基于WSN的大學校園環境監測系統設計

葉 蕾， 周宇峰， 蔡 越， 李 翀

（浙江農林大學浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室，浙江臨安311300）

0 引 言

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市環境問題日益頻發，人們對于生態環境日益關注，城市綠地越來越多進入人們視野，而城市綠地是城市中不]可或缺的基礎設施，在改善城市環境等方面發揮著重要的作用，因此通過對城市綠地智能監測和感知研究城市綠地特性，對改善城市生態環境問題以及城市熱島效應具有重要意義。然而對于城市環境監測而言，傳統監測方法利用監測站或者是人工移動設備，不能滿足于靈活且高效的綠地監測，針對上述缺陷［1-5］?；谏鲜銮闆r現提出一種基于WSN的城市綠地環境監測系統，實現網絡平臺實時顯示數據，同時滿足存儲查閱等功能，方便用戶后續工作。

大學校園是一個相對獨立的社區，新建設的大學校區一般都有66.67 ha（1 000畝）以上，具有城市森林所包含的各種載體和功能。為了便于研究，試驗地選擇在浙江農林大學東湖校區，其占地166.67 ha（2 500畝），學校重視生態文化建設，“兩園（校園、植物園）合一”，被教育部、國家林業和草原局等單位授予“國家生態文明教育基地”。將該系統應用于校園綠地生態環境監測，主要包括：環境溫濕度、CO2的濃度、空氣PM2.5、PM10的濃度、環境噪音、太陽輻射等氣象因子。

1 系統概述

該系統將無線傳感器網絡與校園環境監測相結合，通過數據采集器、傳感器，經過無線傳輸系統和后臺數據處理系統形成信息監控管理平臺，該監測子站具備了大氣PM2.5、PM10監測、環境溫濕度及光照監測、噪聲監測等多種功能，通過各硬件傳感器連接控制板進行采集傳輸至網絡平臺進行實時監測，數據平臺作為一個互聯網架構的網絡化平臺，具有對各個子站的監控功能以及對數據的記錄、查詢、輸出等多種功能，該系統可實現24 h候全天候實時在線監測，采用MODBUS協議的RTU方式，通過4G網進行無線數據傳輸，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

由圖1可看出，系統環境監測流程主要分為3個部分：

（1）數據采集部分。系統通過與相應的傳感器（光照強度、空氣溫濕度、環境PM2.5、PM10、環境噪音、空氣CO2）等器件連接對校園環境數據進行采集，采集節點將解析處理上傳數據庫進行分類儲存。

（2）數據傳輸處理部分。接收傳感器節點上傳的數據，分類保存至數據庫，后端服務器接收指令請求并將執行結果返回用戶。

（3）面向用戶的監測系統部分。用戶通過手機或PC機快捷、直觀操作使用本系統，靈活利用定位功能。

2 硬件設計

系統通過無線傳感器網絡系統進行室外環境數據采集和傳輸，中心節點、路由器節點和傳感器節點組成無線傳感器網絡節點，主要包括傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊和電源模塊，其中傳感器模塊負責室外環境數據采集，包括空氣溫濕度、CO2濃度、PM2.5、PM10濃度、噪聲和光照強度，處理器模塊采用DSP，負責AD轉換、數據讀取等，通信模塊，電源模塊負責提供以上工作的能量，保證設備正常運作。該系統傳感器監測能力和監測范圍如表1所示。

表1 環境氣體在線監測能力和監測范圍

2.1 傳感器選型

（1）光照傳感器。該系統采用的BH1750FVI是日本RHOM株式會社推出的I2C總線接口的數字式光照強度傳感器，作為一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路，支持大范圍光照強度變化，具有高精度、高靈敏、高一致性等特點，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化［6-7］。

（2）溫濕度傳感器。核心器件采用Sensirion公司生產的SHT21芯片，具有完全標定、數字輸出、I2C接口、高分辨率等優點，每測量一次溫濕度就要經過：啟動傳感器、啟動/停止時序、發送設備地址和測量命令等步驟，其測量溫度范圍在-40～120°C，精度在±0.5°C，測量空氣相對濕度范圍在0-100%RH，精度在±4.5%［7］。濕度（SRH）和溫度（ST）數據經過以下公式的換算：

即可得到相應的相對濕度RH（%RH）和溫度T（℃），式（1）為濕度轉換函數、式（2）為溫度轉換函數，其中所得溫度ST、濕度SRH、實際溫度T、濕度RH［7］。

（3）CO2傳感器。CO2采用的是CRIR M1商用二氧化碳（CO2）傳感器，其中，一端是紅外光源，另一端是裝有濾光片的探測器。光源發出的輻射波長包括CO2的吸收帶，濾光片阻斷對CO2的存在不敏感的波長，提高選擇性和靈敏度，當光通過傳感腔時，如果存在CO2，則會吸收一部分光。然后，可以將源發出的光和檢測器接收到的光之間的差異轉換為CO2濃度讀數。自動基線校正（ABC）功能可以在預先設置的時間間隔內自動校準傳感器的最小讀數至400×10-6CO2，這提高了長期穩定性，并且無須進行校準，它具有單通道、非色散紅外技術、自動基線校準、溫度補償、UART數字界面等特性。

（4）聲音傳感器。聲音傳感器將聲音信號轉化為電信號輸出，一般應用包括電容式聲音傳感器和駐極體聲音傳感器，具有靈敏度高、準確度高、測量范圍大以及高穩定性，該系統噪音監測采用的是駐極體聲音傳感器，另外具備的優點是采用駐極體材料，能有效避免極化電壓［9］。由于傳感器得到的電信號很微弱，在數據傳輸和處理的時候必須進行放大處理，但會造成噪聲拾取，因此，為了濾除有效音頻信號以外的噪聲信號，對信號進行濾波處理送至微處理器進行經過A/D轉換被數據采集器接受，并傳送給計算機［10］。

（5）PM2.5、PM10傳感器。PM2.5、PM10監測采用激光傳感器SDS011，激光經過散射后，能夠檢測到＜±10μg/m3+10%讀數，分辨精度在1μg/m3的懸浮顆粒物濃度，串口通信協議速率在9 600、1個起始位，8個數據位，1個停止位，對所設置的光學傳感器上面輸出的信號進行進一步的數字處理，然后測量其參數設定，結果顯示、按鍵、時間、日期等都由內置微機控制、實現［11］。

2.2 通信協議部分

針對該系統采用工作于12 V電壓并利用RS-485通信的傳感器，主從式半雙工通信，主機呼叫從機地址，從機應答方式通信，數據幀格式為1個起始位，8個數據位，1個停止位，無校驗位，工作波特率為9 600 Kb/s，消息幀包含：STA（幀起始符）、AD（地址域）、C（控制域）、LEN（數據長度域）、DATA（數據域）、CRC（校驗碼）、END（幀結束符）［7］。在通信過程中，須通過MAX3485芯片收發控制腳的電平，實現相應接口傳感器的型號收發，通信雙方都按照本數據幀的格式規范進行傳送和解析。

傳感器軟件節點包括監測節點、網關節點、上位機通信和數據庫，采集節點將各路傳感器的數據進行AD轉換［12］，發送給路由器節點，數據協議模塊采用的是MODBUS協議中的RTU方式，在RTU方式下，使用RTU該模式，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，當地址域接收到，每個設備都進行解碼以判斷是否發往自己的，在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結束，一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續的流傳輸，如果在消息幀完成之前有超過3.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個新消息的地址域［13］。

在RS-485通信網絡中，通常會使用485收發器來轉換TTL電平和RS-485電平。節點中的串口控制器使用RX與TX信號線連接到485收發器上，而收發器通過差分線連接到網絡總線，串口控制器與收發器之間一般使用TTL信號傳輸，收發器與總線則使用差分信號來傳輸。發送數據時，串口控制器的TX信號經過收發器轉換成差分信號傳輸到總線上，而接收數據時，收發器把總線上的差分信號轉化成TTL信號通過RX引腳傳輸到串口控制器中。通常在這些節點中只能有一個主機，剩下的全為從機。在總線的起止端分別加了一個120Ω的匹配電阻。

3 軟件設計

基于ASP.NET和PHP.平臺開發的Web應用，用戶通過互聯網進行訪問，實時及時獲取環境生態氣象數據信息。該系統分為3層邏輯結構：數據訪問層、業務邏輯層、頁面顯示層［13］。服務器通過數據識別，存儲在數據庫表中，基于SQL Server關系型數據庫設計生態環境氣象數據庫（侯瑞），實現空氣溫度、濕度、光照強度、CO2等信息的Web服務器存儲，數據訪問層完成最基本的數據服務，業務邏輯層實現數據查找，頁面顯示層則是授權用戶通過瀏覽器訪問當前或歷史信息并提供數據下載［14］。監測軟件具有以下功能：①實時顯示當前時刻的各個環境觀測站數據；②歷史紀錄，可以按照任意時間查詢歷史記錄以及保存生成EXCEL或PDF作為原始數據存儲；③報警記錄，當某監測數值超過設定范圍時，發出警告信息并保存記錄；④歷史曲線，通過設定任意長度時間范圍，選擇某一指標值大致區間范圍，將繪制以時間軸為橫坐標的歷史曲線［15］。

4 實驗應用

自2019年8月至今在浙江農林大學東湖校區進行全面環境監測實驗樣地布設，監測部署圖如圖2所示，標定點即代表架設儀器地方，該監測系統共布設10個無線傳感器網絡節點，覆蓋整個校區，通過網絡節點采集生態環境信息，數據處理融合到達基站，再通過GPRS傳送到上位機軟件。圖3所示是設備部署架設圖，其設備內部結構如圖4所示，生態環境氣象監測平臺主界面，用戶可通過已接入互聯網手機或PC機等遠程登錄賬號密碼查詢設備運行狀態，圖5為某一傳感器采集的一天內的數據變化曲線圖，其中圖5（a）～圖5（g）分別表示CO2、PM2.5、溫度、濕度、光照、噪聲、PM10。

圖2 校園環境監測節點部署圖

圖3 設備架設部署

圖4 設備內部結構圖

圖5 傳感器歷史曲線記錄

5 結 語

大氣環境監測儀通過前端的各氣體傳感器氣體采集氣體，將采集的信號按序通過接口協議進入無線通信節點設備DVR的獨立（DTU）傳輸通道，經處理后輸入到單元內數據采集器；采集器將采集的數據經過無線數據傳輸終端，通過中端TCP/IP網絡傳入到大氣監測平臺系統；系統按照《國家空氣監測網子站監測數據報送傳輸協議》規定的內容接收和存儲子站上傳的監測數據；將接收到的數據進行解析、存儲、處理、審核及上傳等處理工作，及時在終端平臺上進行圖形展示和數據分析。針對CO2、PM2.5、PM10、溫濕度等環境參數的野外試驗進行長期監測，設計并實現了環境監測組網系統，解決了多點、同步、長期、高效的車輛問題，具備監測、傳輸、查詢、存儲等多功能，在浙江農林大學東湖校區試驗站進行科研實驗建設，并取得良好的效果。