基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水體環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引 言

中國(guó)是世界上生物多樣性最豐富的國(guó)家之一。我國(guó)擁有脊椎動(dòng)物 6 266 種，約占世界脊椎動(dòng)物種類(lèi)總數(shù)的 10% ；我國(guó)擁有高等植物三萬(wàn)余種，居世界第三位。這些生物廣泛分布在我國(guó)各地區(qū)，與人類(lèi)共同生活在這片土地上。過(guò)去，由于片面追求經(jīng)濟(jì)效益以及對(duì)環(huán)保工作的疏忽，許多珍稀物種的棲息地遭到了人為破壞。空氣污染、水污染、土壤污染和噪聲污染不僅讓許多地區(qū)的野生動(dòng)植物失去了理想的家園，也嚴(yán)重影響了人類(lèi)的生活質(zhì)量。隨著全社會(huì)知識(shí)水平和文化素質(zhì)的提高，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要意義，而物種保護(hù)則是環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要方面。通過(guò)了解野生動(dòng)物的生存狀態(tài)，能夠客觀了解一個(gè)地區(qū)的環(huán)境水平。例如在《中國(guó)物種紅色名錄》中就提到，一種名為金線(xiàn)蛙的珍稀物種就是北京地區(qū)工業(yè)污染的指示劑。通過(guò)保護(hù)一個(gè)地區(qū)的珍惜動(dòng)物，就能在客觀上促進(jìn)該地區(qū)的自然環(huán)境的改善，進(jìn)而提高該地區(qū)人民的生活質(zhì)量。

珠江口位于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展極為活躍的珠江三角洲地區(qū)， 這里不僅集中了香港、澳門(mén)兩個(gè)特別行政區(qū)，而且緊靠深圳與珠海兩個(gè)經(jīng)濟(jì)特區(qū)。這里的水面上常年穿梭著各類(lèi)船舶，多條繁忙的航道在此處交匯，即將通車(chē)的港珠澳大橋也坐落于此。而同時(shí)，這里也是國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物中華白海豚最重要的棲息地之一，是中華白海豚國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的所在地。如何在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)如此繁忙的地區(qū)做好珍惜物種的保護(hù)工作，是一大難題。

中華白海豚（Sousa chinensis）屬于鯨類(lèi)海豚科，是一種水生哺乳動(dòng)物，喜歡生活在咸淡水區(qū)域的淺水層，不連續(xù)的分布于印度洋和太平洋沿岸的河流入?？凇：驮S多其它種類(lèi)的鯨或海豚相似，中華白海豚也依靠回聲定位進(jìn)行覓食、交流、躲避敵害等活動(dòng)。由于其棲息的河流入?？诘臏\水層（深度一般不超過(guò) 25 m）是人類(lèi)活動(dòng)最頻繁的水域，因此非常容易受到因人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲干擾。由于回聲定位系統(tǒng)的需要，白海豚的聽(tīng)覺(jué)極其發(fā)達(dá)，這也使得它們對(duì)噪聲的忍耐程度很低， 尤其當(dāng)噪聲所在的頻段與白海豚回聲定位系統(tǒng)的頻段重合時(shí)， 它們受到的干擾尤其明顯。由于回聲定位失靈而擱淺或誤入危險(xiǎn)區(qū)域?qū)е滤劳龅陌咐陙?lái)屢見(jiàn)不鮮，這為中華白海豚的保護(hù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

要對(duì)中華白海豚進(jìn)行保護(hù)，首先必須做到對(duì)水中噪聲的監(jiān)控。通過(guò)大范圍的實(shí)時(shí)水下噪聲監(jiān)控，可以找出對(duì)中華白海豚威脅最大的噪聲源，并精確的進(jìn)行干預(yù)。但遺憾的是，這一工作始終未能很好的完成。

阻礙這一重要工作的最主要原因便是成本，由于目前主要采用人工方式監(jiān)測(cè)，而每次監(jiān)測(cè)都需要雇船出海。這種監(jiān)測(cè)方式只能勉強(qiáng)滿(mǎn)足科研需要，如果需要對(duì)整個(gè)保護(hù)區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，則人員與時(shí)間成本都超過(guò)了保護(hù)區(qū)的承受能力。因此， 目前急需一種低成本的、高度自動(dòng)化的區(qū)域監(jiān)測(cè)方式來(lái)替代原有的測(cè)量方法。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型信息管理方案有望破解這一困局。

1 技術(shù)方案

1.1 適用場(chǎng)合

本文所論述的解決方案適用于淺水區(qū)域的水下噪聲監(jiān)測(cè)需求，需要該區(qū)域有適于在流動(dòng)水體中固定探測(cè)終端的附著物。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案的主體部分是一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)收集各終端采集的環(huán)境信息并將其發(fā)送到用戶(hù)指定的接收端。

用于信息采集的設(shè)備是麥克風(fēng)及各類(lèi)傳感器。麥克風(fēng)可測(cè)量水下噪聲的響度，傳感器可測(cè)量水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。這些信息經(jīng)綜合分析，可以反映水體的污染狀況，對(duì)比白海豚等水生生物理想的生存環(huán)境，可對(duì)它們的生存質(zhì)量做出大致評(píng)估。麥克風(fēng)和傳感器均與一個(gè)ZigBee 終端組成一個(gè)探測(cè)單元，由一個(gè)集成了小型光伏發(fā)電設(shè)備的電池組供電。該探測(cè)單元將被固定在例如橋墩、航標(biāo)等位置， 每一個(gè)測(cè)量單元都根據(jù)其所處的位置編號(hào)。由于各測(cè)量單位之間均采用自動(dòng)組網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信方式，故僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單的安放與固定工作。ZigBee 技術(shù)允許終端與其它單元配合形成一個(gè)自組織的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò) ZigBee 網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至云端。用戶(hù)可通過(guò)智能手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)終端隨時(shí)查閱所需信息。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

本方案使用CC2430 系列ZigBee 芯片。該芯片采用 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，有兩種可選的硬件方案，其主要區(qū)別在于功率的不同以及由功率不同帶來(lái)的最大通信距離的差別。

當(dāng)各探測(cè)終端與通信節(jié)點(diǎn)之間距離較近時(shí)，可采用普通方案。普通方案中采用的CC2430 片上系統(tǒng)集成的CC2420RF 收發(fā)器，經(jīng)測(cè)試，在無(wú)障礙物的情況下可保證直線(xiàn)距離 60 m 內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。采用這種方案可降低供電設(shè)備的成本，在較為理想的情況下，其能耗完全由小型光伏發(fā)電設(shè)備提供。安裝后，在使用壽命期間無(wú)需更換電池組。

當(dāng)監(jiān)測(cè)水域面積較大，且可供固定探測(cè)終端的位置相聚較遠(yuǎn)時(shí)，或某些探測(cè)點(diǎn)與其它終端或通信節(jié)點(diǎn)之間有障礙物時(shí)， 可選擇大功率路由節(jié)點(diǎn)。大功率路由節(jié)點(diǎn)在普通節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)設(shè)備，分別為一個(gè) CC2591 射頻前端和一個(gè)為其提供能源的 TPS73033 模塊。經(jīng)測(cè)試，大功率路由節(jié)點(diǎn)在無(wú)明顯障礙物的情況下可保證直線(xiàn)距離 400 m 內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，或可保證近距離穿透三堵約 30 cm 厚的混凝土墻。

1.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

由于目標(biāo)監(jiān)測(cè)水域的情況較為復(fù)雜，也為了方便以后推廣到其它水域，本方案采用網(wǎng)狀網(wǎng)路由的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖越M織。該組織方式采用了矢量簡(jiǎn)化算法（AODVjr），適用于水域環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸需要，在數(shù)據(jù)傳輸量較小的情況下（主要是噪聲分貝數(shù)、溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡(jiǎn)單數(shù)值信息），保證網(wǎng)絡(luò)具有良好的健壯性。

2 功能應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)獲取

CC2430 芯片的片上系統(tǒng)自帶AD 轉(zhuǎn)換模塊，可將麥克風(fēng)及各類(lèi)傳感器提供的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。麥克風(fēng)測(cè)量到的聲音信號(hào)以 5 s 為一個(gè)窗口通過(guò)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，并分別求出低、中、高頻段的分貝數(shù)，與其它傳感器測(cè)量的數(shù)值一并發(fā)送到云端儲(chǔ)存。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采用ZigBee 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度介于 20 ～250 Kb/s 之間，而每個(gè)傳感器每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有幾字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性可以得到有效保證。

2.3 節(jié)點(diǎn)分布

ZigBee 網(wǎng)關(guān)可以安放在保安的監(jiān)控室內(nèi)，并從那里連接英特網(wǎng)。各通訊節(jié)點(diǎn)或測(cè)量終端則在保證相互距離不超過(guò)400 m 的情況下尋找橋墩或航標(biāo)位置進(jìn)行固定。其中橋墩部分是測(cè)量的重點(diǎn)，主要用于監(jiān)控橋上重型汽車(chē)的通行是否對(duì)白海豚的生活造成影響。其中高頻段的聲音采集還可用于捕捉白海豚的回聲定位信號(hào)，可為研究大橋?qū)χ腥A白海豚南北遷徙的影響提供科學(xué)依據(jù)。

2.4 信息獲取

用戶(hù)可以方便的通過(guò)各種移動(dòng)設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)云端并實(shí)時(shí)查詢(xún)目標(biāo)水域的環(huán)境信息，如圖 2 所示。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與以往的采用人工出海監(jiān)測(cè)的方式相比，本方案提出的利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水域環(huán)境監(jiān)測(cè)的方法具有巨大的成本和效能優(yōu)勢(shì)，其對(duì)比見(jiàn)表 1 所列。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提供了一個(gè)水域環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的解決方案，可用于在珠江口海域進(jìn)行白海豚等珍惜水生生物的保護(hù)工作。相比過(guò)去依賴(lài)人工的監(jiān)測(cè)方式，該方案雖然在首次設(shè)備安裝方面投入較大，但卻能夠大大提高監(jiān)測(cè)效果，并在長(zhǎng)期工作中顯著減 輕人員和資金的消耗。該方案的順利實(shí)施還需要對(duì)白海豚的 生活習(xí)性、耐受能力等信息進(jìn)行更深入的了解與水生生物領(lǐng)域 及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域?qū)＜覀兊拇罅f(xié)助。