彭宇帆+溫華

摘 要：隨著社會整體環(huán)保意識的提高，越來越多的人們開始關注物種保護的問題。尤其是諸如中華白海豚等生活在人口稠密地區(qū)的我國特有珍惜物種。但受限于資金與技術，目前還沒有便捷有效的手段對這些珍惜物種棲息地的水體環(huán)境進行監(jiān)測。文中所述的基于ZigBee無線技術構建的水體信息實時監(jiān)測網(wǎng)絡方案就是為解決這一問題而做出的嘗試。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；水環(huán)境實時監(jiān)測；物種保護；監(jiān)測網(wǎng)絡

中圖分類號：TP39；X834 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

中國是世界上生物多樣性最豐富的國家之一。我國擁有脊椎動物6 266種，約占世界脊椎動物種類總數(shù)的10%；我國擁有高等植物三萬余種，居世界第三位。這些生物廣泛分布在我國各地區(qū)，與人類共同生活在這片土地上。過去，由于片面追求經濟效益以及對環(huán)保工作的疏忽，許多珍稀物種的棲息地遭到了人為破壞?？諝馕廴?、水污染、土壤污染和噪聲污染不僅讓許多地區(qū)的野生動植物失去了理想的家園，也嚴重影響了人類的生活質量。隨著全社會知識水平和文化素質的提高，人們越來越意識到環(huán)境保護的重要意義，而物種保護則是環(huán)境保護的一個重要方面。通過了解野生動物的生存狀態(tài)，能夠客觀了解一個地區(qū)的環(huán)境水平。例如在《中國物種紅色名錄》中就提到，一種名為金線蛙的珍稀物種就是北京地區(qū)工業(yè)污染的指示劑。通過保護一個地區(qū)的珍惜動物，就能在客觀上促進該地區(qū)的自然環(huán)境的改善，進而提高該地區(qū)人民的生活質量。

珠江口位于我國經濟發(fā)展極為活躍的珠江三角洲地區(qū)，這里不僅集中了香港、澳門兩個特別行政區(qū)，而且緊靠深圳與珠海兩個經濟特區(qū)。這里的水面上常年穿梭著各類船舶，多條繁忙的航道在此處交匯，即將通車的港珠澳大橋也坐落于此。而同時，這里也是國家一級保護動物中華白海豚最重要的棲息地之一，是中華白海豚國家級自然保護區(qū)的所在地。如何在經濟活動如此繁忙的地區(qū)做好珍惜物種的保護工作，是一大難題。

中華白海豚（Sousa chinensis）屬于鯨類海豚科，是一種水生哺乳動物，喜歡生活在咸淡水區(qū)域的淺水層，不連續(xù)的分布于印度洋和太平洋沿岸的河流入海口。和許多其它種類的鯨或海豚相似，中華白海豚也依靠回聲定位進行覓食、交流、躲避敵害等活動。由于其棲息的河流入?？诘臏\水層（深度一般不超過25 m）是人類活動最頻繁的水域，因此非常容易受到因人類活動產生的噪聲干擾。由于回聲定位系統(tǒng)的需要，白海豚的聽覺極其發(fā)達，這也使得它們對噪聲的忍耐程度很低，尤其當噪聲所在的頻段與白海豚回聲定位系統(tǒng)的頻段重合時，它們受到的干擾尤其明顯。由于回聲定位失靈而擱淺或誤入危險區(qū)域導致死亡的案例近年來屢見不鮮，這為中華白海豚的保護提出了巨大的挑戰(zhàn)。

要對中華白海豚進行保護，首先必須做到對水中噪聲的監(jiān)控。通過大范圍的實時水下噪聲監(jiān)控，可以找出對中華白海豚威脅最大的噪聲源，并精確的進行干預。但遺憾的是，這一工作始終未能很好的完成。

阻礙這一重要工作的最主要原因便是成本，由于目前主要采用人工方式監(jiān)測，而每次監(jiān)測都需要雇船出海。這種監(jiān)測方式只能勉強滿足科研需要，如果需要對整個保護區(qū)進行長期監(jiān)測，則人員與時間成本都超過了保護區(qū)的承受能力。因此，目前急需一種低成本的、高度自動化的區(qū)域監(jiān)測方式來替代原有的測量方法。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的逐漸成熟，一種基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的新型信息管理方案有望破解這一困局。

1 技術方案

1.1 適用場合

本文所論述的解決方案適用于淺水區(qū)域的水下噪聲監(jiān)測需求，需要該區(qū)域有適于在流動水體中固定探測終端的附著物。

1.2 系統(tǒng)結構

本方案的主體部分是一個基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡負責收集各終端采集的環(huán)境信息并將其發(fā)送到用戶指定的接收端。

用于信息采集的設備是麥克風及各類傳感器。麥克風可測量水下噪聲的響度，傳感器可測量水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。這些信息經綜合分析，可以反映水體的污染狀況，對比白海豚等水生生物理想的生存環(huán)境，可對它們的生存質量做出大致評估。麥克風和傳感器均與一個ZigBee終端組成一個探測單元，由一個集成了小型光伏發(fā)電設備的電池組供電。該探測單元將被固定在例如橋墩、航標等位置，每一個測量單元都根據(jù)其所處的位置編號。由于各測量單位之間均采用自動組網(wǎng)的無線通信方式，故僅需進行簡單的安放與固定工作。ZigBee技術允許終端與其它單元配合形成一個自組織的無線網(wǎng)絡，并通過ZigBee網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳輸至云端。用戶可通過智能手機或平板電腦等移動終端隨時查閱所需信息。網(wǎng)絡組網(wǎng)結構如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

本方案使用CC2430系列ZigBee芯片。該芯片采用IEEE 802.15.4標準，有兩種可選的硬件方案，其主要區(qū)別在于功率的不同以及由功率不同帶來的最大通信距離的差別。

當各探測終端與通信節(jié)點之間距離較近時，可采用普通方案。普通方案中采用的CC2430片上系統(tǒng)集成的CC2420RF收發(fā)器，經測試，在無障礙物的情況下可保證直線距離60 m內的數(shù)據(jù)傳輸。采用這種方案可降低供電設備的成本，在較為理想的情況下，其能耗完全由小型光伏發(fā)電設備提供。安裝后，在使用壽命期間無需更換電池組。

當監(jiān)測水域面積較大，且可供固定探測終端的位置相聚較遠時，或某些探測點與其它終端或通信節(jié)點之間有障礙物時，可選擇大功率路由節(jié)點。大功率路由節(jié)點在普通節(jié)點的基礎上增加了兩個設備，分別為一個CC2591射頻前端和一個為其提供能源的TPS73033模塊。經測試，大功率路由節(jié)點在無明顯障礙物的情況下可保證直線距離400 m內的數(shù)據(jù)傳輸，或可保證近距離穿透三堵約30 cm厚的混凝土墻。

1.4 網(wǎng)絡拓撲

由于目標監(jiān)測水域的情況較為復雜，也為了方便以后推廣到其它水域，本方案采用網(wǎng)狀網(wǎng)路由的方式進行網(wǎng)絡拓撲的自組織。該組織方式采用了矢量簡化算法（AODVjr），適用于水域環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸需要，在數(shù)據(jù)傳輸量較小的情況下（主要是噪聲分貝數(shù)、溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡單數(shù)值信息），保證網(wǎng)絡具有良好的健壯性。endprint

2 功能應用

2.1 數(shù)據(jù)獲取

CC2430芯片的片上系統(tǒng)自帶AD轉換模塊，可將麥克風及各類傳感器提供的電壓信號轉化成數(shù)字信號。麥克風測量到的聲音信號以5 s為一個窗口通過快速傅里葉變換轉化為頻率信號，并分別求出低、中、高頻段的分貝數(shù)，與其它傳感器測量的數(shù)值一并發(fā)送到云端儲存。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采用ZigBee技術的數(shù)據(jù)傳輸速度介于20～250 Kb/s之間，而每個傳感器每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有幾字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性可以得到有效保證。

2.3 節(jié)點分布

ZigBee網(wǎng)關可以安放在保安的監(jiān)控室內，并從那里連接英特網(wǎng)。各通訊節(jié)點或測量終端則在保證相互距離不超過400m的情況下尋找橋墩或航標位置進行固定。其中橋墩部分是測量的重點，主要用于監(jiān)控橋上重型汽車的通行是否對白海豚的生活造成影響。其中高頻段的聲音采集還可用于捕捉白海豚的回聲定位信號，可為研究大橋對中華白海豚南北遷徙的影響提供科學依據(jù)。

2.4 信息獲取

用戶可以方便的通過各種移動設備訪問云端并實時查詢目標水域的環(huán)境信息，如圖2所示。

3 技術優(yōu)勢

與以往的采用人工出海監(jiān)測的方式相比，本方案提出的利用無線傳感器網(wǎng)絡進行水域環(huán)境監(jiān)測的方法具有巨大的成本和效能優(yōu)勢，其對比見表1所列。

4 結 語

本文提供了一個水域環(huán)境實時監(jiān)測的解決方案，可用于在珠江口海域進行白海豚等珍惜水生生物的保護工作。相比過去依賴人工的監(jiān)測方式，該方案雖然在首次設備安裝方面投入較大，但卻能夠大大提高監(jiān)測效果，并在長期工作中顯著減輕人員和資金的消耗。該方案的順利實施還需要對白海豚的生活習性、耐受能力等信息進行更深入的了解與水生生物領域及環(huán)境保護領域專家們的大力協(xié)助。

參考文獻

[1] Yang L， Xu X， Huang Z， et al.Recording and Analyzing Underwater Noise During Pile Driving for Bridge Construction[J].Acoustics Australia，2015，43（2）：159-167.

[2]林文治，Leszek Karczmarski，莫雅茜，等.珠江口內伶仃洋中華白海豚標記重捕獲分析[C].第十四屆鯨豚生態(tài)與保育研討會，兩岸鯨豚研究、賞鯨與保護區(qū)管理會議，2014.

[3]張西陽，莫雅茜，林文治，等.珠江口水域中華白海豚棲息地偏向性研究[C].第十四屆鯨豚生態(tài)與保育研討會，兩岸鯨豚研究、賞鯨與保護區(qū)管理會議，2014.

[4]李金勝，周圓，程杰.基于無線傳感網(wǎng)絡的遠程水環(huán)境中參數(shù)實時監(jiān)測[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2014，4（12）：11-13.

[5]熊萬.基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2016，6（8）：11-13.

[6]趙以貴.基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的水質監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器世界，2013，19（4）：34-38.

[7]王志敏，王穎，占志鵬，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測信息融合研究[J].科技廣場，2012（3）：79-81.

[8]王詩博.基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測原型系統(tǒng)的設計[D].南京：南京郵電大學，2013.endprint