高浩煒 繆成根 邱增玉

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能感知技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)懈鼜V泛的應用。筆者利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Arduino硬件開發(fā)平臺，嘗試搭建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線傳輸布局小、維護困難的問題，實現(xiàn)了仿真生態(tài)環(huán)境各類監(jiān)測指標數(shù)據(jù)的實時采集和應用分析。

關(guān)鍵詞：Arduino平臺;生態(tài)環(huán)境監(jiān)測;傳感器

中圖分類號：X83文獻標識碼：A文章編號：1008-4428（2019）05-0170-02

近年來，隨著現(xiàn)代社會工業(yè)文明的進步和高度發(fā)展，人們面臨的環(huán)境污染問題日益嚴峻，環(huán)境保護問題受到社會的普遍關(guān)注。特別是物聯(lián)網(wǎng)智能應用技術(shù)的迅猛發(fā)展，環(huán)境保護的措施和手段出現(xiàn)了許多新發(fā)展、新動態(tài)，如智能感知與4G/5G、Wi-Fi等無線通信方式的深度融合應用，越來越多的國家提出并測試了“智能和環(huán)保”的概念。移動終端、云存儲和物聯(lián)網(wǎng)等概念的小型化和輕量化，也為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)控與檢測等領(lǐng)域的應用提供了極大的便利，人們希望實時掌握自身生活環(huán)境狀態(tài)信息成為一種可能。因此，本文利用智能感知、無線傳輸和Arduino開發(fā)平臺，在模擬仿真生態(tài)環(huán)境下，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于智能采集和數(shù)據(jù)聚合分析的軟硬件集成應用系統(tǒng)， 進一步探索利用現(xiàn)代新興科技對生態(tài)環(huán)境實現(xiàn)智能感知、環(huán)境監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析等深度應用。

一、 物聯(lián)網(wǎng)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

（一）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過智能感知識別和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)將現(xiàn)實中海量終端聯(lián)系起來，形成的一種新型的、泛在的通信網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)主要分為感知層、傳輸層、應用層三個層次，主要利用各類機械、電子、光學傳感器，自動采集聲音、壓力、溫度、濕度等信息，將感知得到的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、信息處理設(shè)備等組合起來，通過智能處理為人類提供服務(wù)。

（二）環(huán)境監(jiān)測

實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境是解決環(huán)境污染問題的基礎(chǔ)。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的智能化和實時化是生態(tài)文明系統(tǒng)的重要組成部分。充分利用現(xiàn)代新興技術(shù)，提高監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量，監(jiān)控信息利用效率。為智能行為提供數(shù)據(jù)保障，進而提高生態(tài)文明建設(shè)的科學決策水平。

按照上述分析，筆者利用魚缸、土壤、水、金魚等，模擬構(gòu)建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，同時采用多種類型傳感器二十四小時測量環(huán)境變化的實時數(shù)據(jù)，再通過有線或無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到APP應用終端，對數(shù)據(jù)進行智能分析，如濕度、pH值、溫度和二氧化碳濃度等生態(tài)數(shù)據(jù)的智能采集;通過對實施監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析，實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和變化趨勢，可廣泛用于生態(tài)環(huán)境的污染指標預警、空氣質(zhì)量監(jiān)測、水質(zhì)安全保護、雨水酸度檢測等方面。

目前，我國生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)測應用要求主要體現(xiàn)在內(nèi)容和運行方式上。從內(nèi)容上看，要求構(gòu)建“完備設(shè)置和自動實時預警”的環(huán)境監(jiān)測體系，實現(xiàn)環(huán)境污染源監(jiān)測的全面覆蓋。從運行方式上看，要求構(gòu)建“全國聯(lián)網(wǎng)、依法追責”大數(shù)據(jù)應用平臺，實現(xiàn)生態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)共享和信息的統(tǒng)一發(fā)布。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵是制定和完善相關(guān)法律、法規(guī)和標準。相關(guān)部門及時完善環(huán)境監(jiān)測評價體系，加強生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的可比性，確保污染物排放源和各監(jiān)測機構(gòu)實施統(tǒng)一的技術(shù)標準。

二、 模擬生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

（一）硬件系統(tǒng)

1. 傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）

生態(tài)區(qū)域中設(shè)置多個固定或可移動的傳感器節(jié)點，聚合節(jié)點之間實現(xiàn)無線通信形成一個多條網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包含：傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點。傳感器節(jié)點可以充當路由節(jié)點，并將匯聚節(jié)點連接到監(jiān)控計算機。在硬件結(jié)構(gòu)中，減少傳感器模塊并添加串行通信模，其作用是協(xié)調(diào)生態(tài)區(qū)域中被監(jiān)視對象的信息感測、獲取、處理和傳輸，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心。傳感器網(wǎng)絡(luò)的顯著特點是自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲、電池功率有限、部署速度快、容錯性強、隱蔽性強等。傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量小型、低成本的通信設(shè)備組成，收集和處理相關(guān)的數(shù)據(jù)傳感器節(jié)點。

2. 路由協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程需要選用合適的路由協(xié)議。在能量的消耗方面，數(shù)據(jù)傳輸相較于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計算，消耗的能量最高。傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計通常首先提供最高質(zhì)量的服務(wù)（QoS），然后考慮能源效率。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性決定高能效路由協(xié)議無法使用傳統(tǒng)路由算法。

3. 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是指將多傳感器信息源的數(shù)據(jù)和信息進行組合，實現(xiàn)更為準確的特性估計，完成生態(tài)環(huán)境的重要性和威脅性實時、完整評估的處理過程。從物聯(lián)網(wǎng)的傳感層到應用層，各種信息的類型和數(shù)量成倍增加，并且還要增加要分析的數(shù)據(jù)量。與此同時，如何從海量數(shù)據(jù)中挖掘隱藏信息和有效數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)多個系統(tǒng)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)融合，也給數(shù)據(jù)處理帶來巨大挑戰(zhàn)。

（二）Arduino開發(fā)平臺

Arduino是一個使用方便、靈活的開源電子原型平臺。此平臺具有與 Java、 C語言相似的 Processing/ Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包括兩個部分：硬件部分是Arduino板，可用于電路連接; 另外一個則是Arduino IDE。 IDE是用戶二次開發(fā)接口，將編寫好的程序代碼燒制到Arduino電路板后，程序就可以被執(zhí)行。Arduino可以通過各種傳感器感知環(huán)境，例如通過控制光線強弱、電機和其他設(shè)備來反饋和影響環(huán)境。電路板上的微控制器可以用Arduino的編程語言來編寫程序，最終編譯成二進制文件被微控制器執(zhí)行。此外，Arduino的編程接口直觀明了，編程方法相對簡單，用戶可以控制和實現(xiàn)特定的功能。

三、 仿真生態(tài)環(huán)境的實現(xiàn)

（一）基本要求

利用Arduino的硬件平臺和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以有效、便捷的實現(xiàn)仿真生態(tài)環(huán)境設(shè)計。模擬生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器在數(shù)量和質(zhì)量方面都發(fā)揮著重要作用，對監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，應根據(jù)具體實際需求進行選擇，注意減少系統(tǒng)開銷。系統(tǒng)傳感節(jié)點可以在用戶需要時收集環(huán)境數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)設(shè)置的收集周期長度自動收集和發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)。應根據(jù)工作模式采用主動和被動隨機選擇模式。當傳感器節(jié)點被設(shè)置為路由節(jié)點時，可以同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳輸，進而擴大傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍并提高數(shù)據(jù)傳輸能力。

將光傳感器、水濁度傳感器、pH傳感器、二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器等模塊搭建在模擬生態(tài)系統(tǒng)中，并通過通信模塊相互聯(lián)系組成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便進行數(shù)據(jù)的收集與分析。運用新興智能感知術(shù)和通信技術(shù)為仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供堅實的保障。

（二）硬件選擇

1. 光傳感器

光傳感器是能夠快速感測從紫外光到紅外光的光能并將光能轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。光傳感器主要分為四種類型：紅外光傳感器、環(huán)境光傳感器、太陽光傳感器、紫外光傳感器。本實驗中主要采用的是DFRobot公司生產(chǎn)的模擬環(huán)境光傳感器LX1972?？梢姽庹丈涞捻憫匦耘c人眼的響應特性相似，可以模擬人眼對環(huán)境光強度的判斷。該傳感器的工作電壓范圍為3至5.5V，工作溫度范圍為-40至80°C，照度范圍為1至800Lux。

2. 二氧化碳傳感器

在本實驗中，使用的是DFRobot公司生產(chǎn)的高精度紅外DAC二氧化碳傳感器，其有效量程可達0至5000ppm。該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理來探測空氣中二氧化碳的含量，內(nèi)置溫度補償，具有無氧依賴性和選擇性。DFRobot紅外激光傳感器是一種高性能傳感器，結(jié)合先進的紅外吸收氣體檢測技術(shù)，精密的光路設(shè)計與電路設(shè)計。

3. pH值傳感器

pH傳感器通常用于對溶液進行工業(yè)測量。在本實驗中，使用的是DFRobot公司生產(chǎn)的模擬pH傳感器，主要包括：板載電源指示燈，BNC接口和PH2.0接口等。PH傳感器的電極采用的是玻璃電極和參比電極相組合的復合電極。它是用于測量水溶液中氫離子活性的PH測量組分，即pH值。該傳感器的工作電壓為5V，測量范圍是0至14pH，測量環(huán)境的溫度可以在0℃至60℃，響應時間小于1min。

4. 水濁度傳感器

濁度傳感器利用光學原理，通過測量溶液中的透光率和散射率，綜合測定溶液的濁度。在本實驗中，使用的是DFRobot公司生產(chǎn)的Arduino水濁度傳感器。該傳感器的精度較高且性能穩(wěn)定，可以持續(xù)較長時間記錄水濁度。 該傳感器的工作電壓為5V，工作電流40mA（MAX），響應時間可以小于500ms。 操作溫度在-30℃至80℃之間，而存儲溫度在-10℃至80℃之間。

5. 溫度傳感器

溫度傳感器是一種能夠檢測溫度并轉(zhuǎn)換成可識別信號的傳感器。溫度傳感器品類繁多。根據(jù)測量方法，它可以分為兩類：非接觸型和接觸型。本實驗采用的是BME280傳感器。BME280是一款集溫度、濕度、氣壓于一體的環(huán)境傳感器。

（三）系統(tǒng)配置要點

1. LX1972模擬環(huán)境光傳感器

使用時需注意：①模塊上有感光元件和模擬傳感器的標識，數(shù)據(jù)線的顏色對應于DFRobot擴展板。用戶插入擴展板并燒錄已編好的代碼使用。②模擬電壓在5V，工作電壓情況范圍0至3.6V。

2. 二氧化碳傳感器模塊設(shè)置

使用時需注意：①置Gravity接口使得傳感器能夠直接兼容DFRobot Arduino IO擴展板，即插即用，無須額外接線。②傳感器必須使用5V供電。③這款二氧化碳傳感器靈敏度比較高，所以會造成讀數(shù)起伏略大，可以通過若干數(shù)值取平均值的方式降低讀數(shù)的偏差。

3. pH值傳感器

使用時需注意：①第一次或長期不使用時，需要將電極球和砂芯浸入3NKCL溶液中活化8小時。②電極塞保持清潔干燥。③電極在使用時，應將陶瓷砂芯和出液膠圈去除，以使鹽橋溶液保持一定的速度。④為確保測量精度，建議使用校準溶液定期校準pH計，以防止出現(xiàn)大的誤差。

4. 水濁度傳感器

使用時需注意：①傳感器探頭頂部不防水。②該傳感器可以選擇數(shù)字信號或者模擬信號輸出，“D/A”輸出選擇開關(guān)，“A”為模擬量輸出，“D”為數(shù)字量輸出。

四、 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用的快速發(fā)展和深度應用，基于智能感知和泛在互聯(lián)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將得到更加廣泛的應用，人們將會更加方便的關(guān)注生態(tài)環(huán)境信息。本文利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Arduino硬件開發(fā)平臺，嘗試搭建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)牟季中　⒕S護困難的問題，實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境指標的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)很大程度上降低勞動力成本，進一步實現(xiàn)環(huán)境信息的全面、快捷、統(tǒng)一管理。但是，實際應用中仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要采用有線信號傳輸模式，布線比較復雜，傳輸距離受到限制，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性仍需要進一步提高。此外，現(xiàn)有監(jiān)控節(jié)點電量有限，需要人工定期更換，存在維護不便的缺點。

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作者簡介：

高浩煒，男，江蘇無錫人，江蘇警官學院計算機信息與網(wǎng)絡(luò)安全系學生;

繆成根，男，山東濟寧人，江蘇警官學院計算機信息與網(wǎng)絡(luò)安全系學生;

邱增玉，男，安徽宿州人，江蘇警官學院計算機信息與網(wǎng)絡(luò)安全系學生。