基于无线传感网的大水域生态环境监测系统应用研究

郭 强

(安徽工业经济职业技术学院 电气工程学院，合肥 230051)

工农业发展的同时所带来的水域污染问题愈发严重，不仅对水域产业造成威胁，也使生态环境遭受破坏。同时，一些地区由于无节制地扩大水域养殖范围、一味追求产出量，使水域生态污染加剧，进一步加大了生态环境的压力[1]。为了解决这些问题，生态环保单位对大水域生态环境提出了监督管理政策，即根据水域资源赋存生物，定期对大水域的生态环境进行监测，掌握区域中对环境造成威胁的相关因素，由此提出针对性的保护措施，降低生态环境的污染。尽管传统的生态环境监测技术可实现对水域数据的动态化管理，但随着水域养殖畜牧业的不断发展，污染数据的变化速度已呈现出不可控趋势。为此，在传统生态环境监测工作实施的基础上，引入无线传感网技术，它属于一种分布式网络，其末梢可有效检测与感知外部数据，并将获取的数据通过传感装置进行传输[2]。由于此种网络具有灵活性高、连接方式无限定的特点，因此在获取动态化数据方面具有显著优势。基于此，本文将应用无线传感网技术，开展大水域生态环境监测系统的设计与研究，解决当下水域环境监测中存在的问题，为生态环境的可持续发展提供有效路径。

1 大水域生态环境污染现状

对某大水域进行生态环境污染分析发现，造成大水域生态环境污染的主要原因是水体中氮氧化物质的含量过高。其中无机氮元素的含量已超标，与无污染水质呈现严重不匹配的现状[3]。大水域中含有大量的抗生素物质，这种物质不仅在水域中出现，也是地下污水、管道污水的构成成分。尽管我国已根据大水域水质的污染现状提出了一些解决措施，但由于水质变化无明显规律，且生态单位获取的数据缺乏时效性，导致目前我国大水域的水质污染现状无显著改善。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件整体结构设计

本系统硬件部分的主要作用是对大水域生态环境中的各项数据进行采集，并通过ZigBee完成对数据的传输，最后对不同服务器进行管理。本系统的硬件整体结构设计如图1所示。

图1 系统硬件整体结构

数据采集主要包括控制板和传感器2种硬件设备。控制板通过传感器来获取大水域生态中影响其各项指标的数据；传感器根据需测试项目来具体选择，项目包含：大水域生态环境的光照强度、空气湿度、土壤温度、土壤中电解质含量等[4]。ZigBee数据传输主要包含系统终端节点的数据传输模块以及各个路由器节点、协调节点，将通过传感器获取到的数据通过相应的终端与路由节点，上传到协调节点中，通过协调节点之间相互配合，完成对采集数据的获取和处理。最后，将其发送到相应的管理服务器中[5]。在系统运行过程中，服务器会为系统各个模块下达不同的动作指令，在传输动作指令的过程中也同样需要协调节点之间的相互配合。当服务器采集到多种参数数据时，通过上位机平台可将数据全部进行发布。系统用户也可以通过支持的浏览器在线查看大水域生态环境的具体数据变化情况。

2.2 节点控制板选型

节点控制板是无线传感网络中的核心控制设备，包含了微处理装置、电源控制电路以及输入输出接口等结构。本文选用德国FESTO费斯托公司设计生产的CPX-FB1260-18型号总线节点控制器[6]。该型号节点控制器采用JENNIC生产的CPX-FB1260-18型号的Zigbee IC控制芯片，可适用于2.4 GHz 501.14.2的RF收发器；具有极高的接收灵敏度以及抗干扰性能；可编程高达5.5 dBm的传输功率；只需要连接较少数量的外部元器件，即可完成对大水鱼生态环境数据的传输；8 mm×8 mm的Zigbee封装；主动模式RX下的功耗为25 mA，主动模式TX下的功耗为28 mA，供电模式下的功耗为0.3 mA，睡眠供电模式下的功耗为1.5 μA；具备代码预取功能的低功耗微控制器内核；支持各类硬件的自主调试功能。CPX-FB1260-18型号总线节点控制器除Zigbee无线网上协议通信功能以外，还具备对传感器装置的基本控制功能[7]。将控制板连接无线传感器终端位置上，通过建立与各个传感器装置的接口连接，实现对其数据采集的控制。

CPX-FB1260-18型号总线节点控制器中的微处理装置，采用高性能、低功耗的32位微控制器，在一个时钟周期当中可以获得超过2 MIPS(Million Instructions Per Second，单字长定点指令平均执行速度)的数据吞吐量。在开发系统的过程中，可以在功耗与处理速度之间快速的找出最优方案[8]。除此之外，微处理装置当中还嵌入了3.2 GHz ISM频段低功耗的收发装置，具备-250 dBm的接收灵敏度，发送功率为6.5 dBm，数据的传输速率可从原本的240 Kb/s提升到2.5 Mb/s，可应用在ZigBee低速、短距离的传输无线网络协议当中。

节点控制板中的电源管理模块采用外部直流电源提供电量，并结合USB充电和VIN管脚连接的供电方式。其中主要供电部分为外部直流电源，提供电压为6～15 V。在停电状态下，USB充电可提供4 V电压，保证系统稳定运行。

2.3 无线传感器选型

本系统采用接口形式的连接传感器模块，增强传统监测系统传感器节点的灵活性与复用性。将主机与被控对象信息交换场所以插槽形式引出，并在电路板当中设置+15 V电源插槽结构和4.4 V电源插槽，为外接传感器提供所需的工作电流[9]。选用SJF56-4110高性能型号传感器，该传感器当中内置MDU-1205芯片，作为传感器的复合型芯片能够有效提高系统对大水域生态环境的监测精度。表1为SJF56-4110型号高性能传感器的各项参数。

表1 SJF56-4110型号高性能传感器各项参数

综合表1中的内容，SJF56-4110型号传感器可以满足本系统对大水域生态环境各项参数的实时监测。该传感器当中共包含12个引脚，其中1个用于接地，3个用于输入4.4 V电源，其余引脚分别用于数字接口的输入与输出、模拟电压的输出以及内部接地[10]。根据系统的需要，采用SJF56-4110型号高性能传感器的数字输入输出方法，通过控制板为传感器提供+4.4 V的电源，实现对传感器信号的采集。

3 系统软件设计

3.1 解析与转化生态环境数据

考虑到使用节点控制板对生态环境数据进行处理可能存在空间数据表达误差[11]，因此引入无线传感网技术，将获取的生态环境原始数据转换成可视化空间数据。此过程需要遵循网络中ZigBee数据传输协议，对大水域中涉及的生态数据进行解析处理。

处理过程中，应控制网络中组网节点数据与传感器获取的生态数据所属周期是一致的，在解析生态数据时，可同步建立大水域区域现场的数据无线通信路径，边获取数据边增加数据包信息，使无线传感网终端的串口数据具备一定的时效性。根据上述过程分析，将数据解析与传输的过程表示为：

(1)

根据式(1)选取计算后的大水域生态环境数据集合中与无线传感网络的同名点[12]。建立以网络传输协议为标准的数据通信模型，利用无线传感网络组建方式自由的特点，进行生态环境数据的再搭建，将搭建好的数据环境，转换为以数据集为基础的生态环境数据求和文件。此过程可由式(2)表示。

(2)

式中：Ej为生态环境信息在大水域中的分布；k为原始数据集合；j为水域中的点云数据集合；n为数据转化次数。根据式(2)，利用无线传输网络中传感器节点可以随时增加或者减少的特点，完成对生态环境数据的解析与转化。

3.2 大水域生态环境动态化数据监测

由于大水域内生态环境的动态变化影响因素众多，针对其特征，将其划分为静态数据和动态数据2种类型[13]。根据上述对生态环境数据的解析处理，同步参考生态环境体制建设框架，可知静态数据为硬件设备可直接测得的数据，动态数据为需要社会多种因素统计的数据。基于此，给出如表2所示的生态环境动态数据监测允许范围。

表2 生态环境动态数据监测允许范围

根据表2中对应的动态数据允许监测范围，结合大水域生态资源的赋存量，引入生态指数模型，结合多种因素对监测系统的影响，执行监测行为，记录数据波动情况。

自然因素中气候条件是动态数据监测主要影响因素，其中降水量、气候温度、地表温度等气象因子对于生态环境的动态变化影响较大[14]。因此，可将平均气温、降水量、地表温度以及平均湿度变化作为主要自然因素，分析气象因子的变化情况得到监测数据。通过对区域水域污染源进行监控，包括工业生产排放物质、矿山开采中垃圾排放量等，获取大水域区域内生态环境的所有相关数据，此过程应注意生态环境监测点布置的合理性，并对闭合性水域进行填充[15]。在此基础上将获取的空间环境动态数据与静态数据进行重叠，删除重叠区域数据，重构监测数据集合，以此实现大水域生态环境的监测。

4 对比实验

4.1 实验准备

实验以某水域生态环境为实验对象，该大水域面积为31 615 m2，与该水域连接的河流和湖泊数量共32个，并且附近还建有3个大型水库，因此该大水域生态环境对于该区域周围的生产、生活具有重要影响作用，具有一定的监督价值。利用此次设计监测系统与传统系统对该大水域生态环境进行监测，传统系统以基于数据挖掘技术的大水域生态环境监测系统为例，设计对比实验。实验中均使用Windows10为实验操作系统，设定节点控制板硬件设备运行参数为：控制周期为5 min，控制频率为15.4 Hz，控制额定电压为5.5 V；无线传感器硬件设备运行参数为：无线传感器读取信号频率为13.5 Hz，读取生态信号时间为100 min，最小误差为0.01。

4.2 实验结果与分析

系统监测时间为240 h，监测周期为10 h，设定监测点200个，即每10 h系统要对所有监测点水域生态环境进行一次监测，监测过程中对2个系统运行数据进行记录。实验以漏监数量作为结果，进行对比分析，如表3所示。

表3 2种系统漏监数量对比

从表3可以看出，本系统基本可以实现对所有监测点的监测；传统系统则存在大量漏监情况。说明本系统更适合大水域生态环境监测。传统系统监测点漏监的原因可能包括：1)监测点设置问题；2)数据传输不流畅；3)生态环境数据转化能力较差，无法实现有效的数据转化；4)其他不可控的干扰因素。本系统漏监原因主要是不可控的干扰因素，而传统系统中监测点设置、数据传输、生态环境数据转化的问题，在本系统中得到较好解决。