智慧林業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

習(xí)昊　鄧航倫　秦明明　蔡兵

摘要：利用STM32、傳感器、無(wú)線通信和局域網(wǎng)，以及遠(yuǎn)程服務(wù)器的搭建，設(shè)計(jì)出一套林業(yè)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成林區(qū)綜合信息采集和展示功能。通過(guò)該系統(tǒng)，解決了林區(qū)氣象站信息采集不足等問(wèn)題。對(duì)于林區(qū)科研人員和護(hù)林員，該系統(tǒng)提供了有利的數(shù)據(jù)，對(duì)掌握林區(qū)信息有重大現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：STM32;傳感器;LORA模塊;網(wǎng)絡(luò)模塊

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0062-04

1 背景

根據(jù)資料顯示，我國(guó)森林覆蓋率僅為16.56%，隨著全球天氣的突變，以及人們對(duì)林業(yè)資源的亂砍濫伐，林業(yè)環(huán)境破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)量驟然降低。林區(qū)環(huán)境信息的有效獲取對(duì)林業(yè)生長(zhǎng)尤為重要，所以對(duì)林區(qū)進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)是大勢(shì)所趨，有效的信息能大幅度減少林業(yè)資源損失，提高林業(yè)產(chǎn)量，維護(hù)林業(yè)發(fā)展的健康與穩(wěn)定。

本系統(tǒng)主要針對(duì)林業(yè)環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用多種傳感器、無(wú)線模塊、局域網(wǎng)，自主設(shè)計(jì)研發(fā)的一套關(guān)于林業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)林區(qū)環(huán)境信息的數(shù)據(jù)采集與展示，提供數(shù)據(jù)給護(hù)林員或農(nóng)林研究員，通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲取林業(yè)生長(zhǎng)信息，減小森林資源損失，為科研提供研究數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)林區(qū)環(huán)境，結(jié)合林業(yè)生長(zhǎng)影響要素，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、服務(wù)器、下位機(jī)三個(gè)部分構(gòu)成。上位機(jī)包括手機(jī)APP和管理系統(tǒng)，手機(jī)APP和管理系統(tǒng)能夠隨時(shí)隨地顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及向用戶提醒數(shù)據(jù)是否異常，手機(jī)APP還具有病蟲害識(shí)別功能，用戶能夠通過(guò)手機(jī)拍照獲取照片，使用該功能識(shí)別出樹木患病與蟲害情況;服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)下位機(jī)獲取的數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)給上位機(jī)，保存注冊(cè)本系統(tǒng)的用戶信息，是下位機(jī)與上位機(jī)連接的紐帶;下位機(jī)是以STM32為中心的硬件控制系統(tǒng)，分為中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)用于連接服務(wù)器，與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，終端節(jié)點(diǎn)用于讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)按規(guī)定格式回傳中心節(jié)點(diǎn)上傳服務(wù)器。通過(guò)廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)的支撐，有線數(shù)據(jù)傳輸與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)合，本系統(tǒng)適合用于各大小林區(qū)林業(yè)信息與氣象信息監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 中心處理器 STM32F103RCT6

STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC）。芯片內(nèi)部擁有2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口及51個(gè)通用IO口。該芯片具有高性能、低功耗、低電壓等特性，同時(shí)具有高集成度和易于開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。

3.2 SX1278 LORA擴(kuò)頻無(wú)線模塊

SX1278LORA擴(kuò)頻無(wú)線模塊是安信可科技設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信模塊。它可以作為任何配備有SPI接口的控制器的通信工具，與STM32F103RCT6完美兼容。SX1278具有超過(guò)-148dBm的高靈敏度，+20dBm的功率輸出，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高。通信參考距離10KM，具有自動(dòng)射頻信號(hào)檢測(cè)、CAD模式和超高速AFC。在本系統(tǒng)中主要解決了終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備與中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信問(wèn)題。

3.3 W5500以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊

W5500模塊是一款集成了全硬件TCP/IP協(xié)議棧的以太網(wǎng)模塊。它可以作為任何配備有SPI接口的控制器的通信工具，與STM32F103RCT6完美兼容。該模塊無(wú)須編寫以太網(wǎng)底層代碼實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧、支持TCP、UDP、IPV4ICMP、ARP、IGMP以及PPPOE協(xié)議，支持10/100MBPs傳輸速率、休眠模式和網(wǎng)絡(luò)喚醒，通信速率高達(dá)8MHz，三種工作模式：客戶端、服務(wù)端和UDP，工作電壓：3.3V或5V。在本系統(tǒng)中完成了中心節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.4 傳感器電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要針對(duì)林區(qū)林業(yè)信息的監(jiān)測(cè)與林業(yè)病蟲害的預(yù)防，為保證監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度和可靠性，必須選擇適合野外長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的傳感器。經(jīng)查閱大量有關(guān)林業(yè)生長(zhǎng)信息的文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)影響林業(yè)生長(zhǎng)的要素主要為大氣溫度、大氣濕度、土壤水分、土壤PH、光照強(qiáng)度等，病蟲害預(yù)防主要對(duì)林葉進(jìn)行圖像處理。綜合考慮后選擇的傳感器為大氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤PH傳感器、光電式總輻射傳感器。

1） YGC-QWS 大氣溫濕一體傳感器

YGC-QWS 大氣溫濕一體傳感器為485型傳感器，輸出信號(hào)為RS485，溫度量程：-40℃～80℃，濕度量程：0～100%RH，工作電壓：5V。

2） ZZ-S-GTH-A 485型土壤濕度傳感器

ZZ-S-GTH-A 485型土壤濕度傳感器，輸出信號(hào)為RS485，濕度量程：-45℃～115℃，工作電壓：12～24V。

3） ST-TPH-10 485型土壤PH傳感器

ST-TPH-10 485型土壤PH傳感器，輸出信號(hào)為RS485，PH量程：4～10PH，工作電壓：12～24V。

4）YGC-JYZ 光電式總輻射傳感器

YGC-JYZ 光電式總輻射傳感器，輸出信號(hào)為模擬電壓：0～2.5V，工作電壓：5V，計(jì)算公式為[E=V/2.5×1500]（E為測(cè)量輻射值（W/m2），V為輸出電壓（V））。

上述傳感器多為485型傳感器，為了便于合理的控制各個(gè)傳感器工作，設(shè)計(jì)出RS485電路和開(kāi)關(guān)電路;485電路：STM32的串口1通過(guò)RS485電路與傳感器的A+、B-連接，控制傳感器工作;5V、12V開(kāi)關(guān)電路：由于傳感器工作電壓不同，同時(shí)也不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與上傳數(shù)據(jù)，為了節(jié)省功耗設(shè)計(jì)出開(kāi)關(guān)電路便于定時(shí)控制電壓輸出進(jìn)而控制傳感器工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件介紹

4.1.1 系統(tǒng)APP軟件工作流程

本系統(tǒng)APP，主要負(fù)責(zé)和服務(wù)器端通信。下位機(jī)利用單片機(jī)采集溫度，濕度，土壤PH值等環(huán)境因子并通過(guò)TCP scoket通信到云服務(wù)器端。云服務(wù)器端將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)APP登錄成功之后，啟動(dòng)Service服務(wù)，APP和云服務(wù)器端建立了scoket通信。云服務(wù)器端每隔五分鐘向APP發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，Service服務(wù)中的TCP客戶端接收數(shù)據(jù)通過(guò)廣播發(fā)送出去，在需要接收的Activity中創(chuàng)建廣播接收器，接收數(shù)據(jù)包解析后以不同控件的方式顯示在界面上;若用戶需要請(qǐng)求云服務(wù)端時(shí)，Activity通過(guò)Intents向Service傳遞請(qǐng)求命令，Service響應(yīng)請(qǐng)求命令后發(fā)送到云服務(wù)器端的。界面的人機(jī)交互通過(guò)監(jiān)聽(tīng)事件實(shí)現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到地圖顯示事件或圖像識(shí)別事件觸發(fā)時(shí)調(diào)用對(duì)應(yīng)的API接口，然后將返回?cái)?shù)據(jù)展示在界面上。APP系統(tǒng)工作流程圖如下圖2所示：

4 .1.2 系統(tǒng)APP軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)樾枰h(yuǎn)程展示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，所以必須有從網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，鑒于直接和單片機(jī)等硬件電路板通信的諸多不便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要一個(gè)中間服務(wù)器承載數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)的中繼。具體流程為通過(guò)單片機(jī)采集溫度、濕度、土壤P H值等數(shù)據(jù)，封裝為指定格式數(shù)據(jù)，上傳到中間服務(wù)器，APP從服務(wù)器獲取所需數(shù)據(jù)，按指定格式解析，獲取溫度、濕度、土壤PH等值展示在界面。

軟件由5大部分組成，組成如下（智能云網(wǎng)關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)APP系統(tǒng)框圖如下圖3所示）：

1）用戶登錄、注冊(cè)管理

通過(guò)對(duì)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)單操作，實(shí)現(xiàn)用戶賬號(hào)的登錄、注冊(cè)。

2） Activity交互

在Service服務(wù)中保持TCPsocket的連接，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后通過(guò)在Service服務(wù)創(chuàng)建廣播，在Activity中創(chuàng)建廣播接收器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從Service傳遞到Activity中。

3）TCP客戶端

設(shè)置IP地址和端口號(hào)，然后建立與TCP服務(wù)器的連接，保證和服務(wù)器端正常的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

4）監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息展示

解析后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以進(jìn)度條的形式顯示，方便直觀;歷史數(shù)據(jù)以曲線圖的形式顯示;監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)顯示以百度地圖展示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示如下圖5所示：

5）病蟲害識(shí)別

首先利用百度EasyDL定制化訓(xùn)練平臺(tái)，創(chuàng)建訓(xùn)練集庫(kù)，獲取API和SDK。然后手機(jī)拍照，調(diào)用API將圖片發(fā)送到百度云上進(jìn)行圖像識(shí)別，將圖片的識(shí)別結(jié)果返回到APP上顯示。

4.2 下位機(jī)軟件介紹

在本系統(tǒng)中，下位機(jī)分為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)與各個(gè)傳感器通信，讀取與處理各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)LORA模塊傳回中心節(jié)點(diǎn);中心節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)校驗(yàn)回傳數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器存儲(chǔ)，便于上位機(jī)調(diào)取數(shù)據(jù)。

終端節(jié)點(diǎn)軟件具體工作流程：系統(tǒng)上電，初始化完成，系統(tǒng)開(kāi)始工作;控制器STM32定時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)電路，傳感器上電開(kāi)始工作，通過(guò)RS485電路與傳感器通信，讀取傳感器返回?cái)?shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)保存;LORA模塊定時(shí)將數(shù)據(jù)回傳給中心節(jié)點(diǎn);回傳數(shù)據(jù)完成后接收中心節(jié)點(diǎn)返回指令，判斷是否需要再次讀取與回傳數(shù)據(jù)。

中心節(jié)點(diǎn)軟件具體工作站流程：系統(tǒng)上電，初始化完成，系統(tǒng)開(kāi)始工作;控制器STM32接收終端節(jié)點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)，校驗(yàn)回傳數(shù)據(jù)是否正確;數(shù)據(jù)出錯(cuò)則發(fā)送命令給終端節(jié)點(diǎn)再次讀取與回傳數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)正確則將數(shù)據(jù)通過(guò)W5500網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送至云服務(wù)器存儲(chǔ)，提供給上位機(jī)讀取調(diào)用。

下位機(jī)工作流程圖如下圖6所示：

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用傳感器、ARM控制技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器和系統(tǒng)管理軟件搭建，自主研發(fā)了一套林業(yè)信息可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息包括大氣溫濕度、土壤濕度、土壤PH和光照強(qiáng)度，一定程度上涵蓋了林業(yè)生長(zhǎng)所需的影響要素。

通過(guò)本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息，可以了解到林區(qū)樹木所需的生長(zhǎng)因子變換情況，及時(shí)對(duì)林區(qū)環(huán)境進(jìn)行控制，農(nóng)林研究員可以根據(jù)本系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握林區(qū)樹木生長(zhǎng)信息、氣象信息等，為科研工作提供了有利幫助;護(hù)林員可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時(shí)了解到樹木生長(zhǎng)狀況，預(yù)防病蟲害和天氣變化等自然災(zāi)害，減小林業(yè)損失，維護(hù)林業(yè)發(fā)展的健康與穩(wěn)定。

本系統(tǒng)有很強(qiáng)的實(shí)用性，致力廣泛應(yīng)用于林區(qū)林業(yè)信息與氣象監(jiān)測(cè)。

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