尹小俊，顏建輝，吳允平

（福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007）

摘要：針對園林試驗區對古樹(shù)名木生長(cháng)環(huán)境進(jìn)行監測的應用需求，設計一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的植物生長(cháng)環(huán)境實(shí)時(shí)監測系統，主要由傳感終端節點(diǎn)、集中器、監控中心組成。向微環(huán)境區內不同位置布放多個(gè)傳感終端節點(diǎn)，實(shí)現對區域環(huán)境數據（空氣溫濕度、大氣壓強、海拔高度、光照度）實(shí)時(shí)采集，使用ZigBee組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸至集中器，生成協(xié)議數據包，通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸至監控中心，進(jìn)行存儲、挖掘和可視化處理，實(shí)現對古樹(shù)名木生長(cháng)環(huán)境實(shí)時(shí)監測，推進(jìn)了植被生長(cháng)特征的研究。系統克服原有人工測量多樣環(huán)境參數的局限性，將傳統監測方式由有線(xiàn)改變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)，既節省經(jīng)濟成本，又提高工作效率，滿(mǎn)足植被環(huán)境監測基本業(yè)務(wù)需求。

0引言

古樹(shù)名木是個(gè)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(lái)，隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，為滿(mǎn)足商業(yè)、醫藥等應用需求，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(lèi)別的名貴植被物種，精心栽植并人工構建適合其生長(cháng)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(shù)種。

眾所周知，生態(tài)環(huán)境對植物的存活、生長(cháng)發(fā)育有著(zhù)極其重要的影響。為了解植被生長(cháng)過(guò)程中的環(huán)境信息，以往研究人員通常采用人工標定測量、現場(chǎng)測定記錄等監測手段，獲取信息還需經(jīng)過(guò)費時(shí)費力的手動(dòng)檔案管理工作，存在操作局限性。隨著(zhù)科技水平的不斷提高，逐步開(kāi)始采用多以RS485為主的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監控系統。韓慧［2］使用總線(xiàn)式RS485通信網(wǎng)絡(luò )，搭建主從式分布結構監測系統，實(shí)現了環(huán)境參數的實(shí)時(shí)采集與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸。楊靖等人［3］針對溫室環(huán)境應用需求，通過(guò)NRF無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)，設計出基于RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境監控系統，完成了多點(diǎn)環(huán)境數據的測量與短距離無(wú)線(xiàn)傳輸。此類(lèi)系統多為終端設備采集數據，經(jīng)RS485總線(xiàn)傳輸至上端監控主機，但布線(xiàn)復雜、施工周期長(cháng)、線(xiàn)路易老化，進(jìn)而將導致成本高等一系列問(wèn)題，存在應用局限性。

近年來(lái)，以物聯(lián)網(wǎng)為理念的自動(dòng)化監測技術(shù)使得環(huán)境監測領(lǐng)域快速發(fā)展。劉民靜［4］分析了植被生長(cháng)過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)境因素，提出無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的應用情景。韓英梅［5］根據無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)出可改變蔬菜生長(cháng)環(huán)境因子、調節生長(cháng)周期的冬季蔬菜生產(chǎn)環(huán)境測控系統。孫玉文［6］則根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的農田環(huán)境特征，分析多個(gè)節點(diǎn)有效區域網(wǎng)絡(luò )性能情況，延長(cháng)節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )生命周期，提高傳感設備的實(shí)用性。薛衛強［7］以物聯(lián)網(wǎng)三層架構為基礎，利用ZigBee傳感設備設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)環(huán)境監測系統，實(shí)現了環(huán)境數據實(shí)時(shí)采集與監測。

通過(guò)比較可發(fā)現，各類(lèi)逐漸普及應用的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監測系統普遍具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）監測設備不會(huì )對周邊生態(tài)環(huán)境造成破壞，外觀(guān)形狀具有體積小、易安裝的特點(diǎn)；

（2）傳感節點(diǎn)間互不干擾，各自獨立采集監測區域環(huán)境參數，統一向網(wǎng)關(guān)傳輸數據；

（3）傳感節點(diǎn)對布放區域生態(tài)環(huán)境監測的數據應當實(shí)時(shí)準確，以保證其有效性。

然而，為適應不同環(huán)境的應用場(chǎng)景，對現有監測系統的遠程控制與監測參數多樣化提出了更具體的應用需求?，F階段無(wú)線(xiàn)傳感設備多采用節點(diǎn)區域組網(wǎng)及路由跳躍傳輸方式來(lái)實(shí)現終端與服務(wù)端的遠程通信，需大量路由功能節點(diǎn)作為通信中轉站，提高了成本，降低了通信可靠性，給無(wú)人值守的遠程監控帶來(lái)不便。

針對上述系統基本特征，結合園林現有名貴植被生長(cháng)環(huán)境的綜合分析，本文根據環(huán)境參數特征，使用傳感器采集、無(wú)線(xiàn)傳輸等關(guān)鍵技術(shù)，將ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò )與GPRS技術(shù)相結合，設計一套實(shí)時(shí)性高、操作方便、成本較低的古樹(shù)名木環(huán)境監測系統。該系統由終端節點(diǎn)采集環(huán)境數據，ZigBee自組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸，集中器封裝處理，GSM網(wǎng)絡(luò )上傳，實(shí)時(shí)監測參數變化，供用戶(hù)掌握終端所處環(huán)境信息。ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)的結合在遠程監控方面有巨大的應用價(jià)值［8］，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監測中的應用使環(huán)境監測與管理更加便利與準確［910］。

1系統總體設計

圖1系統總體設計圖1為系統的總設計圖，主要可分為傳感設備、傳輸網(wǎng)絡(luò )、監控中心3部分，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典架構。傳感設備為系統終端，是物聯(lián)網(wǎng)架構的感知層，包括支持太陽(yáng)能供電的傳感節點(diǎn)與集中器兩部分，傳感節點(diǎn)主要任務(wù)是實(shí)時(shí)感知并傳輸環(huán)境信息，集中器則將傳感數據經(jīng)有效篩選和封裝打包，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )傳輸至上端監控中心，即物聯(lián)網(wǎng)架構應用層。監控中心由服務(wù)器與移動(dòng)客戶(hù)端組成，實(shí)現歷史數據存檔與管理、數據波動(dòng)可視化、下發(fā)指令控制設備工作狀態(tài)等基本功能；移動(dòng)客戶(hù)端則支持遠程在線(xiàn)查詢(xún)環(huán)境數據信息、記錄數據走勢，讓用戶(hù)隨時(shí)隨地掌握終端設備所處的環(huán)境信息。

2系統硬件設計

2.1電源電路設計

電源是電路系統中必不可少的組成部分，是維持系統正常工作的能量來(lái)源?，F階段無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)通常采用2節5號堿性電池進(jìn)行供電，一旦設備采集頻率增大，電量將提前耗盡，造成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )過(guò)早死亡［11］?？紤]到實(shí)際應用環(huán)境，為延長(cháng)節點(diǎn)設備生命周期，將電源模塊改進(jìn)為太陽(yáng)能供電，圖2為系統電源電路模塊設計圖。

由圖2可知，系統電源可根據應用環(huán)境選擇太陽(yáng)能或外部接口供電，均通過(guò)標準輸出電壓對鋰電池組進(jìn)行充電。實(shí)際應用時(shí)，設備主要使用太陽(yáng)能供電，日照供電能量大于系統損耗能量，使鋰電池組可以保持充電狀態(tài)，當蓄電達到上限容量時(shí)，保護電路將自動(dòng)截止外界對鋰電池組充電，使鋰電池組可較長(cháng)時(shí)間保持輸出4.2 V工作電壓，再使用不同性能的線(xiàn)性穩壓電源芯片，延伸系統各模塊的電源輸入。當環(huán)境氣候惡劣，日照能量供應不足時(shí)，可考慮使用外部充電接口功能，連接移動(dòng)電源即可恢復供電狀態(tài)，維持系統的正常工作。

2.2傳感節點(diǎn)電路設計

由圖3可知，電路模塊主要由電源、PC測試接口、SMA天線(xiàn)接口電路、時(shí)鐘模塊及環(huán)境參數傳感器組成。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的功能上，類(lèi)型配置為ZigBee的終端設備。當節點(diǎn)啟動(dòng)工作時(shí)，各傳感器自動(dòng)測量周邊環(huán)境參數，通過(guò)不同標準總線(xiàn)接口將實(shí)時(shí)數據傳輸至CC2530，主芯片將各類(lèi)數據進(jìn)行有效篩選與組合處理，使用ZigBee標準協(xié)議棧無(wú)線(xiàn)傳輸至集中器。同時(shí)電路還帶有運行指示、圖3傳感節點(diǎn)硬件框圖復位電路、預留傳感器接口，滿(mǎn)足后續調試與擴展。

2.3集中器電路設計

集中器是系統數據交互通信的核心場(chǎng)所，而協(xié)調器作為目標節點(diǎn)用于接收傳感節點(diǎn)的采集信息，在整個(gè)系統中只有一個(gè)，并且負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的組建和運營(yíng)［12］。

集中器的硬件結構如圖4所示，主要完成兩個(gè)任務(wù)：一是通過(guò)串口0接收協(xié)調器ZigBee模塊傳輸的傳感數據，按照協(xié)議要求進(jìn)行有效打包處理，生成完整數據包；二是使用串口1驅動(dòng)無(wú)線(xiàn)GPRS模塊，將數據包通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )傳輸至監控中心。為節省串口資源，系統將串口0同時(shí)用于PC測試與ZigBee數據接收，中間通過(guò)跳線(xiàn)控制其使用功能。同時(shí)，系統還配置了運行指示燈、圖4集中器硬件框圖復位電路及預留串口與IIC接口，方便后續的擴展應用。

3系統軟件設計

3.1傳感器數據采集模塊

傳感器數據采集是傳感節點(diǎn)的核心任務(wù)，是系統數據的源頭，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(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench，在該平臺下對終端傳感節點(diǎn)和協(xié)調器進(jìn)行程序編譯與調試，驅動(dòng)傳感設備與協(xié)調器工作［13］。

值得注意的是，傳感節點(diǎn)的采集狀態(tài)是根據集中器下發(fā)指令來(lái)切換實(shí)時(shí)或定時(shí)采集的 ，否則終端設備將處于休眠狀態(tài)，以節省能量，延長(cháng)生命周期。圖5為各傳感器軟件流程圖。

圖5傳感器數據采集工作流程圖傳感器DHT22采集環(huán)境溫濕度，內部采用AM2302濕敏電容做感應器件，具有較高測量精度，使用單總線(xiàn)通信機制。通過(guò)嚴格的時(shí)序控制可從數據口依次獲得濕溫度與校驗碼。若計算產(chǎn)生的檢驗碼與數據校驗碼匹配，則判定本次采集有效，否則丟棄，再次啟動(dòng)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，內部自帶專(zhuān)利算法對采集數據進(jìn)行補償處理，供電正常時(shí)，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(xiàn)上讀取的9B校準后的傳感數據。

傳感器TSL2561測量環(huán)境光照強度，支持標準IIC通信機制。內部由一個(gè)對可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)敏感的通道0和僅對紅外敏感的通道1組成。測量時(shí)，兩個(gè)通道都將產(chǎn)生感應數據，憑借其計算出一對轉換系數，光照度獲取公式將使用此轉換系數得到最終光照度值。

3.2數據處理與封裝模塊

當各傳感器采集數據成功時(shí)，需要將各感應數據融合并封裝為原始數據包，傳感設備在TI公司發(fā)布的標準協(xié)議棧下可使用ZigBee模塊將原始數據包無(wú)線(xiàn)傳輸至協(xié)調器，集中器則根據自定義協(xié)議完成GPRS數據包封裝，等待上傳，圖6即為數據處理與封裝工作流程圖。

數據采集完畢，系統進(jìn)入數據處理與封裝工作流程。由圖6知，流程啟動(dòng)后將自動(dòng)執行存儲單元初始化，并使用對應標志位來(lái)標識各傳感數據的有效性。若采集的實(shí)時(shí)數據有效，進(jìn)行協(xié)議數據包封裝，產(chǎn)生GPRS數據包；若無(wú)效，則默認將本次數據丟棄，重新啟動(dòng)采集操作或使用前次數據進(jìn)行封裝處理，以產(chǎn)生GPRS數據包。

3.3無(wú)線(xiàn)通信模塊

傳感設備采集的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)與GPRS方式進(jìn)行傳輸，處于物聯(lián)網(wǎng)架構的傳輸層，使用ZigBee、GSM模塊實(shí)現其功能，其中ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊主芯片使用TI公司生產(chǎn)的CC2530，其任務(wù)是將原始數據包通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)傳輸至集中器。開(kāi)發(fā)時(shí)，需將底層驅動(dòng)移植至協(xié)議棧下應用層，并使用協(xié)議棧內庫函數實(shí)現組網(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(mǎn)足戶(hù)外復雜環(huán)境監測的應用需求。工作任務(wù)是將封裝完成的GPRS數據包無(wú)線(xiàn)傳輸至監控中心，供后臺進(jìn)一步處理，圖7即為GPRS無(wú)線(xiàn)通信工作流程圖。

集中器上的協(xié)調器用于接收終端設備數據，MCU與GSM模塊使用串口通信。程序開(kāi)始執行時(shí)，MCU對串口依次完成初始化配置、啟動(dòng)工作，邏輯上實(shí)現模塊通信的第一步；然后，通過(guò)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(shí)現完全通信；最后，串口將數據包通過(guò)GSM模塊傳輸至監控中心。圖7中設備與服務(wù)器首次握手是為確認GSM模塊是否接收到配置指令，再次握手則是為確定GSM模塊接收到數據包。數據包上傳完畢時(shí)，集中器還將自查監控中心是否下發(fā)控制指令，進(jìn)行相應處理。

4監控中心及移動(dòng)端功能分析

監控中心主要任務(wù)是接收來(lái)自GSM網(wǎng)絡(luò )傳輸的傳感數據，并進(jìn)行分類(lèi)存檔及后續處理。在與用戶(hù)進(jìn)行人機交互時(shí)，監控中心具有圖形界面可視化、數據表格導出等基本功能，同時(shí)還可支持向指定設備下發(fā)指令，控制設備工作狀態(tài)，其業(yè)務(wù)功能如圖8所示。

移動(dòng)端即為手持終端，方便用戶(hù)遠程查詢(xún)傳感設備采集的數據，通過(guò)圖表形式反饋植被生長(cháng)的實(shí)時(shí)環(huán)境信息。實(shí)際操作中，移動(dòng)端可連接至監控中心，查看設備在線(xiàn)狀態(tài)，選擇跟蹤設備數據采集信息，設置上下報警閾值，使用折線(xiàn)圖記錄數據走勢，直觀(guān)顯示出數據波動(dòng)情況，隨時(shí)隨地掌握實(shí)地環(huán)境信息，其業(yè)務(wù)功能如圖9所示。

5結論

本文根據物聯(lián)網(wǎng)基本架構，設計一種基于ZigBee和GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的環(huán)境監測系統，旨在解決試驗園區內古樹(shù)名木生長(cháng)研究所帶來(lái)的不便。圖10系統終端與實(shí)地測試圖所設計系統的硬件部分包括電源模塊、終端節點(diǎn)與集中器，并給出了各模塊的硬件設計框圖。終端與實(shí)地測試如圖10所示。針對監測系統的實(shí)際應用及各硬件模塊的實(shí)現功能，分析相關(guān)器件的工作特征，提出傳感數據采集、封裝處理、無(wú)線(xiàn)通信等軟件設計方案，并給出部分流程框圖，同時(shí)根據監控中心及移動(dòng)客戶(hù)端使用需求，給出了具體功能框圖。系統24小時(shí)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，因而出現小幅度時(shí)延的丟包現象，總體接收穩定，全日收包率達95.79%，保持較小丟包率。實(shí)驗表明，該系統在實(shí)地測試環(huán)境下全天候運行穩定可靠，可以較好地完成采集與傳輸任務(wù)，滿(mǎn)足了實(shí)際環(huán)境監測的應用需求。

參考文獻

［1］ 毛行輝,唐麗玉，段輝麗.基于RFID古樹(shù)名木管理三維信息系統的設計與實(shí)現［J］.微型機與應用，2014，33(6):1013.

［2］ 韓慧.基于RS485總線(xiàn)的溫室環(huán)境檢測系統［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012(3):2023.

［3］ 楊靖，白保良，李澤滔.溫室環(huán)境監控系統的設計——基于RS485 總線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信方式［J］.農機化研究，2013,35(10):166170.

［4］ 劉民靜.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的作物生長(cháng)環(huán)境監測系統［D］.濟南：濟南大學(xué),2014.

［5］ 韓英梅.冬季蔬菜生長(cháng)環(huán)境測控系統的設計 ［D］.曲阜：曲阜師范大學(xué)，2011.

［6］ 孫玉文.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的農田環(huán)境監 測系統研究與實(shí)現［D］.南京：南京農業(yè)大學(xué)，2013.

［7］ 薛衛強.基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)環(huán)境監測系統設 計與軟件的實(shí)現［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

［8］ 陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠程智能灌溉系統的研究與實(shí)現［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013.

［9］ 王貞.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的水質(zhì)監測［J］.科技縱覽，2014(2):5859.

［10］ 謝衛平,江超，蔣科偉，等.太湖湖泛高發(fā)區物聯(lián)網(wǎng)監測技術(shù)與預警系統［J］.環(huán)境科技，2013，26（1）：3942.

［11］ HILLl J L,CULLER D E.Mica:a wireless platform for deeply Embedded networks ［J］.IEEE Micro,2002(6):5255.