时间：2022-07-29 00:08:13
关键词：环境监测；实时监控；无线通信；接力传输
无人值守综合监控系统可在比较复杂环境中实现无人值守检测，集中式管理与分布式监控远程设备。对于无线远程实施监控系统来讲，在系统内充分运用了诸多先进技术，如无线通信技术、现代传感技术及环境测试技术等，可将其大致划分为三部分，即以Web为基础的数据与分析模块、服务器端接收存储模块及终端采集发送模块。本文基于MSP430探讨环境监测系统的设计路径。
1.系统分析与模块介绍
1.1系统总体设计
无线环境监测系统设计中，选用节点寻址技术，实施多节点通信。手机无线通信距离外的各节点数据，乃是无线实时检测系统所需解决的关键问题，也就是监控终端采用切实办法对无线通信距离之外的探测节点数据进行实时收集，有别于其它类型的预设路由的接力数据传输方式，对于覆盖区域相应拓展问题给予了有效解决，在运行中，监控终端始终均为主控，能够收集制定区域框架内各探测节点的实时数据，而对于特殊情况，针对所接收到的远端请求，能以被动的方式来接受，若在节点发生紧急情况，能够及时作出处理。而对于探测节点，其处从属地位，监控终端对其实施控制，在紧急状况下，可调整至主动发送，保证能够及时上报可能出现的环境污染因子。
1.2系统硬件设计
1.2.1硬件设计思路
无论是探测模块还是监控模块，均需由MCU实现，本文均选用MSP430F1611单片机（TI公司），将其当作控制器，对于MSP系列单片机来讲，其实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机，其具有比较底的功耗消耗，此点对于本系统设计，对于本次设计尤为重要。对于环境监测模块而言，可监测二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、VOCs等信息，而对于其它类环境信息的测量，在本系统中快速植入。定点采集及轮询等方式，各节点实现有序通信，而通过运用预设路由的接力数据传输方式，能够较好的且系统化的解决覆盖范围拓展问题，对于监控终端，还有屏显与键盘功能，本文选用128×64液晶屏显及4×4按钮键盘。
1.2.2无线通信模块
对于环境监测数据，其实为静态信息，具有相对不高的数据传输速度要求，在对无线通信模块进行设计时，则可将nkF24L01数字无线收发器作为优选。此接收器其实为一款低成本无线收发器，即为工业级内置硬件链路层协议。此器件于2.4GHz工作，在ISM频段全球开放，内部设置有多种功能模块，如调制器、晶体振荡器、功率放大器及频率合成器等，并且其中还内置有ShockBurst技术（增强型），另外，可通过程度配置方式，确定通信频道与输出功率。可直接连接于单片机I/O，具有较少的外界元件。nRY24L01在功耗方面比较低，若将发生功率{整至-6dBm，则工作电流便会维持在8mA：若处于接收状态，电流则维持在12.2mA，通过各种低功率工作模式的运用，可更好的开展节能设计。
1.2.3监控模块
对于监控模块，对于其核心处理器的选用，通常以MSP430F1611单片机为基础，实际就是功耗超低、拥有精简指令集且为16位的混合型单片机。监控模块当中的液晶显示与键盘，能够操作各种菜单功能，另外，还可进行数据与信息的实时查询。在内容上，还包含有基于本地环境的监测模块，类似一节点。
1.2.4环境监测模块
环境监测模块的核心处理器也采用的是MSP430F1611单片机，能够测量二氧化硫、二氧化氮和臭氧等。在检测二氧化硫、二氧化氮和臭氧时，分别选用紫外荧光传感器、化学发光传感器和紫外吸收传感器，测量范围为0-500ppb，通过与SPI形成兼容效应，用微型SOT23-6来封装。通常情况下，化学发光法传感器测量范围为0-500ppb。
2.系统功能设计
2.1轮询模式
先选择“数据采集”，从中找出“轮询模式”，然后进至此模式，对于其中各个节点，需逐个访问，针对各节点的执行，需要做到与定点采集模式相同，首先从节点1进行定点采集之后以自动的方式在，在需要访问的后续地址上加一，也就是节点2，以此方式类推，直至最后节点。最后屏显所测数据，以便清晰观察分析。探测时，如若在等待时间上超出终端，便会向下节点自动跳转，并继续进行访问，在终端数据上予以显示，从中便可查知此节点所存在的故障，所以，此模式能够对各及诶单正常工作与否进行检测。
2.2自动接收
对于自动接收模式而言，其能够将监控模块，时刻控制在等待接收状态，各探测节点依据实现设定好的顺序，将环境数据信息定时发送。为不出现冲突，即大于2个节点同时进行数据发送，当进至自动接收模式时，监控模块会将一个启动时钟发送至全部探测节点，将其为基准，各个探测点延时后，会将环境数据信息自动发送。
3.环境监测系统覆盖范围扩展
本文所设计的无线传输模块，主要将nRY24L01芯片作为其核心，其工作状态，满足于各种低功率要求，能够有效开展节能设计。但低功耗也存有些许问题，比如在传输距离方面相对有限，通常情况下，维持在～100m，针对此监测系统来讲，其覆盖范围为100m，因此，此状况会对环境监测系统的效用，产生某种趋向范畴内的严重制约。而在接力数据传输方式方面，如若选用预设路由，便能将覆盖不足的缺陷给予有效解决。对于此种传输方式，能够为把处于远端，并且不在监控范围之内的各节点，结合上级节点相应指定，与监控模块间形成数据传输。由于环境监测系统，在环境数据量方面比较少，因此，也就具有比较小的无线通信数据量，而运用此方式，不会由于节点的增加，而造成通信阻塞状况。
水产养殖池水中的参数对养殖环境的控制及鱼类的生长至关重要，需要工作人员定期采集并实时控制养殖环境以保证鱼类能有一个健康的生存环境，但这种方式难以避免工作人员缺勤的情形，为确保人员到位和采集信息的准确性，通过RFID技术完成对人员的定位跟踪，同时还可提供养殖环境的信息，以便工作人员及时调节养殖环境的参数，减小养殖损失。当工作人员抵达采集信息处时，RFID模块会自动识别人员配备的电子标签，并把此时采集到的信息同人员的编号一起传送到信息中心，以确保工作人员的出勤率以及数据采集的准确性。传统的人工采集记录数据信息的方式存在效率低，并且容易出现记录错误的弊端，通过养殖池水环境监测信息的智能采集，借助于无线传感技术，安装特殊功能传感器实现池水环境信息自动化采集及对整个养殖区域的监控需求，系统工作流程如图1所示。
2数据采集功能
无线传感器模块是养殖环境监测系统的基础，在养殖池适当的区域安放温度、溶解氧、pH值及光照数据的无线传感器网络节点，准确采集水产养殖环境的数据信息。无线传感器模块的设计框图如图2所示。图中包括传感器、处理器、通信功能以及电源4个子模块。由于实际要求的差异，无线传感器模块4个子模块的硬件构成不尽相同，然而各子模块的功能基本相同。传感器子模块实现养殖环境的数据采集功能，并将采集到的信息转换成处理器可以识别的信息；处理器子模块调节整个无线传感器模块的工作状态，完成对自身采集信息和来自其他模块数据的处理，并实现与其他模块间的信息交流；通信功能子模块完成与其他模块间的信息通信以及收发采集到的数据；电源子模块主要负责提供模块正常工作需要的能量，一般使用微型电池。本文选用Ateml公司生产的AVR系列高性能、低功耗8位单片机ATmega128L，该芯片是一颗真正的系统芯片；在芯片内部集成了128KB的可编程闪存，具有独立锁定位、可选择的启动代码区进而通过片内的启动程序实现系统内编程，同时，其电压工作范围为2．7～5．5V。传感器采集到的数据信息通过AT－mega128L进行AD转换为数字信号，由无线通信模块负责将得到的数字信号输出。
3信息通信功能
3．1无线传感器网络
无线传感器网络的拓扑结构采用星网结合，各个采集点单独形成局部的无线传感器网络，通过中继节点将局部网络传出的数据汇聚传送到信息中心。各个采集点的无线传感器网络中都布置了传感器，这些传感器负责完成养殖环境的信息检测，即对池水温度、溶解氧浓度、pH值以及光照强度的信息采集。传感器采集到原始信号后，只有将模拟信号转换为数字信号才能通过无线网络进行传输，转换过程需要模拟信号放大器、A／D转换器、信号处理器等。传感器节点通过自组织功能将采集到的数据以单跳或者多跳的形式发送给中继节点。
3．2Wi－Fi传输
通常架设无线网络的基本配备是无线网卡及一台AP，足以实现无线模式，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。中继节点汇集到信息后通过Wi－Fi无线网络传输到信息处理中心，通过Wi－Fi接入点实现无线传感网之间的信息通信以及数据处理功能，Wi－Fi接入点既有普通站点的特点，同时可以实现接入到分配系统的功能。
4信息处理中心
4．1数据库管理
应用软件使用ADO设计连接ORACLE，具有采集信息的存档、当前或者历史信息的检索功能，实现对采集点采集到的数据的处理与存储。ADO设计开发中采用了较多的Command对象，同时采用ANSISQL语句实现对数据库的控制。鉴于实际操作中数据库中需要存档的数据量较大，因此数据的访问能力非常重要。而Command类的重复应用性比较好，可以把数据库的细节封入SQL里，当数据链表的内容改变时，可以只改正SQL语句就可以保证应用程序架构的稳定性。
4．2监控系统
为提高养殖人员对养殖环境的监视效率，本系统提供了良好的人机交互模块，含有信息实时显示、数据的历史查询模块、巡检人员的路径显示模块等功能。
5结束语
【关键词】无线传感器网络；矿井环境；监测系统；ZigBee技术
1.引言
我国的煤炭生产主要来源于地下开采，井下生产条件很恶劣，如：噪声大、粉尘浓度和有毒气体浓度较高。长期在这种环境中从事生产工作，会影响矿工的身心健康，同时给煤矿安全生产也带来隐患。由于矿井结构的复杂性，井下的重要环境信息如温度、湿度、压力、风速以及有毒气体浓度等，很难用有线通信手段实时地监控。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）作为一种新型的无线通信技术，应用于矿井环境监测系统的分析和设计之中，不仅为矿井安全生产管理和事故救援提供可靠的技术支持，而且为类似矿井的环境监测系统的分析和设计提供理论基础和应用实例。
2.无线传感器网络分析
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量传感器节点通过自组织方式构成的网络系统，各个节点协作地感知、收集和处理被监测区域中感知对象的信息，通过对这些信息的协作式处理，获得感知对象的准确信息。因此，传感器、感知对象和观测者构成了WSN的三要素[1]。
2.1 无线传感器网络体系结构
2.1.1 无线传感器网络的一般结构
典型的传感器网络由传感器节点、汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等部分构成。传感器节点随机部署在被监测区域内，节点以自组织形式构成网络，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到汇聚节点和其他相邻节点。汇聚节点直接与互联网或通信卫星相连，通过互联网或通信卫星实现任务管理节点与传感器节点之间的通信。用户通过管理节点对传感器网络进行管理和配置，监测任务并收集监测数据。
2.1.2 传感器节点的功能模块结构
无线传感器网络的关键设备是传感器节点。一般来说，传感器节点由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。其中传感器模块由各类传感器及数模转换设备组成，主要用于感知被监测区域的环境信息，并将其感知到的信息数据传送给处理器模块；处理器模块主要负责协调节点各部分工作，如对感知模块获取的信息进行处理、保存，控制数据采集操作和电源的工作模式等；无线通信模块主要负责与其它传感器节点及观测者的通信；能量供应模块提供传感器节点正常工作所必需的能源，它是影响节点寿命的关键因素。无线传感器节点结构如图1所示。
图1 传感器节点结构示意图
2.2 无线传感器网络的特点
2.2.1 传感器节点体积小，成本低，具有自适应性
无线传感器中应用的传感器节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点。传感器网络是由大量的传感器节点组成，制造成本低。此外，传感器网络可在比较恶劣环境下工作，比如矿井、矿山，经常有节点失效或新节点加入网络，使网络的拓扑结构动态变化，因此，传感器网络具有很好的可靠性和自适应性。
2.2.2 电源能量是网络寿命的关键
无线传感器网络通常部署在恶劣环境或人不宜到达的区域，电池能量有限，且一般无补充能源，传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此如何提高电源效率是设计节点考虑的关键因素。
2.2.3 数据管理与处理是传感器网络的核心
无线传感器网络最鲜明的特点就是以数据为中心，传感器网络的设计必须以对感知数据的管理和处理为核心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术等几个方面考虑其系统实现。
3.MEMSoWSN系统方案设计
MEMSoWSN是基于无线传感器网络的矿井环境监测系统的简称，系统方案基于无线传感网络技术构建，以实现对矿井环境监控和管理。
3.1 系统结构分析设计
图2为矿井环境及人员监测系统整体结构图。该监测系统可分为两个子系统，采集与传输系统（井下部分）和监测与管理系统（地面部分）。
图2 MEMSoWSN整体结构示意图
3.2 采集与传输系统
采集与传输系统主要包括移动节点、路由节点以及汇聚节点，实现对矿井生存环境等信息的采集与传输。其中，移动节点和路由节点都是传感器节点，主要收集井下环境信息，不参与多跳转发，只将本节点感知的信息发送给邻近路由节点；路由节点参与多跳转发，并感知矿井空气中有害气体的浓度和成分（瓦斯、一氧化碳等）以及矿井中空气的物理状态（如风速、负压、温湿度等），将感知的数据根据路由协议发送出去；汇聚节点的作用是实现传输系统和管理系统之间的数据传输，相当于系统之间的一个网关节点。
3.3 监测与管理系统
监测与管理系统包括监控中心计算机网络、数据库和监控软件等，无线传感器网络收集的数据通过汇聚节点传给监控中心并存入数据库，监控软件对数据进行分析处理，并根据数据的变化对人员及井下环境进行管理控制。
3.4 数据处理流程设计
MEMSoWSN系统的数据处理流程是：首先由传感器节点进行井下环境信息实时采集，经其内置的处理单元简单处理后发送给邻近路由节点，路由节点通过多跳转发的方式将数据发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据转发给地面信息监控中心，信息监控中心将接收到的汇聚节点的数据存入数据库，并对数据进行分析，以得到有用的井下环境信息，最后将分析结果展现给管理员。
3.5 传感器节点设计
根据无线传感器网络的通信原理和单片机知识，可设计如图3所示的传感器普通节点，图4所示的汇聚节点。
图3 普通节点示意图
图4 汇聚节点结构示意图
3.6 信息监控中心设计
信息监控中心主要功能是接收汇聚节点监测的数据，分析井下环境状况。它主要由网关服务器、数据库服务器、信息监控服务器等组成。网关服务器用来与汇聚节点进行通信，实现协议转换；数据库服务器用来分类存储传感器网络发来的井下信息，同时与信息监控服务器进行通信；信息监控服务器运行监控软件，分析并显示井下环境状态。
监控软件是信息监控中心的关键部分。它由实时显示模块、数据查询模块、数据统计模块、告警管理模块和系统维护模块组成，如图5所示。实时显示模块动态显示井下环境信息；数据查询模块实现矿工信息精确查询、路由节点工作状态查询以及所关心节点传感器数据的查询等；数据统计模块统计系统工作情况；告警管理模块对各种传感器数据进行阈值限制，当出现非正常情况时进行告警，以便使管理员及时做出响应；系统维护包括登录人员管理、系统界面维护以及系统密钥管理等。
图5 监控软件功能模块结构示意图
3.7 实用性和可行性分析
底下矿井空间狭窄、密闭、地质状况多样，不易布设有线设备监测点，无线传感器网络中的传感器节点体积小，成本低，可以随意撒放于任何不规则空间，它们感知被测区域信息并相互传递，使有线设备难以获取的数据通过汇聚节点和路由节点最终到达监控中心，实现矿井环境信息的实时监测。
设计无线传感器网络应用或试验时，通常使用ZigBee通信技术。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。同时，考虑到井下通信的一些特殊要求，比如：矿井巷道的半封闭空间结构以及煤的电介质特性使得矿井在频率较高的情况下类似于波导，可以在2.4GHz频段工作，使高频无线电信号在矿井中更为有效地直接传输。许多学者已经对无线信号在矿井中的传输进行了试验，结果证明其传播性能较好[2]。2.4GHz频段又是全球通用的工业、科学、医学（ISM，Industrial，Scientific and Medical）频段，免付费、免申请，在此频段上天线尺寸和芯片功耗可以设计的更小，井下通信非常适合用。在实验室，应用OPNET（Optimal Network Engineering Tools）仿真开发工具OPNET Modeler，即可进行仿真实验。
4.总结与展望
本文结合矿井环境的特点，通过分析无线传感网络的技术特征，分析设计了基于无线传感器网络的矿井环境监测系统模型，结合相应的无线通信技术及其路由协议即可进行仿真。
随着无线传感器网络的发展及矿井环境检测手段的不断提高，今后的研究工作还将进一步扩展。可从以下几个方面提升系统的整体功能，如增加传感器节点的功能，引入声音和视频等多媒体传感器，使管理人员对井下情况一目了然。结合WSN数据融合技术，提高数据收集效率，获得更准确的井下信息，节省节点的能量延长其寿命等。
参考文献：
[1]李建中,李金宝,石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J].软件学报,2003,14(10):
1717-1727.
关键词：云平台 农田环境 无线监测 嵌入式
中图分类号：TP274；S126 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0140-02
1 引言
21世纪的农业是信息高度集成化的智慧农业，在农业领域中充分发挥科技的力量势在必行。智慧农业是农业发展的新潮流，是未来农业可持续发展的必经之路。发展智慧农业需要大量有效和及时准确的农田环境信息，获取农田环境信息是智慧农业实现的关键之一。近年来，农田环境信息获取的方法和手段不断提高和丰富，但从总体上看，还存在一些问题有待解决，如：环境信息采集过程应用的手段还相对落后、采集效率不高；传输方式受布线难、传输距离短、现场环境复杂等限制；同时由于农田分散、且多无人看管、设备多，管理工作需要进一步完善。
为此，笔者设计了基于GPRS、云平台和无线传感器网络技术的监测系统，能够实现实时监测农田环境的各种参数，以解决上述问题。对于提高农业耕作精细化程度，减少人力资源投入，农业生产大数据的研究等都具有重要的科学意义，对智慧农业的推广发展具有深远影响。
2 农田环境监测系统
农田环境监测系统主要由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器构成。在大棚和农田里安装的是农田环境监测智能终端，它由太阳能电池板供电，无需外接电源，并且由程序控制为低能耗节能模式可常年累月运行，保证对农作物整个生长周期进行无缝监控。智能终端可以同时配备温度、湿度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤水分、土壤养分、土壤酸碱度、污染物（COD、BOD）等传感器。用这些传感器感知作物生长土壤、空气、光照等环境参数，转变成数据形式，通过GPRS无线通信网络上送到云服务器，进行分类、存储、统计和分析。
通过互联网浏览器访问平台网站，或者手机客户端查询相应农田环境数据的变换和报警信息。大量智能终端安装到农田大棚，长时间运行后，云服务器就会存储海量的农田环境数据。农业科研专家通过建立农作物生长模型分析这些海量数据，对历年作物品质、产量、环境数据进行分析对照，预测作物生长及产量情况，及时提出合理的农田耕作和管理的指导建议，为农业生产、发展精准农业、智慧农业提供技术支撑和科学依据。
2.1 农田环境监测参数选择
影响农田环境的参数很多，我们从中选取了对植物影响重要，而且便于在线测量如农田环境地表空气温度、湿度、CO2、NO2，表面光照、土壤温度、土壤含水量、土壤养分、土壤酸碱度等参数作为农田环境的监测量。
2.2 农田环境监测系统构成
农田环境监测系统由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器以及环境监测分析软件以及移动设备客户端软件等构成。
监测终端是采用嵌入式结构，内部集成了GPRS通讯设备；16路0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA等模拟量信号传感器接口；6路IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等通讯信号传感器接口；并提供锂电池、太阳能等电源输入接口和DC3.3V1A或DC5V0.5A或DC24V0.1A电源输出接口。测控终端除了具有监测终端的功能外，还带有8路继电器、2路PWM控制接口。
环境传感器选择有线的，DC3.3V或DC5V或DC24V供电，并且支持0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等信号接口之一的传感器，无需任何信号转换器就可以直接与监测终端连接。如果选择其他信号接口的传感器，需要外加信号转换器。
2.3 系统工作原理
在待测农田、大棚等相应位置安装农田环境传感器、监测终端以及太阳能板。如果需要，还可以安装一块或多块本地公共显示屏，用作实时显示监测数据和分析情况。
环境传感器将各种物理量转换成0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB之一的电信号，通过测控终端采集变为实时数据，经过嵌入在终端内部的硬件和软件数据滤波后加上时间戳和物理量类型，形成数据记录，保存在测控终端的Flash存储器中，同时由GPRS通讯上送到云服务器和本地公共显示屏。
云服务器收到测控终端上送的数据，进行分类、汇总保存到云数据库中。远程计算机的测试分析软件系统，通过互联网或GPRS，访问云服务器数据库，进行综合分析，将分析结果送回云服务器，供研究分析、本地公共显示屏显示、远程或移动客户端查询用。
3 农田环境监测数据处理
3.1 监测终端数据滤波
受地域或自然环境影响，监测数据极易受到农田劳作、环境扰动等的外界因素干扰。要想反映实际情况的监测数据，需要将采集到的数据进行滤波处理，因此，除了在硬件电路对采集量进行滤波外，还必须针对不同监测量，在软件上通过相应的数字滤波[2]进行处理。
采集终端将采集到的空气温湿度、土壤温度、含水量和光照强度等模拟信号转换成数字量后，通过公式计算出的环境参数的平均变化率。
监测终端根据其平均变化率，自动选择合适的数字滤波方法。例如像温度、湿度等大部分农田环境参数变化缓慢的监测量，即当
（1）
其中，y（t）为滤波后的当前采集值，f（x）为当前实测值，T0为滑动滤波长度。系统软件将新数据放入到滤波队列的队尾，扔掉最早采集的数据，滤波后的输出总是固定滤波长度的算术平均值。
当0.25
当0.55
3.2 监测结果
利用客户端分析软件从云端服务器获取监测数据，进行统计分析，从中选取了一块具有代表性的农田大棚，安装了一套监测终端，运行一段时间后，摘录了其中24小时的棚内空气温度、湿度、CO2含量和土壤温度、含水量、光照强度等参数监测曲线如图1所示。
4 结语
通过GPRS网络和云服务器，该系统可以无线远程实时监测农田环境数据。与传统农田环境采集系统相比，该系统减少人力和物力投入，缩短环境信息采集周期；与已有的无线采集系统相比，该系统对信号处理具有更好的收敛性，且通过云服务器存储数据更加稳定且智能。该系统对于发展精准农业和智慧农业起一定推动作用。
参考文献
[1]陈艳秋.基于WebGIS的田间环境监测系统平台的设计与实现[D].东北农业大学，2012.
（杨凌职业技术学院，杨凌 712100）
（Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，China）
摘要： 本文针对当前温室环境监测系统的不足，将无线传感器网络技术[1]、ZigBee技术和嵌入式技术相结合，探索出实现低成本、高效率的温室监测系统，为降低温室监测系统的造价，为提高设施农业发展水平提供必要的支持。
Abstract： Aimed at the shortage of the greenhouse environment monitoring system at present, this paper combines the wireless sensor network, ZigBee technology and embedded technology to explore the implementation of the greenhouse environment monitoring system with low cost and high efficiency, which provides the necessary support for reducing the cost of the greenhouse monitoring system and improving the development level of facility agriculture.
关键词 ： 无线传感器；温室环境监控系统；方法
Key words： wireless sensor；greenhouse environment monitoring system；method
中图分类号：TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0242-03
作者简介：杜振宁（1976-），男，陕西咸阳人，讲师，硕士，研究方向为计算机应用技术。
0 引言
目前，我国温室生产存在着结构简陋、综合环境调控能力差以及管理技术水平落后等缺点。同时，由于我国温室农业种类多，分布地域广，测控设施安装和维护工作量大，采用有线通信方式传输信号存在诸多不便。基于以上背景，本文将无线传感器网络技术、ZigBee技术和嵌入式技术相结合， 设计一种低功耗、低成本、组网灵活、人机界面友好、可方便进行现场和远程管理的温室环境监测系统。
1 系统设计
1.1 系统框架分析 本文设计框架基本分为三个部分相互连接而成。具备完整测量功能的测量点+具备多跳式路由的无线通讯网络+远程上位计算机组成。远程上位计算机通过无线网络获取测量点的温、湿度监测参数，并根据类别进行分析、统计、处理及报表、打印、输出。
1.2 测量点的无线温湿度传感器 传感器节点是温室监测系统的基本组成单元，需要具备环境因子采集、数据处理、无线通信等功能。
1.2.1 无线温湿度传感器 采用ST公司生产的单片机upsd3234A-40U6。该芯片是一个典型的SOC型的单芯片微处理器系统，片内包含构成单片机最大系统的一切必要的存储器（RAM、flash ROM）、译码器、锁存器、I/O扩展、定时器等。只要在硬件上提供电源和时钟源就可以执行程序，设计框图如图1所示。
由微处理器负责控制、读取温度、湿度传感器的采样结果，并进行必要的校准后，存储于SRAM存储区，这个过程处理时间相当短，作为全速运行的微处理器而言几乎无事情可干。所以在不采样时，微处理器设计为休眠状态。使用实时时钟芯片各一个固定时间进行唤醒工作，这样可以保证以后的采集器节约能源消耗，方便更改为电池供电。唤醒微处理器后，首先采样温、湿度值、然后将这个值通过自定义的协议打包，通过无线通讯模块（Zigbee）发送到网络中，此时，微处理器又主动进入休眠状态（试验系统目前采用直接供电方式，而上述设计保证了可以使用电池供电），采集器里的ZigBee模块发送数据的目的地址直接指向一个固定的地址，所以，这个协议包不论经过几个中间传递，最终传递到联接在计算机上的特定模块上，并输入到计算机。
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
1.2.2 无线通讯网络 网络结构采用MESH网状网络结构，这种网络系统采用多跳式路由通信；网络容量很大；可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构[4]。网络的所有实体只要在通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。网络结构如图2所示。
图2中的测量点是独立设备，是用单片机为核心配以数字化温湿度传感器和实时时钟，通过程序控制采样，定时将采集的温湿度数据通过ZigBee信号构成的网络传递给计算机。该系统是以单片机为核心，利用温湿度传感器作为采集温、湿度数据的测量点、利用无线传输方式将测量数据传递到远端上位机显示。从而构成组网灵活的纯粹的无线温湿度监测系统。若是利用互联网络/2G/3G则可以无视距离的传递数据信息。
2 硬件设计与实现
2.1 ZigBee网络模块：XBee DigiMesh 2.4是可全球部署的嵌入式无线射频模块，可选低功耗的XBee和长通讯距离的Bee-PRO封装。它结合了快速的2.4 GHz收发器和创新的DigiMesh对等网状网网络协议。
XBee OEM RF模块是与ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解决方案，满足低成本、低功耗无线传感网络的特殊需求。该模块易于使用，功耗极低，并且可以提供设备间关键数据的可靠传输。而且它小巧的外形条件有效节省了板卡空间。建立简单的点-点、点-多点应用，该模块不需要任何配置，该模块的默认配置支持广泛的数据系统应用。但是作为Mesh网络拓扑关系，则需要重新配置。
首先是用于测量的所有节点模块，模块的DH、DL地址必须写入连接计算机的那一个模块的物理地址。而连接计算机的那个模块的DH、DL地址必须设置为广播方式，即DH设置为0x0000，DL设置为0xFFFF。其次，所有的模块都得使用同一个无线频道，同一个PAND编号。
2.2 DHT11传感器和单片机的硬件连接方式：第2引脚上拉后与微处理器的 I/O端口相连。该器件采用简化的单总线通信方式，控制中的数据交换、控制均由单总线完成。单片机应当通过一个标准I/O口线通过5.1K电阻上拉连接，当总线闲置时，其状态为高电平。如图3所示。
微处理器与DHT11之间的通信和同步的串行双向接口，采用单总线数据格式。每次通信都是以高位先出的顺序传输40位数据。
数据格式为：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和数据。数据传送正确时，校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。微处理器发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40位的测量数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。
3 上位机监测
上位机监测属于被动接收采集点的无线网络传递过来的温湿度数据[5]。经过通讯协议校验后，将对应编号的采集点温、湿度数据显示到监视界面。切换采集点编号，可以监测到每一个采集点。软件监测运行结果如图4所示。
通讯相关的软件设计：
由于选用的MCU本身具有双路通讯接口，在硬件设计上衍生为一个RS485接口，一个ZigBee通讯接口。ZigBee模块接收到的数据需要单片机进一步判断和执行。则需要相关的判断和执行程序来完成。下面一段是为实现ZigBee数据接收部分的源程序代码。
此段利用MCU中断方式接收、发送数据，RBUF_SIZE、tbuf_datasize1分别是接收、发送缓冲区大小。PACKET_HEADER0是通讯协议当中的帧头。以上3个常数均在头文件里定义。
远程上位机监控软件设计采用 LabV IEW9.0 ( Laboratory Virtual Eng- ineering Workbench)设计监控界面。它是一个使用图形符号来编写程序的编程环境，数据采集是 LabVIEW的核心技术之一。VISA是虚拟仪器软件体系结构的缩写。采用VISA函数库可以方便的开发基于各种数字接口的驱动程序而无需关心连接方式，例如USB、1394、串口、并口等。
4 结束语
本系统选用ZigBee技术作为监测系统通信方式，并利用Mesh网络拓扑结构，确保了可靠通信；数据采集和传输采用周期采集上报和基于中断的超限立即上报工作方式，降低了系统功耗；在实验室搭建了模拟运行环境，就网络拓扑建立、数据采集和传输进行了实际测试，实验结果表明，基于ZigBee协议和Mesh网络拓扑结构的无线传感器网络温室监测系统可以实时、准确、可靠地完成温室环境温湿度监测。
参考文献：
[1]刘玉英，史旺旺.基于CC2430温湿度监测的无线传感器网络设计[J].微计算机信息，2009（10）.
此次中哈边境电磁环境测试工作是根据国家无线电管理局2012年度工作计划的部署，为全面了解中哈边境电磁环境情况、做好中哈第二次边境地区无线电频率协调会提供技术储备。工作由新疆自治区无线电管理局牵头，自治区广播电影电视局、新疆电信等各家公司，同江苏省无线电监测站联合组成的中哈边境电磁环境测试组进行的。此次测试任务难度大、要求高，通过全体人员的不懈努力，取得了预期的效果。
前期准备充分
测试前的周密保障，为测试工作奠定了基础。为了了解新疆当地电磁环境状况以及无线电管理和监测方法，确保测试工作顺利进行，江苏省无线电监测站工作人员会同新疆无线电测试人员在开展测试前，做了大量而细致的协调保障工作。
江苏省无线电监测站的工作人员到达伊犁后就立即跟随测试组来到了新疆阔尔克无线电培训中心，首先对自治区无线电管理局下发的《新疆中哈边境地区电磁环境测试计划及实施方案》进行了认真的学习和讨论，重点对测试方法展开了交流。会后，技术人员在阔尔克无线电培训中心广场按照测试方案制定的步骤做了认真仔细的预测，对携带的仪器设备进行了校准、比对，对移动监测车测试系统自身产生的假信号进行了鉴别，对测试方法、步骤、细节进行了沟通和交流。
8月15日，江苏省无线电监测站的工作人员还参加了由新疆自治区无线电管理局组织召开的“新疆中哈边境地区电磁环境测试会议”。会上，自治区经济和信息化委员会无线电管理处副处长郭玉峰简述了本次中哈边境电磁环境测试的意义和目的，要求各单位做好测试的前期准备工作，加强相互之间的交流与沟通，做好本次测试数据记录、存储、分析工作，力争准确、详实、有效地掌握中哈边境电磁环境情况；自治区监测站副科长王东晓依据《新疆中哈边境地区电磁环境测试计划及实施方案》就本次测试的测试设备、测试标准、测试方法和测试报告进行了讲解，对测试过程中可能存在的不确定因素进行了分析，确保了中哈边境电磁环境测试结果的精准性。通过阔尔克培训中心的预演练和在奎屯市专门组织的培训，使江苏省无线电监测站的工作人员对此次测试工作有了一个全新的认识和理解。
测试工作圆满完成
测试组根据《新疆中哈边境地区电磁环境测试计划及实施方案》，于8月13-26日在中哈边境霍尔果斯口岸、都拉塔口岸和昭苏格登碑、阿拉山口边防一连、阿拉山口287高地、玉科克望所、巴克图口岸、塔斯提边防哨所、吉木乃口岸、阿黑土别克口岸共10个测试点，涉及伊犁州、博州、塔城地区、阿勒泰地区四个地州开展电磁环境测试，主要目的是摸清上述地州沿边境及口岸电磁环境状况、无线电频率使用情况，掌握越境信号和无线电干扰（我方、哈方）情况，建立较完整的新疆中哈边境地区电磁环境基础数据。
整个测试分为4个组，江苏省无线电管理局参加了中哈边境第一组的测试工作，该组由伊犁州无线电管理局、伊犁军分区、巴州无线电管理局、江苏省无线电管理局、伊犁州文化体育广播影视局和伊犁州三家通信运营企业组成，共20人，主要在霍尔果斯口岸、都拉塔口岸和昭苏格登碑开展测试。
测试工作分为白天测试和夜间测试，白天测试公众移动通信业务频率，夜间测试广播电视业务频率。测试工作异常艰苦，工作人员必须克服昼夜温差大、狂风肆虐、尘土飞扬、交通环境恶劣等带来的困难，全神贯注地监测每一个测试频段，仔细地甄别每一个频率，分辨是合法用户还是违规设台，是中方信息还是哈方信息。
根据测试任务的要求，小组成员积极配合，认真测试、记录、分析数据，工作到第二天凌晨，终于完成了首站霍尔果斯口岸的测试任务。第二天上午8点至第三日凌晨，工作人员经过21小时的奋战，结束了都拉塔测试工作。由于第三个测试点昭苏县格登碑距伊宁市有240公里，测试组沿险峻的伊昭公路，经过近4个小时的行程安全抵达了昭苏县格登碑，经过短暂休整后立即投入到测试工作中。
关键词：核电厂大气环境环境噪声电磁辐射 现状调查
The Program of Non-Radioactive Environmental Background Quality Survey Around Nuclear Power Plants
Lin XiaofengZhan ShiquanChen LianjieGao Dongsong
（China Nuclear Power Engineering Co.,Led.Beijing, 100840）
Abstract：The environment quality actuality survey around the site of Nuclear Power Plants（NPPs） is a very important task. And this task is also a very important joint during the whole EIA progress of NPPs. According to the correlative laws and standards of environment protection in China, this paper introduces the survey projects of non-radioactive factors, such as atmospheric environment, environmental noise, electromagnetic radiation , etc. In father, this paper sums up the problems which occurred in the actual survey works.
Key Words：Nuclear power plants, Atmospheric environment, Environmental noise, Electromagnetic radiation, Background Survey
核电厂厂址周围环境质量现状调查是核电厂环境保护的一项重要工作，也是核电厂环境影响评价的重要环节，不仅反映核电厂厂址区域环境现状水平，也为核电厂选址提供环境保护的参考数据，同时还为评价核电厂施工建设和运行期间的环境影响提供对比数据。
核电厂厂址周围非放环境质量现状调查一般采取已有监测资料收集和现场调查的方式，本文主要介绍核电厂厂址周围大气环境、环境噪声和电磁辐射等现场调查方案，包括获取相关资料、设置监测点、选择监测因子、确定监测方法、制定监测制度和环境质量现状进行分析等，并对实际工作中存在的问题进行总结。
1 所需资料
核电厂厂址周围大气环境、环境噪声和电磁辐射现状调查一般为以核岛为中心，半径5km范围，需要的资料如下：
（1）核电厂简介，包括核电厂的地理位置、规模、厂址周围地形地貌等资料；
（2）长期气象条件；
（3）环境敏感目标，包括敏感目标的数量、规模、分布等情况，以及与核电厂的距离、方位等；
（4）污染源的位置、数量、类型、排放方式、主要污染物等。
（5） 环境功能区划分，确定调查范围内功能区类别，以选择相应的评价标准。
上述所需资料可通过现有资料收集和现场踏勘获取。
2 核电厂大气环境质量现状调查方案
2.1监测点设置
根据《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ2.2-2008）[1]，核电厂大气环境现状调查等级一般为三级，环境空气质量现状监测点数量为2~4个。
根据监测期所处季节的主导风向设置监测点位，至少在厂址主导风向上、下风向各设1个监测点位，主导风下风向加密布点。也可根据局地地形条件、风频分布特征以及环境功能区、环境空气保护目标所在方位做适当调整。
各监测点具有代表性，环境监测值能反映各环境空气敏感区、各环境功能区的环境质量，以及预计受项目影响的高浓度区的环境质量。需要对监测点情况进行说明，并附监测点位置示意图。
2.2 监测因子
核电厂施工过程及运行期间不排放特征污染物，因此大气环境质量现状调查监测因子一般为二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、总悬浮颗粒物（TSP）、可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）等六项常规污染物。
2.3 监测方法
大气环境质量的监测一般在监测点位用采样装置采集一定时段的环境空气样品，将采集的样品在实验室进行分析处理，也称为手工监测。
2.3.1 采样方法
采样环境、高度、流量等按照《环境空气质量手工监测技术规范》（HJ/T 194-2005）[2]等规范文件的要求执行。
采样频率和时段根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）[3]的要求，TSP、PM10、SO2、NO2、CO、PM2.5日均值每天采样1次，每次连续采样20h；SO2、NO2、CO小时均值每天采样4次（02:00时、08:00时、14:00时、20:00时），每次连续采样1h。
2.3.2 分析方法
分析方法可参照《环境空气质量标准》（GB3095-2012），或者根据厂址区域大气环境特征和对分析方法灵敏度的要求进行选择。
2.4 监测制度
核电厂大气环境现状调查按照三级要求进行，作一期监测，至少应取得有季节代表性的连续7天有效数据。监测期间同步收集厂址附近有代表性的地面气象观测资料。
2.5 大气环境质量现状分析
根据监测数据，统计各监测点大气污染物不同取值时间的浓度变化范围、最大浓度值。根据厂址区域环境空气功能区类别确定相应的评价标准，计算各监测点大气污染物不同取值时间的最大浓度值占相应标准浓度限值的百分比和超标率，评价达标情况。
分析大气污染物浓度的日变化规律，以及大气污染物浓度与地面风向、风速等气象因素及污染源排放的关系。
分析重污染时段分布情况及其影响因素。
3 核电厂环境噪声现状调查方案
3.1 监测点设置
根据厂址周围人口分布、地形特征，并结合噪声污染源的位置，按照网格和声环境功能区设置监测点，布点应覆盖整个调查范围。
3.1.1 核电厂厂区监测点
对于新建厂址的声环境现状调查，厂区内共设5个监测点，分别为厂址中心位置和厂界东、厂界南、厂界西和厂界北外1m处。
对于扩建厂址，存在正在运行的机组，进行声环境现状调查还需要考虑现有核电机组及配套设施产生的噪声对环境噪声现状的贡献，同时要考虑与已建机组本底数据的对比。因此，厂区内的监测点设置要考虑厂界、现有噪声源、与已建机组本底监测点对比等情况。
3.1.2 环境敏感目标监测点
环境敏感目标监测点一般按1×1km网格布设，监测点设在网格中心。对于部分网格点，由于交通不便等无法进行监测的可无需布点。根据调查范围内环境敏感目标数量，一般须包括评价区域内的住宅、学校、医院、集市等声敏感区域。对于厂界附近、较大的集中居民点和固定噪声源处等位置考虑加密布设监测点，对于敏感目标较少的地区可适当减少监测点数量。
3.1.3 噪声源监测点
对于调查范围内的明显噪声源应设置监测点，密集噪声源处加密布设监测点。对于交通干线，声环境监测点位数量应多于5个，重点布设在人口密集或距离厂址较近的道路的路口及两侧20m处。
3.1.4 水域监测点
核电厂一般靠近海（河），水域监测点原则上须按照网格进行布设，由于水域监测难度相对较大，因此一般以海（河）岸为起点设置监测射线，在监测射线上根据实地情况、面积并结合其水运状况选择3~5个监测点进行监测。
3.1.5 定点监测点
设置定点监测点是为了反映不同声环境功能区昼间、夜间的声环境质量，了解不同声环境功能区环境噪声时空分布特征。一般选取厂界内、人口相对密集的敏感区、交通干线、工业集中区等作为定点监测点。
3.2 监测因子
所有监测点都监测等效声级，包括Leq、Ld、Ln和Lmax，对于交通干线监测点还需要统计L90、L50和L10。
3.3 监测方法
厂界噪声监测点按照《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB12348-2008）[4]的要求进行监测，其他环境噪声监测点按照《声环境质量标准》（GB3096-2008）[5]的要求监测。
现场监测过程中，记录当时的天气情况（晴、雨、雪等）、环境温度、相对湿度、测量时间、风向、风速和大气压。每个测点均拍摄照片，用于反映各测点的原貌，同时用GPS进行卫星定位以确定其准确位置。
3.4 监测制度
一般监测点的环境噪声连续监测两天，每天昼间、夜间各监测一次。每个监测点每次连续监测10min。交通噪声测点连续监测30min，昼间、夜间各监测一次，同时记录道路上每小时过往机动车流量。定点噪声监测点，每次至少进行24h连续监测，监测一次，由仪器记录每小时的噪声监测结果。一般地区，昼间监测时段为6:00～22:00，夜间监测时段22:00～次日6:00，也可以根据当地政府对昼间、夜间的划分规定执行。
3.5环境噪声质量现状分析
分析调查范围内现有主要噪声源种类、数量及相应的噪声级等，明确主要噪声源分布。
分析不同声环境功能区内各敏感目标的超、达标情况，说明其受到现有主要噪声源的影响状况。
根据监测数据绘制调查范围的污染分布图。
4核电厂电磁辐射现状调查方案
4.1监测点设置
4.1.1 核电厂厂区监测点
对于新建厂址的电磁辐射现状调查，厂区内共设5个监测点，分别为开关站站址和厂界东、厂界南、厂界西、厂界北等。
对于扩建厂址，存在正在运行的核电机组，进行电磁辐射现状调查还需要考虑现有核电机组及配套设施产生的电磁辐射影响，同时要考虑与已建机组本底数据的对比。因此，厂区内的监测点设置要考虑厂界、现有电磁辐射源、与已建机组本底监测点对比等情况。
4.1.2 环境敏感目标监测点
一般按1km×1km网格布设，监测点设在网格敏感目标处。对于部分网格点，由于交通不便等无法进行监测的可无需布点。根据调查范围内环境敏感目标数量，一般须包括评价区域内的住宅、学校、医院、集市等环境敏感区域。如果敏感目标较少，可适当减少监测点数量。
4.1.3 典型辐射体监测点
对典型辐射体，如电视发射塔等，则以辐射体为中心，按间隔45°的八个方位为测量线，每条测量线上选取距场源分别30、50、100m等不同距离设监测点[6]。
4.1.4 高压送电线路监测点
对于核电厂拟建和调查范围内现有的送电线路都要进行监测。在与送电线路垂直方向，以边相地面投影点为起点，向两侧延伸设置监测点。
按5m间距，在0~50m范围设点，两侧各设11个工频电场强度与工频磁场强度监测点。按2nm间距，在0~2km范围设点，并在边相地面投影点20m处加设一个监测点，作为无线电干扰场强超达标的评价点位，两侧各设14个无线电干扰场强监测点。
4.2 监测因子
电磁辐射监测因子为工频电场强度、工频磁场强度、无线电干扰场强和射频综合场强等四项。
4.3 监测方法
工频电场/工频磁场强度依据《高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法》（DL/T988-2005）[7]，每个测点分别测量离地1.5m处的工频电场强度/工频磁场强度。无线电干扰场强依据《高压架空送电线、变电站无线电干扰测量方法》（GB/T7349-2002）[8]进行，每个测点位置上分别测量离地不超过2m的无线电干扰场强。射频综合场强根据《辐射环境保护管理导则 电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T10.2-1996）[9]，每个测点使用非选频式辐射测量仪，分别测量离地1.7m~2m的射频综合场强。
现场测量过程中，记录当时的天气情况（晴、雨、雪等）、环境温度、相对湿度、测量时间、风向、风速和大气压。每个测点均拍摄照片，用于反映各测点的原貌，同时用GPS进行卫星定位以确定其准确位置。
4.4 电磁辐射现状分析
分析调查范围内现有主要电磁辐射源种类、数量等，明确主要电磁辐射源分布。
根据监测数据，统计各监测点电磁辐射监测值变化范围、最大监测值。根据相应的评价标准，计算各监测点超达标情况。
根据射频综合场强监测数据对居民区进行环境辐射电平标注。
5实际工作中存在的问题
实际工作中会遇到各种问题，比如天气状况、监测时机的选择、监测仪器扰民、仪器电源的保障、人员操作过程、大气样品的保存和运输等。
6 结论
本文依据相关标准和规范，并结合工作实际，对核电厂大气环境、环境噪声和电磁辐射现状调查方案进行介绍，并对实际工作中存在的问题进行总结，对以后的相关专题调查工作具有参考价值。
7 参考文献
[1] HJ2.2-2008. 环境影响评价技术导则 大气环境[S].
[2] HJ/T 194-2005. 环境空气质量手工监测技术规范[S].
[3] GB3095-2012. 环境空气质量标准[S].
[4] GB12348-2008. 工业企业厂界环境噪声排放标准[S].
[5] GB3096-2008. 声环境质量标准[S].
[6] HJ2.4-2009. 环境影响评价技术导则 声环境[S].
[7] DL/T 988-2005. 高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法[S].
[8] GB/T7349-2002. 高压架空送电线、变电站无线电干扰测量方法[S].
关键词：在线监控；管理模式；技术应用
污染源在线监控系统是移动通信和传输媒介配合自动控制技术、数据传输技术、计算机网络技术等，形成的信息化、自动化、时效化环境控制、监测与预警的信息监控平台，其管理模式主要分为两类，即监测模式和监察模式，但是，从在线监控系统根本价值角度分析上述两种代表性管理模式可得：污染源在线监测功能指在线监测污染物种类、浓度、总量等，而污染源在线监控功能指监测并控制污染源处设备运转状况，以保证其正常稳定运行；另外，随着国家对环境管理理念的变化，例如《水法》颁布后明确规定“一旦废水超标即认定为违法行为”，其代替了“一旦污处监测设施停用即认定违法排污”的污染源监察方式，或者说在线数据监测已成为当下环境管理与控制的基础依据，因此，污染源在线监控系统的管理模式应以“监测”为主，其不仅是环境管理与控制由“微观”向“宏观”的即时改革，也是当前污染源在线监控管理系统运行的重要保障。
1 污染源在线监控管理模式
1.1 “监测”为主管理模式组成探讨
以“监测”为主的污染源在线监控管理模式选用在线监测技术、数据传输技术和计算机网络技术，即时、持续、联网监测污染源重点大气污染源和工业废水污染源的排放状况。同时，以“监测”为主的污染源在线监控管理系统主要由运营公司、环境监测机构、环境监察管理机构三个部门组成。其中，环境监测机构负责运营公司在线监测数据的调取、处理和向环境监察管理机构的数据报送；环境监察管理机构负责对运营公司资质审核和日常工作的（现场）监督与审查管理；运营公司则按照国家相关法律法规和技术要求，定期校准、维护在线监维修更换配件等其它工作。另外，各组成必须进行在线监控系统的安装和调试工作，经校验标定后予以入网运行资格；环境监测机构必须定期校验标定已安装并正常运行的在线监控系统，保障其正常稳定运行。由此，以“监测”为主的污染源在线监控网络化、信息化、科学化环境管理平台基本组成，其主要由环境监测机构负责管理，不仅通过GPRS传输方式实现对运营企业24h的在线排污监控，而且通过环境监察管理机构实现污染源监控信息的即时分析、自动和数据共享，使环境保护管理与控制更加自动化和效率化。
1.2 “监测”为主管理模式优势
承上，将“监测”为主管理模式优势分析如下：第一是“监测”为主管理模式其在线监控系统秉承各组成单位“分工明确、协作团结、相互制约”的管理模式，合理利用在线监测技术手段不断发展成熟的契机，保障监测体系运行更稳定、更畅通、更高效。第二是充分发挥各组成单位优势，其一是发挥环境监察管理机构的管理优势，不仅有利于其制定计划、调配资金、开发技术，而且通过宏观管理、协调处理、法律法规等手段，规范各单位间的分工项目避免责任推诿现象；其二是发挥环境监测机构的技术优势，通过掌握和共享仪器使用技巧、数据传输技术、数据审核规则、环保质量控制等资源，提高环境监测机构综合性、专业性技术工作的效率和质量。第三是相互监督、公平公正，“监测”为主管理模式由三方组成，各方分工明确、协作团结、相互制约、相互监督，使资金使用、职权分配、数据应用等“公平、公正、公开”，有效避免了“一家独大”的渎职和腐败现象。
2 污染源在线监控应用技术
污染源在线监控系统是环境监测、监理、治理的重要信息平台，其组成部分除相关硬件设备如防火墙、路由器、服务器、交换机、磁盘阵、各种应用服务器等之外，主要应用数据传输技术和计算机网络技术。
2.1 数据传输技术
污染源在线监控系统主要任务是获取、整理、分析和运营公司（客户端，以下统称为客户端）相关污染数据，例如水质污染、大气污染、噪声污染等。目前，污染源在线监控系统客户端在线监测相关数据后，通过污染源在线监控系统统一的数据获取仪器和传输线路，传输至在线监控系统数据库以实现客户端数据监测和平台监控的同步更新。“监测”为主管理模式采用GPRS方式，该传输方式通用分组无线业务，不仅减少中间网络底层环节，而且增加控制至部分网络环节之上，具有下述优点：其一是稳定性高、实时性强，GPRS传输稳定且无延时，能同时获取、分析、整理和处理多个客户端数据，满足在线监控系统数据传输安全性、稳定性和实时性要求；其二是建设成本低、运营费低廉，GPRS数据传输采用公用（网络）平台，不需建设额外的通讯网络，且其点对点数据通讯减少了其它不必要开销；其三是监控范围广、扩展性良好，GPRS数据传输不仅能实现客户端状态报告、时间校正、开关控制等远程控制功能，而且接入地点无特殊限制，适用于在线监控系统；其四是传输容量大、数据效率高，GPRS数据传输可针对大量客户端实时连接并满足突发数据的传输要求，而且其传输速度可达10Kbps之内。
2.2 计算机网络技术
污染源监控系统主要应用计算机网络技术、数据库（DB）技术、软（硬）件设施等，其目的是对客户端数据进行获取、分析、整理、传输和处理，以实现污染源在线监控系统数字化、网络化、自动化管理模式。现阶段主要应用计算机网络技术中的监控平台与GIS地理信息等系统，其功能主要如下：监控平台系统主要对监测项目实现监测归类管理，然后分析污染源数据以达到监测要求。监控平台系统中采用计算机权限管理设置，限制用户访问平台的相关数据权限，保证平台系统数据管理的安全性和保密性；GIS地理系统是实现空间信息与环境污染数据相辅相成的信息系统，其可实现“地图到数据”或“数据到地图”的随时查询、统计、分析、对比功能，通过缩放地图、查看信息、显示坐标等基本系统功能实现环境监测和控制高效化、合理化。
3 结束语
综上所述，合理使用数据传输技术和计算机网络技术，配合“监测”为主管理模式是实现污染源监控信息的即时分析、自动和数据共享的核心手段，也是环境管理与控制自动化、效率化和科学化的必由之路。由此，污染源在线监控是环境监控监管、数据信息传输、污染掌握治理的综合技术平台，必须有效实施污染源在线监控系统，实时采集污染源各项污染排放数据，并根据设施运行情况提出适当的环境控制与治理建议。
参考文献
【摘要】水环境在线监测系统是一个以3S技术集成的应用，水质监测终端设计是采用嵌入式系统，并利用GIS、GPS、RS、数据库等技术了联合物联网技术，达到信息融合、分析的目的。该系统的研究主要是为了给国家提供江河流域水环境安全管理的信息，为政府的相关决策提供技术依据，对我国江河流域社会、经济和环境的可持续发展有着很重要的意义，因此需要对基于物联网的水环境在线监测系统的研发进行分析。
【关键字】物联网 水环境 在线监测系统
我国是一个水资源分布十分广泛的国家，但由于人口基数过大，导致水资源一直处于总量紧缺、人均占有量小等情况。同时我国水资源还存在地域分布不均，水土资源匹配不平衡，城市缺水情况严重、水资源污染情况日趋严重等问题。基于这种情况，我国利用物联网、FPRS、Zighee等技术研发了水环境实时监测系统和预警平台，对我国主要江河湖泊等水环境进行监控管理，实现主要流域水质的监控、信息传递与处理以及平台及时显示和预警等功能，提高了我国江河流域水资源管理力度和水环境突发事件的应急处理能力。
一、基于物联网的水环境在线监测系统的整体构架和设计
我国水环境的检测技术起步在国际上相对较晚，和发达国家之间相比存在很大差距，目前水环境检测相关技术尚处于探索阶段。以物联网为基础建立水环境在线监测系统是一个有效的水环境网络检测途径。水环境在线监测系统和普通信息系统存在一定的差异，其设计、构建和实施均需以水环境资源的发展为中心。因此，实现系统正常运行，其系统组成、流程和功能需要以水环境监测流程为设计依据，水环境监测流程如下图1。
二、基于物联网的水环境在线监测系统构建
l、数据采集。基于物联网的水环境在线监测系统的数据采集需要完成自动采集环境污染信息、自动定位以及完成数据存储上传。数据采集终端的功能主要有安全保护、自动定位、自动计量、本地显示存储等功能。安全保护具有自动运行、通电保护、通电自行恢复运行、状态测试等功能，主要是用于系统的自我保护以及方便维修和故障处理；自动定位主要是能够将投放位置显示出来，并将其所在位置的地理信息传输到总监控区；自动计量主要是能够自行对重点污染水源的污水排放量进行计量，并对其进行连续等比采样，记录和监控污染设备的运行情况；本地显示存储主要是用于查看当前历史水质信息，能够存储本地数据，存储有效期为一个月。
2、数据传输和处理。数据传输需要传输设备、通讯网络。其传输网络是采用中国移动的GPRS网、中国电信CDMA网、3G等，现场采集使用485总线以及CAN总线会哦这无限传感器网络等。这里主要介绍了无限传感器网络的运用。无限传感器网络相较于传统的水环境监测系统相比具有省掉人工进行水样采集的工序；减少人工进行数据分析和处理的工序；提高被测参数的可靠性和及时性等优势。数据处理需要水质安全监测系统软件和数据处理智能分析软件，进行海量数据的分析和处理，计算出水质变化的情况，并给供用户提供相关数据。
3、监控预警平台构建。监控预警平台构建需要数据库、存储流域基础地理数据、流域地形数据、监测点宅问数据以及社会经济数据等。数据库主要是为了管理和储存海量观测数据，并能够直接显示、查询和输出各项基础数据、监测数据。同时，监控预警平台构建还需要对流域水质管理体系和业务模型、突发事件应急处理系统关键技术、水质监测和预警平台功能体系等进行研究。让监控平台能够实现异构数据的集成、功能反复利用、协同处理数据等功能，并为其提供优良的迅速构建和扩展环境。
三、结束语
基于物联网的水环境在线监测系统在实际应用中能够提高水环境监测的及时性和高效性。其系统设计是以一套在线分析仪为中心，利用现代先进的传感器、自动控制、自动测量、计算机应用等科技以及物联网所组成的一个综合性极强的在线水环境自动监测网络系统。基于物联网的水环境在线监测系统构建主要是由数据采集部分、数据传输和处理部分、监控预警平台构建三部分组成，其中运用了GIS技术、GPS技术、RS技术以及数据库技术等，很大程度提高我同水环境监测的效率和准确性。
【关键词】公路；声环境；监测；评价环境现状监测是环境影响评价的重要组成部分，它提供项 目所在地评价区域各种环境背景真实的监测资料 ，帮助确定环境污染参数．以便科学评价环境现状，并为环境影响预测提供基础数据。环评结论是否可信，在很大程度上取决于环境质量背景值的代表性、公正性和准确性。我国从 2010年 4月 1日正式实施新的《环境影响评价技术导则 声环境》(hj2．4—2009)，从技术角度进一步规范和明确公路建设项 目声环境影响评价工作的整体要求与评 价技术要点 ．旨在提升线性工程环评报告 书的编制质 量及其在项 目建设 与环保监督 管理中 的作用1 公路交通噪声监测方法1．1 沿线声敏感点调查道路中心线两侧 loom范围内的学校、医院．60m范围内的居民住宅；特别应该注意的是，由于线路摆动在建设中时有发生．公路建成后的噪声敏感点与“环评”报告有较大差异 ．逐一调查落实 。
1．2 现状监测点的布设方法
声环境现状监测点应覆盖整个评 价范围 ．并 以能满足环境噪声影响预测 的需要 为根本 出发点 测点的布设应把握 “三点一致”的原则，即现状监测点、环境噪声预测点和工程监管与验收监测点．力求“三点一致”。
1．3 敏感点噪声监测
主要目的是了解敏感点环境噪声水平和达标情况 所有敏感点不可能全部监测．首先应选取环评中确认的敏感点和每一路段代表性敏感点．以便于监测数据与环评预测值比较 监测点应选在距道路最近的敏感建筑窗外 l米 。昼夜各监测 1次 、连续监测 2天。
2 声环境监测
2．1 敏感点 24小 时噪声监测主要 目的是掌握高速公路交通噪声时间分布特性．敏感点应优先选取道路中心线两侧 60米范围内的居民住宅和道路中心线两侧 100米范围内的学校和医院．选择 1～2个高于路面的监测点．连续监测 24小时。监测点应具备必要的监测条件、易于操作、监测期间无生活噪声或其它噪声干扰2．2 交通噪声平面衰减监测主要 目的是掌握高速公路交通噪声空间分布特性 ．应选择在道路的平直路段、距弯曲段和桥梁较远、公路两侧开阔无屏障。监测点分别选在距公路路肩 20米、40米、80米和 120米，监测点与公路之间高差应尽量保持一致、无其它声源干扰。必要时增设距路肩 0．2米监测点一般每条公路设 l一2个监测断 面2-3 声屏障降噪效果监测视声屏障长度．一般设 4～6个同步监测点2_4 测量值修正方法在测量结果达标的情况下，背景噪声可以不修正；但是．当测量结果超标并且背景噪声难 以回避时 ．就应该考 虑背景噪声的修正 问题可以采取 以下几种方式进行 修整 ：2．4．1 剔除可疑测量值：当某个 1小时测量值太高并且交通量数据又不能支持时，应剔除可疑测量值 ；2．4．2 在有蝉鸣声、蛙鸣声或虫鸣声但无车辆通过时．测量昼间和夜间 1分钟等效 a声级，作为该监测点的背景噪声，参照《工业企业厂界噪声测量方法》中的规定对测量值进行修正；3 评价监 测数据统计处 理后 以表格 、图形给出 ．同时应得 出以下基本结论 ：3．1 敏感点声环境质量达标情况应按环发[2003]94号《关于公路、铁路(含轻轨 )等建设项 目环境影响评价 中环境噪声有关问题的通知》的规定 进行评价 ；必要时 ，应对敏感点室内声环境质量进行测量．确定是否满足建筑物设计的使用功能。
3．2 交通 噪声衰减规律评价 。
3-3 声屏障降噪效果评价
关键词：ZigBee；无线传感器网络；无线数据采集；无线控制；应用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.21.129
1 ZigBee无线传感器网络的简介
1.1 无线传感器网络
无线传感器网络是由监测区内大量传感器节点组成，通过无线通信方式形成的网络系统，用于采集和处理监测区中被感知对象的信息，以无线通信方式发送给观察者。它具有大规模、自组织、动态性等特点，应用于无线数据采集领域[1]。
1.2 ZigBee
ZigBee定义了短距离、低数据传输速率的无线通信协议，为无线传感器网络提供相应通信标准。它具有低功耗、低成本、低速率、高可靠性等特点，应用于短距离无线数据采集与控制系统，传输少量数据及控制信息[2]。
1.3 ZigBee无线传感器网络
ZigBee无线传感器网络利用ZigBee协议构建无线传感器网络，实现无线数据采集以及控制。ZigBee网络设备分为协调器、路由器和终端节点。协调器负责无线网络建立，与上位机交互；路由器负责数据路由；终端节点负责采集传感器数据，发送至协调器及接收协调器发送的控制指令。阅读大量文献，总结ZigBee无线传感器网络实现无线数据采集与控制的基本系统框架，如图1。
其中，终端节点定时采集传感器数据，通过协调器建立的ZigBee网络，路由器进行数据路由，最终数据无线传送到协调器，协调器再将数据通过串口传输至PC机，或通过其它传输协议传送至手机等用户终端；同时，用户控制命令可由协调器经过ZigBee网络，最终发送至终端节点，操作控制节点，实现控制功能。设计者可将图1作为ZigBee无线传感器网络数据采集与控制系统的设计基础，从而研究具体的应用功能。
2 ZigBee无线传感器网络的应用
从大量文献看出，ZigBee无线传感器网络的应用涉及社会各个方面，可分为生活生态环境监控以及生产监控两大类。
在生活生态环境监控方面，涉及空气质量、海洋等生态环境监测，医疗监测，图书馆、校车安全等校园环境监测，智能家居、智能餐厅等生活环境监控领域。其中，一种空气质量检测系统利用传感器采集空气污染气体浓度，通过ZigBee模块传输至计算机，以分析空气质量[3]。文献[4]研究了病人体温检测系统，创建ZigBee无线传感器网络，将病房中病人体温传至护士站，提高监护水平。为妥善保存图书，图书馆环境监测利用ZigBee技术，采集图书馆环境参数至电脑，当超出图书保存条件时报警及控制执行机构动作[5]。文献[6]研究了无线智能家居，手机WIFI连接电脑，以ZigBee网络为桥梁， 协调器与终端节点组成星型结构进行数据传输，实现室内温湿度数据采集及手机控制家居设备。
在生产监控方面，涉及农业环境监控，电力、矿山等生产安全监测领域。其中，文献[7]研究了草莓栽培温室大棚系统，智能传感器采集空气、光照等数据，使用ZigBee无线通信协议以及4G网络将数据传输至服务器、手机及计算机，根据需要下达通风、控制遮阳帘等命令。文献[8]研究了电力设备信息系统，智能电网中部署传感器节点，采集电力设备运行环境的温湿度、甲烷等信息，通过ZigBee网络传送至监控界面，以便电力人员分析。文献[9]针对矿井安全生产，采用ZigBee技术，实现井下环境参数无线传输，井下人员携带身份识别卡，以采集人员信息并无线传输至监测站，从而定位人员，预防井下事故。
3 结束语
ZigBee无线传感器网络是一种新兴的无线数据采集与控制技术，解决了传统监控系统使用有线方式需要人力监测的问题。本文总结了ZigBee无线传感器网络在生活与生产领域已有的应用研究，该技术可以结合其它无线通信、嵌入式等技术，进一步改变人们的生活与生产方式。
参考文献：
[1]韩旭，文正江，卢铁江.无线传感器网络应用研究[J].中国仪器仪表，2011（09）.
[2]王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 化学工业出版社，2012（05）.
[3]许元，牛熠，肖达根.一种空气质量检测系统的设计与实现[J]. 电子技术与软件工程，2016（02）.
[4]郑英，李香菊，王迷迷，张立珍.基于NTC和ZigBee技术的病房病人体温监测系统设计[J].现代电子技术，2016（02）.
[5]杨勇，周雪琴.基于ZigBee的图书馆环境监控系统设计[J].微处理机，2016（03）.
[6]李泊锋，王亚刚.基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J]. 电子科技，2016（03）.
[7]杨敏.基于ZigBee的草莓栽培温室大棚系统设计[J].电子世界，2016（03）.
[8]潘洋.基于ZigBee的电力设备信息系统设计与实现[J].电脑编程技术与维护，2016（03）.
关键词：山地生态环境；物联网；ZigBee；STM32-LPC1752；CC2530
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-03
0 引 言
根据研究调查显示，全球陆地面积的24%是山地，山地环境为人类提供了大量生存资源，如淡水资源、矿产资源以及良好的生态环境等，丰富的植被覆盖和地理特征成为很多濒危物种生存和避难的场所，山地生态环境对全球变暖具有很强的敏感性，同时也为山地农业发展提供了所依赖的生态环境[1]。中国是农业大国，也是山地资源较为丰富的国家，因此对山地生态环境的研究与开发也是目前的重点发展方向之一。
随着物联网技术的迅猛发展，无线传感器网络（WSN）作为数字化信息采集的重要手段，无线传感器网络具有自组织、无需布线、易安装、携带方便、价格低廉等特点，使得它在环境监测技术方面的使用越来越多，因此对很多复杂山地生态环境的监测也逐渐走向智能化，在环境监测、森林防火预警以及农业病虫害防治等方面有着广泛的应用。
由于山地环境气候的多变性，地理位置的复杂性等，文中设计了一套基于ZigBee的山地生态环境监测系统，适用于对大部分山地生态环境的影响因子（空气温湿度、土壤水分、光照度、风速风向、土壤pH值、CO2浓度、降雨量等）进行实时监测，并将数据通过汇聚节点发送到远端服务器供进一步分析处理。
1 系统总体设计
基于WSN的监测系统主要由上位机监测单元，ZigBee智能网关以及传感器单元构成，系统整体结构框图如图1所示。ZigBee各终端节点上连接有相应的传感器，传感器采集稻莺笸üZigBee自组网络的一个或者多个路由器转发从而传到协调器网关节点。一方面网关节点通过串口把数据存在本地PC端，另一方面通过3G模块把数据通过固定的IP地址发送到远端服务器，上位机单元通过网络可以查询数据，并进行实时显示和分析，用户也可以通过手机连接数据库来查看信息，从而达到实时监测的目的[2]。
2 硬件设计
2.1 WSN的数据采集网络拓扑结构设计
Z-Stack协议栈是基于IEEE 802.15.4标准协议建立的，定义了协议的PHY层和MAC层。ZigBee网络还具有成本低、功耗低、时延短、网络容量大、可靠度高等特点被广泛应用在多种无线监测领域[3]。其网络拓扑结构分为星型网络、簇型网络和网状网络。本系统的工作环境处于山地中，无线信号的传播会受到地形和障碍物的影响而发生折射和反射，因此我们选择簇型网络，该种拓扑结构能够保证数据的可靠传输，有较强的自组织能力，适用于山地环境中的数据采集[4]。WSN的数据采集网络拓扑图如图2所示。
Z-Stack协议栈的数据传输方式分为广播、组播和单播。由于监测环境的需要，我们将终端监测节点的传输方式设置为单播，指向协调器的地址：0X0000发送数据；协调器节点则设置为广播传输，地址为：0XFFFF，传输对象为网络覆盖范围内的所有设备。这种传输机制能够有效减少数据冗余，有利于增加数据的真实性。
2.2 硬件系统的整体设计
系统的硬件结构图如图3所示。该系统以STM32-LPC1752芯片作为MCU单元，以TI公司生产的ZigBee CC2530低功耗模块作为搭建WSN网络的主要模块。当传感器单元采集到环境数据信息后，终端监测节点通过ZigBee网络将数据传送到协调器，协调器接收到数据后通过串口将数据发送到MCU单元，本地的上位机系统存储数据后，对之进行处理，并判断数据是否出现异常，一旦出现异常便触发3G（SIM5320E9）模块来发送短信给指定用户进行短信报警，通过GPS模块还可定位到每一个节点的相对具体区域，使得用户对每个监测区域环境的具体情况能做出更准确的判断。另一方面将数据通过3G模块发送到远端的上位机系统，用户通过访问固定的IP地址来获取实时数据信息，实现远程环境数据实时监测。由于监测节点需要在山地环境中工作，因此对该系统采用太阳能电池板供电和电池供电两种供电模式，以确保网络正常运行。
3 上位机系统的设计
对于该系统上位机的监控中心部分，利用C#编程语言实现。通过C#与.NET实现网页和服务器之间的连接，以此来访问数据库中所接收到的实时环境监测数据[5]。Web网页包含实时数据显示、历史数据查询、历史数据曲线图等功能，用户在任何有网络的地方都可以随时查看实时数据，加入数据曲线图的功能后方便用户来对数据进行更好地观察和分析。图4所示为上位机接收数据流程图，图5所示为上位机接收数据监测界面，图6所示为上位机数据历史曲线趋势图。
4 结 语
针对山地生态环境的特点，文中设计了一种基于物联网的山地生态环境监测系统。该系统具有低功耗、数据传输可靠性高、安装方便、实时性好等特点。通过在实际环境中的测试，能够对监测区域的空气温湿度、风向、风速、二氧化碳浓度、土壤湿度、降雨量等多个重要的环境因子进行实时监测，满足了大部分山地生态环境监测的需求，为进一步研究山地生态环境提供了可靠的数据。
参考文献
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[2]徐兴，洪添胜，岳学军，等.山地橘园无线环境监测系统优化设计及提高监测有效性[J].农业工程学报，2013，29（11）：147 -154.
[3]张艺.基于ZigBee的无线自组网研究与实现[D].上海：上海大学，2009.
[4]许伟，赖国峰，林志忠，等.基于ZigBee和GPRS的山地茶园无线监测系统的设计[J].莆田学院学报，2016，23（2）：32-37.
[5]江凌，杨平利，杨梅，等.基于技术访问SQL Server数据库的编程实现[J].现代电子技术，2014，37（8）：95-98.
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[7]周高星，李国刚，邹程.基于农业物联网的数据监测系统的设计[J].福建电脑，2016，32（6）：37-38.
