基于无线传感器网络技术的水体环境监测系统

引 言

中国是世界上生物多样性最丰富的国家之一。我国拥有脊椎动物 6 266 种，约占世界脊椎动物种类总数的 10% ；我国拥有高等植物三万余种，居世界第三位。这些生物广泛分布在我国各地区，与人类共同生活在这片土地上。过去，由于片面追求经济效益以及对环保工作的疏忽，许多珍稀物种的栖息地遭到了人为破坏。空气污染、水污染、土壤污染和噪声污染不仅让许多地区的野生动植物失去了理想的家园，也严重影响了人类的生活质量。随着全社会知识水平和文化素质的提高，人们越来越意识到环境保护的重要意义，而物种保护则是环境保护的一个重要方面。通过了解野生动物的生存状态，能够客观了解一个地区的环境水平。例如在《中国物种红色名录》中就提到，一种名为金线蛙的珍稀物种就是北京地区工业污染的指示剂。通过保护一个地区的珍惜动物，就能在客观上促进该地区的自然环境的改善，进而提高该地区人民的生活质量。

珠江口位于我国经济发展极为活跃的珠江三角洲地区， 这里不仅集中了香港、澳门两个特别行政区，而且紧靠深圳与珠海两个经济特区。这里的水面上常年穿梭着各类船舶，多条繁忙的航道在此处交汇，即将通车的港珠澳大桥也坐落于此。而同时，这里也是国家一级保护动物中华白海豚最重要的栖息地之一，是中华白海豚国家级自然保护区的所在地。如何在经济活动如此繁忙的地区做好珍惜物种的保护工作，是一大难题。

中华白海豚（Sousa chinensis）属于鲸类海豚科，是一种水生哺乳动物，喜欢生活在咸淡水区域的浅水层，不连续的分布于印度洋和太平洋沿岸的河流入海口。和许多其它种类的鲸或海豚相似，中华白海豚也依靠回声定位进行觅食、交流、躲避敌害等活动。由于其栖息的河流入海口的浅水层（深度一般不超过 25 m）是人类活动最频繁的水域，因此非常容易受到因人类活动产生的噪声干扰。由于回声定位系统的需要，白海豚的听觉极其发达，这也使得它们对噪声的忍耐程度很低， 尤其当噪声所在的频段与白海豚回声定位系统的频段重合时， 它们受到的干扰尤其明显。由于回声定位失灵而搁浅或误入危险区域导致死亡的案例近年来屡见不鲜，这为中华白海豚的保护提出了巨大的挑战。

要对中华白海豚进行保护，首先必须做到对水中噪声的监控。通过大范围的实时水下噪声监控，可以找出对中华白海豚威胁最大的噪声源，并精确的进行干预。但遗憾的是，这一工作始终未能很好的完成。

阻碍这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监测，而每次监测都需要雇船出海。这种监测方式只能勉强满足科研需要，如果需要对整个保护区进行长期监测，则人员与时间成本都超过了保护区的承受能力。因此， 目前急需一种低成本的、高度自动化的区域监测方式来替代原有的测量方法。

随着物联网技术的逐渐成熟，一种基于无线传感器网络技术的新型信息管理方案有望破解这一困局。

1 技术方案

1.1 适用场合

本文所论述的解决方案适用于浅水区域的水下噪声监测需求，需要该区域有适于在流动水体中固定探测终端的附着物。

1.2 系统结构

本方案的主体部分是一个基于ZigBee技术的无线传感器网络，该网络负责收集各终端采集的环境信息并将其发送到用户指定的接收端。

用于信息采集的设备是麦克风及各类传感器。麦克风可测量水下噪声的响度，传感器可测量水体溶氧、温度、浊度、氧化还原电位等信息。这些信息经综合分析，可以反映水体的污染状况，对比白海豚等水生生物理想的生存环境，可对它们的生存质量做出大致评估。麦克风和传感器均与一个ZigBee 终端组成一个探测单元，由一个集成了小型光伏发电设备的电池组供电。该探测单元将被固定在例如桥墩、航标等位置， 每一个测量单元都根据其所处的位置编号。由于各测量单位之间均采用自动组网的无线通信方式，故仅需进行简单的安放与固定工作。ZigBee 技术允许终端与其它单元配合形成一个自组织的无线网络，并通过 ZigBee 网关将数据传输至云端。用户可通过智能手机或平板电脑等移动终端随时查阅所需信息。网络组网结构如图 1 所示。

1.3 系统参数

本方案使用CC2430 系列ZigBee 芯片。该芯片采用 IEEE802.15.4 标准，有两种可选的硬件方案，其主要区别在于功率的不同以及由功率不同带来的最大通信距离的差别。

当各探测终端与通信节点之间距离较近时，可采用普通方案。普通方案中采用的CC2430 片上系统集成的CC2420RF 收发器，经测试，在无障碍物的情况下可保证直线距离 60 m 内的数据传输。采用这种方案可降低供电设备的成本，在较为理想的情况下，其能耗完全由小型光伏发电设备提供。安装后，在使用寿命期间无需更换电池组。

当监测水域面积较大，且可供固定探测终端的位置相聚较远时，或某些探测点与其它终端或通信节点之间有障碍物时， 可选择大功率路由节点。大功率路由节点在普通节点的基础上增加了两个设备，分别为一个 CC2591 射频前端和一个为其提供能源的 TPS73033 模块。经测试，大功率路由节点在无明显障碍物的情况下可保证直线距离 400 m 内的数据传输，或可保证近距离穿透三堵约 30 cm 厚的混凝土墙。

1.4 网络拓扑

由于目标监测水域的情况较为复杂，也为了方便以后推广到其它水域，本方案采用网状网路由的方式进行网络拓扑的自组织。该组织方式采用了矢量简化算法（AODVjr），适用于水域环境监测的数据传输需要，在数据传输量较小的情况下（主要是噪声分贝数、温度、溶氧量、浊度、氧化还原电位等简单数值信息），保证网络具有良好的健壮性。

2 功能应用

2.1 数据获取

CC2430 芯片的片上系统自带AD 转换模块，可将麦克风及各类传感器提供的电压信号转化成数字信号。麦克风测量到的声音信号以 5 s 为一个窗口通过快速傅里叶变换转化为频率信号，并分别求出低、中、高频段的分贝数，与其它传感器测量的数值一并发送到云端储存。

2.2 数据传输

采用ZigBee 技术的数据传输速度介于 20 ～250 Kb/s 之间，而每个传感器每次所需传输的数据只有几字节，数据传输的实时性可以得到有效保证。

2.3 节点分布

ZigBee 网关可以安放在保安的监控室内，并从那里连接英特网。各通讯节点或测量终端则在保证相互距离不超过400 m 的情况下寻找桥墩或航标位置进行固定。其中桥墩部分是测量的重点，主要用于监控桥上重型汽车的通行是否对白海豚的生活造成影响。其中高频段的声音采集还可用于捕捉白海豚的回声定位信号，可为研究大桥对中华白海豚南北迁徙的影响提供科学依据。

2.4 信息获取

用户可以方便的通过各种移动设备访问云端并实时查询目标水域的环境信息，如图 2 所示。

3 技术优势

与以往的采用人工出海监测的方式相比，本方案提出的利用无线传感器网络进行水域环境监测的方法具有巨大的成本和效能优势，其对比见表 1 所列。

4 结 语

本文提供了一个水域环境实时监测的解决方案，可用于在珠江口海域进行白海豚等珍惜水生生物的保护工作。相比过去依赖人工的监测方式，该方案虽然在首次设备安装方面投入较大，但却能够大大提高监测效果，并在长期工作中显著减 轻人员和资金的消耗。该方案的顺利实施还需要对白海豚的 生活习性、耐受能力等信息进行更深入的了解与水生生物领域 及环境保护领域专家们的大力协助。