黃東棟，程 莉，黨晶晶

武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

現今，我國經濟迅猛發(fā)展的同時，環(huán)境也遭受著嚴重的破壞，每天都有大量的污染物產生。比如，農村發(fā)展滯后，導致小型化肥廠、農藥廠等都存在著嚴重的空氣質量隱患；大型畜牧業(yè)畜牧場地使用的環(huán)境數據監(jiān)測器材落后、監(jiān)測不到位，導致畜養(yǎng)成本增加、收入下降；鋼鐵行業(yè)、化工行業(yè)、火力發(fā)電行業(yè)等由于環(huán)境監(jiān)測不到位，每天都在向空氣中排放大量的污染物，因此對環(huán)境的監(jiān)測與保護顯得越發(fā)重要。

早前，人們對溫度、濕度、二氧化硫等環(huán)境參數的監(jiān)測只能用溫度計、濕度計、二氧化硫監(jiān)測儀等單一設備，不能實時，常常需要實地觀察結果；后來出現了數字測量儀，對環(huán)境數據的監(jiān)測可以形成采樣、分析、數據處理三步的多節(jié)點采樣分析，但這些現有的設備仍然存在著不能實時監(jiān)測、多節(jié)點分析等問題。

因此，研究一套能夠多參數、實時傳輸、多節(jié)點分析的現代化物聯網環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)顯得非常必要。隨著互聯網技術的快速發(fā)展，智能技術與物聯網技術已經成為新一代信息技術研究的熱點。2014年南京大學課題組設計了一套基于物聯網技術的遠程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［1］，利用SHT11溫濕度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫濕度，將監(jiān)測到的數據通過ZigBee［2-5］模塊傳給嵌入式網關系統(tǒng)，嵌入式網關部分驅動LCD屏幕顯示動態(tài)溫濕度曲線；2017年吉林農業(yè)大學實驗室設計了一套基于物聯網的糧食倉庫遠程監(jiān)測系統(tǒng)［6］，對糧倉的溫度進行實時監(jiān)測，遠程觀察。以上研究雖然較最初的環(huán)境監(jiān)測方法完善且方便許多，但是在多參數同時監(jiān)測、實時監(jiān)測、多節(jié)點數據分析、遠程便捷管理上仍存在不足。

本文研究的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將無線通信技術、嵌入式技術、物聯網技術有機結合，智能控制和管理各類傳感器的數據采集、傳輸、分析，實現了多參數同時管理、監(jiān)測實時、多節(jié)點分析、PC客戶端管理多個優(yōu)點，滿足人們對環(huán)境監(jiān)測的簡單化、智能化需求，具有廣泛的應用價值與發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)使用達盛科技物聯網試驗箱作為環(huán)境參數采集器，系統(tǒng)工作原理如圖1（a）所示，試驗箱中的每個傳感器對監(jiān)測系統(tǒng)都相當于一個監(jiān)測設備，對環(huán)境參數進行采集，然后將采集到的數據通過無線Zigbee上傳到服務器，PC獲取存儲的數據最后進行分析處理。

監(jiān)測系統(tǒng)主要由數據采集、傳輸、控制三個部分組成，系統(tǒng)硬件結構如圖1（b）所示。

圖1 系統(tǒng)：（a）工作原理圖；（b）硬件結構圖Fig.1 System：（a）Working principle；（b）Hardware structure

1.1 服務器與客戶端數據傳輸單元

PC客戶端登陸和初始化后，程序設計模塊將節(jié)點信息通過服務器下載到本地，PC客戶端得到這些節(jié)點信息并根據每個節(jié)點的標識號來操作不同的節(jié)點，通過調用程序設計模塊函數來發(fā)送各種請求。程序設計模塊把對應的請求根據已設定的協(xié)議編譯成請求數據報并發(fā)送給服務器。服務器得到請求之后根據協(xié)議將數據發(fā)送給程序設計模塊，程序設計模塊接收數據后再把數據過窗口消息傳遞給PC客戶端。通信如圖2所示。

圖2 通信過程Fig.2 Communication process

1.2 無線Zigbee傳輸單元

物聯網中一般用到的無線傳輸技術有藍牙、2.4 GHz無線技術、WiFi、ZigBee、紅外等，本系統(tǒng)使用ZigBee。ZigBee技術是一種低復雜度、低功耗、低成本、低傳輸速率的雙向無線通信技術，它基于IEEE802.15.4標準［7-10］，其優(yōu)勢有：成本低、功耗小、大容量、自動組網、安全。系統(tǒng)Zigbee傳輸單元中的協(xié)調器電路如圖3所示。

1.3 PC客戶端數據處理單元

PC端是所有數據的處理端，PC端數據處理流程如圖4（a）所示，首先處于監(jiān)聽檢測狀態(tài)，一旦有鏈接請求就捕捉鏈接IP和端口，然后接收數據并檢測數據包、解析數據包；數據校驗失敗就重新發(fā)送數據。

圖3 Zigbee協(xié)調器電路圖Fig.3 Zigbee coordinator circuit

圖4 流程圖：（a）數據處理；（b）協(xié)調器節(jié)電程序；（c）中斷節(jié)點程序Fig.4 Flowcharts：（a）Data processing；（b）Coordinator power-saving program；（c）Interrupt node program

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要有Zigbee協(xié)議棧部分和PC客戶端軟件設計部分。Zigbee協(xié)議棧部分包括Zigbee協(xié)調器節(jié)點程序設計和終端程序設計，主要完成將終端節(jié)點的數據通過無線順利傳送到服務器。PC客戶端軟件設計部分主要包括WinForm窗體程序設計，主要完成終端控制操作和數據結果顯示。

2.1 協(xié)調器節(jié)點程序設計

經過上電后的檢測以及初始化后，系統(tǒng)自動選擇一個合適信道建立網絡。當收到其他節(jié)點加入網絡時，若地址未滿，自動為節(jié)點分配網絡地址。節(jié)點成功加入網絡后便向協(xié)調器定時發(fā)送數據，協(xié)調器將數據轉發(fā)給PC端，程序流程圖如圖 4（b）所示。

2.2 終端節(jié)點程序設計

終端主要完成采集數據的發(fā)送，終端節(jié)點從控制模塊接收傳感器采集的數據并將其轉發(fā)給協(xié)調器。首先，終端節(jié)點發(fā)現合適的網絡并向協(xié)調器發(fā)送加入網絡的請求。加入成功后，便會周期性地將數據發(fā)送給協(xié)調器。程序流程圖如圖4（c）所示。

2.3 PC客戶端軟件設計

PC客戶端軟件設計部分主要完成終端控制操作和數據結果顯示。首先是采用C#［11-15］WinForm窗體程序設計進行登陸界面的設計，登陸驗證流程如圖5所示，包括登錄信息判斷是否為空、系統(tǒng)連接數據驗證登錄信息；然后是控制界面以及數據顯示部分的設計，包括溫度、光照檢測，多采樣模式和單采樣模式。

圖5 登陸驗證流程圖Fig.5 Login verification folwchart

3 結果測試與總結

3.1 PC端登陸測試

按照登陸流程，輸入賬號和密碼進行登陸測試，首先進行空登陸測試，無法登陸；然后進行賬號和密碼正確輸入登陸測試，結果顯示登陸成功。

3.2 環(huán)境參數監(jiān)控測試

3.2.1 溫度監(jiān)測 選擇溫度測試，然后選擇多次連續(xù)采樣（即多節(jié)點采樣）。在試驗箱附近放置溫度計，測試實際溫度，進行數據對比，結果分析如表1所示，溫度誤差率均小于0.01，本系統(tǒng)測試結果與事實相符，達到預期的溫度參數多節(jié)點、實時測試效果。

表1 溫度測試分析Tab.1 Temperature testing analysis

3.2.2 光照強度監(jiān)測 選擇光照強度測試，然后選擇多次連續(xù)采樣（即多節(jié)點采樣）。在試驗箱附近放置專門的光照強度測試儀，測試實際的光照強度，進行數據對比，結果如表2所示，光照強度誤差值都小于6，誤差率小于0.02，本系統(tǒng)測試結果與實時相符，達到預期的光照強度參數多節(jié)點、實時測試效果。

表2 光照強度測試分析Tab.2 Light intensity testing analysis Lx

4 結 語

基于物聯網的環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)將無線通信技術、嵌入式技術、物聯網技術有機結合，利用服務器強大的數據存儲和分析優(yōu)勢，對環(huán)境中多個參數進行快速遠程監(jiān)控和多采樣分析，達到了對環(huán)境參數的快速、準確、科學監(jiān)控。另外，通過以上可靠性結果分析，該方案監(jiān)測數據誤差極小，誤差率均小于0.02。表明該系統(tǒng)設計方案成功，有較好的實用價值和推廣潛力。

另外，在本系統(tǒng)的基礎上，在數據采集模塊添加更多的例如二氧化硫傳感器、放射性物質傳感器等，可以達到更多環(huán)境參數的實時監(jiān)測分析。

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