进行分类处理。最后，基于GIS平台搭建的监控中心，通过调用系统数据库与地图数据，把地理位置与相关属性信息有机地结合起来, 根据实际需要科学准确、图文并茂地输出处理结果给用户[4]，使得用户可以实时监控各个监测点的情况。

2 系统硬件设计

本系统硬件部分主要由太阳能供电模块、温湿度采集模块、气压采集模块、PM2.5传感器模块和CC2530网络处理器模块。其中CC2530网络处理器模块为主控芯片，太阳能供电模块为其他各模块提供电力来源，其余各模块负责采集实时环境数据。图2为系统硬件框图。下面为各模块具体介绍。

图2 系统硬件框图

2.1 CC2530网络处理器模块

本系统采用CC2530芯片作为主控芯片，它是ZigBee新一代SOC芯片真正的片上系统解决方案，支持IEEE 802.15.4 标准/Zig BeeRF4CE、ZigBee网络、家居及楼宇自动化、工业测控等领域，也是目前众多Zig Bee设备产品中表现最为出众的微处理器之一[5]。CC2530的功耗低、成本低已经组网灵活等特点，非常符合本系统的设计要求。

2.2 太阳能供电模块

本系统使用太阳能电池板进行供电，由太阳能电池输出的12V电压的电能，经过稳压芯片LM7805后，可以输出稳定5 V电压的电能。图3为太阳能供电模块原理图。

图3 太阳能供电模块原理图

2.3 温湿度采集模块

从测量精度、体积大小、稳定性等几方面考虑，本系统采用SHT21温湿度传感器，其性能相较于前一代传感器（SHT11）有很大提升,它的测温范围为-40—+125℃，精度误差为±0.3℃；湿度检测范围为0—100%RH，精度误差为±2%RH，可以满足系统测温的精度需求。该芯片除了配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器外，还包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元[6]。

湿度RH转换

温度T转换：

SHT21采用单总线方式通信，数据传输和控制均可由单总线完成。因此通过与CC2530网络处理器的简单连接便可以实现实时温湿度采集。

2.4 气压采集模块

为了测量环境的气压，本系统选用BMP180气压传感器。它是Bosch公司退出的一款高精度数字气压传感器，具有体积小、功耗低等特点。它提供了I2C接口进行访问，使我们可以通过简单的连接方式将其连接至主控芯片，从而实现气压数据的采集。它的温度测量范围是-40℃~85℃，气压测量范围是300~1100 hPa（海拔-500 m~9000 m）。

2.5 PM2.5传感器模块

监测PM2.5可以对环境状况进行评估、根据成分分析查找污染源，从而对研究和采取有效的治理措施，减少或消除污染，保障国民健康，具有重要的社会意义和经济意义[7]。

本系统用于测量PM2.5指数的传感器模块为GP2Y1010AU0F，它是一款光学灰尘浓度检测传感器。它具有体积小，灵敏度高等特点，可以用它来测量0.8微米以上的微小粒子，来达到测量环境中烟气、粉尘、花粉等浓度的目的。它的工作温度为-10℃~65℃。

灰尘传感器GP2Y1010AU0F的连接电路如图4所示。

图4 灰尘传感器GP2Y1010AU0F的连接电路

3 系统软件设计

3.1 现场终端节点软件设计

现场终端节点主要负责数据的采集，它与协调器节点通过ZigBee网络进行通信。其软件流程图如图5。现场终端节点在上电初始化后，会向协调器节点请求加入网络，在加入网络成功后，它会将自身的网络地址发送给协调器节点。新加入的节点必须通过已存在网络中的全功能设备才能成功入网络，在通信范围内的全功能设备会请求加入ZigBee网络，然后为其节点分配一个独一无二的ID[8]。之后现场终端节点会进入低功耗模式等待，当需要传输数据时，它将会被唤醒并开始采集和传输数据，数据传输完成时，它会再次进入低功耗模式等待。

3.2 协调器节点软件设计

协调器节点是整个ZigBee网络的核心，它主要负责组建ZigBee子网络，接收子网络下各节点发送的环境监数据。其软件流程图如图6。协调器节点在上电初始化后，开始进行信道检测，并新建网络。新建网络成功后，协调器进入无线监控状态，在此状态下等待是否有新节点加入网络，当新节点加入时，为其分配网络地址，之后接收其数据并进行上位机通信。

图5 现场终端节点软件流程图

3.3 系统数据库设计

系统数据库是整个监测系统的中枢，用于储存系统的全部数据，并为监测点与监控中心之间提供了一座连接彼此的通信桥梁[9]。本系统面向对象进行设计，选用Microsoft Office Access作为数据库平台，其主要有实时数据库和属性数据库。

实时数据库主要包括校园环境的温湿度信息、气压信息和PM2.5数值。属性数据库主要包括现场采集节点的编号及其位置信息。有了这些信息，我们就可以查询到现场采集节点的实时状态，并且可以清晰地在地图上查找到对应节点的位置，为系统与GIS平台的融合提供了数据库基础。

3.4 监控中心架构设计

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是以采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面与空间地理分布有关的数据信息的计算机系统。它的主要功能是实现地理空间数据的采集、编辑、管理、分析、统计与制图等[10]。

图6 协调器节点软件流程图

图7 系统数据库结构

感知层的环境监测无线传感网络之所以是根据校园地理空间的功能区域进行分布，是因为想要更为直接的观测校园环境。各监测数据的实时采集、显示以及统计分析后形成的各种专题图也应是在城市空间地域上进行的空间展布，所以系统应用层的开发离不开地理信息系统[11]。

系统应用层利用GIS技术进行搭建，其中开发平台选用ESRI公司的ArcGIS Server 10.2，编程平台采用Microsoft公司的Visual Studio 2015，开发语言选用C#进行编程。图8为监控中心架构层次图。

图8 监控中心架构层次图

应用层主要负责充当用户与整个系统的交互媒介，它的主要功能有：显示地图、查询数据库得到用户所需要的信息。作为开发平台的ArcGIS Server 10.2支撑着整个应用层的开发。ArcGIS Server是一个为构建空间相关的企业级应用的平台，它包含一个可共享的GIS软件对象库(ArcObjects),能在企业和Web计算框架中建立以服务器为中心、集中式管理并以网络为核心支持多用户的GIS应用,拥有制图、查寻分析和地理编码的全部功能[12]。

4 系统测试与结果分析

考虑到ZigBee无线传感网络受距离影响较大，故在校园中100m3范围内选取三个采集点来进行系统测试，采集点的位置信息如表1所示，其坐标系为WGS-84坐标系。每1分钟对环境进行一次采集，某次检测结果如表2所示。

表1 采集点位置信息

Tab.1 Collection point location information

表2 系统测试结果

Tab.2 System test results

对比当天实时气象数据，温度22℃、湿度28%RH、气压1023 hPa、空气质量优，系统测试结果具有一定的参考意义。鉴于本系统的环境数据处理方式是采集与传输，传输过程不会对系统待测参数带来误差，故误差主要发生在数据采集过程[13]。

随后对GIS平台进行测试，经测试，该平台可以实现以下功能，平台预览图如图9。

地图的浏览功能。可以实现对地图的放大、缩小、移动等功能，满足用户对监测环境大致情况进行浏览的需求。

图9 平台预览图

现场终端节点定位功能。通过对节点号进行选择，结合数据库中各个节点的位置信息，可以实现对各个现场终端节点的位置在地图上的定位。

实时数据查询功能。用户选择需要查询的节点后，点击实时数据按钮，系统便会通过查找系统数据库，将该节点的温湿度、气压和PM2.5数值信息显示出来。

5 结语

本文将ZigBee技术和GIS的融合，应用到校园环境实时监测中，通过结合ZigBee技术的灵活组网的特点以及GIS对数据的强大管理能力，实现了对校园环境的实时远程监测。利用该系统，我们可以对校园环境进行全天候、全方位的监测，对未来的城市环境监测具有一定的指导意义。在之后的开发中，如果能进一步提高测量精度，将会使整个系统更加完善可靠。

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Design of a Real-time Campus Environmental Monitoring System Based on ZigBee and GIS

XU Ke1, XU Di-wen2, YANG Run-shu1, HUANG Yi-zhong1

(1. Faulty of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

To solve the problem of low timeliness in the monitoring of campus environment, this paper put forward ZigBee network technology and GIS technology applied to campus environmental monitoring system. Using CC2530 Network processor module as the core to build the ZigBee network, this system collects the environment data in the campus, and transmit it to the system database through the network, and then combine the GIS platform to realize the view, analysis and processing of the data. The results show that the system can monitor the campus environment in real time. Introducing ZigBee and GIS technology into the monitoring system, it will be instructive for more accurate monitoring in the future.

ZigBee; GIS; Campus environment; Real-time monitoring

TP277

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.024

许可(1994-)，男，昆明理工大学国土资源工程学院硕士研究生，研究方向为3S集成与应用；许迪文(1994-)，男，研究生，主要研究方向：控制工程与自动化装置；杨润书(1963-)，男，正高级工程师，主要研究方向：GPS及工程测量的应用与研究；黄义忠(1972-)，男，副教授，主要研究方向：土地资源管理。

本文著录格式：许可，许迪文，杨润书，等. 基于ZigBee和GIS的校园环境实时监测系统设计[J]. 软件，2018，39（7）：116-120