基于物联网曹妃甸湿地监测预警系统研究

王建华 龚瑞昆

华北理工大学电气工程学院 河北唐山 063000

位于曹妃甸区的曹妃甸湿地总面积约540平方公里，湿地内的野生动植物种类达1200余种，因此曹妃甸湿地被国际湿地组织誉为开发潜力巨大且不可多得的湿地保护区[1]。

基于物联网的曹妃甸湿地监测系统在多种领域都有广泛应用，并且随着ZigBee技术、GPRS技术、云计算技术的发展，使得传统数据监测系统中存在的线路部署复杂、运行效率低下、覆盖范围窄等问题得以解决[2]。本文针对曹妃甸湿地生态环境中智能监测系统缺乏的问题，研究设计了基于ZigBee与GPRS的曹妃甸湿地监测系统，通过GPRS网络来弥补ZigBee传输距离短的缺点，实现远近数据通信，并基于ZigBee技术效率高、安全性高等特点进行网络通信自组，显著提高系统的实用性与可靠性，实现对温湿度、光照强度、酸碱性、视频监控等数据的有效采集与传输，满足湿地保护需求。

1 系统整体结构与硬件设计

1.1 系统整体构建

曹妃甸湿地监测系统基于新型无线技术ZigBee以及GPRS无线业务，监测系统的组成主要包括数据节点模块、通信模块以及云中心。

数据采集模块将曹妃甸湿地的温度、湿度、水质酸碱性、光照强度等数据进行采集，遵循ZigBee协议将汇集的节点数据传送至网关。系统网关接收到来自应用端的指令后，将其下达至ZigBee数据采集模块，同时又将数据采集模块返回的环境参数打包处理后经由GPRS传送至云中心，云中心构架了虚拟服务器与数据库，对数据进行处理后，操作人员可通过用户端对数据进行查看与分析，面向曹妃甸湿地环境监测数据的用户端能够实现对数据的监测、查询、异常报警等功能[3]。

1.2 数据节点模块设计

数据节点模块以CC2530作为主控制芯片，模块还包括电源、UPS、太阳能版、USB接口、温湿度传感器、气体烟雾传感器、环境光传感器等检测元件组成。

CC2530是德州仪器开发的一款专门用于无线传感器网络中进行数据传输的集成芯片。其优点在于低运行功耗和构建成本，在实际环境中的部署极为便利。

1.3 通信模块设计

系统的通信模块主要包括STM32主控芯片、RS232串口、集成UPS的电源模块以及TR-800GSM/GPRS模块，TR-800模块配备由80个管脚，且芯片内置了600000Bite的空间供文件存储，支持最高85.6Kbps下载速度。

首先将带有GPRS服务的SIM卡置入模块卡槽中，然后STM32主控芯片向TR-800模块发送指令，GPRS模块与云中心服务器链接并进行数据传输。

2 系统软件设计

2.1 数据节点模块软件设计

数据节点模块负责对各个传感器数据进行收集与整理，应用于监测系统的数据节点模块采用低功耗设计，并实现具有中继通讯功能的无线组网。数据节点模块启动后首先读取自身配置，判断自身为终端节点或是中继节点，配置为中继节点的模块将保持运行常态，持续对终端节点传输的数据进行接收与储存，并在云中心服务器发出调取指令后将数据进行传送。同时为了方便巡检人员查看，集成按键在被按下时，LED屏显示监测数据并保持30S。

2.2 通信模块软件设计

通信模块软件功能主要包括应用端操作指令的接收以及湿地环境监测数据的发送，系统将监测采集到的数据通过MCU的解析命令传送至GPRS模块，再以TXT文本形式发送至云中心服务器，云中心服务器ID与注册设备的ID统一进行分配，根据需求自定义数据流的名称。

2.3 云中心设计

云平台是指基于硬件的服务，可以扩展并向其他用户提供基础服务、数据、中间件、网络和数据服务，实现对物联网设备的远程监控和管理。在基于ZigBee与GPRS框架的基础上引入云计算中心，设计服务于曹妃甸湿地监测方面的云中心的构架以及面向环境监测数据资源的虚拟化资源池，以实现资源的查阅、管理以及评估决策。

3 系统测试

选取部署的四个监测节点进行测试，验证系统功能及性能，系统通过ZigBee组网技术将数据采集节点的数据发送至通信模块，再通过串口通信传输至GPRS并经由网络上传至云中心服务器，测试结果表明该系统能够实现对曹妃甸湿地环境的实时监测。

4 结语

基于物联网的曹妃甸湿地监测预警系统,实现了对来自数据节点模块的数据进行传输与处理,经测试，系统在应用端能够实现对湿地环境信息的查询、分析等功能，相比于其他普通监测系统，应用范围更广，应用环境更加灵活，在湿地生态保护方面有很好的发展前景。