摘要：山地生态环境系统的信息作为衡量全球气候变化的一个重要参考指标，对全球气候预测具有重要意义，因此对山地生态环境系统的信息获取显得尤为重要。文中针对山地生态环境的特征设计了一个基于物联网的生态监测系统。首先选择具有自组织、传输范围广、便于安装的ZigBee网络作为数据的通信网络，并确定了以单播和广播方式相结合的数据传输机制进行数据传输。其次，选择STM32—LPC1752芯片和CC2530芯片作为硬件部分的主控单元。主控单元接收到数据后，通过3G模块SIM5320E将数据发送到远程服务器中。最后，可通过Internet访问服务器，将数据在Web网页上进行显示和分析。通过实际环境的测试，该系统能满足大部分山地生态环境的信息监测需求。
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，传感器采集数据后通过ZigBee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
2.1WSN的数据采集网络拓扑结构设计
Z-Stack协议栈是基于IEEE802.15.4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ZigBeeCC2530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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作者：张恒 杨靖 单位：贵州大学 电气工程学院
