基于物聯(lián)網(wǎng)的新型林圃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白文樂(lè) 梁東升 北方工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院

引言

目前，國(guó)內(nèi)外農(nóng)林業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺少傾斜角度的監(jiān)測(cè)。另外，也有用無(wú)人機(jī)對(duì)樹(shù)林生長(zhǎng)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，但是目前國(guó)內(nèi)低空對(duì)無(wú)人機(jī)是限飛的。本文旨在為樹(shù)林設(shè)計(jì)一套新型遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加入傾斜角傳感器，從多一維的角度采集樹(shù)苗生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由中央服務(wù)器、ZigBee各級(jí)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、客戶端、電源模塊、傳感器模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

每個(gè)監(jiān)測(cè)器都包括電源模塊、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、傾斜角傳感器、無(wú)線收發(fā)模塊，還可根據(jù)需要選擇性加入GPS模塊。各個(gè)ZigBee支節(jié)點(diǎn)通過(guò)掃描信道，逐跳地將數(shù)據(jù)傳輸給最近的上一級(jí)節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)與中央服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸。

系統(tǒng)上電后，各模塊就緒，終端傳感器采集信息，單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，ZigBee支節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯總再發(fā)送給中央服務(wù)器，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。遠(yuǎn)程客戶端包括電腦和手機(jī)兩種客戶端，當(dāng)遠(yuǎn)程客戶端向中央服務(wù)器發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求，并輸入經(jīng)服務(wù)器授權(quán)過(guò)的賬戶和密碼，就會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)，從而根據(jù)各個(gè)監(jiān)測(cè)器的MAC地址來(lái)選擇需要查看的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信息監(jiān)測(cè)器負(fù)責(zé)樹(shù)苗生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的采集，包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、傾斜角度等，硬件系統(tǒng)由傳感器、電池模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、顯示模塊、CC2530最小系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用CC2530最小系統(tǒng)，它能建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU等強(qiáng)大功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530F256結(jié)合了黃金單元ZigBee協(xié)議棧，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案。

CC2530最小系統(tǒng)電路如下圖所示：

圖2 CC2530最小系統(tǒng)電路圖

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用TMP102，它是一款雙線串行輸出溫度傳感器，采用微型SOT563封裝，無(wú)需外部元件，TMP102能夠讀取溫度，分辨率為0.0625°C。TMP102具有SMBus和兩線接口兼容性 ，并允許在一條總線上最多連接四個(gè)設(shè)備。

2.3 傾斜角傳感器

傾斜角傳感器采用ADXL345，它是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高(13位)，測(cè)量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò)SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度。能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。

2.4 光照強(qiáng)度傳感器

光照強(qiáng)度傳感器采用RE200B, 它采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測(cè)紅外輻射，并配合雙靈敏元互補(bǔ)方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。

2.5 電源模塊

采用輸出電壓為5V輸出電流為1A的可充電電池，電源模塊為樹(shù)苗信息監(jiān)測(cè)器供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給支節(jié)點(diǎn)，支節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)后將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

3.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

本文采用在電腦端搭建網(wǎng)關(guān)的方式，通過(guò)流套接字（TCP）遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器。對(duì)于TCP套接字，服務(wù)器先處于監(jiān)聽(tīng)客戶端請(qǐng)求連接的狀態(tài)，當(dāng)客戶發(fā)出連接請(qǐng)求，以IP和端口號(hào)連接服務(wù)器端的套接字，服務(wù)器收到請(qǐng)求并響應(yīng)，建立獨(dú)立的連接線程，把服務(wù)器端的套接字發(fā)送給客戶端，連接就建立了。

3.3 服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器可以是任何一臺(tái)電腦，網(wǎng)關(guān)只需要知道服務(wù)器的IP就能和它建立連接，實(shí)現(xiàn)兩者的通信。服務(wù)器開(kāi)啟后，會(huì)在特定端口監(jiān)聽(tīng)。當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)關(guān)的訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，會(huì)與網(wǎng)關(guān)建立連接，然后接收網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程

上電后，支節(jié)點(diǎn)定時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送給臨近的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組網(wǎng)，在掃描到空閑信道時(shí)，設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求時(shí)，只要將信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同，并提供正確的認(rèn)證信息，即可加入網(wǎng)絡(luò)，并且能得到自己的網(wǎng)絡(luò)地址。同理，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)提出離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求即可離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器掌握了所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息。

5 傾斜角變化算法

如圖3所示，如果樹(shù)苗傾斜角變化之前與垂直方向所成角度為∠1，此時(shí)選三軸加速度計(jì)的任意一個(gè)軸為參照，假設(shè)選X軸為參照，此時(shí)傾斜角傳感器X軸讀數(shù)為A，傾斜角度變化之后樹(shù)苗與垂直方向所成角度變?yōu)椤?，此時(shí)的讀數(shù)為B，那么傾斜角變化值就是∠2和∠1的差值。即：

傾斜角變化值=∠2-∠1=arc cosB-arc cosA

圖3 傾斜角度變化分析圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

6.1 溫度數(shù)據(jù)

溫度數(shù)據(jù)以曲線形式顯示出來(lái)，橫軸是時(shí)間軸，以小時(shí)為單位，縱軸是溫度軸，以攝氏度為單位。用戶可以查詢實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。

6.2 光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)

光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)以曲線形式顯示出來(lái)，橫軸是時(shí)間軸，以小時(shí)為單位，縱軸是光照強(qiáng)度軸，以勒克斯為單位。用戶可以查詢實(shí)時(shí)和歷史的數(shù)據(jù)。

6.3 傾斜角度數(shù)據(jù)

加速度傳感器數(shù)據(jù)包括X軸、Y軸、Z軸，數(shù)值有正負(fù)，如果數(shù)值為正數(shù)，則重力加速度與該軸的正半軸方向所成角度為銳角或零度；如果數(shù)值為負(fù)數(shù)，則重力加速度與該軸的正半軸方向所成角度為鈍角或180度。每個(gè)軸顯示的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)均為重力加速度的倍數(shù)，表示重力在該軸的分量大小，所以根據(jù)反余弦定理，傾斜角大小就是該數(shù)的反余弦。

7 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入傾斜角傳感器，多一維度來(lái)監(jiān)測(cè)樹(shù)苗的生長(zhǎng)狀況，利用ZigBee無(wú)線通信協(xié)議，摒棄傳統(tǒng)的有線連接方式，避免了因采集節(jié)點(diǎn)增多和布線繁瑣而帶來(lái)的問(wèn)題，用戶可以遠(yuǎn)程登陸系統(tǒng)，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，來(lái)了解樹(shù)苗生長(zhǎng)環(huán)境各個(gè)參數(shù)的變化情況。本設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)林業(yè)發(fā)展要求，具備很好的研究?jī)r(jià)值。

［1］陳克濤，張海輝，等.基于CC2530的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，42（5）：183～188.

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