基于物联网技术的生态环境监测分析

杨千才

（山东省聊城生态环境监测中心，山东 聊城 252000）

近年来，随着环境保护理念的深入人心，生态环境监测日益受到重视。生态环境监测是推进生态环境保护的重要途径，而物联网技术的迅速发展为生态环境监测信息的采集打下坚实基础[1-3]。本文设计了一种基于物联网技术的生态环境监测系统，实时监测诸多生态环境影响因子，如空气温度与湿度、土壤水分、风速、风向、土壤pH 和降水量等，并将数据通过汇聚节点发送到远端服务器，以便进行分析处理。

1 物联网技术概述

物联网是指通过信息传感设备，依据约定协议，将任何物体与网络相连，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能[4-5]。当前，物联网技术广泛应用于生态环境监测领域，有助于构建科学的生态环境监测体系，提高环境监测质量[6-8]。近年来，物联网技术迅猛发展。无线传感器网络（WSN）具有自组织、无须布线、易安装、携带方便、价格低廉等优点，它是数字化信息采集的重要手段，可以应用于生态环境监测。随着时代的发展，生态环境监测逐渐走向智能化。

2 基于物联网技术的生态环境监测系统总体设计

近年来，我国高度重视生态环境保护，积极开展生态环境监测。物联网技术可以与生态环境监测相结合，提高环境监测效果，有效改善生态环境。基于WSN 的生态环境监测系统主要由上位机监测单元、ZigBee 智能网关和传感器单元组成，系统整体结构如图1 所示。ZigBee 各终端节点连接相应的传感器，传感器采集数据后，通过ZigBee 自组网络的一个或者多个路由器转发，将其传到协调器网关节点。网关节点通过串口把数据存在本地计算机端，并通过5G 模块把数据通过固定的互联网协议（IP）地址发送到远端服务器。上位机单元通过网络可以查询数据，并实时显示和分析数据，用户也可以通过手机连接数据库来查看信息，从而实时监测生态环境。

图1 系统总体设计

3 硬件设计

3.1 WSN 的数据采集网络拓扑结构设计

Z-Stack 协议栈的建立以IEEE 802.15.4 标准协议为基础，其定义了协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）。ZigBee 网络具有成本低、功耗低、时延短、网络容量大、可靠度高等优势，被广泛应用在无线监测领域。其网络拓扑结构分为3种，即星形网络、簇形网络和网状网络。无线信号传播会受到地形和障碍物的影响而发生折射和反射，因此本系统选择簇形网络，它能够保证数据可靠传输，自组织能力较强，适用于采集复杂地形环境数据。WSN 的数据采集网络拓扑结构如图2 所示。

图2 WSN 的数据采集网络拓扑结构

Z-Stack 协议栈的数据传输方式有3种，即广播、组播和单播。由于监测环境的需要，本设计将终端监测节点的传输方式设置为单播，指向协调器的地址发送数据；协调器节点则设置为广播传输，传输对象为网络覆盖范围内的所有设备。这种传输机制能够有效减少数据冗余，保证数据的真实性。

3.2 硬件系统设计

环境监测系统硬件结构如图3 所示。该系统将STM32-LPC1752 芯片作为微控制单元（MCU），以ZigBeeCC2530 低功耗模块作为搭建WSN 网络的主要模块。传感器单元采集环境监测数据信息后，终端监测节点通过ZigBee 网络将数据传送到协调器，协调器接收数据后通过串口将其发送到MCU 单元。存储数据后，本地上位机系统对其进行处理，判断数据是否出现异常，一旦出现异常，便触发5G（SIM5320E）模块来发送短信给指定用户进行报警。系统通过北斗卫星导航系统（BDS）模块可定位每个节点的相对具体区域，使得用户准确判断每个监测区域环境的具体情况。另外，将数据通过5G 模块发送到远端的上位机系统，用户通过访问固定的IP 地址来获取实时数据信息，实现远程环境数据实时监测。

图3 系统硬件结构

4 上位机系统设计

系统上位机的监控中心采用C 语言进行设计，可以实现网页和服务器的连接，访问数据库接收的实时环境监测数据。网页包含实时数据显示、历史数据查询、历史数据曲线展现等功能，用户在任何有网络的地方都可以随时查看实时数据。借助数据曲线展现功能，用户可以更好地观察和分析数据。

5 结语

目前，物联网技术广泛运用于生态环境监测，生态环境监测系统日益成熟，能够实现自动监测，并根据监测结果及时发布预警。本次生态环境监测系统设计以物联网技术为基础，系统具有低功耗、数据传输可靠性高、安装方便、实时性好等突出优势。经应用测试，该系统能够实时监测区域内的空气温度和湿度、风向、风速、CO2浓度、土壤湿度、降水量等重要环境因子，满足生态环境监测需求，为进一步保护生态环境提供可靠数据。今后要加强生态环境监测研究，不断拓展监测范围，以促进我国生态环境监测系统的现代化。