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基于Z－Stack的无线温湿度采集系统
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基于Z－Stack的无线温湿度采集系统
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0引言在现代工农业生产中，进行环境的温湿度检测是必不可少的内容。目前，很多场合的测温湿系统采用的还是传统的有线测温湿度设备，传统的多点分布式温湿度测量系统采用有线传输方式，需要在现场进行大量布线，这给系统的布设、维护和更新升级带来诸多不便。ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.1 5.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。它使用2.4GHz波段，采用调频及扩频技术，具有短时延、网络容量大等特点。Z igBee无线网络主要是为工农业现场自动化控制数据传输而建立。本文设计了一种基于无线射频技术的温湿度监测系统，它以射频芯片CC2430为核心，在数字温湿度传感器SHT11的配合下，在ZigBee协议栈的基础上进行应用开发，能够高效地完成环境温湿度的无线监测，可以有效解决复杂布线带来的不便。1系统原理本文设计的是基于Z―Staek的无线温湿度数据采集系统，在TI的Z―Stack 1.4.2协议栈的基础上，实现无线组网及通信。即协调器自动组网，终端节点（附带温湿度传感器）自动入网，并采集温湿度数据广播传输，协调器接收到信息后将温湿度数据通过串口发送给PC计算机显示。以此实现基于Z―Stack协议栈的温湿度数据的无线透明传输，其原理框图如图1所示。
本系统主要由五个单元模块构成：数字温湿度传感器、传感器节点、协调器、上位机和能量供应模块组成。数字温湿度传感器模块，负责区域内的温湿度信息采集和数据转换；传感器节点中的微控制器负责控制整个传感器节点的操作和数据存储；ZigBee无线收发模块负责对信号进行处理发送；传感器节点由温湿度传感器SHT11检测得到温湿度信息，并转化为数字信号，传输至CC2430，由CC2430负责对信号进行处理发送。节点电源部分使用两节AA电池，通过一个电压转换芯片BL8555将电压转化成3.3 V.其中协调器是汇聚节点，多个温湿度传感器节点放置于不同的监测区域，每个传感器都会把采集的温湿度送给传感器节点，再由传感器节点把数据通过ZigBee无线传输给协调器，然后协调器统一把数据传送给上位机做进一步处理和显示。2硬件设计2.1传感器节点硬件设计传感器节点主要由数字温湿度传感器、微控制器及无线通信电路组成。传感器节点的主控制器实时采集处理温湿度数据后，将数据传递给CC2430无线通信模块，以实现数据的定时发送。2.2通信节点硬件设计协调器负责建立无线网络、发送网络信标、存储网络节点信息、对消息进行路由选择等任务，其硬件组成主要包括处理器、时钟电路、存储器、电平转换电路、天线等部分。在本系统中协调器节点采用CC2430为核心的控制器，它只需少量的外围电路即可实现无线通信功能，硬件电路如图2所示。
3软件设计本系统基于TI的Z―Stack协议栈，Z―Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮询机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式，如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。整个Z―Stack的主要工作流程，大致分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段，Z―Stack系统运行流程如图3所示。
3.1节点软件设计在本采集系统中，各节点的系统底层采用TI公司的Z―Stack协议栈，各节点的network_specific参数配置相同。协调器首先在某个频段发起一个网络，网络频段的定义放在DEFAULT_CHANLIST配置文件里，并根据ZDAPP_CONFIG_PANID的定义建立PAN ID，并扫描DEFAULT_CHANLI ST指定的所有信道，并选择最佳信道组建网络。传感器节点启动后，扫描DEFAULT_CHANLIST所指定的信道并根据ZDAPP_CONFIG_PANID所定义的PANID自动加入网路。各节点的软件流程如图4，图5所示。
3.2温湿度传感器采集流程图与CC2430相连DATA、SCK两引脚，通过SCK引脚线可以实现对SHT11的控制，通过DATA引脚线可以传输传感器采集的数据，本系统中温湿度传感器的时钟线与传感器节点CC2430的P0_0线连接，数据线与P0_1线相连，采集中设置SHT11的工作精度为14位温度，12位的湿度测量，总流程图如图6所示，读取温湿度流程图如图7所示。
3.3基于Z―Stack协议栈的温湿度数据无线透明传输的实现在Z-Stack协议栈中，协调器自启动，节点设备自动入网之后，两者建立无线通信，数据的发送主要有两种方式，一种为周期定时发送信息，另一种需要通过按键事件触发发送FLASH信息，在本设计中采用周期定时广播的方式发送ZigBee节点端采集到的温湿度数据。在Z-Stack中，每个应用任务都通过调用应用层的ProcessEvent（）函数来处理任务事件，在ProcessEvent（）中有一个事件处理循环，循环检测事件的发生。因此在节点模块端的SampleApp_SendPeriodicMessage周期信息发送函数中添加温湿度采集函数，并通过AF_DataRequest（）函数接口实现温湿度数据的无线发送，同样在协调器信息处理函数SampleAPP_MessageCB中，添加温湿度数据处理和发送函数，并在协调器的应用层通过检测AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件来判断是否有数据收到，有数据时，将捕获的温湿度数据处理后，以字符串的形式通过串口显示在PC机的终端中。利用超级终端接收到的温湿度数据如图8所示。4结论本系统在启动协调器模块后，能实现自动组网，节点端自动入网，并能将采集的温湿度数据广播发送给协调器，协调器接收到信息后通过串口将接收到的温湿度数据发送给PC机，本系统具有低复杂度、低功耗、短时延、网络容量大等特点，并解决了传统的有线传输方式，需要在现场进行大量布线，系统的布设、维护和更新升级的困扰，系统运行稳定、可靠，能精确实现温湿度数据的采集、传输，在实际中有很好的应用价值。
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基于物联网的水环境监测及分析系统
艳，俞旭东，谢
（南京南瑞集团公司， 江苏
[摘要]: 基于物联网的水环境监测及分析系统集传感器、测控、通信、计算机应用、地理信息系统等技术为一体，实现了“测得准、传得快、说得清、管得好”的总体目标，可为水环境管理、水功能区管理、污染物减排和总量控制提供科学依据。系统可方便接入其他业务系统，实现资源共享，提高环保部门环境监察、管理能力，增强应对突发性污染事故快速反应能力，满足环境监测和环境管理的业务需求。 关键词：物联网；水环境监测；水环境分析
随着环保产业的发展及物联网概念的兴起，将物联网与环境监测融合已成为环境监测与管理新的发展趋势[1]。环境参数、设备状态、视频监控等信息通过具有定位功能的传感器、智能监测分析仪器等感知设备进行采集后，经由网络设备和通道实时传输至信息平台进行存储和分析，实现环境管理部门对水环境信息的实时监控，同时实现其对监测站点测控、数据传输装置及排污口闸门等设备进行远程控制和工况监测，增加系统运行的稳定性和可靠性，有效防止和应对突发性环境污染事故的发生。物联网技术在环境监测中的应用使得环境监测与管理更加便利和准确[2-3]。
传统的水环境监测以实验室监测为主，还包括便携式仪器现场人工取样检测和固定监测站点连续取样监测[4]，各方式分别具有其优缺点。如实验室监测响应时间长，检测频次有限，但监测参数全面且分析结果精确；自动在线监测投资运行成本高，但监测及时，预警能力强等。物联网将3种监测手段结合起来，充分利用传感器技术、射频技术、无线通信技术等，快速有效获取大范围（甚至是整个水域）水质信息并对这些信息进行综合挖掘利用，作出整体有效的评价[5-6]。水质信息的快速准确获取以及数据的高效利用是水环境监测中物联网技术运用的关键。
水环境监测及分析系统在物联网先进感知技术的基础上，充分利用网络技术、数据库技术、GIS技术、Web发布技术，以智能传感器为基础，结合自由组网传输方式将采集数据传输至环境业务数据中心。系统对业务应用进行扩展，其业务应用模块依据水质规范，对监测项目各种动态数据进行综合性地分析和评价，实现有效的监控预警；并且根据内置的各种水质模型，为污染物总量控制、水功能区环境治理提供科学依据及技术支持，提高环境管理部门监察监管能力，增强其应对突发性污染事故快速反应能力，实现环境监测管理“测得准、传得快、说得清和管得好”的总体目标。
1水环境监测及分析系统结构
1.1 总体结构
水环境监测及分析系统由数据采集层（感知层）、通讯传输网络（数据传输层）、数据存储层、应用支撑层、业务应用层等5层组成，安全与保障环境贯穿各层。数据采集层由现地监测站和数据采集模块组成，承担在线数据的采集、处理和发送。通讯传输网络由公共无线网络和内部的局域网组成，承担数据的传输。数据存储层主要承担数据的接收、转换和存储入库，由环境业务数据中心和支撑硬件系统组成[7-8]。应用服务层主要为各类应用系统提供相应的数据资源和基础服务，主要包括水环境监测、污染源废水监测、污染源管理、水质信息发布、预测预警等功能。安全与保障环境由标准规范体系、安全体系、建设与运行管理体系组成，为系统安全、稳定的运行提供制度保障。
1.2 总体功能
系统功能围绕环保行业对水环境、污染源的监测、管理和预警业务需求设计，分平台基础应用和专业应用两部分。平台基础应用包括环境质量信息的数据采集和处理、数据库管理、视频监视、数据查询、图表展示、GIS查询、GIS空间分析、综合统计、格式化报表等；专业应用功能包括水质评价分析、水质预测预警、水质扩散模拟等。系统框架需要支持的环境监测业务见图1。
系统框架支持的环境监测业务
2 水环境监测及分析系统技术特点
（1）智能化程度高
现地设备层的数字化仪器仪表进行现场总线设计，可以实现复杂的远程管理，包括传感器参数设置、通信信道配置、系统工作模式、图像与视频传输协议、应用程序远程更新、自适应补发等功能。 （2）可扩展性强
采用模块化设计，将采样、监测、通讯等功能单元模块化，串行接口标准采用RS-485，可以联网构成分布式系统。数据采集平台按多线程设计，采用模块化设计方案，可通过DLL（动态链接库）任意扩展信道和协议。
（3）自由组网
根据测站实际情况，灵活采用通信组网方式（无线网络、广域网、局域网），如大范围密集测站（监测节点）可通过Zigbee+无线网（GPRS、CDMA）方式将采集的水质监测数据传输至数据中心；监控视频可灵活选用3G网络（网络摄像机）或无线网（传统摄像机）传输至数据中心。
（4）海量数据的分析和应用
环境业务中心的构建，实现完整的数据分析和应用，通过数据的抽取、数据的存储和管理、数据的展现等技术实现海量数据挖掘。
（5）标准化设计
系统依据Modbus协议、HJ/T212-2005《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》通信协议、OPC（用于过程控制的OLE）通信协议等建立软硬件之间的通信，实现智能终端与环境中心的信息交互。系统数据库的设计、通信、接口设计均遵循环保行业统一的规范与标准，便于系统的扩充及与其他行业间的资源整合和信息共享。
（6）软件结构
系统软件设计和开发基于J2EE的分布式计算技术、中间件技术及Web Service的应用系统集成技术，采用B/S与C/S相结合的架构（后台运行或批量处理采用C/S），采用统一的系统接口的数据交换标准（XML），保证配置、数据、应用的充分分离。
3 水环境监测及分析系统平台功能
平台采用基于目前面向网络最新计算机软件技术，具有优良的可扩展性，能与最新的操作系统软件平台、数据库平台、GIS平台等无缝接驳，融合了通用人机界面实时组态软件技术和SCADA专业技术，满足环境监测中心构建分布式实时监控系统的需要。
3.1 数据采集、交换与通信
在水环境监测与分析系统中，数据采集采用物联网的先进技术，所选用的传感器、分析仪器、监视器等均符合采用业内高新技术，关键的视频数字化，压缩、解压、码流、传输均采用国内外工程建设中被广泛采用的技术与产品，从根本上解决“测得准”的问题，做到更智慧的感知。感知层一般由现场仪器、数采仪等构成。每个监测子站有一套或多套监控仪器、仪表，监控仪器、仪表通过模拟或数字输出接口连接到数据采集仪，数据经数据采集仪整合、封装，通过网络层传送至数据中心，用于应用层。需要采集的水质参数包括pH值、水温、浊度、电导、氨氮、溶解氧、化学需氧量、总有机碳、重金属离子浓度等。
本系统网络层通信手段采用无线通讯网络（GPRS，CDMA等），解决由于水环境监测站点分散、分布范围广而带来的监测数据发送及时性问题，提高环境管理部门工作效率。数据交换主要实现环境监测与分析系统与异构信息系统之间数据的传输和交换。数据采集通信示意见图2。
数据采集通信示意
3.2 在线监控
在线监控是水环境监测与分析系统开发和运行的基础，负责为各类应用的开发、运行和系统管理提供技术支撑。在线监控平台围绕数据服务组件部署各应用功能，使各应用系统成为一个整体，将各主要环境业务部门的监测、统计、收费、审批、发布等数据集中管理起来，使数据管理人员、各级领导、业务部门员工通过统一的界面进行管理、查询、分析大量的环境数据，简化环境数据管理的难度，提高环境数据管理的水平，实现对各类数据的动态查询、变化趋势分析、各类数据之间的相关性分析等功能。
在线监控应提供数据采集、在线监测、统计分析、GIS展示、综合应用、在线报警、系统管理、接口服务等功能，对自动站、断面进行水质监视和视频监视，对污染源排放企业实现排污监控、工况监控及视频监控，从不同角度把握企业污染治理设施运行及排污情况。
3.3 环境业务数据中心
通过对业务需求、数据流、应用逻辑功能及安全需求的规划，采用标准化的设计方法对
存储到环境业务数据中心的各类数据进行海量存储、实时计算和处理进行设计。环境业务数据中心包含基础数据、空间数据、水质监测、污染源监测、环境大气监测、统计分析结果、法律法规、调度方案、视频监测等子数据库系统。
物联网数据实时性强、数据量大、数据种类多、并发性大，计算量巨大，因此系统采用负载均衡技术，有效地分配各种数据类型计算处理的负载分配，提高环境数据业务中心数据处理能力。
3.4 地理信息系统
GIS技术为基于物联网的水环境监测及分析系统提供基础地理信息平台，通过GIS技术、空间数据库技术把水环境监测相关的所有物联对象整合到统一的空间平台上，从而可以直观、生动、快速对自动站、排污口、断面等物联对象进行定位、追踪、查找和控制（包括物联对象的属性信息、空间分布状况、实时运行状况及最新实时数据等）；直观显示和分析流域、行政区域内水环境质量状况，追踪污染物来源，并对相同空间范围监测指标与水体质量之间内在关系进行发掘和分析。
系统GIS服务选用开源的GeoServer，可连接Oracle，sqlserver等关系型数据库，结合Web应用程序构架和技术，建立高效的B/S架构WebGIS应用程序，实现基于地理信息服务的可视化信息查询和分析，实时为用户提供丰富的地图处理和空间分析服务[9]。
4水环境监测及分析系统应用功能
基于水环境监测及分析系统平台，开发了包括水质评价与统计、水质预测与预警、应急管理功能在内的水环境监测及分析系统应用功能模块，着重对业务数据进行分析，挖掘数据间的内在联系，为提高环境管理部门监察监管能力提供科学依据。
4.1 水质评价
水质评价模块是基于环境业务数据中心水质数据库产生的应用子系统，针对特定区域的水体质量进行科学定量描述和评定。包括水质类别评价和水质达标评价，即对水质类别和水质达标情况分别进行判定，可细分为测站水质评价、湖库富营养化评价、水功能区水质评价、污染源评价。
评价功能是水利/环保行业最基本的应用功能之一，水环境监测及分析系统具备此基本应用功能，并在统计分析的基础上提供各类GIS专题图和统计图表，专题图根据行政区域、流域、行业、时间段、监测指标等选项进行定制，GIS专题图包括“污染物浓度分布专题图”、“测站现状评价专题图”、“水质类别色彩渲染专题图”、“湖库营养评价渲染专题图”、“污染物排放达标专题图”、“污染物排放量专题图”等。
4.2 水质预测预警
水质预测与预警模块主要提供常规预报、突发事件模拟等功能，并借助WebGIS动态可视化展示污染物的影响范围、空间分布特征。即通过内置水质模型，模拟计算河流下游沿程
包含各类专业文献、高等教育、各类资格考试、幼儿教育、小学教育、生活休闲娱乐、外语学习资料、HJKJ-基于物联网的水环境监测及分析系统93等内容。　
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