郭 強(qiáng)

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，合肥 230051)

工農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時(shí)所帶來的水域污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，不僅對(duì)水域產(chǎn)業(yè)造成威脅，也使生態(tài)環(huán)境遭受破壞。同時(shí)，一些地區(qū)由于無(wú)節(jié)制地?cái)U(kuò)大水域養(yǎng)殖范圍、一味追求產(chǎn)出量，使水域生態(tài)污染加劇，進(jìn)一步加大了生態(tài)環(huán)境的壓力[1]。為了解決這些問題，生態(tài)環(huán)保單位對(duì)大水域生態(tài)環(huán)境提出了監(jiān)督管理政策，即根據(jù)水域資源賦存生物，定期對(duì)大水域的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握區(qū)域中對(duì)環(huán)境造成威脅的相關(guān)因素，由此提出針對(duì)性的保護(hù)措施，降低生態(tài)環(huán)境的污染。盡管傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水域數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)化管理，但隨著水域養(yǎng)殖畜牧業(yè)的不斷發(fā)展，污染數(shù)據(jù)的變化速度已呈現(xiàn)出不可控趨勢(shì)。為此，在傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作實(shí)施的基礎(chǔ)上，引入無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，它屬于一種分布式網(wǎng)絡(luò)，其末梢可有效檢測(cè)與感知外部數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)通過傳感裝置進(jìn)行傳輸[2]。由于此種網(wǎng)絡(luò)具有靈活性高、連接方式無(wú)限定的特點(diǎn)，因此在獲取動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)?；诖耍疚膶?yīng)用無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，開展大水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，解決當(dāng)下水域環(huán)境監(jiān)測(cè)中存在的問題，為生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供有效路徑。

1 大水域生態(tài)環(huán)境污染現(xiàn)狀

對(duì)某大水域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境污染分析發(fā)現(xiàn)，造成大水域生態(tài)環(huán)境污染的主要原因是水體中氮氧化物質(zhì)的含量過高。其中無(wú)機(jī)氮元素的含量已超標(biāo)，與無(wú)污染水質(zhì)呈現(xiàn)嚴(yán)重不匹配的現(xiàn)狀[3]。大水域中含有大量的抗生素物質(zhì)，這種物質(zhì)不僅在水域中出現(xiàn)，也是地下污水、管道污水的構(gòu)成成分。盡管我國(guó)已根據(jù)大水域水質(zhì)的污染現(xiàn)狀提出了一些解決措施，但由于水質(zhì)變化無(wú)明顯規(guī)律，且生態(tài)單位獲取的數(shù)據(jù)缺乏時(shí)效性，導(dǎo)致目前我國(guó)大水域的水質(zhì)污染現(xiàn)狀無(wú)顯著改善。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分的主要作用是對(duì)大水域生態(tài)環(huán)境中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過ZigBee完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸，最后對(duì)不同服務(wù)器進(jìn)行管理。本系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集主要包括控制板和傳感器2種硬件設(shè)備?？刂瓢逋ㄟ^傳感器來獲取大水域生態(tài)中影響其各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)；傳感器根據(jù)需測(cè)試項(xiàng)目來具體選擇，項(xiàng)目包含：大水域生態(tài)環(huán)境的光照強(qiáng)度、空氣濕度、土壤溫度、土壤中電解質(zhì)含量等[4]。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸主要包含系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸模塊以及各個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，將通過傳感器獲取到的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的終端與路由節(jié)點(diǎn)，上傳到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)中，通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間相互配合，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的獲取和處理。最后，將其發(fā)送到相應(yīng)的管理服務(wù)器中[5]。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，服務(wù)器會(huì)為系統(tǒng)各個(gè)模塊下達(dá)不同的動(dòng)作指令，在傳輸動(dòng)作指令的過程中也同樣需要協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的相互配合。當(dāng)服務(wù)器采集到多種參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，通過上位機(jī)平臺(tái)可將數(shù)據(jù)全部進(jìn)行發(fā)布。系統(tǒng)用戶也可以通過支持的瀏覽器在線查看大水域生態(tài)環(huán)境的具體數(shù)據(jù)變化情況。

2.2 節(jié)點(diǎn)控制板選型

節(jié)點(diǎn)控制板是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的核心控制設(shè)備，包含了微處理裝置、電源控制電路以及輸入輸出接口等結(jié)構(gòu)。本文選用德國(guó)FESTO費(fèi)斯托公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CPX-FB1260-18型號(hào)總線節(jié)點(diǎn)控制器[6]。該型號(hào)節(jié)點(diǎn)控制器采用JENNIC生產(chǎn)的CPX-FB1260-18型號(hào)的Zigbee IC控制芯片，可適用于2.4 GHz 501.14.2的RF收發(fā)器；具有極高的接收靈敏度以及抗干擾性能；可編程高達(dá)5.5 dBm的傳輸功率；只需要連接較少數(shù)量的外部元器件，即可完成對(duì)大水魚生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸；8 mm×8 mm的Zigbee封裝；主動(dòng)模式RX下的功耗為25 mA，主動(dòng)模式TX下的功耗為28 mA，供電模式下的功耗為0.3 mA，睡眠供電模式下的功耗為1.5 μA；具備代碼預(yù)取功能的低功耗微控制器內(nèi)核；支持各類硬件的自主調(diào)試功能。CPX-FB1260-18型號(hào)總線節(jié)點(diǎn)控制器除Zigbee無(wú)線網(wǎng)上協(xié)議通信功能以外，還具備對(duì)傳感器裝置的基本控制功能[7]。將控制板連接無(wú)線傳感器終端位置上，通過建立與各個(gè)傳感器裝置的接口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)其數(shù)據(jù)采集的控制。

CPX-FB1260-18型號(hào)總線節(jié)點(diǎn)控制器中的微處理裝置，采用高性能、低功耗的32位微控制器，在一個(gè)時(shí)鐘周期當(dāng)中可以獲得超過2 MIPS(Million Instructions Per Second，單字長(zhǎng)定點(diǎn)指令平均執(zhí)行速度)的數(shù)據(jù)吞吐量。在開發(fā)系統(tǒng)的過程中，可以在功耗與處理速度之間快速的找出最優(yōu)方案[8]。除此之外，微處理裝置當(dāng)中還嵌入了3.2 GHz ISM頻段低功耗的收發(fā)裝置，具備-250 dBm的接收靈敏度，發(fā)送功率為6.5 dBm，數(shù)據(jù)的傳輸速率可從原本的240 Kb/s提升到2.5 Mb/s，可應(yīng)用在ZigBee低速、短距離的傳輸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議當(dāng)中。

節(jié)點(diǎn)控制板中的電源管理模塊采用外部直流電源提供電量，并結(jié)合USB充電和VIN管腳連接的供電方式。其中主要供電部分為外部直流電源，提供電壓為6～15 V。在停電狀態(tài)下，USB充電可提供4 V電壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 無(wú)線傳感器選型

本系統(tǒng)采用接口形式的連接傳感器模塊，增強(qiáng)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)的靈活性與復(fù)用性。將主機(jī)與被控對(duì)象信息交換場(chǎng)所以插槽形式引出，并在電路板當(dāng)中設(shè)置+15 V電源插槽結(jié)構(gòu)和4.4 V電源插槽，為外接傳感器提供所需的工作電流[9]。選用SJF56-4110高性能型號(hào)傳感器，該傳感器當(dāng)中內(nèi)置MDU-1205芯片，作為傳感器的復(fù)合型芯片能夠有效提高系統(tǒng)對(duì)大水域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)精度。表1為SJF56-4110型號(hào)高性能傳感器的各項(xiàng)參數(shù)。

表1 SJF56-4110型號(hào)高性能傳感器各項(xiàng)參數(shù)

綜合表1中的內(nèi)容，SJF56-4110型號(hào)傳感器可以滿足本系統(tǒng)對(duì)大水域生態(tài)環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該傳感器當(dāng)中共包含12個(gè)引腳，其中1個(gè)用于接地，3個(gè)用于輸入4.4 V電源，其余引腳分別用于數(shù)字接口的輸入與輸出、模擬電壓的輸出以及內(nèi)部接地[10]。根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用SJF56-4110型號(hào)高性能傳感器的數(shù)字輸入輸出方法，通過控制板為傳感器提供+4.4 V的電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 解析與轉(zhuǎn)化生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)

考慮到使用節(jié)點(diǎn)控制板對(duì)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可能存在空間數(shù)據(jù)表達(dá)誤差[11]，因此引入無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，將獲取的生態(tài)環(huán)境原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化空間數(shù)據(jù)。此過程需要遵循網(wǎng)絡(luò)中ZigBee數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，對(duì)大水域中涉及的生態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。

處理過程中，應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)中組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)與傳感器獲取的生態(tài)數(shù)據(jù)所屬周期是一致的，在解析生態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，可同步建立大水域區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)無(wú)線通信路徑，邊獲取數(shù)據(jù)邊增加數(shù)據(jù)包信息，使無(wú)線傳感網(wǎng)終端的串口數(shù)據(jù)具備一定的時(shí)效性。根據(jù)上述過程分析，將數(shù)據(jù)解析與傳輸?shù)倪^程表示為：

(1)

根據(jù)式(1)選取計(jì)算后的大水域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)集合中與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的同名點(diǎn)[12]。建立以網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信模型，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組建方式自由的特點(diǎn)，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的再搭建，將搭建好的數(shù)據(jù)環(huán)境，轉(zhuǎn)換為以數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)求和文件。此過程可由式(2)表示。

(2)

式中：Ej為生態(tài)環(huán)境信息在大水域中的分布；k為原始數(shù)據(jù)集合；j為水域中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合；n為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化次數(shù)。根據(jù)式(2)，利用無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)增加或者減少的特點(diǎn)，完成對(duì)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)化。

3.2 大水域生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

由于大水域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化影響因素眾多，針對(duì)其特征，將其劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)2種類型[13]。根據(jù)上述對(duì)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的解析處理，同步參考生態(tài)環(huán)境體制建設(shè)框架，可知靜態(tài)數(shù)據(jù)為硬件設(shè)備可直接測(cè)得的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為需要社會(huì)多種因素統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)?；诖?，給出如表2所示的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)允許范圍。

表2 生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)允許范圍

根據(jù)表2中對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)允許監(jiān)測(cè)范圍，結(jié)合大水域生態(tài)資源的賦存量，引入生態(tài)指數(shù)模型，結(jié)合多種因素對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響，執(zhí)行監(jiān)測(cè)行為，記錄數(shù)據(jù)波動(dòng)情況。

自然因素中氣候條件是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要影響因素，其中降水量、氣候溫度、地表溫度等氣象因子對(duì)于生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化影響較大[14]。因此，可將平均氣溫、降水量、地表溫度以及平均濕度變化作為主要自然因素，分析氣象因子的變化情況得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過對(duì)區(qū)域水域污染源進(jìn)行監(jiān)控，包括工業(yè)生產(chǎn)排放物質(zhì)、礦山開采中垃圾排放量等，獲取大水域區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，此過程應(yīng)注意生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的合理性，并對(duì)閉合性水域進(jìn)行填充[15]。在此基礎(chǔ)上將獲取的空間環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊，刪除重疊區(qū)域數(shù)據(jù)，重構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集合，以此實(shí)現(xiàn)大水域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)以某水域生態(tài)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該大水域面積為31 615 m2，與該水域連接的河流和湖泊數(shù)量共32個(gè)，并且附近還建有3個(gè)大型水庫(kù)，因此該大水域生態(tài)環(huán)境對(duì)于該區(qū)域周圍的生產(chǎn)、生活具有重要影響作用，具有一定的監(jiān)督價(jià)值。利用此次設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該大水域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)系統(tǒng)以基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的大水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中均使用Windows10為實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，設(shè)定節(jié)點(diǎn)控制板硬件設(shè)備運(yùn)行參數(shù)為：控制周期為5 min，控制頻率為15.4 Hz，控制額定電壓為5.5 V；無(wú)線傳感器硬件設(shè)備運(yùn)行參數(shù)為：無(wú)線傳感器讀取信號(hào)頻率為13.5 Hz，讀取生態(tài)信號(hào)時(shí)間為100 min，最小誤差為0.01。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為240 h，監(jiān)測(cè)周期為10 h，設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)200個(gè)，即每10 h系統(tǒng)要對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)過程中對(duì)2個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)以漏監(jiān)數(shù)量作為結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。

表3 2種系統(tǒng)漏監(jiān)數(shù)量對(duì)比

從表3可以看出，本系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)；傳統(tǒng)系統(tǒng)則存在大量漏監(jiān)情況。說明本系統(tǒng)更適合大水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)漏監(jiān)的原因可能包括：1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置問題；2)數(shù)據(jù)傳輸不流暢；3)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化能力較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化；4)其他不可控的干擾因素。本系統(tǒng)漏監(jiān)原因主要是不可控的干擾因素，而傳統(tǒng)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的問題，在本系統(tǒng)中得到較好解決。