一种物联网湿地无线监测系统的设计

丁 齐

(常熟市林业站，江苏 常熟 215500)

湿地是生态系统的重要组成部分，被称为“地球之肾”。随着经济的发展，我国在湿地保护上也加大了力度，但是湿地保护仍然还面临着水体污染、面积萎缩和生物多样性减少等诸多问题。在此背景下，湿地环境监测系统的设计至关重要，利用无线传感网络技术、遥感技术等现代技术手段，能够有效地提高环境监测数据准确性，提升环境监测效率，为湿地生态资源保护和合理开发利用提供重要的数据支撑，在促进当地经济社会发展方面也起着重要的作用。总之，借助物联网技术创建湿地环境监测无线网络，可以全面感知湿地环境数据，通过将数据上传到PC客户端与手机App，还能随时查看湿地环境数据，实现全过程、多方面和持续性的环境监测，由无线传输技术进行数据传输。若有数据异常，还可借助短信方式报警，便于对湿地环境进行全面智能监测，满足湿地动植物资源调查和生态环境建设的需求，最终促进湿地建设朝着绿色可持续方向发展。

1 湿地环境监测研究

国内湿地环境方面的研究起步较晚，开始于20世纪50年代，这方面研究多需要专业人员到现场采集样本数据监测，然后进行样本分析，最后整理成结论研究湿地环境。但该方法会消耗很多时间，且在数据采集期间还会产生很多人为误差，加上数据采集时间较为离散，很难展现某一时间内湿地环境的变化。到20世纪90年代，国内湿地环境建设取得新的进步。自改革政策的落实，很多西方技术被应用到国内湿地环境监测当中。借助湿地环境评估和滨海湿地变迁模拟方面的研究，国内湿地研究中首次融入了计算机技术和GIS技术。之后，将这些技术应用到辽河湿地景观规划当中，这为国内湿地研究开启了新的道路[1]。

2 湿地监测站创建的意义

国内湿地占地面积近6 600万hm2，该面积占比世界湿地面积11%，位居世界第4。这里天然湿地占地面积约2 590万hm2，里面包含浅海水域、沼泽和天然湖泊等不同类型。在国内经济快速发展中，随着人类活动的增加，湿地周遭城市土地需求不断增加，其不合理的湿地开发行为，导致周遭湿地面积不断下降。与此同时，湿地退化问题越来越严重。湿地环境退化，即周遭生态环境服务功能不断下降，产生的危害为：一，对生态平衡造成破坏，增加自然灾害发生概率。随着湿地的退化，绿植物种不断减少，生态多样性逐渐被破坏，洪涝与干旱灾害时常发生。二，水调蓄能力不断下降，湿地退化导致水净化力不断下降，水循环运转被破坏。三，植被覆盖率逐渐下降，土壤逐渐被侵蚀。随着湿地水环境的改变，绿色植物生长率备受影响，植被覆盖率逐渐减少，湿地环境蓄水率随之下降。随着土壤侵蚀度的增加，在风化作用下，环境沙漠化程度不断加重[2]。

与大面积水域相比，湿地水环境有其特殊性。江河、湖海等大面积水域一般在地理上具有统一性，一个水域是一个完整的整体，而湿地水环境水域多为分散的、独立的局部水域，水域大小不一致、形状不规则、生物多样性复杂，环境监测与保护难度较大，监测结果易受到人为、季节等因素的影响，基于物联网的无线检测系统能够对多个水域进行实时监测，能够快捷、准确地评估水环境参数，为湿地污染预警和防治提供技术支持[3]。

一直以来，受到技术方面的限制，关于湿地退化方面研究多以人工监测与现场数据采集为主。在不同传感器与集成电路技术快速发展中，随着物联网、云计算技术等方面发展，传统湿地监测方式备受打击，生态环境技术发生明显改变。野外设立无线监测系统，即可对湿地环境监测站情况进行全面了解[4]。

3 系统架构及设计线路

以物联网为基础的湿地环境无线网络监测系统包含2部分：一，无线传感器网络；二，湿地环境数据后台服务器。其中，就前者而言，在湿地四周布设无线传感器节点，让节点间借助无线链路进行连接，同时按照ZigBee协议，组织并构成无线多跳网，即可采集湿地环境参数与数据，然后将数据发送到汇聚节点中，之后该节点会将数据传到网关节点中。对后者来说，湿地环境数据后台服务器，主要责任为采集、存储、处理获得的湿地环境数据。湿地环境数据出现异常期间，及时给出警报信息。此时，用户借助PC端即可对后台服务器进行访问，便于查询湿地环境数据信息[5]。

网关节点在连接湿地环境监测无线传感网络期间，另外一端和因特网相连，身为湿地环境监测无线网络与后台服务间的桥梁，其主要责任为转换协议与数据转发，之后将数据传到后台服务器中。以物联网为基础的湿地环境监测系统架构见图1，具体设计框架图见图2。

图1 系统架构

图2 系统设计框架

站在任务需求视角分析系统设计与开发期间的主要问题，便于提出最佳问题解决方案。在了解环境数据方面，可以将湿地环境内水与空气数据，例如水体pH、光照和湿度等不同参数进行感知。传感器节点组网中，使用CC2530芯片及Z——Stack协议栈可创建传感器节点组网程序。后台数据库中，将MySQL当做后台数据库，便于采集存贮不同湿地环境数据。服务器应用Java语言研发管理软件界面，同时和移动终端进行通信。以安卓系统为平台，研究移动客户端，便于实时监测湿地环境数据[6]。

系统使用逐步细化与自顶向下方式进行开发。先划分项目总体设计与模块，接着就各模块内容逐一进行设计研发，最后开展系统联调。模块研发多以前期模块为基础，随后陆续融入新的系统，便于及时找到模块间与设计中的问题，从而不断提升系统研发速度。

4 监测系统设计

4.1 无线传感器网络设计

湿地环境无线传感器网络设计见图3，传感器网络包含9个节点，不同传感器节点借助ZigBee协议可建立组网结构，然后将获得的数据传输到协调器节点中，节点借助网关和互联网相连。

图3 湿地环境监测无线传感器网络设计

4.2 后台服务器软件设计

后台服务器软件设计见图4，该软件主要负责采集协调器节点数据，然后对湿地环境数据进行集中处理。数据处理期间，可以应用MySQL存储数据，接着结合移动端需求，借助Socket朝着移动端口传递环境数据。

图4 后台服务器软件系统设计

4.3 移动App设计

安卓系统设计中，系统不仅可以接收到PC端传来的数据信息，还能借助动态曲线充分展现本地实时数据；再者，还能及时查找PC端历史数据。安卓端还能设定报警阈值，若某一数据出现异常，借助短信就能报警。

5 环境监测系统

5.1 原型系统结构

湿地环境监测系统有6个无线传感器节点，其中连接传感器共9个。无线传感器节点借助ZigBee协议和协调器节点相连。协调器节点既要接收湿地环境数据，还要借助串口和服务器相连，然后将收到的数据传给服务器。并在服务器中部署相应软件，便于存储湿地环境数据，加强和安卓终端间的通信。安卓终端与服务区连接在相同局域网中，借助Socket完成数据通信[7]。

5.2 后台服务器软件

后台服务器软件借助Java Swing 研发，借助串口获得协调器节点湿地环境数据，然后将其存贮在MySQL内。随后借助“启动服务”按钮，即可为安装系统提供Socket服务，便于安卓终端可以访问数据库内容[8]。

5.3 安卓终端软件

安卓软件可以在主流安卓终端运行。安卓终端软件主要负责展现实时与历史数据，遇到数据异常情况及时报警。实时安装终端数据界面中，“连接”键可以和后台服务器进行连接，便于收到后台传来的湿地实时数据。二维坐标中湿地环境数据借助动态曲线展现在用户眼前。二维图像前有湿地环境参数按钮，点击该按钮即可选择想要的环境参数。对于不同环境数据而言，其将用不同颜色曲线展现出来。安卓历史数据查询界面中，用户选择自身所要查找的数据类型，然后在文本框内输入数据起始与终端时间，最后点击查询键，即可用曲线方式向人们展现某时间段内的数据变化[9]。

6 湿地环境变化监测项目实施

(1)湿地面积监测。湿地面积监测以湿地质量与面积变化为核心，引起湿地面积改变的因素有：管理影响、外部趋势等，例如气候变化。该过程中监测目的为及时判定湿地变化程度及原因，便于及时采取停止措施。湿地面积监测使用的指标有：生境斑块、生境类型面积等对照分析。湿地面积监测法主要包括地图勾绘、实地调查、GIS与遥感[10]。

(2)水文情势监测。水文情势改变多因人类活动与中上游取水过度导致的，也有部分原因为水体沼泽化，有机物累积过多，从而使得地面上升，最终使得水文情势不断改变。湿地水温变化，可以从水量平衡、水位高度、潮汐和降水量等方面看出来[11]。

(3)有毒、污染物监测。湿地有毒有害物质包括磷杀虫剂、洗涤剂和工业废弃物等，这些物质多由人类活动产生，进而危及湿地生态系统。其中污染物监测指标包括：不同有毒物质、生物体、放射性物质等浓度[12]。

(4)生物多样性监测。因难以直接开展化学监测，所以通常多使用生物监测法。也就是对很多大型水生生物、陆生植物和鱼等进行化学毒物与金属污染等方面监测。其中，生物多样性监测指标包括：种群数量、本地物种和外来物种等方面影响。具体检测方法可以通过查找资料与实地调查开展。

7 结语

沿海湿地环境监测系统应用物联网技术，即可对9种参数进行远程监测。用户借助安卓移动端即可查询湿地环境数据，查找特定时期下湿地环境数据。若湿地环境参数超过上限与下限，则会收到警报短信。使用这一系统可以提高湿地环境监测智能水平，不断提升湿地资源保护效率。基于物联网的湿地无线监测系统，实现多种数据的检测，实时地显示和传输监测数据，监测系统监测结果能够形成湿地水环境检测信息网，具有低功耗的优势，监测数据稳定可靠、准确性高，为湿地保护提供技术支持，推动物联网技术在湿地环境监测中的应用。