姚仲敏，孫彩蘋，丁　海，逢世良(.齊齊哈爾大學(xué) 通信學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 6006；.黑龍江扎龍國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，黑龍江 齊齊哈爾 6000)

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生態(tài)養(yǎng)殖

基于物聯(lián)網(wǎng)的扎龍濕地鶴巢環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

姚仲敏1，孫彩蘋1，丁海1，逢世良2(1.齊齊哈爾大學(xué) 通信學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江扎龍國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

[摘要]以往扎龍濕地對鶴巢的研究只涉及了巢址的選擇與分布情況，而鶴巢環(huán)境的監(jiān)測卻出現(xiàn)了空白。扎龍濕地環(huán)境的監(jiān)測并不能準(zhǔn)確反映鶴巢環(huán)境情況，且監(jiān)測手段存在取樣難、周期長、滯后性等不足。本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的鶴巢環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由鶴巢附近的無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、無線路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)測中心組成。通過無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對鶴巢周邊環(huán)境參數(shù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理、匯總，并通過公共網(wǎng)絡(luò)3G及時的傳輸給由Java技術(shù)和百度地圖搭建的上位機(jī)監(jiān)測中心。該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、實(shí)時性好、組網(wǎng)靈活、跨平臺等優(yōu)點(diǎn)，滿足了現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)的需求，適合于大面積濕地鶴巢環(huán)境的長期在線監(jiān)測。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)；鶴巢；Zigbee；Java技術(shù)；百度地圖

物聯(lián)網(wǎng)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了集傳感信息技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)三者為一體的能夠覆蓋世界上萬事萬物的智能網(wǎng)絡(luò)。由于具有上述三者的特征，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、交通、物流、醫(yī)療、電網(wǎng)等，且具有成本低和實(shí)時監(jiān)測功能等優(yōu)勢[1]。

扎龍自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省齊齊哈爾市東南30 km處，總面積2 100 km2，1992年被列入國際重要濕地名錄,是世界重要濕地之一，也是我國一級保護(hù)鳥類丹頂鶴最重要的集中繁殖棲息地[2]。丹頂鶴2001年被列入《亞洲鳥類紅皮書》，屬于世界級瀕危物種[3]，且在濕地生態(tài)系統(tǒng)中處于食物鏈頂層，因而它在濕地生物多樣性保護(hù)中已成為關(guān)鍵種，也是濕地環(huán)境動態(tài)變化最敏感和最明顯的生物指示物種[4]。丹頂鶴與濕地的關(guān)系極為密切，繁殖、覓食、棲息都在濕地中進(jìn)行，并且?guī)缀醵技性? 000 km2的核心區(qū)[2]，繁殖棲息一般都從每年的3月末4月初開始，在10月末11月初進(jìn)行遷徙，在為期長達(dá)7個月的繁殖棲息時主要在以鶴巢為中心的附近范圍內(nèi)進(jìn)行，加上它們在選擇繁殖棲息地時表現(xiàn)出懷舊情結(jié)，同一配偶越冬后返回其原繁殖區(qū)域時常常會利用上一繁殖季節(jié)占據(jù)的領(lǐng)域，巢址也大致選擇在前一年的位置[5-6]。但隨著工業(yè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多的生態(tài)問題，如水污染嚴(yán)重、濕地大量缺水，近年來還連續(xù)遭遇了1998年嫩江大洪水與2001年持續(xù)3個月的大火，對丹頂鶴生存產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。鶴巢周邊環(huán)境的良好與否對于丹頂鶴的繁殖與續(xù)存具有重要的影響?？梢娭粚Τ仓返倪x擇與分布的研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，有必要對鶴巢周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，以保證生物多樣性和濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的三層技術(shù)架構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計的，這三層技術(shù)架構(gòu)分別是：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要由各種傳感器、無線傳感網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)組成，負(fù)責(zé)信息的采集。網(wǎng)絡(luò)層主要由局域網(wǎng)、無線和有線通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等組成，主要負(fù)責(zé)感知層信息的傳遞與處理。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，將網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)處理成用戶所需的信息，為用戶提供具體的服務(wù)。該系統(tǒng)的流程是：在扎龍核心區(qū)以鶴巢為基點(diǎn)在其周圍布置若干無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集鶴巢周圍的空氣、水質(zhì)、土壤等各種參數(shù)，通過無線路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將匯總的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給濕地管理部門的上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，監(jiān)測中心將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后展現(xiàn)給濕地管護(hù)人員。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件主要由1個協(xié)調(diào)器、若干個路由節(jié)點(diǎn)和若干個終端節(jié)點(diǎn)組成。由于需要在核心區(qū)大面積的布置節(jié)點(diǎn)，這些硬件設(shè)備必須滿足低功耗、低成本、傳輸距離遠(yuǎn)、安全性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。鑒于上述要求，本系統(tǒng)選用以JN5139模塊為核心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。JN5139是Jennic公司推出的高性能、低功耗的無線Soc芯片，內(nèi)部集成了一個32位的RISC處理器、2.4 GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器，192 kB ROM和96 kB RAM,提供了豐富的接口，可以滿足不同的應(yīng)用需求[7]。

2.1終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、信號采集模塊、JN5139模塊組成。多種環(huán)境指標(biāo)傳感器放置于指定鶴巢的周圍，對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的采集，如空氣溫濕度，水體的pH、水位等，這些傳感器對原始信號采集后通過JN5139模塊處理后經(jīng)無線鏈路發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)的硬件除部分與終端節(jié)點(diǎn)不同外。它們的區(qū)別主要在軟件部分。

為了采集鶴巢周邊環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)采用了空氣溫濕度傳感器、水位傳感器、pH傳感器，傳感器器件參數(shù)如表1所示：

2.2協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的硬件電路一部分與終端節(jié)點(diǎn)的大體相同，只是不需要有關(guān)傳感器及其采集模塊，另一部分是要增加ZigBee與3G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊。它不僅是整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)中心，而且還承擔(dān)了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換功能。協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)將路由器發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù)匯集，通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫。

表1　傳感器參數(shù)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括下位機(jī)(Zigbee無線部分)和上位機(jī)軟件(遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心)設(shè)計兩部分。

3.1Zigbee無線部分

Zigbee無線部分的軟件設(shè)計主要包括主節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計與終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計。主節(jié)點(diǎn)在初始化網(wǎng)絡(luò)的時候起到了重要的作用，負(fù)責(zé)構(gòu)建及啟動網(wǎng)絡(luò)。主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是選擇能量最弱的信道，建立一個網(wǎng)絡(luò)，允許終端節(jié)點(diǎn)的加入并對其進(jìn)行地址的分配，隨后將接收終端節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)并將其傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。終端節(jié)點(diǎn)主要用于數(shù)據(jù)的采集與控制信號的輸出，其軟件設(shè)計的主要任務(wù)是搜索信道進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)的查找，找到主節(jié)點(diǎn)后加入網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。主節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖2所示。

3.2上位機(jī)監(jiān)控中心

圖2主節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)流程圖

Fig.2Flow chart of master node and end node

上位機(jī)監(jiān)控中心采用了基于Servlet的MVC框架進(jìn)行設(shè)計，此框架被廣泛應(yīng)用于Web系統(tǒng)的開發(fā)[8]。實(shí)現(xiàn)了表現(xiàn)層(View)、控制器層(Controller)、模型層(Model)之間的分離，使得三層之間保持了松散的耦合，提高了系統(tǒng)的低耦合性、靈活性、復(fù)用性以及可維護(hù)性。表現(xiàn)層主要由jsp頁面組成，jsp是一種動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)[9]，是在傳統(tǒng)的靜態(tài)頁面的基礎(chǔ)上加入了java代碼，通過EL表達(dá)式和JSTL語言方便的實(shí)現(xiàn)了與服務(wù)器端數(shù)據(jù)的交互。在表現(xiàn)層中分別實(shí)現(xiàn)了鶴巢環(huán)境參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，歷史數(shù)據(jù)的列表與曲線圖顯示。控制器層使用了Servlet技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)功能的調(diào)度，且必須要對web.xml進(jìn)行配置。模型層主要是由Service和Dao模式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在開發(fā)上述監(jiān)控系統(tǒng)時，使用了MyEclipse10開發(fā)工具，開源的Mysql數(shù)據(jù)和Tomcat服務(wù)器。

3.2.1鶴巢環(huán)境參數(shù)的實(shí)時顯示為了更形象直觀的了解鶴巢的環(huán)境信息，本文使用了百度地圖API進(jìn)行開發(fā)，它是一套免費(fèi)向開發(fā)者提供的由JavaScript語言編寫的應(yīng)用程序接口[10]。用戶只需要申請百度密匙即可進(jìn)行開發(fā)。在開發(fā)的時候，將地圖中心鎖定到扎龍自然保護(hù)區(qū)并調(diào)整適當(dāng)?shù)牡貓D比例且禁止雙擊放大地圖的操作，以提高用戶體驗(yàn)。通過帶GPS定位的智能手機(jī)獲取鶴巢的經(jīng)緯度并在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，并將鶴巢編號作為每個標(biāo)注的文本標(biāo)注。當(dāng)管護(hù)人員點(diǎn)擊相應(yīng)的標(biāo)注時，會彈出一個信息窗口，用以顯示標(biāo)注所對應(yīng)的鶴巢當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)的值，若有參數(shù)超出所設(shè)定的上下限值，則相應(yīng)的標(biāo)注圖標(biāo)會變?yōu)閳缶瘓D標(biāo)，且在信息窗口也有相應(yīng)的提示。核心代碼如下：

var map=new BMap.Map(“container”);//實(shí)例化地圖var marker = new BMap.Marker(newBMap.Point(longlatArray[i][0]),longlatArray[i][1]);//創(chuàng)建標(biāo)注map.addOverlay(marker);//把標(biāo)注添加到地圖上var options = {url : '數(shù)據(jù)請求的網(wǎng)址',method : 'post',data : 發(fā)送請求時攜帶的數(shù)據(jù),success : function(jsonObj){數(shù)據(jù)返回成功時進(jìn)行的操作}}//拼裝發(fā)送ajax請求的數(shù)據(jù)$.ajax(options);//發(fā)送ajax請求marker.addEventListener(“click”, function(e) {openInfo(scontent, e)});//點(diǎn)擊標(biāo)注打開信息窗口

本研究以9個ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，包括1個協(xié)調(diào)器、2個路由器和6個終端節(jié)點(diǎn)，6個終端節(jié)點(diǎn)分別對應(yīng)6個鶴巢。為了驗(yàn)證報警功能，在鶴巢1對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處制造了人為環(huán)境，使周邊的溫度急劇上升到所設(shè)定的預(yù)警值。鶴巢環(huán)境參數(shù)實(shí)時顯示結(jié)果如圖3 所示左(報警情況)和右(正常情況)：

3.2.2鶴巢環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)列表顯示 在歷史數(shù)據(jù)列表顯示頁面中，管護(hù)人員可以輸入要查詢的鶴巢編號和查詢的日期，即可在頁面中將對應(yīng)天的數(shù)據(jù)顯示出來，并在此基礎(chǔ)上完成了數(shù)據(jù)的分頁，以供管護(hù)人員方便的查看相關(guān)數(shù)據(jù)。在頁面端主要進(jìn)行了表格布局，使得數(shù)據(jù)顯示更加規(guī)整。核心代碼如下：

queryBut.onclick = function(){

var nodeNum = $(“#nodeNumId”).value;

var gatherDate = $(“#gatherDateId”).value;

var url =“xxxxx?querynodeNum=”+nodeNum+“&querygatherDate=”+gatherDate;

window.location = url;}//點(diǎn)擊查詢按鈕到Servlet端進(jìn)行相關(guān)的查詢

//在頁面端解析服務(wù)器返回來的數(shù)據(jù)

圖3　實(shí)時數(shù)據(jù)顯示情況

圖4歷史數(shù)據(jù)列表顯示

Fig.4List of historical data

歷史數(shù)據(jù)列表顯示如圖4所示:

3.2.3鶴巢環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)曲線顯示在開發(fā)歷史數(shù)據(jù)曲線顯示的頁面時，采用了基于HTML5 canvas技術(shù)的Chart.js框架，該框架是為設(shè)計者和開發(fā)者準(zhǔn)備的簡單的、面向?qū)ο蟮膱D表繪制工具庫。在該頁面中，管護(hù)人員只需要輸入查詢?nèi)掌?、小時、鶴巢編號，點(diǎn)擊加載數(shù)據(jù)就可以把一個小時之內(nèi)時間間隔為5分鐘的全部數(shù)據(jù)以曲線的形式展現(xiàn)出來。核心代碼如下：

//引入Chart.js庫

var ctx = document.getElementById(“canvas”).getContext(“2d”);//為實(shí)例化chart對象做準(zhǔn)備/*var data1 = new Array();

data1.push(“${wetlandNode.temp}”);

*/將服務(wù)器端返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并放在相應(yīng)的數(shù)組中

var lineChartData = {labels : tlabels,datasets :[{曲線配置data:data1},......]}//組裝曲線圖的數(shù)據(jù)window.myLine = new Chart(ctx).Line(lineChartData, {responsive: true});//把上述數(shù)據(jù)展現(xiàn)在曲線圖上

歷史數(shù)據(jù)曲線顯示如圖5所示：

圖5　歷史數(shù)據(jù)曲線顯示

4展望

本文提出的鶴巢環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在硬件上采取了基于JN5139的無線Zigbee模塊，填補(bǔ)了鶴巢環(huán)境監(jiān)測的空白，同時還為避免濕地環(huán)境監(jiān)測時現(xiàn)場布線、采樣難、周期長、滯后性等問題提供技術(shù)參考。系統(tǒng)軟件平臺采用開源的Java技術(shù)，不但可以設(shè)計出友好的用戶界面，開發(fā)的系統(tǒng)還具有一定的擴(kuò)展性和跨平臺性等優(yōu)點(diǎn)。它的低成本與穩(wěn)定性為進(jìn)一步的推廣提供了可能，必將有廣闊的應(yīng)用前景。但由于濕地面積比較大，因此有必要繼續(xù)研究傳輸距離更遠(yuǎn)的無線模塊以改善現(xiàn)在的情況，同時，現(xiàn)在對鶴巢的監(jiān)測只涉及到了微觀的環(huán)境監(jiān)測，如果能夠通過視頻或圖片查看每個鶴巢的情況以了解鶴的生活習(xí)性也是很有價值的，所以對鶴巢的宏觀研究也是下一步要做的工作。

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Design of Crane Nest Environmental Monitoring System in Zhalong

Wetlands Based on Internet of Things

YAO Zhong-min1，SUN Cai-ping1, DING Hai1，PANG Shi-liang2

(1.CommunicationEngineeringInstitute,QiqiharUniversity,Qiqihar,Heilongjiang, 161006,China;

2.HeilongjiangZhalongNationalNatarePeserveAdministration，QiqiharHeilongjiang,161000,China)

Abstract:The previous researches on crane nests in Zhalong wetlands only involve the nest site selection and distribution, leaving the crane nest environmental monitoring a blank. The environmental monitoring in Zhalong wetlands can not accurately reflect the crane nest environmental monitoring conditions, and the monitoring methods have the shortages of sampling difficulty, long cycle, and hysteresis and so on. Therefore, the crane nest environmental monitoring system based on the Internet of Things has been designed in this article, which is composed by wireless monitoring nodes nearby crane nest, wireless routing nodes, gateway nodes and remote PC monitoring center. Through wireless monitoring nodes, parameters of crane nest surrounding habitat were collected, data were processed via Zigbee network，and transmitted timely through the public 3G network to the monitoring center of the upper machine constructed by Java technology and Baidu Map. The system has the advantages of low cost, low power, real-time performance, flexible networking and cross-platform, which meets the needs of the modern monitoring system and is suitable for crane nest environmental on-line monitoring in large areas of wetlands for a long time.

Key words:Internet of Things; crane nest; Zigbee; Java technology; Baidu Map

[文章編號]1005-5228(2015)12-0067-05

[中圖分類號]S811.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[作者簡介]姚仲敏(1959-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，學(xué)士，教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)。E-mail：858249013@qq.com

[基金項(xiàng)目]齊齊哈爾市科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目支助(GyGG-201106)

*[收稿日期]2015-06-15修回日期：2015-07-01