WSN森林微气象信息监测的组网试验研究

摘  要：为了实现对森林微气象监测的智能化和信息化，本文提出了基于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的森林微气象数据监测系统。该系统选取广州市天河区的火炉山森林公园为试验区，布置了22个无线传感器网络节点，WSN网络覆盖面积为3500平方米，构成森林微气象数据监测系统，实现对森林微气象的监测，通过森林微气象监测上位机软件，收集到的数据有1.75万条。实现了通过网络节点采集森林环境信息，对数据进行处理和融合后传输到基站，再通过GPRS传送到远程监测上位机软件，经过一年左右的运行可以证明该系统稳定性好，能够大大提高森林微气象监测的效率。

关键词：无线传感器网络;森林微气象;气象监测

中图分类号：TP212.9;TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）17-0154-03

Abstract：In order to realize the intelligence and informatization of forest micrometeorological monitoring，a forest micrometeorological data monitoring system based on wireless sensor networks （WSN） is proposed. The system takes Huolushan Forest Park in Tianhe District of Guangzhou City as the experimental area，and arranges 22 wireless sensor network nodes. The WSN network covers an area of 3500 square meters. It forms a forest micro-meteorological data monitoring system，which realizes the monitoring of forest micro-meteorology. The data collected through the software of the upper computer of forest micro-meteorological monitoring are collected. There are 17.5 million items. The system can collect forest environmental information through network node，process and fuse data，then transmit them to base station，and then transmit them to remote monitoring PC software through GPRS. After about a year of operation，it can be proved that the system is stable and can greatly improve the efficiency of forest micro-meteorological monitoring.

Keywords：wireless sensor network;forest micrometeorology;meteorological monitoring

0  引  言

森林微氣象主要研究森林上空大气下垫面边界层内各物理量的垂直变化规律，监测的物理量包括森林植被热量以及太阳辐射总量等。微气象数据是森林微气象研究的数据基础，森林微气象学主要关注的数据有：太阳辐射、空气温湿度、CO2的含量、风向和风速、降雨量、土壤的水分含量、土壤温度等[1]。传统的森林微气象数据是通过气象监测站和人工移动设备进行采集获取微气象数据。采用无线传感器网络技术能够在监测区域内部署大量传感器节点，自组织构建通信网络，通过多跳传输完成数据的传输，具有成本低、自组织和容错性高的优点。

目前无线传感器网络在林业生产环境的应用情形有：（1）森林火灾监测。通过在无线传感器网络接入烟雾传感器或者温湿度传感器，并设置一定的报警机制，能够实现对森林火灾的监测与灾区报警任务。（2）生物多样性监测。可以在动物身上安装一些定位传感器，对动物进行实时跟踪，可用于在热带雨林或者寒冷的极地环境探索动物的多样性。也可以高频采集特定区域的环境信息，从而对生物的多样性进行分析。（3）生态环境监测。主要监测生态环境的土壤含水量。（4）精准林业。通过传感器网络技术准确计量和监测林木生长状况，帮助林业管理员获取森林环境特性及林木生长的有效数据。

针对森林微气象监测的实际管理需求，本文提出了一种采用无线传感器网络技术，结合数据可视化技术的检测系统，对森林环境信息监测的发展起到保障作用，具有广泛的应用前景。

1  系统总体设计

1.1  系统整体架构设计

无线传感器网络系统的设计由4个模块组成，分别是数据感知模块、数据处理模块、数据融合模块和数据传输模块，如图1所示。森林微气象的数据感知原理是通过加载在传感器节点的不同类型的无线传感器进行感知，数据经过多跳无线传输方式完成数据的汇聚融合，并通过Internet、GPRS、4G等通信网络上传到远程终端服务器[2]，在森林微气象监测系统上位机软件当中实时显示出来，WSN的系统结构图如图2所示。

1.2  WSN节点硬件设计

本系统所设计的无线传感器网络节点由4个组成部分，分别为数据处理模块、数据感知模块、通信模块以及电源模块[3]。数据处理模块根据所要监测的环境信息配置不同的传感器，要求传感器的封装性能好、体积小、电路简单。当前适用于森林微气象监测的传感器有：光照度传感器、土壤水分传感器、温湿度传感器DHT22、CO2传感器。本系统的WSN节点挂载传感器有：光照度传感器、土壤水分传感器、温度传感器、温湿度传感器DHT22、CO2传感器等，整个网络覆盖范围约3500m2。各节点封装满足IP65的等级要求，为了将其固定在树木支干上，我们采用了捆绑的方式。传感器节点最为关键的组成部分是数据处理器，无线传感器网络节点采用了ATmega128L微控制器，该控制器功耗较低且集成了多种数据资源。无线通信模块对于节点的通信和数据传输具有重要作用，节点的通信距离受射频传输能力限制，要求无线模块的功耗越低越好，本系统的WSN节点射频模块采用CC2430无线通信模块。WSN网络节点结构如图3所示。

1.3  WSN路由协议设计

在无线传感器网络通信中，数据的传输性能直接决定了网络质量的好坏[4]，设计适合森林环境树木多、遮挡严重、地形落差大、环境恶劣的无线传感器网络路由协议尤为关键。本系统设置了结合定向天线和全向天线性能的无线传感器网络路由协议，能够预设数据通信的大体方向，将数据朝着工作需求的方向进行传输，引入有限状态机制将网络节点分类划分为休眠状态和激活状态，以能量优先为导向，网络节点根据通信需要进行状态的自动切换。路由构建机制由3部分组成，分别是网络初始化、邻居报文交互、邻居表维护。在初始化阶段进行邻居表初始化，邻居间交互SniffMsg和AckMsg消息报文，完成节点入网并更新自身HC（跳数信息）。根据邻居信息把邻居划分到不同的邻居记录表AdjacencyList中，包括父节点记录表、兄弟节点记录表、子节点记录表。路由维护阶段通过邻居交互报文更新节点邻居状态表AdjacencyState。

2  试验研究与数据管理

2.1  节点部署方案

在森林微气象环境监测当中，由于考虑到野外环境的不确定性，对于硬件节点必须要进行封装，可采用金属外壳或者塑料外壳进行防水密闭设计，并且在部署节点过程中要考虑到节点的朝向以及周边有无覆盖物，最好部署在较为宽广的地方，以避免外界环境因素引起的通信质量差的问题。为控制系统的成本，在实际监测的试验中会在满足覆盖整片区域的基础上减少部署节点的数量，但是，为了提高网络容错能力，仍需保证网络具有一定冗余性[5]。

本系统于2018年5月至今在火炉山森林公园进行了面向森林微气象监测的实地试验，火炉山森林公园位于广州市天河区，长约3km，面积6km2，火炉山森林资源丰富，共30多个科、50多个属、100多个品种，主要由亚热带和南亚热带优良阔叶树种组成。监测系统布置了22个无线传感器网络节点，森林环境监测节点部署图如图4所示。在实际组网监测过程中发现，采用定向天线与全向天线相结合的节点部署方案在保证节点连通性上效果较好。网络覆盖面积为3500m2，构成森林微气象数据监测系统，实现了网络节点通过采集森林环境信息、数据处理和数据融合后达到基站，再通过GPRS传送到远程上位机软件，在一年多的时间里，累计收集到的数据有1.75万条。

2.2  SQL Server數据处理

森林微气象数据监测汇聚节点能够将收集到的数据传输至远程服务器当中，服务器的数据经过处理后，在森林微气象监测系统进行在线显示。其数据处理过程为：SQL Server进行解析、处理收集到的数据后进行校验，分析图像数据包的完整性，并进行报文传输，再以动态图呈现出实时的数据，如温度、湿度、CO2浓度。

2.3  数据显示与参数配置

采用Web形式实现对森林微气象监测系统的数据管理，用户可通过已接入互联网的PC机、Pad、手机等远程进行数据查询和网络参数的配置。远程上位机监测系统能对数据进行实时显示，并能将数据存储在数据库当中，方便用户进行历史数据查询，基于DreamWare技术可视化，将探测到的节点温度、湿度、CO2浓度信息进行连续显示，能够有效呈现网络的拓扑状态以及节点的信息，对于温度过高或者湿度较低的区域，进行灾情预警。表1为2016年6月14日不同节点监测到的温度数据，表2为不同节点监测到的湿度数据。

3  结  论

经实际组网部署试验，基于混合天线WSN的森林微气象数据监测系统能够实现对森林微气象信息的采集、分析、存储及预警功能，在森林微气象环境信息监测方面具有广泛的应用前景，对于林业工作者开展数字林业、推动生态环境保护具有重要意义。

参考文献：

[1] 王霓虹，刘晓锡.林区生态环境监测的无线传感器网络数据融合技术研究 [J].森林工程，2012，28（4）：85-88.

[2] 郑少雄.基于混合天线无线传感器网络的森林微气象数据监测研究 [J].农业网络信息，2017（6）：10-13.

[3] 李敬兆，郭明明，张晓明.地空交互多感融合森林防护监测系统 [J].传感器与微系统，2019，38（1）：110-113+116.

[4] 左是，刘竹林，李祯.基于森林环境监测的无线传感器网络路由技术研究 [J].湖北工业职业技术学院学报，2018，31（3）：62-65.

[5] 蒋小川.节能型无线传感器网络在森林环境监测中的应用 [J].南京林业大学学报（自然科学版），2014，38（4）：14-18.

作者简介：郑少雄（1990-），男，汉族，广东饶平人，讲师，硕士研究生，毕业于华南农业大学，研究方向：信息系统管理、无线传感器网络。