基于物联网技术的古树名木环境监测系统-AET-电子技术应用

基于物联网技术的古树名木环境监测系统

2016年微型机与应用第10期

尹小俊，颜建辉，吴允平

（福建师范大学光电与信息工程学院，福建福州 350007）

摘要： 针对园林试验区对古树名木生长环境进行监测的应用需求，设计一套基于物联网技术的植物生长环境实时监测系统，主要由传感终端节点、集中器、监控中心组成。向微环境区内不同位置布放多个传感终端节点，实现对区域环境数据（空气温湿度、大气压强、海拔高度、光照度）实时采集，使用ZigBee组网无线传输至集中器，生成协议数据包，通过GPRS无线传输至监控中心，进行存储、挖掘和可视化处理，实现对古树名木生长环境实时监测，推进了植被生长特征的研究。系统克服原有人工测量多样环境参数的局限性，将传统监测方式由有线改变为无线，既节省经济成本，又提高工作效率，满足植被环境监测基本业务需求。

关键词： 物联网古树名木生长环境监测

Abstract：

Key words :

　　尹小俊，颜建辉，吴允平

　　（福建师范大学光电与信息工程学院，福建福州 350007）

摘要：针对园林试验区对古树名木生长环境进行监测的应用需求，设计一套基于物联网技术的植物生长环境实时监测系统，主要由传感终端节点、集中器、监控中心组成。向微环境区内不同位置布放多个传感终端节点，实现对区域环境数据（空气温湿度、大气压强、海拔高度、光照度）实时采集，使用ZigBee组网无线传输至集中器，生成协议数据包，通过GPRS无线传输至监控中心，进行存储、挖掘和可视化处理，实现对古树名木生长环境实时监测，推进了植被生长特征的研究。系统克服原有人工测量多样环境参数的局限性，将传统监测方式由有线改变为无线，既节省经济成本，又提高工作效率，满足植被环境监测基本业务需求。

　　关键词：物联网；古树名木；生长环境；监测

0引言

　　古树名木是个基因库，也是研究自然史的重要资料，更是一种吉祥的象征。它不可再生，也不可永生［1］。近年来，随着社会经济的快速发展，为满足商业、医药等应用需求，许多野外名贵植物急剧减少，有的甚至濒临灭绝。为此，各地根据地理气候环境特征，兴建许多林木覆盖率较高的园林，引进一定类别的名贵植被物种，精心栽植并人工构建适合其生长的生态环境，为培育这些植物做出大量研究，挽救了一些濒临灭绝的珍贵树种。

　　众所周知，生态环境对植物的存活、生长发育有着极其重要的影响。为了解植被生长过程中的环境信息，以往研究人员通常采用人工标定测量、现场测定记录等监测手段，获取信息还需经过费时费力的手动档案管理工作，存在操作局限性。随着科技水平的不断提高，逐步开始采用多以RS485为主的有线网络监控系统。韩慧［2］使用总线式RS485通信网络，搭建主从式分布结构监测系统，实现了环境参数的实时采集与有线网络传输。杨靖等人［3］针对温室环境应用需求，通过NRF无线射频技术，设计出基于RS485总线网络的环境监控系统，完成了多点环境数据的测量与短距离无线传输。此类系统多为终端设备采集数据，经RS485总线传输至上端监控主机，但布线复杂、施工周期长、线路易老化，进而将导致成本高等一系列问题，存在应用局限性。

　　近年来，以物联网为理念的自动化监测技术使得环境监测领域快速发展。刘民静［4］分析了植被生长过程中关键环境因素，提出无线传感网的应用情景。韩英梅［5］根据无线传感网技术开发出可改变蔬菜生长环境因子、调节生长周期的冬季蔬菜生产环境测控系统。孙玉文［6］则根据无线传感器网络的农田环境特征，分析多个节点有效区域网络性能情况，延长节点网络生命周期，提高传感设备的实用性。薛卫强［7］以物联网三层架构为基础，利用ZigBee传感设备设计了基于物联网的无线环境监测系统，实现了环境数据实时采集与监测。

　　通过比较可发现，各类逐渐普及应用的物联网环境监测系统普遍具有以下几个特点：

　　（1）监测设备不会对周边生态环境造成破坏，外观形状具有体积小、易安装的特点；

　　（2）传感节点间互不干扰，各自独立采集监测区域环境参数，统一向网关传输数据；

　　（3）传感节点对布放区域生态环境监测的数据应当实时准确，以保证其有效性。

　　然而，为适应不同环境的应用场景，对现有监测系统的远程控制与监测参数多样化提出了更具体的应用需求。现阶段无线传感设备多采用节点区域组网及路由跳跃传输方式来实现终端与服务端的远程通信，需大量路由功能节点作为通信中转站，提高了成本，降低了通信可靠性，给无人值守的远程监控带来不便。

　　针对上述系统基本特征，结合园林现有名贵植被生长环境的综合分析，本文根据环境参数特征，使用传感器采集、无线传输等关键技术，将ZigBee传感网络与GPRS技术相结合，设计一套实时性高、操作方便、成本较低的古树名木环境监测系统。该系统由终端节点采集环境数据，ZigBee自组网无线传输，集中器封装处理，GSM网络上传，实时监测参数变化，供用户掌握终端所处环境信息。ZigBee技术与GPRS技术的结合在远程监控方面有巨大的应用价值［8］，而物联网技术在环境监测中的应用使环境监测与管理更加便利与准确［910］。

1系统总体设计

　　图1系统总体设计图1为系统的总设计图，主要可分为传感设备、传输网络、监控中心3部分，满足物联网经典架构。传感设备为系统终端，是物联网架构的感知层，包括支持太阳能供电的传感节点与集中器两部分，传感节点主要任务是实时感知并传输环境信息，集中器则将传感数据经有效筛选和封装打包，通过GPRS网络传输至上端监控中心，即物联网架构应用层。监控中心由服务器与移动客户端组成，实现历史数据存档与管理、数据波动可视化、下发指令控制设备工作状态等基本功能；移动客户端则支持远程在线查询环境数据信息、记录数据走势，让用户随时随地掌握终端设备所处的环境信息。

2系统硬件设计

　　2.1电源电路设计

　　电源是电路系统中必不可少的组成部分，是维持系统正常工作的能量来源。现阶段无线传感节点通常采用2节5号碱性电池进行供电，一旦设备采集频率增大，电量将提前耗尽，造成无线传感器网络过早死亡［11］。考虑到实际应用环境，为延长节点设备生命周期，将电源模块改进为太阳能供电，图2为系统电源电路模块设计图。

　　由图2可知，系统电源可根据应用环境选择太阳能或外部接口供电，均通过标准输出电压对锂电池组进行充电。实际应用时，设备主要使用太阳能供电，日照供电能量大于系统损耗能量，使锂电池组可以保持充电状态，当蓄电达到上限容量时，保护电路将自动截止外界对锂电池组充电，使锂电池组可较长时间保持输出4.2 V工作电压，再使用不同性能的线性稳压电源芯片，延伸系统各模块的电源输入。当环境气候恶劣，日照能量供应不足时，可考虑使用外部充电接口功能，连接移动电源即可恢复供电状态，维持系统的正常工作。

　　2.2传感节点电路设计

　　由图3可知，电路模块主要由电源、PC测试接口、SMA天线接口电路、时钟模块及环境参数传感器组成。在无线传感网的功能上，类型配置为ZigBee的终端设备。当节点启动工作时，各传感器自动测量周边环境参数，通过不同标准总线接口将实时数据传输至CC2530，主芯片将各类数据进行有效筛选与组合处理，使用ZigBee标准协议栈无线传输至集中器。同时电路还带有运行指示、图3传感节点硬件框图复位电路、预留传感器接口，满足后续调试与扩展。

　　2.3集中器电路设计

　　集中器是系统数据交互通信的核心场所，而协调器作为目标节点用于接收传感节点的采集信息，在整个系统中只有一个，并且负责整个网络的组建和运营［12］。

　　集中器的硬件结构如图4所示，主要完成两个任务：一是通过串口0接收协调器ZigBee模块传输的传感数据，按照协议要求进行有效打包处理，生成完整数据包；二是使用串口1驱动无线GPRS模块，将数据包通过GSM网络传输至监控中心。为节省串口资源，系统将串口0同时用于PC测试与ZigBee数据接收，中间通过跳线控制其使用功能。同时，系统还配置了运行指示灯、图4集中器硬件框图复位电路及预留串口与IIC接口，方便后续的扩展应用。

3系统软件设计

　　3.1传感器数据采集模块

　　传感器数据采集是传感节点的核心任务，是系统数据的源头，其软件部分基于TI公司发布的ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0版本协议栈进行开发。开发环境为IAR Embedded Workbench，在该平台下对终端传感节点和协调器进行程序编译与调试，驱动传感设备与协调器工作［13］。

　　值得注意的是，传感节点的采集状态是根据集中器下发指令来切换实时或定时采集的，否则终端设备将处于休眠状态，以节省能量，延长生命周期。图5为各传感器软件流程图。

　　图5传感器数据采集工作流程图传感器DHT22采集环境温湿度，内部采用AM2302湿敏电容做感应器件，具有较高测量精度，使用单总线通信机制。通过严格的时序控制可从数据口依次获得湿温度与校验码。若计算产生的检验码与数据校验码匹配，则判定本次采集有效，否则丢弃，再次启动采集操作。

　　传感器HP206C的任务是获取环境气压与海拔高度，内部自带专利算法对采集数据进行补偿处理，供电正常时，完成器件初始化配置，合理地采集与读取指令，将获得MCU从IIC总线上读取的9B校准后的传感数据。

　　传感器TSL2561测量环境光照强度，支持标准IIC通信机制。内部由一个对可见光、红外线敏感的通道0和仅对红外敏感的通道1组成。测量时，两个通道都将产生感应数据，凭借其计算出一对转换系数，光照度获取公式将使用此转换系数得到最终光照度值。

　　3.2数据处理与封装模块

　　当各传感器采集数据成功时，需要将各感应数据融合并封装为原始数据包，传感设备在TI公司发布的标准协议栈下可使用ZigBee模块将原始数据包无线传输至协调器，集中器则根据自定义协议完成GPRS数据包封装，等待上传，图6即为数据处理与封装工作流程图。

　　数据采集完毕，系统进入数据处理与封装工作流程。由图6知，流程启动后将自动执行存储单元初始化，并使用对应标志位来标识各传感数据的有效性。若采集的实时数据有效，进行协议数据包封装，产生GPRS数据包；若无效，则默认将本次数据丢弃，重新启动采集操作或使用前次数据进行封装处理，以产生GPRS数据包。

　　3.3无线通信模块

　　传感设备采集的数据通过无线传感网与GPRS方式进行传输，处于物联网架构的传输层，使用ZigBee、GSM模块实现其功能，其中ZigBee无线模块主芯片使用TI公司生产的CC2530，其任务是将原始数据包通过无线传感网传输至集中器。开发时，需将底层驱动移植至协议栈下应用层，并使用协议栈内库函数实现组网传输；GSM模块则使用泰利特公司生产的GL868-DUAL，具有极低的功耗和较宽的工作温度范围，可支持双频通信，满足户外复杂环境监测的应用需求。工作任务是将封装完成的GPRS数据包无线传输至监控中心，供后台进一步处理，图7即为GPRS无线通信工作流程图。

　　集中器上的协调器用于接收终端设备数据，MCU与GSM模块使用串口通信。程序开始执行时，MCU对串口依次完成初始化配置、启动工作，逻辑上实现模块通信的第一步；然后，通过串口对GSM模块发送AT指令进行配置，保持连接状态，实现完全通信；最后，串口将数据包通过GSM模块传输至监控中心。图7中设备与服务器首次握手是为确认GSM模块是否接收到配置指令，再次握手则是为确定GSM模块接收到数据包。数据包上传完毕时，集中器还将自查监控中心是否下发控制指令，进行相应处理。

4监控中心及移动端功能分析

　　监控中心主要任务是接收来自GSM网络传输的传感数据，并进行分类存档及后续处理。在与用户进行人机交互时，监控中心具有图形界面可视化、数据表格导出等基本功能，同时还可支持向指定设备下发指令，控制设备工作状态，其业务功能如图8所示。

　　移动端即为手持终端，方便用户远程查询传感设备采集的数据，通过图表形式反馈植被生长的实时环境信息。实际操作中，移动端可连接至监控中心，查看设备在线状态，选择跟踪设备数据采集信息，设置上下报警阈值，使用折线图记录数据走势，直观显示出数据波动情况，随时随地掌握实地环境信息，其业务功能如图9所示。

5结论

　　本文根据物联网基本架构，设计一种基于ZigBee和GPRS无线传输技术的环境监测系统，旨在解决试验园区内古树名木生长研究所带来的不便。图10系统终端与实地测试图所设计系统的硬件部分包括电源模块、终端节点与集中器，并给出了各模块的硬件设计框图。终端与实地测试如图10所示。针对监测系统的实际应用及各硬件模块的实现功能，分析相关器件的工作特征，提出传感数据采集、封装处理、无线通信等软件设计方案，并给出部分流程框图，同时根据监控中心及移动客户端使用需求，给出了具体功能框图。系统24小时不间断传输测试收包情况，如图11所示。从图中看出，因温湿度影响器件特性，因而出现小幅度时延的丢包现象，总体接收稳定，全日收包率达95.79%，保持较小丢包率。实验表明，该系统在实地测试环境下全天候运行稳定可靠，可以较好地完成采集与传输任务，满足了实际环境监测的应用需求。