尹小俊，顏建輝，吳允平

　?。ǜ＝◣煼洞髮W(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007）

       摘要：針對園林試驗區(qū)對古樹名木生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的應(yīng)用需求，設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的植物生長環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，主要由傳感終端節(jié)點、集中器、監(jiān)控中心組成。向微環(huán)境區(qū)內(nèi)不同位置布放多個傳感終端節(jié)點，實現(xiàn)對區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)（空氣溫濕度、大氣壓強、海拔高度、光照度）實時采集，使用ZigBee組網(wǎng)無線傳輸至集中器，生成協(xié)議數(shù)據(jù)包，通過GPRS無線傳輸至監(jiān)控中心，進(jìn)行存儲、挖掘和可視化處理，實現(xiàn)對古樹名木生長環(huán)境實時監(jiān)測，推進(jìn)了植被生長特征的研究。系統(tǒng)克服原有人工測量多樣環(huán)境參數(shù)的局限性，將傳統(tǒng)監(jiān)測方式由有線改變?yōu)闊o線，既節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，又提高工作效率，滿足植被環(huán)境監(jiān)測基本業(yè)務(wù)需求。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；古樹名木；生長環(huán)境；監(jiān)測

0引言

　　古樹名木是個基因庫，也是研究自然史的重要資料，更是一種吉祥的象征。它不可再生，也不可永生［1］。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為滿足商業(yè)、醫(yī)藥等應(yīng)用需求，許多野外名貴植物急劇減少，有的甚至瀕臨滅絕。為此，各地根據(jù)地理氣候環(huán)境特征，興建許多林木覆蓋率較高的園林，引進(jìn)一定類別的名貴植被物種，精心栽植并人工構(gòu)建適合其生長的生態(tài)環(huán)境，為培育這些植物做出大量研究，挽救了一些瀕臨滅絕的珍貴樹種。

　　眾所周知，生態(tài)環(huán)境對植物的存活、生長發(fā)育有著極其重要的影響。為了解植被生長過程中的環(huán)境信息，以往研究人員通常采用人工標(biāo)定測量、現(xiàn)場測定記錄等監(jiān)測手段，獲取信息還需經(jīng)過費時費力的手動檔案管理工作，存在操作局限性。隨著科技水平的不斷提高，逐步開始采用多以RS485為主的有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。韓慧［2］使用總線式RS485通信網(wǎng)絡(luò)，搭建主從式分布結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的實時采集與有線網(wǎng)絡(luò)傳輸。楊靖等人［3］針對溫室環(huán)境應(yīng)用需求，通過NRF無線射頻技術(shù)，設(shè)計出基于RS485總線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，完成了多點環(huán)境數(shù)據(jù)的測量與短距離無線傳輸。此類系統(tǒng)多為終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)，經(jīng)RS485總線傳輸至上端監(jiān)控主機，但布線復(fù)雜、施工周期長、線路易老化，進(jìn)而將導(dǎo)致成本高等一系列問題，存在應(yīng)用局限性。

　　近年來，以物聯(lián)網(wǎng)為理念的自動化監(jiān)測技術(shù)使得環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域快速發(fā)展。劉民靜［4］分析了植被生長過程中關(guān)鍵環(huán)境因素，提出無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用情景。韓英梅［5］根據(jù)無線傳感網(wǎng)技術(shù)開發(fā)出可改變蔬菜生長環(huán)境因子、調(diào)節(jié)生長周期的冬季蔬菜生產(chǎn)環(huán)境測控系統(tǒng)。孫玉文［6］則根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境特征，分析多個節(jié)點有效區(qū)域網(wǎng)絡(luò)性能情況，延長節(jié)點網(wǎng)絡(luò)生命周期，提高傳感設(shè)備的實用性。薛衛(wèi)強［7］以物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用ZigBee傳感設(shè)備設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān)測。

　　通過比較可發(fā)現(xiàn)，各類逐漸普及應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)普遍具有以下幾個特點：

　?。?）監(jiān)測設(shè)備不會對周邊生態(tài)環(huán)境造成破壞，外觀形狀具有體積小、易安裝的特點；

　　（2）傳感節(jié)點間互不干擾，各自獨立采集監(jiān)測區(qū)域環(huán)境參數(shù)，統(tǒng)一向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)；

　?。?）傳感節(jié)點對布放區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)實時準(zhǔn)確，以保證其有效性。

　　然而，為適應(yīng)不同環(huán)境的應(yīng)用場景，對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測參數(shù)多樣化提出了更具體的應(yīng)用需求。現(xiàn)階段無線傳感設(shè)備多采用節(jié)點區(qū)域組網(wǎng)及路由跳躍傳輸方式來實現(xiàn)終端與服務(wù)端的遠(yuǎn)程通信，需大量路由功能節(jié)點作為通信中轉(zhuǎn)站，提高了成本，降低了通信可靠性，給無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)控帶來不便。

　　針對上述系統(tǒng)基本特征，結(jié)合園林現(xiàn)有名貴植被生長環(huán)境的綜合分析，本文根據(jù)環(huán)境參數(shù)特征，使用傳感器采集、無線傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，將ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一套實時性高、操作方便、成本較低的古樹名木環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)，ZigBee自組網(wǎng)無線傳輸，集中器封裝處理，GSM網(wǎng)絡(luò)上傳，實時監(jiān)測參數(shù)變化，供用戶掌握終端所處環(huán)境信息。ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)的結(jié)合在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面有巨大的應(yīng)用價值［8］，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用使環(huán)境監(jiān)測與管理更加便利與準(zhǔn)確［910］。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　圖1系統(tǒng)總體設(shè)計圖1為系統(tǒng)的總設(shè)計圖，主要可分為傳感設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心3部分，滿足物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典架構(gòu)。傳感設(shè)備為系統(tǒng)終端，是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層，包括支持太陽能供電的傳感節(jié)點與集中器兩部分，傳感節(jié)點主要任務(wù)是實時感知并傳輸環(huán)境信息，集中器則將傳感數(shù)據(jù)經(jīng)有效篩選和封裝打包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至上端監(jiān)控中心，即物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)用層。監(jiān)控中心由服務(wù)器與移動客戶端組成，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存檔與管理、數(shù)據(jù)波動可視化、下發(fā)指令控制設(shè)備工作狀態(tài)等基本功能；移動客戶端則支持遠(yuǎn)程在線查詢環(huán)境數(shù)據(jù)信息、記錄數(shù)據(jù)走勢，讓用戶隨時隨地掌握終端設(shè)備所處的環(huán)境信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1電源電路設(shè)計

　　電源是電路系統(tǒng)中必不可少的組成部分，是維持系統(tǒng)正常工作的能量來源?，F(xiàn)階段無線傳感節(jié)點通常采用2節(jié)5號堿性電池進(jìn)行供電，一旦設(shè)備采集頻率增大，電量將提前耗盡，造成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)過早死亡［11］?？紤]到實際應(yīng)用環(huán)境，為延長節(jié)點設(shè)備生命周期，將電源模塊改進(jìn)為太陽能供電，圖2為系統(tǒng)電源電路模塊設(shè)計圖。

　　由圖2可知，系統(tǒng)電源可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇太陽能或外部接口供電，均通過標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓對鋰電池組進(jìn)行充電。實際應(yīng)用時，設(shè)備主要使用太陽能供電，日照供電能量大于系統(tǒng)損耗能量，使鋰電池組可以保持充電狀態(tài)，當(dāng)蓄電達(dá)到上限容量時，保護(hù)電路將自動截止外界對鋰電池組充電，使鋰電池組可較長時間保持輸出4.2 V工作電壓，再使用不同性能的線性穩(wěn)壓電源芯片，延伸系統(tǒng)各模塊的電源輸入。當(dāng)環(huán)境氣候惡劣，日照能量供應(yīng)不足時，可考慮使用外部充電接口功能，連接移動電源即可恢復(fù)供電狀態(tài)，維持系統(tǒng)的正常工作。

　　2.2傳感節(jié)點電路設(shè)計

　　由圖3可知，電路模塊主要由電源、PC測試接口、SMA天線接口電路、時鐘模塊及環(huán)境參數(shù)傳感器組成。在無線傳感網(wǎng)的功能上，類型配置為ZigBee的終端設(shè)備。當(dāng)節(jié)點啟動工作時，各傳感器自動測量周邊環(huán)境參數(shù)，通過不同標(biāo)準(zhǔn)總線接口將實時數(shù)據(jù)傳輸至CC2530，主芯片將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選與組合處理，使用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧無線傳輸至集中器。同時電路還帶有運行指示、圖3傳感節(jié)點硬件框圖復(fù)位電路、預(yù)留傳感器接口，滿足后續(xù)調(diào)試與擴展。

　　2.3集中器電路設(shè)計

　　集中器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互通信的核心場所，而協(xié)調(diào)器作為目標(biāo)節(jié)點用于接收傳感節(jié)點的采集信息，在整個系統(tǒng)中只有一個，并且負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的組建和運營［12］。

　　集中器的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要完成兩個任務(wù)：一是通過串口0接收協(xié)調(diào)器ZigBee模塊傳輸?shù)膫鞲袛?shù)據(jù)，按照協(xié)議要求進(jìn)行有效打包處理，生成完整數(shù)據(jù)包；二是使用串口1驅(qū)動無線GPRS模塊，將數(shù)據(jù)包通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。為節(jié)省串口資源，系統(tǒng)將串口0同時用于PC測試與ZigBee數(shù)據(jù)接收，中間通過跳線控制其使用功能。同時，系統(tǒng)還配置了運行指示燈、圖4集中器硬件框圖復(fù)位電路及預(yù)留串口與IIC接口，方便后續(xù)的擴展應(yīng)用。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

　　傳感器數(shù)據(jù)采集是傳感節(jié)點的核心任務(wù)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的源頭，其軟件部分基于TI公司發(fā)布的ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0版本協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench，在該平臺下對終端傳感節(jié)點和協(xié)調(diào)器進(jìn)行程序編譯與調(diào)試，驅(qū)動傳感設(shè)備與協(xié)調(diào)器工作［13］。

　　值得注意的是，傳感節(jié)點的采集狀態(tài)是根據(jù)集中器下發(fā)指令來切換實時或定時采集的 ，否則終端設(shè)備將處于休眠狀態(tài)，以節(jié)省能量，延長生命周期。圖5為各傳感器軟件流程圖。

　　圖5傳感器數(shù)據(jù)采集工作流程圖傳感器DHT22采集環(huán)境溫濕度，內(nèi)部采用AM2302濕敏電容做感應(yīng)器件，具有較高測量精度，使用單總線通信機制。通過嚴(yán)格的時序控制可從數(shù)據(jù)口依次獲得濕溫度與校驗碼。若計算產(chǎn)生的檢驗碼與數(shù)據(jù)校驗碼匹配，則判定本次采集有效，否則丟棄，再次啟動采集操作。

　　傳感器HP206C的任務(wù)是獲取環(huán)境氣壓與海拔高度，內(nèi)部自帶專利算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行補償處理，供電正常時，完成器件初始化配置，合理地采集與讀取指令，將獲得MCU從IIC總線上讀取的9B校準(zhǔn)后的傳感數(shù)據(jù)。

　　傳感器TSL2561測量環(huán)境光照強度，支持標(biāo)準(zhǔn)IIC通信機制。內(nèi)部由一個對可見光、紅外線敏感的通道0和僅對紅外敏感的通道1組成。測量時，兩個通道都將產(chǎn)生感應(yīng)數(shù)據(jù)，憑借其計算出一對轉(zhuǎn)換系數(shù)，光照度獲取公式將使用此轉(zhuǎn)換系數(shù)得到最終光照度值。

　　3.2數(shù)據(jù)處理與封裝模塊

　　當(dāng)各傳感器采集數(shù)據(jù)成功時，需要將各感應(yīng)數(shù)據(jù)融合并封裝為原始數(shù)據(jù)包，傳感設(shè)備在TI公司發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧下可使用ZigBee模塊將原始數(shù)據(jù)包無線傳輸至協(xié)調(diào)器，集中器則根據(jù)自定義協(xié)議完成GPRS數(shù)據(jù)包封裝，等待上傳，圖6即為數(shù)據(jù)處理與封裝工作流程圖。

　　數(shù)據(jù)采集完畢，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理與封裝工作流程。由圖6知，流程啟動后將自動執(zhí)行存儲單元初始化，并使用對應(yīng)標(biāo)志位來標(biāo)識各傳感數(shù)據(jù)的有效性。若采集的實時數(shù)據(jù)有效，進(jìn)行協(xié)議數(shù)據(jù)包封裝，產(chǎn)生GPRS數(shù)據(jù)包；若無效，則默認(rèn)將本次數(shù)據(jù)丟棄，重新啟動采集操作或使用前次數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，以產(chǎn)生GPRS數(shù)據(jù)包。

　　3.3無線通信模塊

　　傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)與GPRS方式進(jìn)行傳輸，處于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的傳輸層，使用ZigBee、GSM模塊實現(xiàn)其功能，其中ZigBee無線模塊主芯片使用TI公司生產(chǎn)的CC2530，其任務(wù)是將原始數(shù)據(jù)包通過無線傳感網(wǎng)傳輸至集中器。開發(fā)時，需將底層驅(qū)動移植至協(xié)議棧下應(yīng)用層，并使用協(xié)議棧內(nèi)庫函數(shù)實現(xiàn)組網(wǎng)傳輸；GSM模塊則使用泰利特公司生產(chǎn)的GL868-DUAL，具有極低的功耗和較寬的工作溫度范圍，可支持雙頻通信，滿足戶外復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用需求。工作任務(wù)是將封裝完成的GPRS數(shù)據(jù)包無線傳輸至監(jiān)控中心，供后臺進(jìn)一步處理，圖7即為GPRS無線通信工作流程圖。

　　集中器上的協(xié)調(diào)器用于接收終端設(shè)備數(shù)據(jù)，MCU與GSM模塊使用串口通信。程序開始執(zhí)行時，MCU對串口依次完成初始化配置、啟動工作，邏輯上實現(xiàn)模塊通信的第一步；然后，通過串口對GSM模塊發(fā)送AT指令進(jìn)行配置，保持連接狀態(tài)，實現(xiàn)完全通信；最后，串口將數(shù)據(jù)包通過GSM模塊傳輸至監(jiān)控中心。圖7中設(shè)備與服務(wù)器首次握手是為確認(rèn)GSM模塊是否接收到配置指令，再次握手則是為確定GSM模塊接收到數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包上傳完畢時，集中器還將自查監(jiān)控中心是否下發(fā)控制指令，進(jìn)行相應(yīng)處理。

4監(jiān)控中心及移動端功能分析

　　監(jiān)控中心主要任務(wù)是接收來自GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膫鞲袛?shù)據(jù)，并進(jìn)行分類存檔及后續(xù)處理。在與用戶進(jìn)行人機交互時，監(jiān)控中心具有圖形界面可視化、數(shù)據(jù)表格導(dǎo)出等基本功能，同時還可支持向指定設(shè)備下發(fā)指令，控制設(shè)備工作狀態(tài)，其業(yè)務(wù)功能如圖8所示。

　　移動端即為手持終端，方便用戶遠(yuǎn)程查詢傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，通過圖表形式反饋植被生長的實時環(huán)境信息。實際操作中，移動端可連接至監(jiān)控中心，查看設(shè)備在線狀態(tài)，選擇跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)采集信息，設(shè)置上下報警閾值，使用折線圖記錄數(shù)據(jù)走勢，直觀顯示出數(shù)據(jù)波動情況，隨時隨地掌握實地環(huán)境信息，其業(yè)務(wù)功能如圖9所示。

5結(jié)論

　　本文根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)，設(shè)計一種基于ZigBee和GPRS無線傳輸技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，旨在解決試驗園區(qū)內(nèi)古樹名木生長研究所帶來的不便。圖10系統(tǒng)終端與實地測試圖所設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分包括電源模塊、終端節(jié)點與集中器，并給出了各模塊的硬件設(shè)計框圖。終端與實地測試如圖10所示。針對監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用及各硬件模塊的實現(xiàn)功能，分析相關(guān)器件的工作特征，提出傳感數(shù)據(jù)采集、封裝處理、無線通信等軟件設(shè)計方案，并給出部分流程框圖，同時根據(jù)監(jiān)控中心及移動客戶端使用需求，給出了具體功能框圖。系統(tǒng)24小時不間斷傳輸測試收包情況，如圖11所示。從圖中看出，因溫濕度影響器件特性，因而出現(xiàn)小幅度時延的丟包現(xiàn)象，總體接收穩(wěn)定，全日收包率達(dá)95.79%，保持較小丟包率。實驗表明，該系統(tǒng)在實地測試環(huán)境下全天候運行穩(wěn)定可靠，可以較好地完成采集與傳輸任務(wù)，滿足了實際環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用需求。

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