摘  要：为了对日益严重的城市环境污染进行实时监测，设计了一套集成无线传感器网络和无线Mesh网络的城市环境综合监测系统。系统通过基于ARM和Linux的集成数据采集终端，采集各种环境指标以及其他信息，如二氧化碳浓度、光照强度、可燃气体浓度等，通过无线Mesh路由方式，上传到汇聚节点，并记录到数据库中。系统分别在Windows PC和Linux手持移动设备上开发了上位机软件，具有易部署、易扩展、采集指标全、功耗低等特点。

关键词：无线环境监测;无线传感网;无线Mesh网络;数据库

中图分类号：TP277     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）04-0194-03

Abstract：In order to monitor the increasingly serious urban environmental pollution in real time，an integrated urban environmental monitoring system based on wireless sensor network and wireless Mesh network is designed. Through the integrated data acquisition terminal based on ARM and Linux，the system collects various environmental indicators and other information，such as carbon dioxide concentration，illumination intensity，combustible gas concentration，etc.，and uploads them to the sink node through wireless Mesh routing mode，and records them in the database. The system also develops software on Windows PC and Linux handheld mobile devices，which has the characteristics of easy deployment，easy expansion，complete acquisition index and low power consumption.

Keywords：wireless environment monitoring;WSN;WMN;database

0  引  言

随着中国社会城市化进程的发展，我国城市的工业化和现代化水平不断提高，然而工业化和现代化进程所带来的负面效应也在不断地加大，工业生产和矿物质能源的大量使用所产生的粉尘、二氧化碳等污染物严重影响到人们的生活质量甚至人身健康。

近年来，我国越来越重视环境监测在环境保护中的作用，2017年9月出台的“关于深化环境监测改革提高环境监测数据质量的意见”，明确指出要强化高新技术应用。加强物联网技术在环境监测和质量管理中的应用，加强重点区域，尤其是在城市的环境问题中的应用。因此，利用科技手段切实解决城市中的环境问题，既迎合了国家可持续发展和环境保护战略的要求，也是科技与民生切实结合的发展方向，具有极大的市场发展空间。为了对日益严重的城市环境污染进行实时监测，本文基于江西省科技落地计划项目，设计了一套集成无线传感器网络（WSN）和无线Mesh网络（WMN）的城市环境综合监测系统。

1  系统总体结构设计

整个系统采用了清晰的分层数据处理模型，最底层是传感器的数据采集，中间层是无线网络的数据转发和数据库的存储，最上层是用户的信息获取和分析展示，包括PC端的用户信息获取和手持设备的信息获取[1]，图1是系统整体架构图。

根据“高内聚低耦合”的设计原则，根据功能和通信个体，将整个城市无线环境综合监测系统分为八个子系统构成，分别是：（1）综合数据采集终端展示子系统：包含集成数据采集终端和一个无线Mesh路由器。（2）无线传感网络汇聚展示终端：包含无线传感网根节点、转换设备和无线Mesh路由器。（3）无线Mesh网络子系统：由多个无线Mesh路由器构成。（4）无线传感器网络子系统：包含一个由高度异构性的无线传感器节点构成的自组网。（5）无线Mesh视频监控子系统：即视频圖像采集系统。（6）环境数据存储中心：包含数据库服务器和数据接收及数据处理系统。（7）个人电脑客户端子系统：以环境数据存储中心提供的数据为基础，运行在Windows个人电脑的客户端软件系统。（8）手持设备客户端子系统：以环境数据存储中心提供的数据为基础，运行在手持移动终端的软件系统。

这些子系统与物联网系统的感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层相对应。其中，无线传感器节点、无线传感网根节点、集成数据采集终端和视频图像采集系统与感知识别层对应;由无线传感网络和无线Mesh网络组成的混合网络，构成了系统的网络构建层;环境数据存储中心对应系统的管理服务层;最后，个人电脑客户端系统和手持设备客户端系统与系统的综合应用层相对应。

2  主要模块分析与设计

2.1  综合数据采集终端展示子系统

综合数据采集终端展示子系统包含集成数据采集终端和一个无线Mesh路由器。基于ARM和Linux嵌入式平台的集成数据采集终端采用S3C6410嵌入式平台，并搭载一个SHT11温湿度数字传感器和一个广谱气体浓度传感器，主要为了采集城市环境的温湿度和可燃性气体浓度，并且通过无线Mesh网络进行数据传输，如图2所示。

综合数据采集终端程序流程如图3所示。

2.2  无线Mesh网络子系统

无线Mesh网络子系统由多个无线Mesh路由器构成。无线Mesh网络也称为无线多跳（multi-hop）网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。

由于城市地域较广，而用于采集数据的各个节点又分布在城市的各个角落，并且环境指标的数据量巨大且复杂多样，所以，环境监测必须解决远距离、高带宽的数据传输的问题。因此，仅仅依靠无线传感网的近距离传输是远远不够的。系统中引入了无线Mesh网络，与无线传感网络构成了混合网络，即传感器节点之间通过无线传感网进行路由和通信，而无线傳感网和环境数据存储中心、集成数据采集终端和数据中心、客户端软件和数据中心之间的远程通信，则依靠无线Mesh网络实现。无线传感网络和无线Mesh网络组成的混合网络，构成了系统的网络构建层[2]。

2.3  环境数据存储中心

环境数据存储中心处于汇聚节点、集成数据采集终端和数据库服务器的中间地带，是联系三者的纽带。系统采用了三层架构（3-tier application）的设计模式。通常意义上的三层架构就是将整个业务应用划分为表现层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL）。区分层次的目的即为了“高内聚低耦合”的思想[3]。

三层之间的关系为：下层为上层提供服务，上层调用下层完成自身的功能，如图4所示。三层架构的优点是具有低耦合性、高重用性和可适用性，生命周期成本较低，易于部署，便于维护，有利于软件工程化管理。

基于以上架构设计了UML类图，如图5所示。其中Model.data是用于访问数据库的实体类，其数据成员与数据表中的属性一一对应。DBHelper属于数据访问层，用于操作数据库，主要是向数据库中插入新记录。ConnectionSettings允许用户对服务器本机IP地址、监听端口号、数据库IP地址以及串口端口号进行设置。ServiceController根据用户的设置管理服务，如开启和关闭套接字接收数据的服务、处理接收到的数据等等。MainForm是用于和用户进行交互的单例对象[4]。

2.4  手持设备客户端子系统

手持设备客户端子系统是以环境数据存储中心提供的数据为基础，运行在手持移动终端的软件系统，用于显示相关环境数据信息。该手持终端的显示屏幕为7英寸液晶触摸显示屏，尺寸为800×480像素。主界面占满整个屏幕，分为两个部分，左部包括四个按钮，分别是当前信息查询、历史信息查询、节点信息查询和退出。右部是当前信息子界面，在该子界面中，显示的数据信息主要包括当前环境指标信息、当前节点状态信息等，其中当前环境指标信息包括当前所测量的各类环境信息，如温度、湿度、CO2浓度、可吸入颗粒物、瓦斯浓度等，并采用温度计进行显示，数值显示更加有立体感，同时还根据数据的大小进行不同颜色的显示，比如当温度过高时，该栏目显示的颜色变为深色[5]，如图6所示。

3  结  论

本文详细阐述了基于物联网的城市环境监测系统的总体方案和主要模块设计，经过测试表明，系统各项环境指标的测量均非常准确，整个混合网络的通信状况非常好，在接入网络的节点较多的情况下，仍能够保持环境监测和客户端显示的实时性。本文设计的系统通过将无线传感网和无线Mesh网络相结合，构建混合网络，集成温湿度、可燃气体、光照强度、可吸入颗粒浓度等多种传感器，并部分采用锂电池和太阳能混合供电的方式，具有易部署、易扩展、采集指标全、功耗低等特点。

参考文献：

[1] 刘云浩.物联网导论 [M].北京：科学出版社，2010.

[2] 黄书强，王高才，单志广，等.智慧城市中无线网络节点部署优化方案研究 [J].计算机研究与发展，2014，51（2）：278-289.

[3] 潘玉兰，刘广聪.一种能量高效的无线传感网分簇路由算法 [J/OL]. 计算机应用研究，2019，37（9）[2019-10-09]. https：//doi.org/10.19734/j.issn.1001-3695.2019.04.0158.

[4] 韩雨涝.面向带状无线传感网低延迟可靠数据收集算法 [J].计算机工程与应用，2019，55（21）：104-109.

[5] ZYGOWSKI C，JAEKEL A. Optimal path planning strategies for monitoring coverage holes in Wireless Sensor Networks [J/OL]. Ad Hoc Networks，2020（96）[2019-10-09]. https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1570870519300290.

作者简介：洪耀球（1979-），男，汉族，江西乐平人，副教授，硕士，主要研究方向：嵌入式技术。