基于北斗与ZigBee的生态环境参数实时采集系统

李邦训，陈崇成，黄正睿，唐丽玉

(福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，地理空间信息技术国家地方联合工程研究中心，福建 福州 350108)

0 引言

近年来，全球生态环境破坏越发严重，造成巨大经济损失. 我国古代森林资源丰富，但由于森林火灾及其他掠夺性的开发, 使我国现在变成一个生态脆弱的国家，人均森林面积只有世界人均水平的1/4[1]. 因此，通过对生态环境的监测，可预测和控制生态问题，对保护生态环境、 治理环境污染及保障人类生命财产安全具有重要意义.

基本生态环境参数包括温湿度、 压强、 光照强度、 土壤含水率及负氧离子浓度等[2-3]，通过对其监测可体现生态环境变化. 当前生态环境参数的采集一般由人工定期完成，其采集效率低、 工作量大且覆盖的范围有限. 此外，部分监测系统通过布线实现数据采集和传输，其组网复杂、 费用较高且受地理环境影响较大[4]. 近年来，无线传感器网络因具有低成本、 组网灵活及布控简单等优点，在环境监测中应用广泛[5-11]. Suganya等[12]搭建基于WSN的智能车辆空气污染监测系统，该系统可共享和存储所监测的数据，具有极高的应用价值. Barate等[13]针对当前WSN中节点连接传感器数量有限，不同传感器信号类型不同等问题，提出以FPGA为主控制器的可重构接口的方法并进行了验证. 颜建辉等[14]针对林区环境监测时效性差、 长期监测困难等不足，使用太阳能加锂电池的供电策略，将ZigBee技术应用于林区环境监测. 张小栓等[15]针对钾肥生产中原卤井位置分散、 人工巡检不及时等，设计了基于WSN的钾肥生产原卤井监测系统，实地测试表明该系统具有较高的通信可靠性. Visconti等[16]设计并实现一种基于WSN的智能电子系统，该系统可通过监测土壤温湿度及太阳辐射值等达到节约农田灌溉用水，减少水资源浪费的目的. Boubrima等[17]针对当前通用部署模型不适用于传感器监测污染的问题，设计计算传感器部署位置的整数线性规划模型并分析了性能.

北斗系统覆盖广泛，可全天候提供定位、 授时和短报文服务，传送速度快，误码率低，受天气和灾害影响较小[18-20]. 与GPRS等远距离通信技术相比，其通过卫星中转实现通信，解决了通信盲区条件下，监测区域内生态参数与远程终端实时通信问题. 北斗短报文在各种自然灾害的抢险救灾中应用广泛[21-24]. 当前，短报文只有民用部分对公众开放，发送频度为60 s，单次发送最大长度为120 Byte，通信容量十分有限[18, 25-26]. 针对当前生态环境监测中的不足，本文将ZigBee 技术与北斗技术结合起来，选取基本环境参数，在监测区域布设一到多个ZigBee个域网，设计基于北斗短报文的数据传输编码，实现远程北斗移动终端上数据的实时显示与存储.

1 系统总体设计

图1 系统整体框架图Fig.1 Overall framework of the system

系统由ZigBee监测网、 北斗通信网及北斗移动终端三部分构成，其整体框架如图1所示. ZigBee监测网由一到多个ZigBee个域网组成，每个个域网中节点的无线通信模块上都有CC2591射频前端，并且采集数据的传感节点不超过10个. 考虑到星型结构节点间路由路径唯一，网关节点负载过重，树型结构同样通道唯一[27]，而通常监测区域环境复杂多变，因此本次研究采用延时短、 信息传输路径多样、 扩展性强与可靠性高的ZigBee 网状拓扑结构； 为能够迅速发现监测区域内生态环境脆弱的位置，在传感节点上均嵌入定位模块，采集的环境参数有温湿度、 压强、 光照强度、 土壤含水率及负氧离子.

2 系统硬件设计

2.1 传感节点设计

图2 传感节点结构Fig.2 Structure of sensor nodes

传感节点是ZigBee监测网中重要的基本数据采集单元，由5部分组成： 电源管理模块、 定位模块、 无线通信模块、 处理器模块和传感器模块[14]，如图2所示. 由于监测区域环境复杂，通常不能对传感节点进行电源补给，因此系统使用锂电池给节点供电，太阳能电池板给锂电池充电的控制策略，此外，节点可使用移动电源进行供电.

2.2 网关节点设计

图3 网关节点结构Fig.3 Structure of the gateway nodes

网关节点是实现ZigBee监测网与北斗通信网异构网络数据透明传输的核心，其结构组成如图3所示. 网关节点的设计将会直接影响北斗短报文的收发，鉴于网关的重要性，网关节点选择STM32F4作为主MCU. 电源管理模块负责给北斗短报文模块、 处理器模块及协调器模块供电.

3 系统软件设计

3.1 传感节点程序设计

鉴于温湿度、 光照强度和压强传感器均遵循IIC通讯协议，CC2530芯片无IIC接口，故采用单片机中两个普通IO口模拟实现IIC总线通信； 鉴于土壤含水率及负氧离子两款传感器是基于RS-485通信接口，采用Modbus通信协议的数字型传感器，因此采用CC2530芯片串口0用于485总线结构，从而实现对这两款传感器的驱动，其软件设计流程图如图4所示.

图4 传感器程序设计流程图

图5 定位模块程序设计流程图Fig.5 Flowchart of location module program design

对于在传感节点上嵌入的定位模块，采用 CC2530 芯片串口 1 与该定位模块进行通信, 获取其定位信息. 软件设计流程如图 5 所示.

3.2 北斗短报文编码与实例

本系统使用的北斗智能卡发送长度最大为120 Byte，短报文数据传输以$为起始标志，以 为结束标志，不同字段之间用‘，’隔开，整条信息以字符串的形式传输. 根据所选取的环境参数，对短报文中的电文内容进行格式定义，如表1所示.

表1中，节点编号取值范围为0～9，温湿度、 压强、 光照强度、 土壤含水率及负氧离子为节点处的环境值，经纬度为节点处的位置信息，北斗短报文电文内容支持代码、 汉字和混合三种传送方式，考虑到混合方式均支持汉字和代码传输，且便于处理，本研究选择混合传送方式，并基于表1的电文内容格式定义进行传输编码，以短报文传输的一个数据包为例，信息编码如表2所示. 终端根据表1执行逆向解码即可获得参数值. 本系统中短报文只用了61个字节，还留有多余的扩展空间，以便在需要其他环境参数时添加或替换现有参数.

表1 电文内容格式定义

表2 环境参数编码示例

3.3 北斗移动终端APP设计

北斗移动终端采用Android系统，其上APP使用Java语言编程，为用户提供形象化、 直观化的显示界面. 该APP可对ZigBee监测网传回的参数进行分类存储与处理，ZigBee监测网传送回的数据使用SQLite数据库存在本机中. 可通过APP删除历史数据、 查看历史数据及实时显示接收到的生态环境参数.

4 实验及结果分析

4.1 ZigBee监测网通信测试

图6 空旷地带收包率与通信距离关系Fig.6 Relationship between packet rate and communication distance in open area

基于以上软硬件设计，为测试节点的稳定性和可靠性，选取三个传感节点和一个网关节点，构建ZigBee监测网，通过串口调试助手测试数据的发送和接收. 同时使用USB Dongle，Packet Sniffer对ZigBee协调器建立网络、 传感节点加入网络及网状网络拓扑结构进行测试. 测试得出，所设计的节点均能正常采集数据，实现ZigBee个域网的创建、 加入、 退出、 网状拓扑结构及多跳路由传输. 基于以上两点，选择空旷地区，设置数据发送频度5 s一次，数据包长度75 Byte，发射功率调至最大，节点天线距离地面高度43 cm，将协调器节点位置固定不变，终端节点放于距离协调器不同位置处，在规定的时间内计算CC2530芯片外加CC2591射频前端时通信距离与收包率的关系. 结果表明，在通信距离为100 m时，节点间的收包率在90%以上，完全可胜任生态环境监测的任务，测试结果如图6所示.

4.2 网关测试

表3 北斗短报文收包率

为验证本系统设计的网关节点的稳定性和可靠性，将网关节点通过USB转TTL与电脑相连，打开北斗协议测试软件，通过设置通信频度每分钟一次，发送长度固定，通信类别为普通通信，发送模式为混合发送，模拟ZigBee监测网发送到网关节点的数据包. 在不同时间、 地点、 天气及避开周围信号干扰源的情况下，通过网关节点上短报文模块发送，北斗终端接收，测试网关节点的收包率，实验结果如表3所示.

从表3中可得出，所设计的网关节点收包率高达95%以上，不仅实现了异构网络之间数据透明传输，而且还完成了网关节点与北斗短报文模块物理上的连接.

4.3 应用实验及结果

福州大学旗山校区行政南楼东南方向(119.1934°E，26.0571°N)建有湖面幽静、 周围环境优美的生态湖，该湖具有增加空气湿度、 调节气温及净化空气的作用. 在湖及周围存在很多野生珍稀动物，而生态湖及周围环境与这些野生动物密切相关. 研究表明，空气中负氧离子能降解中和空气中的有害气体，是森林、 湿地等自然生态系统的重要生态服务产品之一，是空气质量好坏的标志之一.

为获取生态湖周围生态环境状况及测试所设计系统的可靠性及稳定性，在生态湖附近部署本系统进行实验. 实验共有四个节点和一个北斗终端，四个节点分别为一个网关节点，三个传感节点，传感节点编号为1、 2和3，分别为终端节点、 路由节点和终端节点，实际部署位置及编号如图7(a)所示. 考虑到网关节点和北斗终端均与北斗卫星进行通信，所以两者的位置均放在空旷地带且放置在一起. 为了忽略ZigBee 传输数据包时距离过长导致的丢包，实验时各相邻节点间距离均在10～20 m之间，供电策略上，三个传感节点均配备有充满电的5 000 mA·h锂电池，鉴于网关节点不仅要收发数据包，而且北斗短报文模块对发送短报文时的电源要求极高，因此，网关节点除配备5 000 mA·h锂电池外，还单独给北斗短报文的发送配备了一个3 000 mA·h的锂电池.

ZigBee 监测网中，通过查看网关节点上红色LED灯常亮后，判断网关节点创建网络成功，然后依次轮流打开三个传感节点开关，通过LED灯的亮灭判断是否成功加入网络，3号终端节点由于距离2号路由节点较近，接收到的信号强度较强，故选择2号路由节点为它的父节点介绍它入网，至此，ZigBee 监测网建成功. 鉴于北斗短报文的通信频度是1 min，系统测试时以80 s的时间间隔在4 min内依次轮询将1号节点、 2号节点和3号节点的数据包发送至北斗终端，1号节点放置的位置如图7(b)所示. 系统运行一段时间后，从北斗终端APP上得到的三个传感节点的收包率如表4所示.

图7 实验实际部署位置Fig.7 The actual deployment location of the experiment

节点编号发送数据包个数接收数据包个数收包率/ %1544990.72545092.63544990.7

本次测试得出，系统运行期间各节点及北斗终端软硬件均能稳定、 正常、 可靠地工作. 从表4可得出，系统中各节点的收包率为90%～95%，整个网络的收包率也在90%～95%之间，虽然测试时排除了ZigBee通信距离过长导致的丢包，但是ZigBee监测网和北斗终端放置环境不同，也会导致不同程度的丢包，从而使节点的收包率存在差异，但其收包率完全可满足监测需求，以下通过分析生态湖周围环境情况来验证所设计系统的应用性.

图8 负氧离子浓度Fig.8 The concentration of negative oxygen ion

系统测试时传回的1号节点处的负氧离子浓度变化情况如图8所示，负氧离子浓度是衡量空气质量好坏的标志之一，通过监测其浓度变化可对监测区域内空气质量进行分析跟踪，从图中可看出负氧离子浓度最小值在1 000个·cm-3以上，按照世界卫生组织的规定，当空气中的负氧离子浓度为1 000～1 500个·cm-3时，就是洁净空气，可见，生态湖周围环境良好，空气质量优秀，与现场实际情况相符.

5 结语

针对当前生态环境监测中存在的问题，将北斗短报文与ZigBee结合，设计基于北斗和ZigBee的生态环境参数实时采集系统. 实验结果表明，组建的ZigBee 监测网能实现生态环境参数实时采集与多跳路由传输. 同时，在空旷地区，嵌入CC2591射频前端的ZigBee节点可使节点间收包率在90%以上时通信距离为100 m，而传统无CC2591射频前端的ZigBee节点只有30 m左右，本研究在保证节点间收包率前提下，使有效通信距离得到增加； 网关节点经过多次测试，性能稳定，北斗短报文模块收包率高达95%以上，能够实现异构网络之间数据的透明传输； 通过在福州大学旗山校区生态湖周围部署实验得出，系统运行稳定可靠，整体收包率在90%～95%之间，能满足实际应用需求，并且生态湖周围环境良好，空气质量优秀，与现场实际情况相符. 此外，为应对不同环境监测需求，该系统还兼备扩展性，可集成其他传感器.