李 颖,杨光松,郭文静，康双全

(1.集美大学诚毅学院， 福建 厦门 361021； 2.集美大学 信息工程学院， 福建 厦门 361021)

海洋是地球可持续发展的重要战略资源，海洋资源的保护、开发和利用离不开海洋监测高技术的支持。海洋监测技术包括海洋环境的监测、预测和预警，涉及能源、信息、电子、通信、材料等多学科,对海洋的防灾减灾、生态监测、资源开发、军事安防等提供服务[1]。目前海洋监测技术已实现立体监测，完成在线监测和灾害预警等功能，但存在采集信息稳定性不足、精度低、传输和处理能力局限等问题[2]。

本文设计实现了一种基于ZigBee[3-9]的海洋监控系统，在水面、水下高密度布置节点并自组构建无线传感网络，可以提供实时监控，具备功耗低、距离短、通信稳定、成本低等特点，在一定程度上弥补海洋监测手段的不足。

首先，基于NodeMCU微控制器和CC2530[10]的ZigBee芯片[11-12]设计了无线传感节点，通过ESP8266 Wi-Fi模块或USB串口模块，实现协调器与数据处理中心的信息传递，完成系统硬件框架的搭建。其次，完成数据采集部分的软件设计[13]，通过UDP Socket嵌套字，实现传感器数据远程采集的功能。使用node.js技术和串口，实现传感器数据本地采集的功能。最后，完成数据展示部分的设计，使用Vue.js前端框架进行前端页面开发，基于WEB实现跨设备的访问和浏览。经实际测试证明，系统可以通过ZigBee终端节点定时采集传感器数据，通过ZigBee拓扑传输到协调器节点，然后通过有线或者无线的方式，将数据传输到本地或者透传到远程的服务器，完成采集工作[14]。在后台分析采集数据，加入到相应的数据库中。最后，使用web界面展示所采集的数据，完成跨设备的实时数据展示和查询。

1 系统框架

本系统原理图如图1所示，传感节点采集数据后送到传输路由器，然后由路由器转发至协调器，最后上传至服务器。用户可以通过PC机或者手机等移动终端，通过WEB的形式查看其统计数据，实现环境对海洋环境的监控[15]。

图1 系统原理

系统结构由3部分组成:

第1部分是硬件感测模块，主要由ZigBee采集节点构成。采集的节点也分成3种：第1种是由1个ZigBee(cc2530)微型控制器和1个或者多个传感器组成的终端采集设备(End Device)；第2种是以延长传输距离为主要作用的传输路由(Router)作为传感信息中转站；第3种就是协调器(Coordinate)，为信息采集的汇集点。在无线传输部分，在ZigBee协调器上增加一块Wi-Fi微控制器(Esp8266),将ZigBee收到的数据通过Rx/Tx串口通信的方式，透传、连接到Internet网的Wi-Fi模块实现数据的实时采集。ZigBee(cc2530)收集到的节点测量数据，通过Tx传输到ESP8266的Rx完成透传并分别识别设备标识符和采集数据，实时通过Http Get 的方式，发送数据到远程服务器。有线传输部分，则直接使用串口进行传输，无Wi-Fi模块。

第2部分为服务器端，主要是存储和处理数据。在无线传输架构中，Wi-Fi模块通过无线局域网连接到远程服务器。信息通过socket连接方式实时地透传到远程服务器的数据库中。后台系统主要用PHP语言进行开发，配合MySQL数据库，基本满足实时数据提取的要求。在有线传输架构中，ZigBee协调器通过串口USB界面传输到本地的服务器，本地服务器使用node.js为技术底层，完成数据从串口采集到数据库保存并进行数据格式化的过程。

第3部分为网页展示部分。构建前端页面的整体架构，通过轮询的方法实时获取后台数据库的数据，并使用动态曲线图进行展示。用户可以选取时间范围等方法进行数据查询。采用web形式的展示使用户实现跨设备实时的数据查询。

2 硬件设计实现

2.1 传感节点设计

传感器节点硬件框图如图2所示。包括CC2530MCU以及温度传感器、pH值传感器、空气质量传感器、光照传感器等硬件设备模块，还有电源模块和无线通信模块以及ADC模块。电源模块是给传感器节点供应正常工作所需能量，无线通信模块负责数据和命令的传输与接收，ADC模块负责处理传感器采集到的数据。各个传感器将采集到的数据通过ADC通道发送到CC2530的微处理器，微处理器对数据进行再次处理、存储然后通过无线通信模块进行数据传输并且控制电源模块。

图2 传感器节点硬件结构

2.2 感测电路设计

本文所提出的监测系统主要是监测近海环境,方便监测人员实时获取相关监测数据，以备做出环境保护的对应措施。目前对于近海水域的监测参数主要有水质参数、水文气象参数以及物理化学参数[16]。水质参数主要包括pH值、有机物、盐度等数据；水文气象参数包括气温、光照强度、水温、波浪、风速等数据；物理化学参数有空气质量(有害气体含量)、重金属、营养盐等参考数据[17]。

温度测量采用LM35DZ温度传感器，它是精密集成电路温度传感器，其输出电压与摄氏温度成线性关系，具有重复性好、输出阻抗低以及应用简单的特点。LM35DZ型号温度传感器的灵敏度为10.0 mV/℃，精度为0.4～0.8 ℃，输出温度范围为-55～150 ℃。典型应用电路如图3所示。

图3 LM35DZ传感器电路

空气质量是环境监测的一个重要数据，很多污染因素都会引起空气质量的数据变化，传感器的电导率会随空气中污染气体的增加而增加[18]。本方案选择MQ135型空气质量传感器，它在较宽的浓度范围内监测有害气体，具有灵敏度高、驱动电路简单、使用寿命长且成本较低等特点。其测量数据范围在0～2 047之间，数值越大表明空气质量越差。如图4是MQ135传感器的典型应用电路。

图4 MQ135传感器电路

在近海环境监测中，如果某海域的光照强度低于一定数值时，则可以大致判定该水域污染情况。本文选择光敏二极管型传感器测量光照强度，该传感器对光照的灵敏度较高，并且可以感知固定方向的光源。典型的应用电路如图5所示。

图5 光敏二极管传感器电路

近海水域的污染源还可以通过pH值来进行判断。本文选用E-201-C型pH值传感器，该传感器可根据被测水质的酸碱度不同而输出不同电位，线性度较好。

为了实现对海洋环境的数据检测，在系统设计时还需要对电路和传感器进行防水处理；安装时，无线部分置放在高处，避免潮汐时淹没天线；传感器节点的布置上，充分考虑覆盖范围，确保节点间正常通信。

3 系统软件设计实现

3.1 传感节点软件设计

传感节点主要使用TI公司所开源的Z-Stack软件进行开发。其中一些主要的步骤，如添加相应的应用任务程式，先调用osal_init_ststem()执行初始化工作，包括硬件配置、网络协议等的初始化，然后调用osal_start_system()初始化操作系统。

SampleApp_Init()用户应用任务初始化函数。在这个函数里面定义了OSAL分配的任务ID、将设备状态定义为ZDO层的初始化状态、设置发送数据的方式和目的寻址的模式等等。

还有一些重要的事件函数，如SampleApp_ProcessEvent()用户应用任务的事件处理函数、SampleApp_MessageMSGCB()接受数据函数、SampleApp_SendPeriodicMessage() 发送周期信息函数和AF_DataRequest()发送函数。这些函数都是理解Z-stack的重要步骤。

与ESP8266的通信是通过SampleApp_MessageMSGCB()接收函数，在此函数中通过将接收到的数据进行格式转换并封装，然后调用HalUARTWrite()函数，输出接收到的节点数据。

3.2 数据采集软件设计

包括PHP为后端的无线网采集和Node.js为平台的串口采集2种模式实现端口的读取、数据库的连接和数据处理功能。

3.2.1 以PHP为后端的无线网采集

服务器运行环境为Windows Server 2012,node.js v6.10.2，npm v4.5.0。

1) 基于UDP socket的数据传输

接收节点协调器上的Wi-Fi芯片连接到一个能够连接服务器ip的局域网中，确保ESP8226 Wi-Fi芯片能够稳定传输信号。基于ESP8266搭建NodeMCU开发平台，使用Lua作为开发语言。ESP8266建立客户端UDP Socket及连接远程服务器Socket的代码如下：

wifi.setmode(wifi.STATION)//设置NodeMCU模式

wifi.sta.config(“SSID”,“password”) //连接局域网

print(wifi.sta.getip());

cu=net.createConnection(net.UDP) //设置为UDP连接

cu:on(“receive”,function(cu,c) re=c end)

cu:connect(port,“IPaddress”)//远程服务器端口及IP地址

在服务器端，建立UDP socket连接。使用PHP作为后台开发语言，代码及创建过程如下：

$socket = socket_create( AF_INET,SOCK_DGRAM,SOL_UDP );

if ( $socket === false ) {

echo “socket_create() failed:reason:”

.socket_strerror(socket_last_error() ).“ ”;

}

echo “Socket created. ”;

$socket = socket_bind( $socket,‘0.0.0.0’,port );//0.0.0.0 接受任意IP段连接

if ( $ok === false ) {

echo “socket_bind() failed:reason:”

.socket_strerror( socket_last_error( $socket ) );

}

echo “Socket bind OK ”;

当服务器端的UDP socket及客户端的socket建立完成之后，当客户端请求一次连接并成功之后，客户端和服务端保持常连接，当数据传输时，其连接端口不变。

2) 数据存储

服务器端数据存储使用PHP进行操作。当客户端连接时，服务器端建立循环连接，判断客户端是否有数据传入。如有数据传入，将其按照一定的格式存储到数据库当中。其代码如下：

while(1)

{

$db=new mysqli(DBHOST,DBUSER,DBPASSWORD,DBNAME);

link = mysql_connect(DBHOST,DBUSER,DBPASSWORD) or die (“Could not connect:”.mysql_error($link)); //建立数据库连接

$sql = “INSERT INTO ‘esp_log’.‘log_envirparameters’

(‘ID’,‘nwkAddr’,‘ClusterID’,‘Date’,‘type’,‘value’,‘extAddr’,‘location’,‘isbackup’)VALUES

(NULL,‘$nwkaddr’, NULL, ‘$date’, ‘$type’, ‘$value’,NULL, ‘$location’,‘0’)”;//存储位置及对应的列表栏数据

$result = $db->query($sql);//将处理过的数据存入指定数据表

socket_sendto($sock,“OK ”.$buf,$remote_ip,$remote_port);//返回消息给客户端

varmysql= require(‘mysql’);

var connection = mysql.createConnection({

host:‘localhost’,//主机号

user:‘root’,

password:‘’,

database:‘lab’

});

connection.connect();//连接数据库

connection.query(‘INSERT INTO ?? SET

ID=?,nwkAddr=?,ClusterID=?,Date=?,type=?,

value=?

,extAddr=?,location=?,isbackup=?’,[‘log_envirparameters’,

“NULL”,nwkaddr,“LAB_01”,date,type,value,

“NULL”,location,“0”],

);//将处理过后的数据，存入数据库 socket_close($socket);//关闭socket连接

3.2.2 以Node.js为平台的串口采集

服务器运行环境为window 7 Ultimate，node.js v6.10.2[19]，npm v4.5.0。

1) 从串口中读取数据

安装在npm(Javascript包管理器)2个主要的依赖包(node-pre-gyp 和serialport)。node-pre-gyp提供二进制文件部署的跨平台的方法，这个模块为安装serialport做准备；Serialport是一个串口模块，可以通过编写JavaScript控制串口，也可以通过它为Arduino芯片进行编程，为X10无线通信甚至是Z-Wave或者Zigbee标准所需的低级串行端口代码提供界面。

在window环境下安装serialport需要使用node-pre-gyp进行编译，并且node-pre需要Python2.x的支持。

编写读取串口数据之前，要明确2个要素，即串口端口号(Serialport)和其传输的波特率(BaudRate)。在Linux系统中，其串口端号一般如“/dev/tty-usbserialX”，而在window系统中，直接使用系统显示的端口，如“COM3”。

其读取代码如下：

varSerialPort = require(‘serialport’);

var port = new SerialPort(‘COM3’,{

“baudRate”:57600,

“autoOpen”:true});

port.on(‘data’,function (data) {

console.log(“orl:”+data.toString(‘hex’)+“ ”);//打印出读取的数据

2) 连接数据库并存储数据

安装mysql依赖包，在命令行中输入“npm install mysql”，完成安装。在服务器端开有一个MySQL服务器，其连接代码如下：

3.3 人机界面设计

在整体架构上面，前端展示页面定位为后端应用，需要后台的配合才能完成。其后端数据由架在PHP和MySQL上面的服务端处理完成[20]，并生成静态数据文件，以便前台页面的调用。Vue.js使用了组件化的开发，组件之前高度解耦，数据绑定和视图更新特性极其简单和优秀，其非常适合本套系统的前端的页面搭建。

3.3.1 前端页面程序

前端页面采用渐进式的JavaScript 框架Vue.js，简单来说，这是一个用来开发web界面的前端库。它具有virtual DOM，提供组件化(composable)和响应式(reactive)的视图组件。

前端页面使用动态可操作的图表和简单的信息展示方式，不仅可以在桌面端应用实时查询数据，还可以在任何可以连接互联网的移动设备上，查看数据图表；响应式页面设计，实现互联网多种移动设备实时、便捷、准确地进行数据查询和数据实时展示。

目前已有一些开发框架(如google的Angular、Facebook的React)可以用来简化脚本的开发，提高代码的复用性。本项目采用基于Vue.js进行前端页面搭建,其使用到的文件及库依赖在“package.json”中，其webpack构建时所用的配置在“webpack.base.conf.js”中。

展示页面主要由3个组件组成，分别是顶部栏(page/ghnavtop.vue)、左侧栏(page/ghnavleft.vue)和内容部分(sensorNode/nodePreview.vue)。内容部分由1个节点详细栏组件(sensorNode/nodedetail.vue)进行组件复用，其内部的数据条目由1个节点感测器数据组件(sensoNode/nodedata.vue)进行组件循环复用。

PC页面使用动态可操作的图表进行数据查询和展示。其展示查询功能主要分为数据实时展示和数据查询功能。数据实时展示部分由实时数据和实时图表完成。

3.3.2 EChart图表库

为了实现图形的显示，本系统采用了Echart表组件，使用”require(‘echarts/lib/echarts’)”进行加载图表的主模块，然后使用require(“echarts/lib/chart/line”)进行引入折线图组件，接着使用此方法引入标题组件。此方法在经过webpack的打包之后，使存储空间从原来的400多kB减少到150多kB。

Echart图标库的使用方法比较简单，绘制Canvas之前准备一个具有宽高的DOM容器，在移动终端显示时，我们采用了自适应的百分比制宽高，调用其初始化方法Echart.init(Dom)，并通过设置其图表的各种参数options，使用setOption(options)完成图表绘制。此外，还采用媒体查询(Media Query)的方法，实现自适应图表。

3.3.3 SPA的应用

单页 Web 应用 (single-page application 简称为 SPA) 是一种特殊的 Web 应用。它将所有的活动局限于一个Web页面中，仅在该Web页面初始化时加载相应的HTML、JavaScript 和 CSS。本系统使用SPA的方法，如单日报表和数据报表之间的切换，不使用整页刷新，在前端页面使用组件切换，不再向服务器发起多次请求，只更改其视图表现，用户操作更改模型数据。再如添加感测节点数据展示图，其不整页更新数据，在表现层添加组件，组件模型向后台发送数据请求，异步更新数据，并更改DOM节点数据。

3.3.4 数据管理

本系统中，使用的存储数据的数据库为MariaDB，它是MySQL一个分支，其由开源社区维护，所以MariaDB的部分特性优于MySQL。本系统在数据库方面暂时没有大量并发和性能上的要求。数据的管理界面使用phpMyAdmin，这是一个界面简单且易于管理查看的管理系统。后台数据处理系统由Apache及PHP搭建，PHP版本为5.6.19，PHP扩展为mysqli，其phpMyAdmin版本为4.5.1。

4 系统检测结果

本系统基于Wi-Fi无线网络和基于USB串口2种采集方式完成数据收集、传输、处理和前端页面数据实时呈现和查询功能，实现海洋监测系统的预期功能。

本系统搭建后，能够采集传感数据并进行统计，而且可以在PC机上和移动终端上进行访问，如图6所示。

图6 前端页面的实时数据图表

为了验证系统的有效性，选取01∶17到6∶17时间段进行实验测试，检测数据如图7所示。对于空气传感器在01∶00时，在系统作品附近点燃一个蚊香，可以看到在01∶17到6∶17这段时间内，其空气质量由180降低到120；对于光敏传感器在01∶05时，用手遮盖光敏传感器，可以看到在01∶05时，光照强度突然下降;对于温度传感器，实测温度24 ℃左右，与温度表测量得到的结果一致。

图7 实验测试数据图表

5 结束语

本文基于ZigBee技术进行海洋监测系统硬件和软件的设计，完成监测模块的软、硬件设计，完成ZigBee无线网络信息通过串口采集、无线网络定时采集和传送传感器数据的功能，完成跨设备和跨平台的监测页面设计和开发，实现数据实时动态显示和查询。通过实验验证，借助ZigBee技术进行海洋监测并使用跨平台web技术，可以完成海洋数据的实时采集、传递、处理和查询，使得海洋资源得到更科学和便捷的管理和开发。