基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)

李偉強(qiáng) 李曉 陳定鑫 楊建鋁 曾松偉

摘要基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)小型氣候信息的自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)，能更好地幫助用戶們管理作物。闡述了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并介紹了其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后對其應(yīng)用案例進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞無線傳輸；單片機(jī)；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）12-0199-04

AbstractEnvironmental monitoring system based on internet of things is a small automatic monitoring control system for climate information， which can help users better manage their crops. The overall design scheme of this system was expounded， and the designs of hardware system and software system were introduced. And its application case was described.

Key wordsWireless transmission；Single chip microcomputer；Environmental monitoring system

溫濕度、風(fēng)向和降雨量等環(huán)境因素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必須要考慮的重要部分，因此對作物生長環(huán)境的監(jiān)測成為農(nóng)戶在經(jīng)營農(nóng)田的關(guān)鍵一環(huán)。我國的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)較國外還有很大的差距，絕大多數(shù)通過有線采集現(xiàn)場參數(shù)信息來傳送環(huán)境信息，而通過無線傳輸方式來獲得環(huán)境參數(shù)尚處于起步階段，而且環(huán)境參數(shù)的精度也無法保證[1]。國外的監(jiān)測技術(shù)雖然在科技含量上占有優(yōu)勢，但是在價(jià)格成本方面大大超過國內(nèi)同類產(chǎn)品。

在借鑒和吸收國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，筆者所在項(xiàng)目組已經(jīng)掌握了環(huán)境自動測報(bào)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案——系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)、選擇通訊方式、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和開發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)路線?；跓o線傳輸?shù)淖詣迎h(huán)境變量采集系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集器、通信和環(huán)境數(shù)據(jù)中心處理系統(tǒng)[2]。環(huán)境參數(shù)收集的精度成為目前的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。筆者提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，介紹了其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對其應(yīng)用案例進(jìn)行了闡述。

1總體設(shè)計(jì)方案

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要將溫濕度、大氣壓、雨量、風(fēng)速和PM2.5這5個(gè)參數(shù)作為監(jiān)測對象，實(shí)現(xiàn)5個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示采集的生態(tài)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)本地存儲數(shù)據(jù)，并通過GPRS通訊模塊上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

根據(jù)上述功能要求，系統(tǒng)主要由傳感器模塊、氣象數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊和手持設(shè)備組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用STM32 系列閃存微控制器作為主控模塊，采用了哈佛結(jié)構(gòu)，使用ARM最新的先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，與ARM7TDMI相比速度最多可增加35%且代碼最多可節(jié)省45%，具有Thmber-2指令集、16位CPU的集成度和32位CPU的性能，更有利于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的開發(fā)。該系統(tǒng)的適應(yīng)能力較強(qiáng)，使得產(chǎn)品可以更容易流入市場。最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及電源、時(shí)鐘、復(fù)位等部分，其中單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，該最小系統(tǒng)的電路如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)采樣模塊

數(shù)據(jù)采樣模塊是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集溫濕度、大氣壓、風(fēng)速、雨量和PM2.5這5個(gè)參數(shù)[3]。系統(tǒng)采用的傳感器型號分別為DHT-11溫濕度、BMP-085大氣壓傳感器、CG-04雨量傳感器、FR-WS風(fēng)速傳感器和PMS-1003顆粒物傳感器。

除顆粒物傳感器采用5 V供電之外，其余傳感器均采用3.3 V電壓（3.3 V電壓由轉(zhuǎn)壓芯片LM-2596產(chǎn)生）。各傳感器接口電路如圖3所示。

2.3存儲模塊

存儲模塊是信息采集模塊的子模塊，需要存儲大量的環(huán)境信息，要求儲存信息不失真，寫入速度快，容量大，實(shí)現(xiàn)本地備份，防止數(shù)據(jù)無故丟失。系統(tǒng)采用SD 卡作為存儲介質(zhì)，而SD卡每小時(shí)發(fā)送N組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有5個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)大小為8 bit，則每天發(fā)送的數(shù)據(jù)量為120 kb，那么此SD卡一次性最大能存儲1 092/N天的數(shù)據(jù)量[4]。當(dāng)N=3時(shí)，采用128 M的SD卡，那么SD卡一次性約能存儲1年的數(shù)據(jù)，從而體現(xiàn)了系統(tǒng)的可調(diào)性。

按與單片機(jī)的通訊模式分類，可分為SD卡模式與SPI模式，該系統(tǒng)選用SD卡模式，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，該模式采用4條數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，各個(gè)引腳功能如表1所示。存儲模塊的硬件電路如圖4所示。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通訊系統(tǒng)是基于無線射頻網(wǎng)絡(luò)、WIFI網(wǎng)絡(luò)、GPS網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的，通過對便攜終端的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和監(jiān)控。STM32的軟件開發(fā)基于IAR embedded workbench開發(fā)平臺，整個(gè)軟件開發(fā)、調(diào)試和仿真都在Windows 7操作系統(tǒng)下完成。

3.1程序主流程

系統(tǒng)開始工作首先需要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，其中包括USART、GPRS、DS1302、KEY、GPIO、LCD等。系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊：MODBUS協(xié)議模塊、按鍵模塊、GPRS模塊。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

3.2軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

基于Android系統(tǒng)的手機(jī)終端客戶端的設(shè)計(jì)，是環(huán)境監(jiān)測與農(nóng)場管理方案的結(jié)合。農(nóng)戶利用手機(jī)APP記錄農(nóng)作物生長情況，通過連接無線信號處理端建立的WIFI熱點(diǎn)獲取環(huán)境參數(shù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到WEB信息管理中心的數(shù)據(jù)庫。整個(gè)手機(jī)終端的設(shè)計(jì)中，APP的作用包括獲取配置、收集信息、解析信息、儲存信息、發(fā)送信息、顯示信息。

MODBUS協(xié)議模塊，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器，然后置于接收狀態(tài)，傳感器接到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)返回給主機(jī)，最后將數(shù)據(jù)傳到液晶數(shù)據(jù)口并顯示。

GPRS模塊經(jīng)過IP和端口數(shù)據(jù)讀取后，進(jìn)行串口初始化、發(fā)送、等待接收[5]。GPRS模塊首先配置APN進(jìn)入TCP功能，打開一條TCP連接，每隔1 h發(fā)送1次，每次發(fā)3組數(shù)據(jù)到TCP終端，直至1 h后關(guān)閉GPRS[6]。

4系統(tǒng)的應(yīng)用

系統(tǒng)試驗(yàn)測試地點(diǎn)分別選取浙江農(nóng)林大學(xué)西徑山、臨安平山農(nóng)場、臨安青山湖自然區(qū)，分別于2015年11月27—29日、2016年1月20日、2016年4月15日對3個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。便攜式生態(tài)環(huán)境監(jiān)測儀界面如圖6所示。

開機(jī)并完成設(shè)備初始化后，設(shè)備每隔1 min定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)并通過LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包封裝后通過GPRS模塊上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。為了系統(tǒng)備份的需要，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)存儲于本地SD卡中[7-8]。根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測中心獲得的數(shù)據(jù)，使用Excel軟件進(jìn)行處理后得到表2。

5結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為一種新型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，集中了市場同類商品的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的理念，做到了低成本、低功耗、低排放，與市場上普通的環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品相比具有顯著優(yōu)勢。將該系統(tǒng)投入市場后，將改變現(xiàn)有的高成本、高功耗、高排放設(shè)備的現(xiàn)狀，給環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)帶來巨大的利益，推動了新型農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的進(jìn)步。

該系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和電子科技結(jié)合在一起，利用多種環(huán)境信息采集傳感器，并在移動平臺上觀測農(nóng)場環(huán)境要素，大幅度提升了單位面積的勞動生產(chǎn)率和資源產(chǎn)出率，有助于解決“三農(nóng)”問題，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的工作方式，對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還有許多重要因素需要實(shí)時(shí)監(jiān)測。在后期的設(shè)計(jì)中，可考慮將土壤碳通量、鹽堿度、空氣負(fù)氧離子濃度等更多的指標(biāo)添加到監(jiān)控系統(tǒng)中，使系統(tǒng)更加完善，有助于農(nóng)戶的觀測更加深入化、廣泛化。

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