仿真生态环境监测系统的设计与实现

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　　摘 要：随着物联网技术的发展，智能感知技术在生态环境监测领域将会有更广泛的应用。笔者利用传感器网络技术和Arduino硬件开发平台，尝试搭建了一个仿真生态环境监测系统，解决了传统有线传输布局小、维护困难的问题，实现了仿真生态环境各类监测指标数据的实时采集和应用分析。
　　关键词：Arduino平台;生态环境监测;传感器
　　中图分类号：X83文献标识码：A文章编号：1008-4428（2019）05-0170-02
　　近年来，随着现代社会工业文明的进步和高度发展，人们面临的环境污染问题日益严峻，环境保护问题受到社会的普遍关注。特别是物联网智能应用技术的迅猛发展，环境保护的措施和手段出现了许多新发展、新动态，如智能感知与4G/5G、Wi-Fi等无线通信方式的深度融合应用，越来越多的国家提出并测试了“智能和环保”的概念。移动终端、云存储和物联网等概念的小型化和轻量化，也为无线传感器网络在环境监控与检测等领域的应用提供了极大的便利，人们希望实时掌握自身生活环境状态信息成为一种可能。因此，本文利用智能感知、无线传输和Arduino开发平台，在模拟仿真生态环境下，设计并实现了一套基于智能采集和数据聚合分析的软硬件集成应用系统， 进一步探索利用现代新兴科技对生态环境实现智能感知、环境监测和大数据分析等深度应用。
　　一、 物联网与生态环境监测
　　（一）物联网
　　物联网是以互联网为基础，通过智能感知识别和网络传输等技术将现实中海量终端联系起来，形成的一种新型的、泛在的通信网络。物联网主要分为感知层、传输层、应用层三个层次，主要利用各类机械、电子、光学传感器，自动采集声音、压力、温度、湿度等信息，将感知得到的数据和网络传输设备、信息处理设备等组合起来，通过智能处理为人类提供服务。
　　（二）环境监测
　　实时监测生态环境是解决环境污染问题的基础。生态环境监测系统的智能化和实时化是生态文明系统的重要组成部分。充分利用现代新兴技术，提高监控数据质量，监控信息利用效率。为智能行为提供数据保障，进而提高生态文明建设的科学决策水平。
　　按照上述分析，笔者利用鱼缸、土壤、水、金鱼等，模拟构建了一个仿真生态环境监测系统，同时采用多种类型传感器二十四小时测量环境变化的实时数据，再通过有线或无线传输网络将数据发送到APP应用终端，对数据进行智能分析，如湿度、pH值、温度和二氧化碳浓度等生态数据的智能采集;通过对实施监测数据的智能分析，实时监测生态环境质量和变化趋势，可广泛用于生态环境的污染指标预警、空气质量监测、水质安全保护、雨水酸度检测等方面。
　　目前，我国生态环境智能监测应用要求主要体现在内容和运行方式上。从内容上看，要求构建“完备设置和自动实时预警”的环境监测体系，实现环境污染源监测的全面覆盖。从运行方式上看，要求构建“全国联网、依法追责”大数据应用平台，实现生态数据监控数据共享和信息的统一发布。生态环境监测的关键是制定和完善相关法律、法规和标准。相关部门及时完善环境监测评价体系，加强生态监测数据之间的可比性，确保污染物排放源和各监测机构实施统一的技术标准。
　　二、 模拟生态环境监测系统的构建
　　（一）硬件系统
　　1. 传感网络（WSN）
　　生态区域中设置多个固定或可移动的传感器节点，聚合节点之间实现无线通信形成一个多条网络系统。传感器网络节点包含：传感器节点、路由节点和汇聚节点。传感器节点可以充当路由节点，并将汇聚节点连接到监控计算机。在硬件结构中，减少传感器模块并添加串行通信模，其作用是协调生态区域中被监视对象的信息感测、获取、处理和传输，并将数据传输到网络数据中心。传感器网络的显著特点是自组织网络拓扑、电池功率有限、部署速度快、容错性强、隐蔽性强等。传感器网络由大量小型、低成本的通信设备组成，收集和处理相关的数据传感器节点。
　　2. 路由协议
　　数据传输的过程需要选用合适的路由协议。在能量的消耗方面，数据传输相较于数据采集和数据计算，消耗的能量最高。传统的Ad Hoc网络路由协议设计通常首先提供最高质量的服务（QoS），然后考虑能源效率。因此，传感器网络的特性决定高能效路由协议无法使用传统路由算法。
　　3. 数据融合
　　数据融合是指将多传感器信息源的数据和信息进行组合，实现更为准确的特性估计，完成生态环境的重要性和威胁性实时、完整评估的处理过程。从物联网的传感层到应用层，各种信息的类型和数量成倍增加，并且还要增加要分析的数据量。与此同时，如何从海量数据中挖掘隐藏信息和有效数据以及实现多个系统或异构网络之间的数据融合，也给数据处理带来巨大挑战。
　　（二）Arduino开发平台
　　Arduino是一个使用方便、灵活的开源电子原型平台。此平台具有与 Java、 C语言相似的 Processing/ Wiring开发环境。主要包括两个部分：硬件部分是Arduino板，可用于电路連接; 另外一个则是Arduino IDE。 IDE是用户二次开发接口，将编写好的程序代码烧制到Arduino电路板后，程序就可以被执行。Arduino可以通过各种传感器感知环境，例如通过控制光线强弱、电机和其他设备来反馈和影响环境。电路板上的微控制器可以用Arduino的编程语言来编写程序，最终编译成二进制文件被微控制器执行。此外，Arduino的编程接口直观明了，编程方法相对简单，用户可以控制和实现特定的功能。
　　三、 仿真生态环境的实现
　　（一）基本要求
　　利用Arduino的硬件平台和传感器网络技术，可以有效、便捷的实现仿真生态环境设计。模拟生态环境监测系统中，传感器在数量和质量方面都发挥着重要作用，对监控系统产生重大影响，应根据具体实际需求进行选择，注意减少系统开销。系统传感节点可以在用户需要时收集环境数据，也可以根据设置的收集周期长度自动收集和发送环境数据。应根据工作模式采用主动和被动随机选择模式。当传感器节点被设置为路由节点时，可以同时实现数据包的传输，进而扩大传感网络的覆盖范围并提高数据传输能力。 　　将光传感器、水浊度传感器、pH传感器、二氧化碳传感器、温湿度传感器等模块搭建在模拟生态系统中，并通过通信模块相互联系组成一个传感器网络，以便进行数据的收集与分析。运用新兴智能感知术和通信技术为仿真生态环境监测系统的研究和设计提供坚实的保障。
　　（二）硬件选择
　　1. 光传感器
　　光传感器是能够快速感测从紫外光到红外光的光能并将光能转换成电信号的装置。光传感器主要分为四种类型：红外光传感器、环境光传感器、太阳光传感器、紫外光传感器。本实验中主要采用的是DFRobot公司生产的模拟环境光传感器LX1972。可见光照射的响应特性与人眼的响应特性相似，可以模拟人眼对环境光强度的判断。该传感器的工作电压范围为3至5.5V，工作温度范围为-40至80°C，照度范围为1至800Lux。
　　2. 二氧化碳传感器
　　在本实验中，使用的是DFRobot公司生产的高精度红外DAC二氧化碳传感器，其有效量程可达0至5000ppm。该传感器利用非色散红外（NDIR）原理来探测空气中二氧化碳的含量，内置溫度补偿，具有无氧依赖性和选择性。DFRobot红外激光传感器是一种高性能传感器，结合先进的红外吸收气体检测技术，精密的光路设计与电路设计。
　　3. pH值传感器
　　pH传感器通常用于对溶液进行工业测量。在本实验中，使用的是DFRobot公司生产的模拟pH传感器，主要包括：板载电源指示灯，BNC接口和PH2.0接口等。PH传感器的电极采用的是玻璃电极和参比电极相组合的复合电极。它是用于测量水溶液中氢离子活性的PH测量组分，即pH值。该传感器的工作电压为5V，测量范围是0至14pH，测量环境的温度可以在0℃至60℃，响应时间小于1min。
　　4. 水浊度传感器
　　浊度传感器利用光学原理，通过测量溶液中的透光率和散射率，综合测定溶液的浊度。在本实验中，使用的是DFRobot公司生产的Arduino水浊度传感器。该传感器的精度较高且性能稳定，可以持续较长时间记录水浊度。 该传感器的工作电压为5V，工作电流40mA（MAX），响应时间可以小于500ms。 操作温度在-30℃至80℃之间，而存储温度在-10℃至80℃之间。
　　5. 温度传感器
　　温度传感器是一种能够检测温度并转换成可识别信号的传感器。温度传感器品类繁多。根据测量方法，它可以分为两类：非接触型和接触型。本实验采用的是BME280传感器。BME280是一款集温度、湿度、气压于一体的环境传感器。
　　（三）系统配置要点
　　1. LX1972模拟环境光传感器
　　使用时需注意：①模块上有感光元件和模拟传感器的标识，数据线的颜色对应于DFRobot扩展板。用户插入扩展板并烧录已编好的代码使用。②模拟电压在5V，工作电压情况范围0至3.6V。
　　2. 二氧化碳传感器模块设置
　　使用时需注意：①置Gravity接口使得传感器能够直接兼容DFRobot Arduino IO扩展板，即插即用，无须额外接线。②传感器必须使用5V供电。③这款二氧化碳传感器灵敏度比较高，所以会造成读数起伏略大，可以通过若干数值取平均值的方式降低读数的偏差。
　　3. pH值传感器
　　使用时需注意：①第一次或长期不使用时，需要将电极球和砂芯浸入3NKCL溶液中活化8小时。②电极塞保持清洁干燥。③电极在使用时，应将陶瓷砂芯和出液胶圈去除，以使盐桥溶液保持一定的速度。④为确保测量精度，建议使用校准溶液定期校准pH计，以防止出现大的误差。
　　4. 水浊度传感器
　　使用时需注意：①传感器探头顶部不防水。②该传感器可以选择数字信号或者模拟信号输出，“D/A”输出选择开关，“A”为模拟量输出，“D”为数字量输出。
　　四、 结语
　　随着物联网技术与应用的快速发展和深度应用，基于智能感知和泛在互联的生态环境监测系统将得到更加广泛的应用，人们将会更加方便的关注生态环境信息。本文利用传感器网络技术和Arduino硬件开发平台，尝试搭建了一个仿真生态环境监测系统，解决了传统有线传输的布局小、维护困难的问题，实现了生态环境指标的实时监控。该系统很大程度上降低劳动力成本，进一步实现环境信息的全面、快捷、统一管理。但是，实际应用中仿真生态环境监测系统主要采用有线信号传输模式，布线比较复杂，传输距离受到限制，系统的可靠性和稳定性仍需要进一步提高。此外，现有监控节点电量有限，需要人工定期更换，存在维护不便的缺点。
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　　作者简介：
　　高浩炜，男，江苏无锡人，江苏警官学院计算机信息与网络安全系学生;
　　缪成根，男，山东济宁人，江苏警官学院计算机信息与网络安全系学生;
　　邱增玉，男，安徽宿州人，江苏警官学院计算机信息与网络安全系学生。
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