仿真生态环境智能监测系统的设计与实现
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的布局小、维护困难的问题，设计实现了仿真生态环境智能监测生态指标的实时采集和应用分析系统。
关键词：Arduino平台；生态环境；智能监测；传感器
近年来，随着现代社会工业文明进步和高度发展，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“智能环保”概念被越来越多的国家提出和试验等。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[1]。因此，本文利用智能感知、网络传输和Arduino开发平台，在模拟仿真生态环境下，设计实现了一套基于智能采集和数据汇聚与分析的软硬件集成应用系统，探讨了如何利用现代新兴科技进行生态环境的智能感知、环境监测和大数据分析等。
一、物联网与生态环境监测
当下，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；建立评估问责制，确保生态监测数据的真实性和可靠性。生态环境监测的关键是制定和完善的相关法律、法规和标准。根据工作需要规范的大气、地表水、地下水、土壤、海洋、生态、污染源、噪声、振动和辐射的技术标准，及时修订和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[2]。
1.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的海量终端联系起来，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、应用层等三个层次，主要利用各类机械、电子、光学传感器，自动采集声音、视频、压力、温度、湿度、有害气体、空气粉尘等信息，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。
2.环境监测。不言而喻，实时监测生态环境是解决环境污染问题的根本。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可以不断提高环境监测的数据质量和利用效率, 只有正确合理的感知数据，才能为上层行业应用提供准确的基础数据，为智能行为提供数据保证，进而提高生态文明建设的科学决策水平[3]。
按照上述设想，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，同时利用多种类型的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。该仿真监测系统实现了温度、湿度、PH值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[4]。
二、仿真生态环境监测系统构建
（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跳网络系统。传感器网络节点包括：各种传感器节点、路由节点和汇聚节点，传感器节点充当路由节点，并将汇聚节点连接到监控计算机。在硬件结构中，减少了传感器模块并添加了串行通信模块[5]，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的数据中心[6]。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，可以收集和处理相关的数据传感器节点。
2.路由协议。与数据采集和数据计算相比,节点在数据传输中消耗的能量最多。数据传输涉及网络路由协议。传统的Ad Hoc网络路由协议设计通常提供了最高质量的服务(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不能采用传统路由算法。
3.数据融合。所谓数据融合，指将多传感器信息源的数据和信息加以联合、相关及组合，获得更为准确的性质、程度、位置和身份等比值的估计,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[9]。从物联网的感知层到应用层，各种信息的种类和数量都成倍增加，需要分析的数据量也成级数增加，同时，还涉及各种异构网络或多个系统之间数据的融合问题，如何从海量数据中挖掘隐藏信息和有效数据，给数据处理带来巨大挑战。
（二）Arduino开发平台
Arduino是由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发的一款开放原码、便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。主要包含两个的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE。IDE是用户二次开发接口，将编写的程序代码烧制到Arduino电路板后，程序功能便可执行。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。对Arduino的编程是通过 Arduino编程语言和Arduino开发环境来实现的。此外,Arduino的编程界面更直观,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
借助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。仿真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，从而扩展了传感网络的覆盖范围和数据传输能力。
将基于Arduino温湿度传感、光传感器、水浊度传感器、二氧化碳传感器、PH传感器等各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成为一个传感器网络，以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。图1是该仿真生态系统的图例说明。
（二）硬件选择
1.光传感器。光传感器能敏捷感受由紫外光到红外光的光能量，并将光能量转换成电信号的器件。光传感器主要分为环境光传感器、红外光传感器、太阳光传感器、紫外光传感器四类。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。对可见光照度的反应特性与人眼的特性类似，可以模拟人对环境光线的强度的判断，从而方便做出与人友好互动的应用。该传感器的工作电压为3~5.5V，工作温度为-40~80°C，照度范围为1 – 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。传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的二氧化碳进行探索，具有良好的选择性和无氧气依赖性，并且内置温度补偿。DFRobot红外激光传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与精密光路设计、精良电路设计紧密结合而制作出的高性能传感器，具有高灵敏度、高分辨率、低功耗。
3.PH值传感器。pH传感器常用来进行对溶液、水等物质的工业测量。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。PH传感器的电极采用玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳是不可填充式复合电极，是PH测量元件用来测量水溶液中的氢离子活度，即PH值。该传感器的模块电源为5V，测量范围在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来综合判断溶液浊度情况，从而达到检测水质的目的。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，可以持续性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感受温度并且将其转换成可用的输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心，其品类繁多。按照测量方式可以分为非接触式和接触式两大类，按电子元件特性和传感器材料分为热电阻和热电偶两类。本实验采用的是BME280传感器。BME280是一款集成温度、湿度、气压，三位一体的环境传感器。具有高精度，多功能，小尺寸等特点。
（三）系统配置要点
1.LX1972模拟环境光传感器。
使用时需注意：(1)模块上带有感光元件和模拟传感器的标识，并且数据线的颜色与DFRobot扩展板相对应。用户插上扩展板，烧录提供的实例代码即可使用。(2)模拟电压，在5V工作电压情况范围0–3.6V。
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，无需额外接线。(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)第一次或长期使用的电极不用重复使用，电极球和砂芯浸入3NKCL溶液中活化8小时。(2)电极塞应保持清洁干燥。(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)为保证测量精度，建议使用校准液对pH计定期校准，以防止出现较大误差。
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。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。该系统很大程度上节省了劳动力成本，并有效促进了环境信息的统一管理。但是，实际中仿真生态环境监测系统主要采用有线信号传输模式，布线变得复杂，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，需要定期更换，存在维护不便的缺点。
参考文献：
[1] 康晓风,于勇,张迪,王光,翟超英.新形势下环境监测科技发展现状与展望[J].中国环境监测.2015,31(06):5-8.
[2] 渠淼,牛国锋,冒张霄,孙丹丹.基于Arduino的智能环境监控系统设计[J].微型机与应用,2014,33(20):83-85.
[3] 王海芹,程会强,高世楫.统筹建立生态环境监测网络体系的思考与建议[J].环境保护,2015,43(20):24-29.
[4] 王德麾,冯军帅,宋海亮,谢志梅.基于无线传感器网络和3G/4G的远程环境监测系统研究[J].物联网技术,2015,5(03):17-18.
[5]黄建清,王卫星,姜晟,孙道宗,欧国成,卢康榉.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验[J].农业工程学报,2013,29(04):183-190.
[6]王骥,林杰华,谢仕义.基于无线传感网络的环境监测系统[J].传感技术学报,2015,28(11):1732-1740.
