基于物联网的沿海湿地环境监测系统设计与实现

高子仪+邵星+王翠香+陈希

摘要：湿地作为一种宝贵的生态资源，在维持生态平衡、保持生物多样性等方面具有重要作用。针对我国丰富的沿海湿地资源，设计了基于物联网的沿海湿地环境监测系统。系统通过部署面向沿海湿地环境监测的无线传感器网络，实现对沿海湿地环境的远程自动监测。用户可以查看湿地环境实时数据和历史数据，当环境数据发生异常时可发送短信报警，从而提高了沿海湿地环境监测的智能化水平。

关键词：物联网；沿海湿地；环境监测；安卓；无线传感网

DOIDOI：10.11907/rjdk.171433

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0089-03

0 引言

湿地[1]是地球上具有多种独特功能的生态系统，它不仅为人类提供大量食物、原料和水资源，而且在维持生态平衡、保持生物多样性和珍稀物种资源，以及涵养水源、蓄洪防旱、降解污染、调节气候、补充地下水、控制土壤侵蚀等方面起到重要作用。

盐城工学院地处沿海城市江苏盐城。盐城因湿地辽阔被誉为“东方湿地之都”，其市域东部拥有太平洋西海岸、亚洲大陆边缘最大的海岸型湿地[1]，面积680多万亩，占江苏省滩涂总面积的7/10，全国的1/7，被列入世界重点湿地名录。但随着气候变化和人类活动的影响，盐城湿地面积不断减少，湿地环境面临人类活动、环境污染等多方面威胁，湿地保护和湿地环境监测刻不容缓。

近年来，物联网[2]技术作为国家战略性新兴产业得到迅猛发展。物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，将物品与互联网连接进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]。物联网实现人们对物理世界更加透彻和深入的感知，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网的目标是实现物与物、物与人，所有物品与网络连接，方便识别、管理和控制[4]。

作为物联网关键技术之一的无线传感网，可以通过无线方式自组织组网，并将感知数据上传或下发，非常适合远程环境监测领域[5]。本文提出利用物联网技术解决沿海湿地环境监测问题[6]。利用物联网技术构建湿地环境监测无线传感网[7]，实现对大面积湿地环境的感知覆盖[8]。感知的湿地环境数据[9]实时上传到后台数据中心，用户可通过PC客户端、手机APP[10]等方式实时查看湿地环境数据。发生异常时，可通过短信等方式向用户报警，从而实现实时、自动化的沿海湿地环境智能监测，提高湿地环境监测效率，促进沿海湿地环境保护，实现绿色可持续发展。

1 系统架构与设计路线

基于物联网的沿海湿地环境监测系统主要分为2个部分：即面向湿地环境监测的无线传感器网络、面向湿地环境数据的后台服务器。

面向湿地监测的无线传感器网络，通过在沿海湿地范围内全面部署无线传感器节点，节点之间通过无线链路，并遵循Zigbee协议，自组织形成无线多跳网络，实现对湿地环境的多参数、大范围数据采集，并将采集的数据上传至汇聚节点（Sink Node），汇聚节点将数据转发给网关节点。

面向湿地环境数据的后台服务器，负责存储采集得到的湿地环境数据并进行简单处理。在湿地环境数据发生异常时及时发出报警信息。用户可通过PC或移动终端以有线、无线等方式访问后台服务器，查看湿地环境的实时数据和历史数据。

网关节点一边连接湿地环境监测无线传感器网络，另一边连接因特网，作为湿地环境监测无线传感器网络和后台服务器之间的桥梁，负责协议的转换和数据转发，将环境数据转发至后台服务器。

基于物联网的沿海湿地环境监测系统架构如图1所示。

基于物联网的沿海湿地环境监测系统设计框架如图2所示。

从任务需求出发，分析系统设计和开发中的关键问题，有针对性地提出解决方案。具体来说，在感知环境数据选择方面，将选择湿地环境中的空气和水体数据，如温湿度、光照、PM2.5、水体PH、水体浊度等参数进行采集和感知。在传感器节点组网方面，选用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack协议栈开发传感器节点组网程序。在服务器后台数据库方面，选用MySQL作为后台数据库，存储采集的各种湿地环境数据。后台服务器使用Java语言开发后台管理軟件界面，并与移动端通信。基于Android平台开发移动客户端，实现对湿地环境数据的实时监测。

系统采用自顶向下、逐步细化的模块化方式进行研究和开发。首先进行项目的总体设计和模块划分，然后针对每个模块进行设计和开发，最后进行系统联调。模块开发总是在前期完成模块的基础上，不断将新模块加入系统，以便于发现模块之间的问题以及模块设计中的缺陷，提高系统设计和开发速度。

2 监测系统设计

2.1 无线传感器网络设计

面向沿海湿地环境监测的无线传感器网络设计如图3所示。整个传感器网络包括9种传感器节点，分别是温度传感器节点、湿度传感器节点、光照传感器节点、PH传感器节点、水体浊度传感器节点、PM2.5传感器节点、结露传感器节点、气压传感器节点、烟雾传感器节点。

这9种类型的传感器节点通过Zigbee协议实现网状组网，并将感知的环境数据发送给协调器节点，协调器节点通过网关节点连接Internet。

2.2 后台服务器软件设计

后台服务器软件设计如图4所示。后台服务器软件系统负责接收协调器节点上报的沿海湿地环境数据并进行处理：一方面利用MySQL数据库存储数据，另一方面按照移动端需求，通过Socket向移动端发送历史或实时环境数据。

2.3 移动APP设计

Android客户端系统设计如图5所示。Android客户端一方面接收PC端通过Socket发来的环境数据，通过动态曲线实时展现当前湿地的实时数据；另一方面，可以查询PC端存储的历史数据并展现。Android客户端还可设定报警阈值，当某项湿地环境数据发生异常时，通过短信主动报警。

3 环境监测系统实现

3.1 原型系统结构

沿海湿地环境监测原型系统部署了6个无线传感器节点，共连接9种传感器。无线传感器节点通过Zigbee协议自组织连接到协调器节点。协调器节点一方面通过Zigbee协议接收其它节点发来的湿地环境数据，另一方面通过串口连接到服务器，将接收到的湿地环境数据发送给服务器。在服务器上部署后台服务器软件，负责湿地环境数据的存储及与Android终端的通信。服务器和Android终端连接到同一局域网，通过Socket方式实现数据通信。

3.2 后台服务器软件实现

后台服务器软件界面如图6所示。后台服务器软件使用Java Swing开发，可通过串口读取协调器节点发送的湿地环境数据，并将其存储到MySQL数据库中。同时通过 “启动服务”按钮，为Android终端提供Socket服务，允许Android终端访问数据库中的实时数据和历史数据。

3.3 Android终端软件实现

Android终端软件基于Android Studio开发，可运行于主流版本的Android终端上。Android终端软件主要负责湿地环境实时数据、历史数据的展现，以及数据异常时的报警。

Android终端实时数据展现界面如图7所示。在该界面，点击“连接”按钮，软件将通过Socket与后台服务器建立连接，接收后台服务器发来的湿地环境实时数据。湿地环境实时数据在二维坐标中以动态曲线方式向用户展现。在二维图像下有湿地环境参数相关按钮，用户可以点击选择想要查看的湿地环境参数。不同的环境数据以不同颜色的动态曲线实时展现。

Android终端历史数据查询界面如圖8所示。在该界面上，用户可选择所要查询的环境数据类型，并通过文本框输入查询数据的起始和终止时刻，点击“开始查询”按钮后，以曲线方式展现某项环境数据在指定时间段内的变化情况。

Android终端环境数据超限阈值设置界面如图9所示。在该界面，用户可为每种湿地环境数据设置上限和下限值，并设定报警短信发送的目标号码。当某项环境数据值超出设定的上限或下限后，指定手机将接收到报警短信。

4 结语

沿海湿地环境监测检测系统利用物联网技术，实现对沿海湿地环境9种参数的远程实时监测。用户可通过Android移动端APP实时查看湿地环境数据，查询指定时间段内的湿地环境历史数据。当相关湿地环境参数超过用户设定的上限或下限时将收到报警短信提醒。应用该系统可提升沿海湿地环境监测的自动化和智能化水平，提高沿海湿地资源保护效率。

参考文献：

[1]姚海燕，赵蓓，孙莉莉，等.滨海湿地管理中的问题认识及解决策略探讨[J].海洋开发与管理，2014，21（12）：57-60.

[2]朱洪波，杨龙祥，于全.物联网的技术思想与应用策略研究[J].通信学报，2011，31（11）：2-9.

[3]钱志鸿，王义君.物联网技术与应用研究[J].电子学报，2012，40（5）：1023-1029.

[4]李志宇.物联网技术研究进展[J].计算机测量与控制，2012，20（6）：1445-1448.

[5]鲁宁.基于物联网的湿地环境监测系统的设计与研究[J].现代化农业，2016，23（7）：61-62.

[6]蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究[J].传感技术学报，2007，20（1）：183-186.

[7]史梦安，王志勃.基于C/S和B/S混合结构的物联网智能远程环境监控系统研究[J].软件导刊，2014，13（9）： 6-9.

[8]宋守金，吴云韬，郑更生.基于物联网的无线测温模块设计[J].软件导刊，2016，15（9）： 119-121.

[9]杜岩.基于ZigBee协议的远程监控系统设计[J].软件导刊，2015，14（11）： 95-97.

[10]李文翔，李忠森.基于Android平台的智能温控系统设计与实现[J].软件导刊，2016，15（6）： 85-87.

（责任编辑：杜能钢）