許 可，許迪文，楊潤書，黃義忠

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基于ZigBee和GIS的校園環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

許 可1，許迪文2，楊潤書1，黃義忠1

（1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

針對目前校園小環(huán)境監(jiān)測時效性偏低的問題，提出將ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GIS技術(shù)應(yīng)用到校園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中。采用以CC2530網(wǎng)絡(luò)處理器模塊為核心構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，采集校園環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合GIS平臺，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查看、分析和處理。結(jié)果表明：系統(tǒng)能對校園環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測。在監(jiān)測系統(tǒng)中引入ZigBee和GIS技術(shù)，對未來更精準(zhǔn)的監(jiān)測具有一定的指導(dǎo)意義。

ZigBee；GIS；校園環(huán)境；實時監(jiān)測

0 引言

近年來，我國科技與經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，但環(huán)境問題也越來越突出。如今，環(huán)境問題已成為當(dāng)今社會廣泛關(guān)注的問題，而解決該問題的關(guān)鍵就是環(huán)境監(jiān)測[1]。針對我國高校校園小環(huán)境的監(jiān)測，能夠幫助我們及時發(fā)現(xiàn)校園小環(huán)境存在的問題，并據(jù)此對環(huán)境問題提出科學(xué)的解決方案。

受益于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，使通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測成為可能。相比于傳統(tǒng)的人工方式進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，通過使用低功耗、低成本、低速率的短距離無線通信新標(biāo)準(zhǔn)ZigBee來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布線難、成本高以及不易擴(kuò)展等問題[2]，很適合于校園環(huán)境監(jiān)測。本文從環(huán)境監(jiān)測的角度出發(fā)，設(shè)計了一種基于ZigBee和GIS的校園環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對校園環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸該數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行即時的儲存與分析，最終實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)下的環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體方案及工作原理

本系統(tǒng)總體架構(gòu)主要由現(xiàn)場終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控中心等幾部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用自下至上的思路進(jìn)行設(shè)計，其中最基礎(chǔ)、最底層的部分就是現(xiàn)場終端節(jié)點，它負(fù)責(zé)采集校園環(huán)境中的溫度、濕度、氣壓和PM2.5的信息，采集完成后將這些數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點收集完成后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程上位機(jī)。其中，ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，因其功耗低、短距離等優(yōu)點應(yīng)用于各個領(lǐng)域[3]。它使本系統(tǒng)得以高效、便捷地傳輸數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)以后，將其導(dǎo)入access數(shù)據(jù)庫，即系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫對接收到的信息進(jìn)行分類處理。最后，基于GIS平臺搭建的監(jiān)控中心，通過調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與地圖數(shù)據(jù)，把地理位置與相關(guān)屬性信息有機(jī)地結(jié)合起來, 根據(jù)實際需要科學(xué)準(zhǔn)確、圖文并茂地輸出處理結(jié)果給用戶[4]，使得用戶可以實時監(jiān)控各個監(jiān)測點的情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分主要由太陽能供電模塊、溫濕度采集模塊、氣壓采集模塊、PM2.5傳感器模塊和CC2530網(wǎng)絡(luò)處理器模塊。其中CC2530網(wǎng)絡(luò)處理器模塊為主控芯片，太陽能供電模塊為其他各模塊提供電力來源，其余各模塊負(fù)責(zé)采集實時環(huán)境數(shù)據(jù)。圖2為系統(tǒng)硬件框圖。下面為各模塊具體介紹。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 CC2530網(wǎng)絡(luò)處理器模塊

本系統(tǒng)采用CC2530芯片作為主控芯片，它是ZigBee新一代SOC芯片真正的片上系統(tǒng)解決方案，支持IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)/Zig BeeRF4CE、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、家居及樓宇自動化、工業(yè)測控等領(lǐng)域，也是目前眾多Zig Bee設(shè)備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一[5]。CC2530的功耗低、成本低已經(jīng)組網(wǎng)靈活等特點，非常符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.2 太陽能供電模塊

本系統(tǒng)使用太陽能電池板進(jìn)行供電，由太陽能電池輸出的12V電壓的電能，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片LM7805后，可以輸出穩(wěn)定5 V電壓的電能。圖3為太陽能供電模塊原理圖。

圖3 太陽能供電模塊原理圖

2.3 溫濕度采集模塊

從測量精度、體積大小、穩(wěn)定性等幾方面考慮，本系統(tǒng)采用SHT21溫濕度傳感器，其性能相較于前一代傳感器（SHT11）有很大提升,它的測溫范圍為-40—+125℃，精度誤差為±0.3℃；濕度檢測范圍為0—100%RH，精度誤差為±2%RH，可以滿足系統(tǒng)測溫的精度需求。該芯片除了配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器外，還包含一個放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元[6]。

濕度RH轉(zhuǎn)換

溫度T轉(zhuǎn)換：

SHT21采用單總線方式通信，數(shù)據(jù)傳輸和控制均可由單總線完成。因此通過與CC2530網(wǎng)絡(luò)處理器的簡單連接便可以實現(xiàn)實時溫濕度采集。

2.4 氣壓采集模塊

為了測量環(huán)境的氣壓，本系統(tǒng)選用BMP180氣壓傳感器。它是Bosch公司退出的一款高精度數(shù)字氣壓傳感器，具有體積小、功耗低等特點。它提供了I2C接口進(jìn)行訪問，使我們可以通過簡單的連接方式將其連接至主控芯片，從而實現(xiàn)氣壓數(shù)據(jù)的采集。它的溫度測量范圍是-40℃~85℃，氣壓測量范圍是300~1100 hPa（海拔-500 m~9000 m）。

2.5 PM2.5傳感器模塊

監(jiān)測PM2.5可以對環(huán)境狀況進(jìn)行評估、根據(jù)成分分析查找污染源，從而對研究和采取有效的治理措施，減少或消除污染，保障國民健康，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義[7]。

本系統(tǒng)用于測量PM2.5指數(shù)的傳感器模塊為GP2Y1010AU0F，它是一款光學(xué)灰塵濃度檢測傳感器。它具有體積小，靈敏度高等特點，可以用它來測量0.8微米以上的微小粒子，來達(dá)到測量環(huán)境中煙氣、粉塵、花粉等濃度的目的。它的工作溫度為-10℃~65℃。

灰塵傳感器GP2Y1010AU0F的連接電路如圖4所示。

圖4 灰塵傳感器GP2Y1010AU0F的連接電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 現(xiàn)場終端節(jié)點軟件設(shè)計

現(xiàn)場終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，它與協(xié)調(diào)器節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。其軟件流程圖如圖5。現(xiàn)場終端節(jié)點在上電初始化后，會向協(xié)調(diào)器節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)，在加入網(wǎng)絡(luò)成功后，它會將自身的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。新加入的節(jié)點必須通過已存在網(wǎng)絡(luò)中的全功能設(shè)備才能成功入網(wǎng)絡(luò)，在通信范圍內(nèi)的全功能設(shè)備會請求加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后為其節(jié)點分配一個獨一無二的ID[8]。之后現(xiàn)場終端節(jié)點會進(jìn)入低功耗模式等待，當(dāng)需要傳輸數(shù)據(jù)時，它將會被喚醒并開始采集和傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成時，它會再次進(jìn)入低功耗模式等待。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，它主要負(fù)責(zé)組建ZigBee子網(wǎng)絡(luò)，接收子網(wǎng)絡(luò)下各節(jié)點發(fā)送的環(huán)境監(jiān)數(shù)據(jù)。其軟件流程圖如圖6。協(xié)調(diào)器節(jié)點在上電初始化后，開始進(jìn)行信道檢測，并新建網(wǎng)絡(luò)。新建網(wǎng)絡(luò)成功后，協(xié)調(diào)器進(jìn)入無線監(jiān)控狀態(tài)，在此狀態(tài)下等待是否有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)新節(jié)點加入時，為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，之后接收其數(shù)據(jù)并進(jìn)行上位機(jī)通信。

圖5 現(xiàn)場終端節(jié)點軟件流程圖

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是整個監(jiān)測系統(tǒng)的中樞，用于儲存系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)，并為監(jiān)測點與監(jiān)控中心之間提供了一座連接彼此的通信橋梁[9]。本系統(tǒng)面向?qū)ο筮M(jìn)行設(shè)計，選用Microsoft Office Access作為數(shù)據(jù)庫平臺，其主要有實時數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。

實時數(shù)據(jù)庫主要包括校園環(huán)境的溫濕度信息、氣壓信息和PM2.5數(shù)值。屬性數(shù)據(jù)庫主要包括現(xiàn)場采集節(jié)點的編號及其位置信息。有了這些信息，我們就可以查詢到現(xiàn)場采集節(jié)點的實時狀態(tài)，并且可以清晰地在地圖上查找到對應(yīng)節(jié)點的位置，為系統(tǒng)與GIS平臺的融合提供了數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)。

3.4 監(jiān)控中心架構(gòu)設(shè)計

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲、管理、分析、描述和應(yīng)用整個或部分地球表面與空間地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)信息的計算機(jī)系統(tǒng)。它的主要功能是實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、管理、分析、統(tǒng)計與制圖等[10]。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

感知層的環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)之所以是根據(jù)校園地理空間的功能區(qū)域進(jìn)行分布，是因為想要更為直接的觀測校園環(huán)境。各監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、顯示以及統(tǒng)計分析后形成的各種專題圖也應(yīng)是在城市空間地域上進(jìn)行的空間展布，所以系統(tǒng)應(yīng)用層的開發(fā)離不開地理信息系統(tǒng)[11]。

系統(tǒng)應(yīng)用層利用GIS技術(shù)進(jìn)行搭建，其中開發(fā)平臺選用ESRI公司的ArcGIS Server 10.2，編程平臺采用Microsoft公司的Visual Studio 2015，開發(fā)語言選用C#進(jìn)行編程。圖8為監(jiān)控中心架構(gòu)層次圖。

圖8 監(jiān)控中心架構(gòu)層次圖

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)充當(dāng)用戶與整個系統(tǒng)的交互媒介，它的主要功能有：顯示地圖、查詢數(shù)據(jù)庫得到用戶所需要的信息。作為開發(fā)平臺的ArcGIS Server 10.2支撐著整個應(yīng)用層的開發(fā)。ArcGIS Server是一個為構(gòu)建空間相關(guān)的企業(yè)級應(yīng)用的平臺，它包含一個可共享的GIS軟件對象庫(ArcObjects),能在企業(yè)和Web計算框架中建立以服務(wù)器為中心、集中式管理并以網(wǎng)絡(luò)為核心支持多用戶的GIS應(yīng)用,擁有制圖、查尋分析和地理編碼的全部功能[12]。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

考慮到ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)受距離影響較大，故在校園中100m3范圍內(nèi)選取三個采集點來進(jìn)行系統(tǒng)測試，采集點的位置信息如表1所示，其坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系。每1分鐘對環(huán)境進(jìn)行一次采集，某次檢測結(jié)果如表2所示。

表1 采集點位置信息

Tab.1 Collection point location information

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果

Tab.2 System test results

對比當(dāng)天實時氣象數(shù)據(jù)，溫度22℃、濕度28%RH、氣壓1023 hPa、空氣質(zhì)量優(yōu)，系統(tǒng)測試結(jié)果具有一定的參考意義。鑒于本系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)處理方式是采集與傳輸，傳輸過程不會對系統(tǒng)待測參數(shù)帶來誤差，故誤差主要發(fā)生在數(shù)據(jù)采集過程[13]。

隨后對GIS平臺進(jìn)行測試，經(jīng)測試，該平臺可以實現(xiàn)以下功能，平臺預(yù)覽圖如圖9。

地圖的瀏覽功能?？梢詫崿F(xiàn)對地圖的放大、縮小、移動等功能，滿足用戶對監(jiān)測環(huán)境大致情況進(jìn)行瀏覽的需求。

圖9 平臺預(yù)覽圖

現(xiàn)場終端節(jié)點定位功能。通過對節(jié)點號進(jìn)行選擇，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中各個節(jié)點的位置信息，可以實現(xiàn)對各個現(xiàn)場終端節(jié)點的位置在地圖上的定位。

實時數(shù)據(jù)查詢功能。用戶選擇需要查詢的節(jié)點后，點擊實時數(shù)據(jù)按鈕，系統(tǒng)便會通過查找系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將該節(jié)點的溫濕度、氣壓和PM2.5數(shù)值信息顯示出來。

5 結(jié)語

本文將ZigBee技術(shù)和GIS的融合，應(yīng)用到校園環(huán)境實時監(jiān)測中，通過結(jié)合ZigBee技術(shù)的靈活組網(wǎng)的特點以及GIS對數(shù)據(jù)的強(qiáng)大管理能力，實現(xiàn)了對校園環(huán)境的實時遠(yuǎn)程監(jiān)測。利用該系統(tǒng)，我們可以對校園環(huán)境進(jìn)行全天候、全方位的監(jiān)測，對未來的城市環(huán)境監(jiān)測具有一定的指導(dǎo)意義。在之后的開發(fā)中，如果能進(jìn)一步提高測量精度，將會使整個系統(tǒng)更加完善可靠。

[1] 高惠燕. 一種Zigbee環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 浙江萬里學(xué)院學(xué)報, 2008(2): 43-47.

[2] 管超, 邵小桃. 基于ZigBee的振動報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件, 2015, 36(6): 146-151.

[3] 滕志軍, 曲兆強(qiáng), 張力, 呂金玲, 薛永久, 李冠男. 基于改進(jìn)ZigBee路由算法的溫室大棚在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 45(21): 247-251.

[4] 王雙森, 韓世鵬. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)GIS在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].信息通信, 2011(3): 51.

[5] 衣翠平, 柏逢明. 基于ZigBee技術(shù)的CC2530糧庫溫濕度檢測系統(tǒng)研究[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 34(4): 53-57.

[6] Sensirion.SHT21技術(shù)手冊[EB/OL]. https://www.sensirion. com/cn/download-center/.

[7] 陳芳. 小型智能化車載PM2.5檢測系統(tǒng)[J]. 軟件, 2018, 39(2): 164-165.

[8] 楊瑞峰, 王雄, 郭晨霞, 張鵬. 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 電子器件, 2017, 40(3): 760-765.

[9] 于寶堃, 胡瑜. GIS和ZigBee技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 53(1): 211-215.

[10] 陳美伊. 基于GIS 的旅游景區(qū)虛擬實現(xiàn)技術(shù)的研究[J].軟件, 2015, 36(10): 30-32.

[11] Zhong S, Zhou L, Wang Z. Software for Environmental Impact Assessment of Air Pollution Dispersion Based on ArcGIS[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 10: 2792-2797.

[12] 吳功和, 叢明日. 基于ArcGIS Server的分布式GIS應(yīng)用[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報, 2006(1): 52-55.

[13] 沈益輝, 秦會斌. 基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件導(dǎo)刊, 2017, 16(12): 102-105.

Design of a Real-time Campus Environmental Monitoring System Based on ZigBee and GIS

XU Ke1, XU Di-wen2, YANG Run-shu1, HUANG Yi-zhong1

(1. Faulty of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

To solve the problem of low timeliness in the monitoring of campus environment, this paper put forward ZigBee network technology and GIS technology applied to campus environmental monitoring system. Using CC2530 Network processor module as the core to build the ZigBee network, this system collects the environment data in the campus, and transmit it to the system database through the network, and then combine the GIS platform to realize the view, analysis and processing of the data. The results show that the system can monitor the campus environment in real time. Introducing ZigBee and GIS technology into the monitoring system, it will be instructive for more accurate monitoring in the future.

ZigBee; GIS; Campus environment; Real-time monitoring

TP277

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.024

許可(1994-)，男，昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為3S集成與應(yīng)用；許迪文(1994-)，男，研究生，主要研究方向：控制工程與自動化裝置；楊潤書(1963-)，男，正高級工程師，主要研究方向：GPS及工程測量的應(yīng)用與研究；黃義忠(1972-)，男，副教授，主要研究方向：土地資源管理。

本文著錄格式：許可，許迪文，楊潤書，等. 基于ZigBee和GIS的校園環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件，2018，39（7）：116-120