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基于物聯網技術的古樹名木環境監測系統

2016年微型機與應用第10期

尹小俊，顏建輝，吳允平

（福建師范大學光電與信息工程學院，福建福州 350007）

摘要： 針對園林試驗區對古樹名木生長環境進行監測的應用需求，設計一套基于物聯網技術的植物生長環境實時監測系統，主要由傳感終端節點、集中器、監控中心組成。向微環境區內不同位置布放多個傳感終端節點，實現對區域環境數據（空氣溫濕度、大氣壓強、海拔高度、光照度）實時采集，使用ZigBee組網無線傳輸至集中器，生成協議數據包，通過GPRS無線傳輸至監控中心，進行存儲、挖掘和可視化處理，實現對古樹名木生長環境實時監測，推進了植被生長特征的研究。系統克服原有人工測量多樣環境參數的局限性，將傳統監測方式由有線改變為無線，既節省經濟成本，又提高工作效率，滿足植被環境監測基本業務需求。

關鍵詞： 物聯網古樹名木生長環境監測

Abstract：

Key words :

　　尹小俊，顏建輝，吳允平

　?。ǜ＝◣煼洞髮W 光電與信息工程學院，福建福州 350007）

摘要：針對園林試驗區對古樹名木生長環境進行監測的應用需求，設計一套基于物聯網技術的植物生長環境實時監測系統，主要由傳感終端節點、集中器、監控中心組成。向微環境區內不同位置布放多個傳感終端節點，實現對區域環境數據（空氣溫濕度、大氣壓強、海拔高度、光照度）實時采集，使用ZigBee組網無線傳輸至集中器，生成協議數據包，通過GPRS無線傳輸至監控中心，進行存儲、挖掘和可視化處理，實現對古樹名木生長環境實時監測，推進了植被生長特征的研究。系統克服原有人工測量多樣環境參數的局限性，將傳統監測方式由有線改變為無線，既節省經濟成本，又提高工作效率，滿足植被環境監測基本業務需求。

　　關鍵詞：物聯網；古樹名木；生長環境；監測

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，隨著社會經濟的快速發展，為滿足商業、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境特征，興建許多林木覆蓋率較高的園林，引進一定類別的名貴植被物種，精心栽植并人工構建適合其生長的生態環境，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，生態環境對植物的存活、生長發育有著極其重要的影響。為了解植被生長過程中的環境信息，以往研究人員通常采用人工標定測量、現場測定記錄等監測手段，獲取信息還需經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為主的有線網絡監控系統。韓慧［2］使用總線式RS485通信網絡，搭建主從式分布結構監測系統，實現了環境參數的實時采集與有線網絡傳輸。楊靖等人［3］針對溫室環境應用需求，通過NRF無線射頻技術，設計出基于RS485總線網絡的環境監控系統，完成了多點環境數據的測量與短距離無線傳輸。此類系統多為終端設備采集數據，經RS485總線傳輸至上端監控主機，但布線復雜、施工周期長、線路易老化，進而將導致成本高等一系列問題，存在應用局限性。

　　近年來，以物聯網為理念的自動化監測技術使得環境監測領域快速發展。劉民靜［4］分析了植被生長過程中關鍵環境因素，提出無線傳感網的應用情景。韓英梅［5］根據無線傳感網技術開發出可改變蔬菜生長環境因子、調節生長周期的冬季蔬菜生產環境測控系統。孫玉文［6］則根據無線傳感器網絡的農田環境特征，分析多個節點有效區域網絡性能情況，延長節點網絡生命周期，提高傳感設備的實用性。薛衛強［7］以物聯網三層架構為基礎，利用ZigBee傳感設備設計了基于物聯網的無線環境監測系統，實現了環境數據實時采集與監測。

　　通過比較可發現，各類逐漸普及應用的物聯網環境監測系統普遍具有以下幾個特點：

　?。?）監測設備不會對周邊生態環境造成破壞，外觀形狀具有體積小、易安裝的特點；

　?。?）傳感節點間互不干擾，各自獨立采集監測區域環境參數，統一向網關傳輸數據；

　?。?）傳感節點對布放區域生態環境監測的數據應當實時準確，以保證其有效性。

　　然而，為適應不同環境的應用場景，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階段無線傳感設備多采用節點區域組網及路由跳躍傳輸方式來實現終端與服務端的遠程通信，需大量路由功能節點作為通信中轉站，提高了成本，降低了通信可靠性，給無人值守的遠程監控帶來不便。

　　針對上述系統基本特征，結合園林現有名貴植被生長環境的綜合分析，本文根據環境參數特征，使用傳感器采集、無線傳輸等關鍵技術，將ZigBee傳感網絡與GPRS技術相結合，設計一套實時性高、操作方便、成本較低的古樹名木環境監測系統。該系統由終端節點采集環境數據，ZigBee自組網無線傳輸，集中器封裝處理，GSM網絡上傳，實時監測參數變化，供用戶掌握終端所處環境信息。ZigBee技術與GPRS技術的結合在遠程監控方面有巨大的應用價值［8］，而物聯網技術在環境監測中的應用使環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、傳輸網絡、監控中心3部分，滿足物聯網經典架構。傳感設備為系統終端，是物聯網架構的感知層，包括支持太陽能供電的傳感節點與集中器兩部分，傳感節點主要任務是實時感知并傳輸環境信息，集中器則將傳感數據經有效篩選和封裝打包，通過GPRS網絡傳輸至上端監控中心，即物聯網架構應用層。監控中心由服務器與移動客戶端組成，實現歷史數據存檔與管理、數據波動可視化、下發指令控制設備工作狀態等基本功能；移動客戶端則支持遠程在線查詢環境數據信息、記錄數據走勢，讓用戶隨時隨地掌握終端設備所處的環境信息。

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源。現階段無線傳感節點通常采用2節5號堿性電池進行供電，一旦設備采集頻率增大，電量將提前耗盡，造成無線傳感器網絡過早死亡［11］。考慮到實際應用環境，為延長節點設備生命周期，將電源模塊改進為太陽能供電，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境選擇太陽能或外部接口供電，均通過標準輸出電壓對鋰電池組進行充電。實際應用時，設備主要使用太陽能供電，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，當蓄電達到上限容量時，保護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壓電源芯片，延伸系統各模塊的電源輸入。當環境氣候惡劣，日照能量供應不足時，可考慮使用外部充電接口功能，連接移動電源即可恢復供電狀態，維持系統的正常工作。

　　2.2傳感節點電路設計

　　由圖3可知，電路模塊主要由電源、PC測試接口、SMA天線接口電路、時鐘模塊及環境參數傳感器組成。在無線傳感網的功能上，類型配置為ZigBee的終端設備。當節點啟動工作時，各傳感器自動測量周邊環境參數，通過不同標準總線接口將實時數據傳輸至CC2530，主芯片將各類數據進行有效篩選與組合處理，使用ZigBee標準協議棧無線傳輸至集中器。同時電路還帶有運行指示、圖3傳感節點硬件框圖復位電路、預留傳感器接口，滿足后續調試與擴展。

　　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所，而協調器作為目標節點用于接收傳感節點的采集信息，在整個系統中只有一個，并且負責整個網絡的組建和運營［12］。

　　集中器的硬件結構如圖4所示，主要完成兩個任務：一是通過串口0接收協調器ZigBee模塊傳輸的傳感數據，按照協議要求進行有效打包處理，生成完整數據包；二是使用串口1驅動無線GPRS模塊，將數據包通過GSM網絡傳輸至監控中心。為節省串口資源，系統將串口0同時用于PC測試與ZigBee數據接收，中間通過跳線控制其使用功能。同時，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的核心任務，是系統數據的源頭，其軟件部分基于TI公司發布的ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0版本協議棧進行開發。開發環境為IAR Embedded Workbench，在該平臺下對終端傳感節點和協調器進行程序編譯與調試，驅動傳感設備與協調器工作［13］。

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

　　圖5傳感器數據采集工作流程圖傳感器DHT22采集環境溫濕度，內部采用AM2302濕敏電容做感應器件，具有較高測量精度，使用單總線通信機制。通過嚴格的時序控制可從數據口依次獲得濕溫度與校驗碼。若計算產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，再次啟動采集操作。

　　傳感器HP206C的任務是獲取環境氣壓與海拔高度，內部自帶專利算法對采集數據進行補償處理，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校準后的傳感數據。

　　傳感器TSL2561測量環境光照強度，支持標準IIC通信機制。內部由一個對可見光、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，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公司發布的標準協議棧下可使用ZigBee模塊將原始數據包無線傳輸至協調器，集中器則根據自定義協議完成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，系統進入數據處理與封裝工作流程。由圖6知，流程啟動后將自動執行存儲單元初始化，并使用對應標志位來標識各傳感數據的有效性。若采集的實時數據有效，進行協議數據包封裝，產生GPRS數據包；若無效，則默認將本次數據丟棄，重新啟動采集操作或使用前次數據進行封裝處理，以產生GPRS數據包。

　　3.3無線通信模塊

　　傳感設備采集的數據通過無線傳感網與GPRS方式進行傳輸，處于物聯網架構的傳輸層，使用ZigBee、GSM模塊實現其功能，其中ZigBee無線模塊主芯片使用TI公司生產的CC2530，其任務是將原始數據包通過無線傳感網傳輸至集中器。開發時，需將底層驅動移植至協議棧下應用層，并使用協議棧內庫函數實現組網傳輸；GSM模塊則使用泰利特公司生產的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，滿足戶外復雜環境監測的應用需求。工作任務是將封裝完成的GPRS數據包無線傳輸至監控中心，供后臺進一步處理，圖7即為GPRS無線通信工作流程圖。

　　集中器上的協調器用于接收終端設備數據，MCU與GSM模塊使用串口通信。程序開始執行時，MCU對串口依次完成初始化配置、啟動工作，邏輯上實現模塊通信的第一步；然后，通過串口對GSM模塊發送AT指令進行配置，保持連接狀態，實現完全通信；最后，串口將數據包通過GSM模塊傳輸至監控中心。圖7中設備與服務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，集中器還將自查監控中心是否下發控制指令，進行相應處理。

4監控中心及移動端功能分析

　　監控中心主要任務是接收來自GSM網絡傳輸的傳感數據，并進行分類存檔及后續處理。在與用戶進行人機交互時，監控中心具有圖形界面可視化、數據表格導出等基本功能，同時還可支持向指定設備下發指令，控制設備工作狀態，其業務功能如圖8所示。

　　移動端即為手持終端，方便用戶遠程查詢傳感設備采集的數據，通過圖表形式反饋植被生長的實時環境信息。實際操作中，移動端可連接至監控中心，查看設備在線狀態，選擇跟蹤設備數據采集信息，設置上下報警閾值，使用折線圖記錄數據走勢，直觀顯示出數據波動情況，隨時隨地掌握實地環境信息，其業務功能如圖9所示。

5結論

　　本文根據物聯網基本架構，設計一種基于ZigBee和GPRS無線傳輸技術的環境監測系統，旨在解決試驗園區內古樹名木生長研究所帶來的不便。圖10系統終端與實地測試圖所設計系統的硬件部分包括電源模塊、終端節點與集中器，并給出了各模塊的硬件設計框圖。終端與實地測試如圖10所示。針對監測系統的實際應用及各硬件模塊的實現功能，分析相關器件的工作特征，提出傳感數據采集、封裝處理、無線通信等軟件設計方案，并給出部分流程框圖，同時根據監控中心及移動客戶端使用需求，給出了具體功能框圖。系統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，因而出現小幅度時延的丟包現象，總體接收穩定，全日收包率達95.79%，保持較小丟包率。實驗表明，該系統在實地測試環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，滿足了實際環境監測的應用需求。