崔志伟，周 祎，王 玮，武煜坤，仪明臣

（1.青岛吉美来科技有限公司，山东 青岛 266100；2.山东省生态环境监测中心，山东 济南 250001）

引言

人类与环境相互作用、相互促进、相互制约，具有一定的对立统一关系，环境监测系统以人类-环境系统为特定研究对象，研究环境在人类活动干预下发生的变化，以及为了确保系统稳定采取的措施，以实现社会经济与环境保护的协调发展。

1 概述

1.1 环境监测系统的结构及原理

全球气候变暖及极端气候、气象的出现，对人类生产生活造成了一定影响。因此我们需要进行更加科学、完善的环境监测，统计各种环境参数，如温度、大气压力、降水、太阳辐射和风况等。通过观测、积累数据和编制环境污染公报等方法预测环境危害的发展情况已经不能满足需要，而环境监测是一个观察、评估和预测环境状况变化的信息系统，其目的是在自然过程的背景下突出这些变化的人为因素[1]。

在无线传感器网络支持下的环境监测系统中，传感器连接到各种开源微处理器以进行定制数据收集，包括 Arduino Pro Mini、Margay等微控制器。其中，Arduino Pro Mini 使用板载读卡器或SD屏蔽将数据记录到SD闪存卡，而和 Margay微处理器使用板载蜂窝数据功能和自定义固件将数据上传到云终端。这些微处理器中的每一个都与数字传感器兼容，支持广泛使用的环境传感器和设备，允许在单个微控制器上扩展至多达8个相同的设备[2]。具体结构如图1所示。

图1 基于无线传感器网络支持下的环境监测系统结构图

如图1所示，基于无线传感器网络支持下的环境监测系统的一个重要优势，是具有完全可编程的通用数字、模拟和I2C端口，可与各种环境传感器（如光度计、湿度计、气体传感器等）兼容[3]。

为在数据采集、传输、交换、存储等方面发挥技术优势，环境监测系统按照国家环保总局的技术要求，采用多层模块化结构设计，由污染源自动监控系统、污染源基础数据库系统、公众监督与执法检查系统、调度指挥系统、GIS系统、GPS系统、视频在线监控系统、治污设备监控系统和显示控制系统组成。各模块之间相对独立的同时，相互协作，能24小时自动、连续、准确地监测水污染物（COD、TOC、NH3-N、总磷及部分重金属）和大气污染物（SO2、NOX、烟尘等主要污染因子）的情况，业务扩展性较高。因此，环境部门能够全面掌握污染源现场视频及污染物监测数据、污染源情况等；再通过监测中心站，运用电子地图、全球定位、应急预案、移动网络技术等多种方式上传，生成数据、图片、视频资料，以高效防止污染事件发生。

1.2 无线传感器的网络优势

1.2.1 低速率

54 M路由器的实际速 率一般为20 Mbps；150 M路由器的实际速率为70～80 Mbps；300 M路由器的实际速率一般在90～100 Mbps左右。

1.2.2 低功耗

在“待机”模式下，典型启动时间通常在5～10 μs范围内；在深度休眠或“深睡”模式中，功耗降至绝对最小值，有时低至20 nA。

1.2.3 传输距离较长

在技术规格、环境条件、设备质量的加持下，无线路由器即使在嘈杂的环境中，也能长距离传输更大的数据包。目前，其最大传输距离通常为180～200米左右，远远超过普通的无线路由器。

1.2.4 高可靠性

传感器数据在提供给分布式估计系统之前在多个节点进行处理，该系统从可用数据中提取相关信息。

1.2.5 动态性

无线传感器节点的死亡、移动，新节点的加入及环境条件变化导致通信链路的带宽变化，使得整个网络的拓扑结构发生动态变化，因此要求网络具有可调整性和可重构性[4]。

1.3 ZigBee无线通信技术的优势

1.3.1 低功耗

ZigBee技术有非常明显的低功耗优势，它的协议支持一些设备在没有任务时进入睡眠状态，更利于节点降低能耗。

1.3.2 时延短

ZigBee技术最大传输速率为250 kbps。低速率，时延也相对很短。

1.3.3 网络容量大

ZigBee技术在一个ID的网络中，根据它的地址范围，一个网络可包含6万个节点，即使是简单的星型结构也可容纳256个节点。

1.3.4 可靠性

Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的短距离、低数据速率无线技术，Zigbee代表了SG-HAN中普遍采用的智能家居和智能能源标准之一。

1.3.5 安全性

ZigBee支持智能计量、AMI，并提供公用事业和家用设备间的可靠通信。工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz频段，最大数据速率是 250 kbps，更加安全。

2 方案设计

我们的生活和生产需要良好的水资源和环境维系，但随着工业化和城镇化进程的加快，水环境问题不容忽视。生态环境监测及数据分析，可对水域水生态环境状况进行实时监测，直观地反映生态环境、水质环境的安全状况，进而避免突发性污染事件的暴发。

其中，水生态环境监控系统包括监控平台、服务器、数据采集系统、无线网络输送模块、水质监测系统等，水质、气象和视频信息会通过端口实时传输至服务器。通过实时监测数据，相关人员能够及时掌握生态数据和现场动态。数据分析依靠报表生成单元和报表导出单元，包括日、周、月、季、年报，统计当日数据的平均值、最大值、最小值，分析和总结水质情况；水质信息采集模块包括声学多普勒测流仪，能实时监测不同深度流层的流速、流向以及湿地水位。利用现代信息技术对数据进行采集、传输和报告，可以使我们及时、准确地掌握河湖水质状况和动态变化趋势，成功实现对水质和气象等生态要素的实时监测，以避免人工取样检测分析耗时长、缺乏连续性、无法响应水域应急需求等弊端。

2.1 硬件设计

2.1.1 环境采集节点

选取SHT11为无线节点的环境采集传感器、数据采集终端和ZigBee无线通信，对整体环境进行数据采集、监测。所有传感器与计算机连接的同时，各个设备模块之间还可进行相互间的连接通信，实行身份识别功能验证等，实现实时、高效的监测[5]。

2.1.2 网关节点

系统采用STM32微处理器作为NB-IoT网关节点的主控芯片，通信模块采用NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关将数据包上传至云服务器，实现数据转发。NB-IoT一般包括LoRa收发天线和射频模块、以及NB-IoT的射频模块和收发天线、存储器、调试接口、电源模块等。

2.1.3 传感器节点

本次设计的基于无线传感器的环境监测系统中，传感器节点的设计如图2所示。

图2 无线环境监测节点的结构

2.1.4 GPRS无线传输模块

系统选用德州仪器（TI）公司旗下全资子公司Chipcon生产的CC1 100。CC1 100是基于Chipcon0.18 微米CMOS晶体的 SmartRF 04技术，发射频率主要设定在315、433、868和915 MHz的ISM（工业、科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段。

2.2 软件设计

2.2.1 协调器

协调器选择一个PAN ID建立网络，路由节点和终端节点接受包含PAN ID在内的信标帧。网络建立流程如图3所示。

图3 网络建立流程图

2.2.2 路由器

联合优化拓扑和（非隔离）路由的算法，网络需求可以通过可重构交换机直接路由，搜索通信范围内是否存在网络。

2.2.3 远程服务器软件设计

系统用简单的AT命令进行控制，在编程的一开始就要在IAR中选择不同的设备类型将它们区分开来，设备类型的选取如图4所示。

图4 设备类型的选取

在选择设备类型后，编译器会根据该设备类型相对应的配置文件来编译这个工程。

2.2.4 编解码插件开发

本文试图开发一个基于无线传感器网络支持的环境监测系统，并确立了以下要求：低成本的创建和运行，终端测量站的自主性、可扩展性，采集数据的在线访问，数据的安全性和整个系统的稳定性。基于对环境的审查，将其与通过环境安全的定性和定量特征表示的标准指标进行比较。环境影响评价方法在系统开发过程中包含了从规划值出发对环境风险识别、分析、跟踪和监测的一系列措施，以下是编解码插件开发的算法和流程：（1）开始流程；（2）确定参数；（3）设计参数组合；（4）FEM模拟；（5）输入温度信息；（6）确定好计算机算值和测量值之间的阈值；（7）获取输出并绘制图形以供分析；（8）结束流程。

3 结语

综上所述，环境监测系统本身并不包括环境质量管理活动，但它具有做出重大环境意义决定所必需的信息来源。这项工作所涉及的环境监测是一个流动观测点系统，用于对一定区域范围内温度、湿度、光照、降水量、风速、沙尘的监测，可实现快组网、低功耗的数据测量和数据分析处理。