基于物联网的环境在线监测系统研究

黄东栋，程 莉，党晶晶

武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430205

现今，我国经济迅猛发展的同时，环境也遭受着严重的破坏，每天都有大量的污染物产生。比如，农村发展滞后，导致小型化肥厂、农药厂等都存在着严重的空气质量隐患；大型畜牧业畜牧场地使用的环境数据监测器材落后、监测不到位，导致畜养成本增加、收入下降；钢铁行业、化工行业、火力发电行业等由于环境监测不到位，每天都在向空气中排放大量的污染物，因此对环境的监测与保护显得越发重要。

早前，人们对温度、湿度、二氧化硫等环境参数的监测只能用温度计、湿度计、二氧化硫监测仪等单一设备，不能实时，常常需要实地观察结果；后来出现了数字测量仪，对环境数据的监测可以形成采样、分析、数据处理三步的多节点采样分析，但这些现有的设备仍然存在着不能实时监测、多节点分析等问题。

因此，研究一套能够多参数、实时传输、多节点分析的现代化物联网环境监测系统显得非常必要。随着互联网技术的快速发展，智能技术与物联网技术已经成为新一代信息技术研究的热点。2014年南京大学课题组设计了一套基于物联网技术的远程温湿度监测系统［1］，利用SHT11温湿度传感器监测环境温湿度，将监测到的数据通过ZigBee［2-5］模块传给嵌入式网关系统，嵌入式网关部分驱动LCD屏幕显示动态温湿度曲线；2017年吉林农业大学实验室设计了一套基于物联网的粮食仓库远程监测系统［6］，对粮仓的温度进行实时监测，远程观察。以上研究虽然较最初的环境监测方法完善且方便许多，但是在多参数同时监测、实时监测、多节点数据分析、远程便捷管理上仍存在不足。

本文研究的智能环境监测系统将无线通信技术、嵌入式技术、物联网技术有机结合，智能控制和管理各类传感器的数据采集、传输、分析，实现了多参数同时管理、监测实时、多节点分析、PC客户端管理多个优点，满足人们对环境监测的简单化、智能化需求，具有广泛的应用价值与发展前景。

1 系统工作原理

监测系统使用达盛科技物联网试验箱作为环境参数采集器，系统工作原理如图1（a）所示，试验箱中的每个传感器对监测系统都相当于一个监测设备，对环境参数进行采集，然后将采集到的数据通过无线Zigbee上传到服务器，PC获取存储的数据最后进行分析处理。

监测系统主要由数据采集、传输、控制三个部分组成，系统硬件结构如图1（b）所示。

图1 系统：（a）工作原理图；（b）硬件结构图Fig.1 System：（a）Working principle；（b）Hardware structure

1.1 服务器与客户端数据传输单元

PC客户端登陆和初始化后，程序设计模块将节点信息通过服务器下载到本地，PC客户端得到这些节点信息并根据每个节点的标识号来操作不同的节点，通过调用程序设计模块函数来发送各种请求。程序设计模块把对应的请求根据已设定的协议编译成请求数据报并发送给服务器。服务器得到请求之后根据协议将数据发送给程序设计模块，程序设计模块接收数据后再把数据过窗口消息传递给PC客户端。通信如图2所示。

图2 通信过程Fig.2 Communication process

1.2 无线Zigbee传输单元

物联网中一般用到的无线传输技术有蓝牙、2.4 GHz无线技术、WiFi、ZigBee、红外等，本系统使用ZigBee。ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、低成本、低传输速率的双向无线通信技术，它基于IEEE802.15.4标准［7-10］，其优势有：成本低、功耗小、大容量、自动组网、安全。系统Zigbee传输单元中的协调器电路如图3所示。

1.3 PC客户端数据处理单元

PC端是所有数据的处理端，PC端数据处理流程如图4（a）所示，首先处于监听检测状态，一旦有链接请求就捕捉链接IP和端口，然后接收数据并检测数据包、解析数据包；数据校验失败就重新发送数据。

图3 Zigbee协调器电路图Fig.3 Zigbee coordinator circuit

图4 流程图：（a）数据处理；（b）协调器节电程序；（c）中断节点程序Fig.4 Flowcharts：（a）Data processing；（b）Coordinator power-saving program；（c）Interrupt node program

2 系统软件设计

系统软件设计主要有Zigbee协议栈部分和PC客户端软件设计部分。Zigbee协议栈部分包括Zigbee协调器节点程序设计和终端程序设计，主要完成将终端节点的数据通过无线顺利传送到服务器。PC客户端软件设计部分主要包括WinForm窗体程序设计，主要完成终端控制操作和数据结果显示。

2.1 协调器节点程序设计

经过上电后的检测以及初始化后，系统自动选择一个合适信道建立网络。当收到其他节点加入网络时，若地址未满，自动为节点分配网络地址。节点成功加入网络后便向协调器定时发送数据，协调器将数据转发给PC端，程序流程图如图 4（b）所示。

2.2 终端节点程序设计

终端主要完成采集数据的发送，终端节点从控制模块接收传感器采集的数据并将其转发给协调器。首先，终端节点发现合适的网络并向协调器发送加入网络的请求。加入成功后，便会周期性地将数据发送给协调器。程序流程图如图4（c）所示。

2.3 PC客户端软件设计

PC客户端软件设计部分主要完成终端控制操作和数据结果显示。首先是采用C#［11-15］WinForm窗体程序设计进行登陆界面的设计，登陆验证流程如图5所示，包括登录信息判断是否为空、系统连接数据验证登录信息；然后是控制界面以及数据显示部分的设计，包括温度、光照检测，多采样模式和单采样模式。

图5 登陆验证流程图Fig.5 Login verification folwchart

3 结果测试与总结

3.1 PC端登陆测试

按照登陆流程，输入账号和密码进行登陆测试，首先进行空登陆测试，无法登陆；然后进行账号和密码正确输入登陆测试，结果显示登陆成功。

3.2 环境参数监控测试

3.2.1 温度监测 选择温度测试，然后选择多次连续采样（即多节点采样）。在试验箱附近放置温度计，测试实际温度，进行数据对比，结果分析如表1所示，温度误差率均小于0.01，本系统测试结果与事实相符，达到预期的温度参数多节点、实时测试效果。

表1 温度测试分析Tab.1 Temperature testing analysis

3.2.2 光照强度监测 选择光照强度测试，然后选择多次连续采样（即多节点采样）。在试验箱附近放置专门的光照强度测试仪，测试实际的光照强度，进行数据对比，结果如表2所示，光照强度误差值都小于6，误差率小于0.02，本系统测试结果与实时相符，达到预期的光照强度参数多节点、实时测试效果。

表2 光照强度测试分析Tab.2 Light intensity testing analysis Lx

4 结 语

基于物联网的环境在线监测系统将无线通信技术、嵌入式技术、物联网技术有机结合，利用服务器强大的数据存储和分析优势，对环境中多个参数进行快速远程监控和多采样分析，达到了对环境参数的快速、准确、科学监控。另外，通过以上可靠性结果分析，该方案监测数据误差极小，误差率均小于0.02。表明该系统设计方案成功，有较好的实用价值和推广潜力。

另外，在本系统的基础上，在数据采集模块添加更多的例如二氧化硫传感器、放射性物质传感器等，可以达到更多环境参数的实时监测分析。

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