基于WSNs的城市森林环境效应监控系统*

江禹生，樊 宇

（重庆大学 通信工程学院，重庆 400044）

0 引言

近年来，我国积极发展城市森林，重庆等一些城市还提出建设“森林城市”的目标。城市绿化已成为城市环境建设的重要方面，尤其是对城市森林的环境效应监测是科学评价城市生态服务功能、科学分析城市森林结构的基础和关键。然而，由于城市森林的异质性、结构复杂性、分布破碎性、交互频率性和空间异质性使得生态环境效应监测变得十分困难。传统的监测通常采用气象站法、定点观测法、运动样带法、遥感测定及模拟预测法［1］等5种方法，只能表明是某一个时段上的观测，不能反映温度的不同和不断变化，因此，需要发展新的技术来准确地监测这些效应。而且，现有的研究主要集中在对单一环境效应的评估上，包括热岛效应、土壤环境和雨水资源等，缺乏能够全面地反映影响城市森林环境效应因子的统一的监测手段。

无线传感器网络（WSNs）具有节点数量多、全天候实时监测以及多环境因子的同步感知［2］等特点。从无线监测方法来看，可以做到大范围布设测量，异步与同步融合，连续观测，少人工或者无人工，从定点监测和模型估计做出连续准确的数据统计。虽然目前通过布置WSNs来实现对目标进行前端监测的研究已趋于成熟［3］，但是缺乏对监测数据的实时界面显示和远程观测的后端处理［4］，而该目标正是城市森林环境效应监测所需要达到的。因此，针对城市森林环境效应监控现状，本文采用WSNs，GPRS和Internet网络构建混合监控网络，设计了一种新的适应城市森林环境的网络监控系统，以实现对城市森林环境效应的连续观测和同步感知。

1 网络系统模型

本文设计了一种新的适应于城市森林环境效应监控的网络系统。从全网范围上看，监测网络被抽象为一个包含3种基本网络:WSNs，GPRS和Internet的混合网络模型，如图1所示。

图1 混合组网模型Fig 1 Model of hybrid networking

从图1可以看出:系统组网主要由三大基本部分组成，它们之间相互交流相互通信，完成信息采集与传输。

第一部分为WSNs网关节点部分，主要完成监测数据采集。在城市森林的监测区域部署大量节点，构成小型的传感器网络，实现环境效应因子的实时监测与采集。

第二部分为基站部分，完成 Zig Bee，GPRS，Internet不同网络协议间的通信转换功能。

第三部分为管理平台，通过Internet网络访问第二部分的基站，对第一部分的WSNs进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

2 混合网络总体设计

2．1 系统结构

常用的短距离无线通信技术有多种，用于2．4GHz频段的主要有UWB，Zig Bee、蓝牙和Wi-Fi等。通过对基于城市森林环境效应监测的混合网络模型定义，对各个协议性能的比较分析表明Zig Bee网络节点体积小，组网灵活，部署方便，功耗极低，因此，本文选择Zig Bee协议来实现WSNs网关节点组网。同时选择GPRS协议和TCP/IP协议解决WSNs网关节点与管理平台间的长距离通信问题，通过协同多种通信协议完成城市森林环境效应监控网络的混合组网，构成分布式的WSNs。

对城市森林环境效应实时监控需要自动监测环境效应因子，如，温度、湿度、光强度以及土壤温度、湿度等参数，并及时在网络上发布［5］。基于上述应用需求，设计的WSNs系统拓扑结构如图2所示，将终端节点、路由节点、协调器节点和网关节点分布在城市森林的不同物理空间，构成城市森林的WSNs。其中，终端节点负责数据信息采集;路由器节点负责转发数据;协调器负责在网络的中心控制阶段发起新网络的建立;网关节点负责配置整个无线传感器网络，收集各节点采集到的信息，进行相应的数据处理与封装后，由通信单元将信息传送至服务器，并通过Internet发布。

图2 WSNs系统结构图Fig 2 System structure diagram of WSNs

2．2 网络拓扑

将城市森林划分为若干被监测区域，每个区域内的网络节点组成一个相对独立的Zig Bee无线传感器网络，负责完成数据采集和转发功能。将传感器节点部署在这些没有基础设施的物理空间内，且传感器节点的位置是可移动的;节点之间的相互邻居关系不能预先得到，而且随时变化。传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自适应形成转发监测数据的多跳无线网络系统。其中每个节点与它的邻居节点间可以直接通信，这些节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。

Zig Bee支持包含有主从设备的星型、树簇型和对等拓扑结构。星型网络中各节点彼此并不通信，所有信息都要通过协调器节点进行转发;树簇型网络中包括协调器节点、路由节点和终端节点，路由器节点完成数据的路由功能，终端节点的信息一般要通过路由节点转发后才能到达协调器节点，同样协调器负责网络的管理;对等网络中节点间彼此互连互通，数据转发一般以多跳方式进行，每个节点都有转发功能，这是一种最复杂的网络结构。通常情况下星型网和树簇型网络是一点对多点，因系统采用的传感器数量众多，通信距离较近，且网络组建采用树簇型拓扑结构算法相对简单，又可以在很大程度上满足城市森林监控的需求。另外，节点内部电路简单，只有很少或没有消耗能量的内存，更利于节约能耗［6］，因此，采用树簇型网络拓扑结构。图3为分簇后的Zig Bee网络拓扑结构，在整个网络中路由节点相当于监控子节点的簇首，而协调器节点又相当于路由节点的簇首。

2．3 组网方式

图3 分簇后的Zig Bee网络拓扑结构Fig 3 Topology structure of Zig Bee network after clustering

目前，大多数传感器网络网关节点获取传感器节点发送的数据之后，通过有线方式（网线、串口等）与计算机相连，后经计算机利用网卡接入外部网络来实现数据的转发功能［7］。这种传统的通信方式成本高、开销大。因为城市森林的异质性、结构复杂性、分布破碎性、交互频率性和空间异质性使得通过网关节点与计算机以有线的方式直接作为外部网络接入设备具有较大难度。因此，需采用具有多种通信功能的网关组网接入来满足城市森林环境效应监控网络的通信需求。

多通信网关接入部分主要完成Zig Bee，GPRS，Internet等不同通信协议间的通信转换功能。整个网关接入部分由每个小区域网关节点和基站组成。小区域网关节点主要完成Zig Bee通信协议与GPRS通信协议之间的转换功能;基站则完成GPRS通信协议与Internet通信协议之间的转换功能。在多通信网关接入部分中每一个小区域的网关节点为普通节点，而基站为该部分整体的网关节点。多通信网关接入部分对应图1的第二部分。

3 硬件设计

考虑到城市森林中节点数目较多，数据量相对较大，且需实现远程监控，故选用32位CPU;同时为了减少能耗，需采用功耗低的CPU，综合考虑功耗、性价比和设计需求，采用三星ARM9内核的低功耗EMPU S3C2410A，Zig Bee网络通信的射频模块选用低功耗的CC2430，为适应各种网络环境，Internet通信采用BENQ的M23 GPRS模块。

CC2430是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案，能够提高性能并能满足低功耗Zig Bee/IEEE 802．15．4无线传感器网络的应用需求，体积小，需要的外部元件数量少，性能稳定且功耗极低，适合开发小型2．4 GHz产品，可满足系统设计的要求。

系统控制原理图如图4所示，微控制器通过SPI总线和一些离散控制信号与射频收发器相连;通过发射、接收端口与M23模块连接，微控制器充当SPI主器件，而Zig Bee无线收发器CC2430充当SPI从器件，控制器实现了IEEE 802．15．4MAC层和Zig Bee协议层，还包含了特定的应用逻辑，Microchip协议栈提供了完全集成的驱动程序，免除了主应用程序管理的RF收发器的功能任务，完成GPRS通信功能的芯片使用BENQ公司的M23，该模块通过RS—232串口与微控制器的RS—232串口相连，实现微控制器通过GPRS发送、接收数据命令的功能。

监测区域内信息的采集和数据转换由传感器和A/D完成;数据处理单元负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发送来的数据;射频收发单元负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据;电源管理单元为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

图4 无线传感器节点核心部分电路图Fig 4 Circuit of core part in wireless sensor node

多通信网关的硬件体系结构如图5，包括ARM处理器、Zig Bee通信模块和GPRS通信模块、存储单元、电源模块等。ARM选用三星ARM9内核的低功耗EMPU S3C2410A，该单片机采用MMU，AMBA总线和Harvard高速缓存体系结构，并且提供了一组完整的系统外围设备接口，大大减少了整个系统的成本。Zig Bee通信模块与传感器节点的无线通信模块一样选用CC2430。GPRS模块选用BENQ公司的一种多功能GSM/GPRS无线通信模块M23，支持GSM900/DCS1800/PCS1900 3个频段，内嵌TCP/IP协议，采用3．3～4．5 V电压供电，具有短消息服务、语音通话、数据传真等功能，对外可提供天线接口、模拟音频接口、异步串行接口和SIM卡接口等，工作范围大，抗干扰能力强，适用于工业应用场合，该模块为中远程无线通信提供了解决方案。

4 数据传输流程

图5 多通信网关节点硬件结构图Fig 5 Hardware structure diagram of multi-communication gateway node

本文设计的数据访问流程如图6所示。依据管理平台的要求对监测参数设置阈值，判断这个节点采集到的监测信息是否超标。如果超标则指示灯亮、蜂鸣器鸣叫，同时主动向监控中心发送警告信息;如果正常，则将当前数据存储在本地FLASH以供查询。监控主机向需要访问的节点主动发出访问请求命令，该命令通过Internet传送到基站，然后通过GPRS发送到相应的网关;网关对隶属于它的簇网络支路进行通信广播，唤醒需要查询簇的簇首节点;簇首节点再向本簇普通节点广播，激活休眠节点进行数据通信;普通节点将监测数据发送到簇首节点，簇首节点进行数据合成处理后沿原路反馈给监控主机，实现数据在网络中的传输。目前设计的监控系统内部单片机程序是固化的，系统上电后程序开始执行直至系统关闭，程序无法被修改。但是，基于城市森林环境效应监控网络系统可以通过管理平台以无线传输的方式发送控制命令来修改程序，以改变参数阈值。

图6 数据访问流程图Fig 6 Flow chart of data accessing

5 实验结果

为了验证所设计的监控系统的有效性，选择在重庆城区的一片“绿化森林”中进行实验测试。通过在监控区域安放10个内置温湿度传感器的无线传感器节点构建2个小区域网络，其中每个网络包含2个分簇（3个普通节点1个簇首节点）和1个网关，各监测节点实时采集环境监测因子数据并传输到管理中心，由管理中心存储、处理以及实时显示。表1为节点3采集到土壤温湿度的部分数据。

在网关接入层的基站处设计了一个嵌入式Web服务器，可以组建成一个简易网络实验平台。用户只要通过网络浏览器就能实现数据的浏览和分析，尤其可通过数据库远程调用和在线图表分析功能，各种环境因子的变化和趋势一目了然呈现在管理者面前。应用者只要通过联网计算机即可随时了解城市森林的环境监测因子的实时变化。

表1 节点3采集的温湿度数据Tab 1 Temperature and humidity data collected by node 3

在实验过程中，通过Internet访问基站Web服务器进行网络维护管理和查看监测信息。混合监测网络可以有效地监测到城市森林环境的异常状况，并主动上报给监测中心，提供有效的参考数据，确保城市森林生态环境稳定。小区域内的无线传感器节点绝大数时间都处于休眠（未进行数据传输）状态，可以大幅降低节点的能量消耗，有效延长网络的生存周期。

6 结束语

本文设计了一种新的适合城市森林环境效应监控网络构建的网络系统—包含WSNs，GPRS和Internet的混合网络构建方法，并建立了相应的混合网络模型。同时，实现了数据访问流程。实验表明:该组网策略和数据访问流程能满足城市森林环境效应监控的需求。

［1］ 肖荣波，欧阳志云，张兆明，等．城市热岛效应监测方法研究进展［J］．气象，2005，31（11）:3 －6．

［2］ Yick J，Mukherjee B，Ghosal D．Wireless sensor networks survey［J］．Computer Networks，2008，52（12）:2292 －2330．

［3］ Bers J，Gosain A，Rose I，et al．CitySense:The design and performance of an urban wireless sensor networks testbed［C］∥Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security，Waltham，MA，2008．

［4］ 成小良，邓志东．基于Zig Bee规范构建大规模无线传感器网络［J］．通信学报，2008，29（11）:158 －164．

［5］ 何东健，邹志勇，周 曼．果园环境参数远程检测WSNs网关节点设计［J］．农业机械学报，2010，41（6）:182 －186．

［6］ Sun J，Wang Z X，Wang H．Research on routing protocols based on Zig Bee network［C］∥Proceedings of the Third International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing，Kaohsiung，2007:639 －642．

［7］ 蔡 皓，冯仁剑，万江文．具有多种通信方式的无线传感器网络网关［J］．传感技术学报，2008，21（1）:169 －172．