２０
郑少雄
（广东生态工程职业学院，广东广州510520）
摘要：采用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks ，WSN ）监测森林环境的微气象，有助于实时获取森林环境的各项
信息，本文采用分簇路由算法，部署森林微气象WSN 节点，开发森林环境信息监测上位机软件，能实时动态采集并显示森林微气象信息，对于森林火灾的监测防控工作，具有较好的辅助意义。关键词：无线传感器网络；森林；微气象；系统中图分类号：TP212文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2019）04-0020-03
0引言
利比亚战争原因森林环境的微气象信息包含空气温湿度，CO 2浓度，土壤
温湿度，太阳辐射强度，风力大小和风向等[1]
。无线传感器网络通过部署在监测区域内的WSN 节点，自组织感知森林监测环境的信息，相比于传统的森林气象监测站，WSN 监测节点体积小，能够实现无线自组网，在人工无法抵达的环境恶劣区域内进行信息监测，人力成本和设备成本大幅度降低。而通过设计WSN 在线监测软件，能够帮助远程用户直观地获取森林微气象的实时信息，并且对森林灾情具有预警功能，也能对历 。
健康指数1系统结构与功能
地上笼
1.1系统结构
将体型较小的WSN 节点以人工安置的方式随机分布到森林需要防火监测的区域中，森林微气象监测系统由WSN 节点和汇聚节点，GPRS 网络，服务器和远程上位机软件所组成[3]。其体系结构如图1所示。在WSN 监测区域内，簇内节点将采集到的森林微气象信息通过多跳方式传送到汇聚节点，汇聚节点可将监测区域采集的数据通过GPRS 技术发送给用户移动终端，并通过互联网技术，将数据存储到远程的上位机服务
器当中。
图1监测系统总体结构图
1.2森林灾情预警的关键
当森林环境发生火灾时候，需要快速获取火灾的发生地点以及火灾面积和火情趋势等。而通过在森林环境布置无线传感器网络节点，能够及时感知森林火灾区域的环境信息，快速确定火灾的发生地点，并能根据WSN 节点传回的数据信息，如：风向和风力大小来预测火灾的蔓延趋势[4]。当WSN 节点分
布在监控区域内，很难确定WSN 节点的准确位置，只有经过内部的路由算法结合GPS 技术，通过WSN 节点的布置和配合，才能实现自身的准确定位，有助于森林灾情位置的详细监测。根据WSN 节点的位置分布信息，能够得知网络的拓扑布置情况，有助于计算出森林火灾区域的大小。WSN 节点的位置感知功能，是森林无线传感器网络的关键技术，是应对森林火灾的重要决策基础。
2系统功能分析
本森林微气象监测系统包括数据监测、数据处理以及数据显示三个模块所组成[5]。其中，数据监测模块能对监测区域内的森林温度、湿度和CO 2浓度等参数进行实时采集，通过将采集到的物理信号转化为数字信号，并传送到汇聚节点，汇聚节点通过GPRS 传送到远程的Internet 服务器上进行存储。数据处理模块一方面能够通过对服务器上的数据进行实时存储和分析，以便在显示终端呈现出监测指标的曲线图；另一方面能够通过对非正常的环境参数进行阈值的设定，从而判断WSN 节点监测区域的环境是否异常，来进行森林火灾预警。数据显示模块则通过Web 技术，开发监测系统上位机软件，通过对Internet 服务器的数据进行拟合，在一定的数据显示周期内，显示出森林环境温度、湿度和CO 2浓度数据，并且采用数据库技术，能对某一时刻的历史数据进行查询，对超出所设定阈值的数据进行预警信息显示。
3系统软件设计及应用
设计一个好的软件不仅可以优化软硬件的性能，还可以方便用户的使用，远程操作人员通过上位机软件能够实时显示监测节点的温度、湿度和CO 2浓度等参数，并将拟合的曲线
进行实时显示[5]
，根据其历史趋势曲线和温度预警值的设定，能方便工作人员保存当前数据，对历史数据进行查询，该人机交互界面还可以通过软件暂停和启动节点数据发送等功能。
3.1系统功能选项
本文所设计的WSN 监测系统功能模块如图2
所示。
图2系统总体功能架构图
2019黄豆苷元
（Sum.No 196）
信息通信
INFORMATION &COMMUNICATIONS
2019年第4期（总第196期）
２１
3.2数据实时采集
结合WSN 森林微气象监测系统内置的路由算法，在广州市天河区火炉山森林公园进行森林微气象的监测试验，监测系统通过一定的周期实时接收节点传送的各种数据，如节点所在簇、温度、湿度和CO 2浓度等。图3所示为监测区域内簇1节点的温度数据曲线图，图4为湿度数据监测曲线图，图5为CO 2
浓度数据监测曲线图，表1为森林环境信息管理界面
的实时数据。
图3
森林温度数据监测曲线图
图4
森林湿度数据监测曲线图
图5森林CO 2浓度数据监测曲线图表1
森林环境信息管理界面数据
3.3历史信息维护
历史信息维护功能为将一段时间内监测到的森林环境信
息进行保存，操作人员可以通过选择时间，来对指定时间段的数据进行查询。在上位机软件界面能够显示簇号及所对应的时间点，监测区域的空气温度、湿度和CO 2浓度。历史信息维护界面数据如表2所示。
表2
历史信息维护界面数据
次生灾害3.4系统预警
当WSN 节点监测到所在区域内的微气象数据超出事先
设定的阈值后，上位机软件的系统预警界面数据将以圆形或者方形进行显示，并提示该数据是否异常，通过警示灯颜的变化弹出报警提示，用户则能够及时了解灾情信息，如表3所示。
表3
森林环境预警界面数据
3.5用户权限管理
系统对管理人员进行分级管理，每个系统管理员分配有对应的用户名和密码，系统启动及操作交接班时管理员须进行登录。系统的用户权限管理界面能够对数据进行备份操作，备份的数据能存放在管理员设定的路径下方，并能进行完全备份或者差异备份，同时也能在备份列表中显示出备份操作的具体时间。系统的用户权限管理界面的数据如表4所示。
表4
用户权限管理界面数据
4结语
本文提出了基于WSN 的森林微气象监测系统的设计思路和功能，设计了监测系统上位机软件，试验表明，该监测系统能够实时动态显示监测区域内的森林微气象信息，并能对火险灾情等进行提前预警，显著提高森林环境的监测效率，对于林业工作者及时发现森林环境灾害，具有重要作用。参考文献：
[1]
张晓武，齐建东，黄心渊.无线传感网在森林微气象监测中的应用研究[J ].北京林业大学学报,2014(1):83-87.
信息通信郑少雄：基于WSN 的森林微气象监测系统的设计与实现
刘兴鹏，严丹丹
（成都工业学院网络与通信工程学院，四川成都611730）
摘要：针对电磁场中相关知识概念抽象和理论性比较强的特点，通过应用软件仿真电磁场相关理论，将抽象的电磁场数学模型用直观的可视化图像表示。以静态场和时变场的空间分布问题为例，利用MATLAB软件仿真给出可视化图形，以形象直接的方式给学生讲授，从而促进抽象理论知识的吸收和转化。研究理论仿真给出直观的物理图像，不但能够提高学生对电磁场相关知识的理解力，而且能够提高学生的创造能力、综合分析能力和实际工程应用的能力。
关键词：电磁场；MATLAB；可视化；静态场；时变场
中图分类号：G420文献标识码：A文章编号：1673-1131（2019）04-0022-02
Application of Theoretical Simulation in Electromagnetism for Visualization Teaching
Liu Xingpeng,Yang Dandan
(College of Network and Communication Engineering,Chengdu Technological University,Chengdu611730,China) Abstract:In view of the characteristics of abstract and theoretical concepts in the course of electromagnetic field specialty, based on the application of software to simulate the relevant theory of electromagnetic field,the abstract mathematical model of electromagnetic field is represented by visual images.Taking the spatial distribution of static field and
time-var-ying field as an example,the visualization graphics are simulated by MATLAB software,and the students are taught di-rectly in an image way,so as to promote the absorption and transformation of abstract theoretical knowledge.Studying theoretical simulation to give intuitive physical images can not only improve students’understanding of electromagnetic field related knowledge,but also improve students'creative ability,comprehensive analysis ability and practical engineer-ing application ability.
Key words:electromagnetic field;MATLAB;visualization;static field;time-varying field
0引言
电磁场理论涉及的相关课程是高等学校电子信息类专业必修的一门专业课。电磁场理论不仅在控制、通信、雷达、遥感、探测等领域有着广泛的应用，而且在环境监测、资源勘探、卫生领域有着应用。同时电磁场作为信息和能量的载体具有同等重要的作用，它将产生很多新兴的交叉学科。由于电磁场的理论性强，需要通过大量的矢量微积分运算来描述，而这些运算又很难快速解决[1-4]。同时只能在一些简单的情况下进行精确的解析分析，而对媒质参数、激励信号、传播空间结构等比较复杂的情况时，精确解析解的方法就不再适用。这都容易使电磁场理论的学习变成复杂的数学问题的学习而忽略了电磁场理论自身的学习[5-10]。
伴随着计算机领域的快速进步，科学计算方法也得到了人们越来越多的重视。通过利用多种商用电磁仿真计算软件，如COMSOL、HFSS、CST和MATLAB等，进行理论仿真实验，直观地表现出电磁场中抽象概念随空间、时间的变化情况[11-13]。同时，结合电磁场工程实例，进行相应的理论技术讲解，为后面相关领域的工作奠定基础。
其中MATLAB具有巨大的计算功能，针对复杂结构和条件的电磁场问题，可以清楚给出电磁场的空间分布结构。一方面可以利用MATLAB强大的绘图功能，清楚的观察抽象电磁场的空间分布图，帮助更好的直观理解抽象的电磁场问题；另一方面可以应用MATLAB的编程语言和工具箱，把用解析法难解的电磁场问题转化为离散系统的数值计算问题，特别是对复杂结构和条件的电磁场问题，可以通过数值计算获得高精度的解，对电磁场的工程应用有深入的意义[14-16]。文本通过两类典型的例子介绍MATLAB在电磁场可视化中的应用，进而更加直观地掌握电磁场的性质。
1静态场的空间分布仿真
静态场是指电磁场中的源量和场量都不随时间发生变化。静态场包括静电场、恒定电场和静磁场。其中静电场是指由相对于观察者为静止的电荷激发的电场。长期以来采用理论
[2]李硕明.一种基于物联网技术的森林资源监测系统[J].物
联网技术,2016(5):11-13.
[3]王建新，罗阳，丁晓阳.无线传感器网络在坡面林地火灾监
测中的布局优化[J].传感器与微系统，传感器与微系统, 2017(5):88-90.
[4]王艳丽.森林火灾监测无线传感器网络有效路由算法[J].
计算机与数字工程,2016(6):1103-1106.
[5]颜建辉，陈崇成，魏一丁，唐丽玉.基于ZigBee无线传感器
网络的林区局地环境监测系统[J].中国农业科技导报,2017
(6):72-82.
大容量数据存储基金项目：2017年度广东省青年创新人才类项目（自然科学）：（2017GkQNCX052）；广东生态工程职业学院科研项目：（2016kykt-xj-yb01）。
作者简介：郑少雄（1990-），男，广东饶平人，硕士研究生，毕业于华南农业大学，讲师，研究方向：信息系统管理与无线传感
器网络。
２２
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议