基于物聯(lián)網(wǎng)的山地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張恒+楊靖

摘 要：山地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的信息作為衡量全球氣候變化的一個(gè)重要參考指標(biāo)，對(duì)全球氣候預(yù)測(cè)具有重要意義，因此對(duì)山地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的信息獲取顯得尤為重要。文中針對(duì)山地生態(tài)環(huán)境的特征設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先選擇具有自組織、傳輸范圍廣、便于安裝的ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)，并確定了以單播和廣播方式相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其次，選擇STM32—LPC1752芯片和CC2530芯片作為硬件部分的主控單元。主控單元接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)3G模塊SIM5320E將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器中。最后，可通過(guò)Internet訪問(wèn)服務(wù)器，將數(shù)據(jù)在Web網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行顯示和分析。通過(guò)實(shí)際環(huán)境的測(cè)試，該系統(tǒng)能滿足大部分山地生態(tài)環(huán)境的信息監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：山地生態(tài)環(huán)境；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；STM32-LPC1752；CC2530

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

根據(jù)研究調(diào)查顯示，全球陸地面積的24%是山地，山地環(huán)境為人類提供了大量生存資源，如淡水資源、礦產(chǎn)資源以及良好的生態(tài)環(huán)境等，豐富的植被覆蓋和地理特征成為很多瀕危物種生存和避難的場(chǎng)所，山地生態(tài)環(huán)境對(duì)全球變暖具有很強(qiáng)的敏感性，同時(shí)也為山地農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了所依賴的生態(tài)環(huán)境[1]。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是山地資源較為豐富的國(guó)家，因此對(duì)山地生態(tài)環(huán)境的研究與開(kāi)發(fā)也是目前的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為數(shù)字化信息采集的重要手段，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、無(wú)需布線、易安裝、攜帶方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，使得它在環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的使用越來(lái)越多，因此對(duì)很多復(fù)雜山地生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)也逐漸走向智能化，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林防火預(yù)警以及農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防治等方面有著廣泛的應(yīng)用。

由于山地環(huán)境氣候的多變性，地理位置的復(fù)雜性等，文中設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee的山地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于對(duì)大部分山地生態(tài)環(huán)境的影響因子（空氣溫濕度、土壤水分、光照度、風(fēng)速風(fēng)向、土壤pH值、CO2濃度、降雨量等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器供進(jìn)一步分析處理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于WSN的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)測(cè)單元，ZigBee智能網(wǎng)關(guān)以及傳感器單元構(gòu)成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。ZigBee各終端節(jié)點(diǎn)上連接有相應(yīng)的傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)后通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)或者多個(gè)路由器轉(zhuǎn)發(fā)從而傳到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。一方面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口把數(shù)據(jù)存在本地PC端，另一方面通過(guò)3G模塊把數(shù)據(jù)通過(guò)固定的IP地址發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，上位機(jī)單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以查詢數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和分析，用戶也可以通過(guò)手機(jī)連接數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)查看信息，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的[2]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 WSN的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Z-Stack協(xié)議棧是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立的，定義了協(xié)議的PHY層和MAC層。ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有成本低、功耗低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠度高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在多種無(wú)線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[3]。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為星型網(wǎng)絡(luò)、簇型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)的工作環(huán)境處于山地中，無(wú)線信號(hào)的傳播會(huì)受到地形和障礙物的影響而發(fā)生折射和反射，因此我們選擇簇型網(wǎng)絡(luò)，該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，有較強(qiáng)的自組織能力，適用于山地環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集[4]。WSN的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

Z-Stack協(xié)議棧的數(shù)據(jù)傳輸方式分為廣播、組播和單播。由于監(jiān)測(cè)環(huán)境的需要，我們將終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳輸方式設(shè)置為單播，指向協(xié)調(diào)器的地址：0X0000發(fā)送數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則設(shè)置為廣播傳輸，地址為：0XFFFF，傳輸對(duì)象為網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的所有設(shè)備。這種傳輸機(jī)制能夠有效減少數(shù)據(jù)冗余，有利于增加數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2.2 硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該系統(tǒng)以STM32-LPC1752芯片作為MCU單元，以TI公司生產(chǎn)的ZigBee CC2530低功耗模塊作為搭建WSN網(wǎng)絡(luò)的主要模塊。當(dāng)傳感器單元采集到環(huán)境數(shù)據(jù)信息后，終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU單元，本地的上位機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，對(duì)之進(jìn)行處理，并判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，一旦出現(xiàn)異常便觸發(fā)3G（SIM5320E9）模塊來(lái)發(fā)送短信給指定用戶進(jìn)行短信報(bào)警，通過(guò)GPS模塊還可定位到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)具體區(qū)域，使得用戶對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的具體情況能做出更準(zhǔn)確的判斷。另一方面將數(shù)據(jù)通過(guò)3G模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)系統(tǒng)，用戶通過(guò)訪問(wèn)固定的IP地址來(lái)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要在山地環(huán)境中工作，因此對(duì)該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板供電和電池供電兩種供電模式，以確保網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

3 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于該系統(tǒng)上位機(jī)的監(jiān)控中心部分，利用C#編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。通過(guò)C#與.NET實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)和服務(wù)器之間的連接，以此來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中所接收到的實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[5]。Web網(wǎng)頁(yè)包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)曲線圖等功能，用戶在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方都可以隨時(shí)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，加入數(shù)據(jù)曲線圖的功能后方便用戶來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更好地觀察和分析。圖4所示為上位機(jī)接收數(shù)據(jù)流程圖，圖5所示為上位機(jī)接收數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，圖6所示為上位機(jī)數(shù)據(jù)歷史曲線趨勢(shì)圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)山地生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的山地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安裝方便、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。通過(guò)在實(shí)際環(huán)境中的測(cè)試，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)區(qū)域的空氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、二氧化碳濃度、土壤濕度、降雨量等多個(gè)重要的環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足了大部分山地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，為進(jìn)一步研究山地生態(tài)環(huán)境提供了可靠的數(shù)據(jù)。

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