基于WSN的大学校园环境监测系统设计

叶 蕾， 周宇峰， 蔡 越， 李 翀

（浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江临安311300）

0 引 言

随着我国城市化进程的不断加快，城市环境问题日益频发，人们对于生态环境日益关注，城市绿地越来越多进入人们视野，而城市绿地是城市中不]可或缺的基础设施，在改善城市环境等方面发挥着重要的作用，因此通过对城市绿地智能监测和感知研究城市绿地特性，对改善城市生态环境问题以及城市热岛效应具有重要意义。然而对于城市环境监测而言，传统监测方法利用监测站或者是人工移动设备，不能满足于灵活且高效的绿地监测，针对上述缺陷［1-5］。基于上述情况现提出一种基于WSN的城市绿地环境监测系统，实现网络平台实时显示数据，同时满足存储查阅等功能，方便用户后续工作。

大学校园是一个相对独立的社区，新建设的大学校区一般都有66.67 ha（1 000亩）以上，具有城市森林所包含的各种载体和功能。为了便于研究，试验地选择在浙江农林大学东湖校区，其占地166.67 ha（2 500亩），学校重视生态文化建设，“两园（校园、植物园）合一”，被教育部、国家林业和草原局等单位授予“国家生态文明教育基地”。将该系统应用于校园绿地生态环境监测，主要包括：环境温湿度、CO2的浓度、空气PM2.5、PM10的浓度、环境噪音、太阳辐射等气象因子。

1 系统概述

该系统将无线传感器网络与校园环境监测相结合，通过数据采集器、传感器，经过无线传输系统和后台数据处理系统形成信息监控管理平台，该监测子站具备了大气PM2.5、PM10监测、环境温湿度及光照监测、噪声监测等多种功能，通过各硬件传感器连接控制板进行采集传输至网络平台进行实时监测，数据平台作为一个互联网架构的网络化平台，具有对各个子站的监控功能以及对数据的记录、查询、输出等多种功能，该系统可实现24 h候全天候实时在线监测，采用MODBUS协议的RTU方式，通过4G网进行无线数据传输，系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

由图1可看出，系统环境监测流程主要分为3个部分：

（1）数据采集部分。系统通过与相应的传感器（光照强度、空气温湿度、环境PM2.5、PM10、环境噪音、空气CO2）等器件连接对校园环境数据进行采集，采集节点将解析处理上传数据库进行分类储存。

（2）数据传输处理部分。接收传感器节点上传的数据，分类保存至数据库，后端服务器接收指令请求并将执行结果返回用户。

（3）面向用户的监测系统部分。用户通过手机或PC机快捷、直观操作使用本系统，灵活利用定位功能。

2 硬件设计

系统通过无线传感器网络系统进行室外环境数据采集和传输，中心节点、路由器节点和传感器节点组成无线传感器网络节点，主要包括传感器模块、处理器模块、通信模块和电源模块，其中传感器模块负责室外环境数据采集，包括空气温湿度、CO2浓度、PM2.5、PM10浓度、噪声和光照强度，处理器模块采用DSP，负责AD转换、数据读取等，通信模块，电源模块负责提供以上工作的能量，保证设备正常运作。该系统传感器监测能力和监测范围如表1所示。

表1 环境气体在线监测能力和监测范围

2.1 传感器选型

（1）光照传感器。该系统采用的BH1750FVI是日本RHOM株式会社推出的I2C总线接口的数字式光照强度传感器，作为一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，支持大范围光照强度变化，具有高精度、高灵敏、高一致性等特点，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化［6-7］。

（2）温湿度传感器。核心器件采用Sensirion公司生产的SHT21芯片，具有完全标定、数字输出、I2C接口、高分辨率等优点，每测量一次温湿度就要经过：启动传感器、启动/停止时序、发送设备地址和测量命令等步骤，其测量温度范围在-40～120°C，精度在±0.5°C，测量空气相对湿度范围在0-100%RH，精度在±4.5%［7］。湿度（SRH）和温度（ST）数据经过以下公式的换算：

即可得到相应的相对湿度RH（%RH）和温度T（℃），式（1）为湿度转换函数、式（2）为温度转换函数，其中所得温度ST、湿度SRH、实际温度T、湿度RH［7］。

（3）CO2传感器。CO2采用的是CRIR M1商用二氧化碳（CO2）传感器，其中，一端是红外光源，另一端是装有滤光片的探测器。光源发出的辐射波长包括CO2的吸收带，滤光片阻断对CO2的存在不敏感的波长，提高选择性和灵敏度，当光通过传感腔时，如果存在CO2，则会吸收一部分光。然后，可以将源发出的光和检测器接收到的光之间的差异转换为CO2浓度读数。自动基线校正（ABC）功能可以在预先设置的时间间隔内自动校准传感器的最小读数至400×10-6CO2，这提高了长期稳定性，并且无须进行校准，它具有单通道、非色散红外技术、自动基线校准、温度补偿、UART数字界面等特性。

（4）声音传感器。声音传感器将声音信号转化为电信号输出，一般应用包括电容式声音传感器和驻极体声音传感器，具有灵敏度高、准确度高、测量范围大以及高稳定性，该系统噪音监测采用的是驻极体声音传感器，另外具备的优点是采用驻极体材料，能有效避免极化电压［9］。由于传感器得到的电信号很微弱，在数据传输和处理的时候必须进行放大处理，但会造成噪声拾取，因此，为了滤除有效音频信号以外的噪声信号，对信号进行滤波处理送至微处理器进行经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机［10］。

（5）PM2.5、PM10传感器。PM2.5、PM10监测采用激光传感器SDS011，激光经过散射后，能够检测到＜±10μg/m3+10%读数，分辨精度在1μg/m3的悬浮颗粒物浓度，串口通信协议速率在9 600、1个起始位，8个数据位，1个停止位，对所设置的光学传感器上面输出的信号进行进一步的数字处理，然后测量其参数设定，结果显示、按键、时间、日期等都由内置微机控制、实现［11］。

2.2 通信协议部分

针对该系统采用工作于12 V电压并利用RS-485通信的传感器，主从式半双工通信，主机呼叫从机地址，从机应答方式通信，数据帧格式为1个起始位，8个数据位，1个停止位，无校验位，工作波特率为9 600 Kb/s，消息帧包含：STA（帧起始符）、AD（地址域）、C（控制域）、LEN（数据长度域）、DATA（数据域）、CRC（校验码）、END（帧结束符）［7］。在通信过程中，须通过MAX3485芯片收发控制脚的电平，实现相应接口传感器的型号收发，通信双方都按照本数据帧的格式规范进行传送和解析。

传感器软件节点包括监测节点、网关节点、上位机通信和数据库，采集节点将各路传感器的数据进行AD转换［12］，发送给路由器节点，数据协议模块采用的是MODBUS协议中的RTU方式，在RTU方式下，使用RTU该模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始，当地址域接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的，在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输，如果在消息帧完成之前有超过3.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域［13］。

在RS-485通信网络中，通常会使用485收发器来转换TTL电平和RS-485电平。节点中的串口控制器使用RX与TX信号线连接到485收发器上，而收发器通过差分线连接到网络总线，串口控制器与收发器之间一般使用TTL信号传输，收发器与总线则使用差分信号来传输。发送数据时，串口控制器的TX信号经过收发器转换成差分信号传输到总线上，而接收数据时，收发器把总线上的差分信号转化成TTL信号通过RX引脚传输到串口控制器中。通常在这些节点中只能有一个主机，剩下的全为从机。在总线的起止端分别加了一个120Ω的匹配电阻。

3 软件设计

基于ASP.NET和PHP.平台开发的Web应用，用户通过互联网进行访问，实时及时获取环境生态气象数据信息。该系统分为3层逻辑结构：数据访问层、业务逻辑层、页面显示层［13］。服务器通过数据识别，存储在数据库表中，基于SQL Server关系型数据库设计生态环境气象数据库（侯瑞），实现空气温度、湿度、光照强度、CO2等信息的Web服务器存储，数据访问层完成最基本的数据服务，业务逻辑层实现数据查找，页面显示层则是授权用户通过浏览器访问当前或历史信息并提供数据下载［14］。监测软件具有以下功能：①实时显示当前时刻的各个环境观测站数据；②历史纪录，可以按照任意时间查询历史记录以及保存生成EXCEL或PDF作为原始数据存储；③报警记录，当某监测数值超过设定范围时，发出警告信息并保存记录；④历史曲线，通过设定任意长度时间范围，选择某一指标值大致区间范围，将绘制以时间轴为横坐标的历史曲线［15］。

4 实验应用

自2019年8月至今在浙江农林大学东湖校区进行全面环境监测实验样地布设，监测部署图如图2所示，标定点即代表架设仪器地方，该监测系统共布设10个无线传感器网络节点，覆盖整个校区，通过网络节点采集生态环境信息，数据处理融合到达基站，再通过GPRS传送到上位机软件。图3所示是设备部署架设图，其设备内部结构如图4所示，生态环境气象监测平台主界面，用户可通过已接入互联网手机或PC机等远程登录账号密码查询设备运行状态，图5为某一传感器采集的一天内的数据变化曲线图，其中图5（a）～图5（g）分别表示CO2、PM2.5、温度、湿度、光照、噪声、PM10。

图2 校园环境监测节点部署图

图3 设备架设部署

图4 设备内部结构图

图5 传感器历史曲线记录

5 结 语

大气环境监测仪通过前端的各气体传感器气体采集气体，将采集的信号按序通过接口协议进入无线通信节点设备DVR的独立（DTU）传输通道，经处理后输入到单元内数据采集器；采集器将采集的数据经过无线数据传输终端，通过中端TCP/IP网络传入到大气监测平台系统；系统按照《国家空气监测网子站监测数据报送传输协议》规定的内容接收和存储子站上传的监测数据；将接收到的数据进行解析、存储、处理、审核及上传等处理工作，及时在终端平台上进行图形展示和数据分析。针对CO2、PM2.5、PM10、温湿度等环境参数的野外试验进行长期监测，设计并实现了环境监测组网系统，解决了多点、同步、长期、高效的车辆问题，具备监测、传输、查询、存储等多功能，在浙江农林大学东湖校区试验站进行科研实验建设，并取得良好的效果。