基于Zigbee和GPS的濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

張鳳 朱琳

【摘 要】本文設(shè)計(jì)運(yùn)用了ZigBee技術(shù)和GPS技術(shù)。ZigBee環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)監(jiān)測平臺組成。傳感器節(jié)點(diǎn)是由ZigBee芯片和傳感器構(gòu)成的。傳感器節(jié)點(diǎn)是用來采集環(huán)境變量參數(shù)，例如當(dāng)前環(huán)境下的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等等環(huán)境變量參數(shù)；協(xié)調(diào)器的功能就是接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)，并發(fā)送到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及上位機(jī)之間的是通過串口來完成通訊信息交互。衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用STM32核心芯片外圍電路含有液晶顯示器LCD1602，GPS，GSM電路，按鍵和LED燈電路組成，通過LCD模塊能夠?qū)?shí)時(shí)時(shí)間以及定位經(jīng)緯度顯示出來。系統(tǒng)可以通過GSM模塊直接發(fā)送定位信息到指定的手機(jī)用戶上。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；衛(wèi)星定位；環(huán)境監(jiān)測；濕地

扎龍濕地?fù)碛胸S富的野生動植物資源，然而由于濕地周邊的人為干擾和旅游開發(fā)等活動，導(dǎo)致濕地遭到嚴(yán)重的破壞。目前扎龍濕地正面臨著缺水、污染和資源枯竭等嚴(yán)重問題，直接威脅了丹頂鶴等珍稀水禽繁殖棲息環(huán)境[1]。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法通過人工監(jiān)測或依靠環(huán)境監(jiān)測站采集環(huán)境信息，因?yàn)闈竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)的環(huán)境和地貌的復(fù)雜性，使得對于其監(jiān)測產(chǎn)生了困難[2]。ZigBee模塊的無線傳感器技術(shù)正在逐漸走向成熟，它與無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)有著根本的區(qū)別，是介于他們之何的一種技術(shù)方家，它以自已的獨(dú)特的低功耗、低復(fù)雜度、近距離、低成本的、低數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)特點(diǎn)的姿態(tài)發(fā)展起來。前端信息的采集與傳輸是面向濕地環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。

1.系統(tǒng)總體方案

基于ZigBee的扎龍濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)主要是由PC端上位機(jī)、CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)ZigBee終端/路由節(jié)點(diǎn)組成。傳感器采集當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度、光照度、煙霧，協(xié)調(diào)器通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控測、匯總和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)生物需要的環(huán)境要求進(jìn)行對比從而進(jìn)行人工或機(jī)器的調(diào)整。

2.系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能

本次設(shè)計(jì)是基于ZigBee的濕地環(huán)境監(jiān)測與基于STM32的GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要有以下的功能：環(huán)境濕度監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測、環(huán)境光照強(qiáng)度監(jiān)測、環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測、環(huán)境煙霧監(jiān)測、GPS衛(wèi)星定位、GSM短信通知、LED燈照明。

基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照、環(huán)境空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)。所有模塊監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，通過協(xié)調(diào)器傳輸?shù)絇C端上位機(jī)，由C++做了個(gè)顯示界面并在PC端上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)、上位機(jī)他們之間通過串口進(jìn)行通訊完成數(shù)據(jù)傳輸。工作人員通過得到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行人為調(diào)控，使環(huán)境達(dá)到適合動植物生活。

基于STM32的GPS定位系統(tǒng)通過GPS衛(wèi)星定位模塊可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確定位，并且定位到坐標(biāo)可以通過GSM模塊發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上。當(dāng)工作人員在扎龍濕地內(nèi)巡視時(shí)，遇到受傷的動物或突發(fā)狀況時(shí)，可以通過定位到坐標(biāo)和短信通知獲得及時(shí)的救援。

3.GSM_SIM800A電路設(shè)計(jì)

本次畢設(shè)計(jì)選擇了SIM800A模塊去實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)遠(yuǎn)程短信信息的交互。SIM800A模塊主要通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)對SIM800A模塊的控制。SIM800A的串口提供了多條控制線，包含數(shù)據(jù)信號線TXD和RXD，狀態(tài)信號線RTS和CTS控制信號線DTR，DCD，DSR和RI。RXD數(shù)據(jù)接收信號線用于接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)。接22歐電阻后與單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送端口TXD1即P0.1相接。TXD數(shù)據(jù)發(fā)送信號線用于向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。接22歐電阻后與單片機(jī)RXD1即P0.0相接。RTS發(fā)送請求信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.5口相連。CTS發(fā)送清除信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.4口相連。RI振鈴指示信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.7口相連。DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.2口相連。DCD數(shù)據(jù)載波檢測信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.3口相連。DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備信號線，接P1.6接22歐姆和15K電阻后與單片機(jī)P1.6口相連。

4. LCD1602液晶顯示模塊電路和NEO-6MGPS模塊電路設(shè)計(jì)

LCD1602的引腳1連接單片機(jī)的GND端，引腳2連接單片機(jī)的VCC端，引腳3連接滑動變阻器的中間引腳，引腳4連接單片機(jī)的單片機(jī)的PB5端，引腳5連接單片機(jī)的PB6端，引腳6連接單片機(jī)的PB7端，引腳7連接單片機(jī)的PB8，引腳15連接VCC，引腳16連接GND。

NEO-6M GPS模塊的引腳1連接VCC，引腳2連接GND，引腳3連接單片機(jī)的PA2端口，引腳4連接單片機(jī)的PA3端口，引腳5懸空。

5.系統(tǒng)主流程設(shè)計(jì)

所有的ZigBee系統(tǒng)在程序運(yùn)行之初，都要對其硬件進(jìn)行初始化，主要對系統(tǒng)的關(guān)鍵寄存器進(jìn)行設(shè)置、CPU的工作頻率以及等待狀態(tài)發(fā)生器的設(shè)置。

根據(jù)GPS接收模塊的功能：實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器進(jìn)行解析，數(shù)據(jù)解析后存儲并顯示在LCD上。GPS模塊與處理器間通過串口1進(jìn)行通信。微處理器的串口2與GSM模塊連接，微處理器從GPS導(dǎo)航電文中解析出我們需要的地理信息后，將數(shù)據(jù)存儲在串口2，等待通過GSM模塊發(fā)送至用戶移動設(shè)備。因此程序設(shè)計(jì)主要包括：配置GPS模塊串口參數(shù)、串口中斷處理函數(shù)、LCD顯示處理函數(shù)或GSM發(fā)送數(shù)據(jù)。

6.系統(tǒng)測試

將程序通過ST-LINK燒寫進(jìn)單片機(jī)，基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上電后，PC端會顯示當(dāng)前的檢測到周圍環(huán)境參數(shù)，然后將程序通過ST-LINK燒寫進(jìn)單片機(jī)，基于STM32的GPS定位系統(tǒng)上電后，LCD1602液晶顯示屏?xí)@示當(dāng)前所處位置的經(jīng)緯度。

6.1測試結(jié)果分析

可實(shí)現(xiàn)扎龍濕地的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。通過ZigBee協(xié)調(diào)器和終端組成節(jié)點(diǎn)模塊，協(xié)調(diào)器接收各個(gè)模塊檢測到的環(huán)境參數(shù)并發(fā)送到PC端。由扎龍濕地的工作人員根據(jù)所監(jiān)測到環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對扎龍濕地范圍內(nèi)動植物保護(hù)，從而豐富扎龍濕地的生物多樣性。野生丹頂鶴也能再次回到曾經(jīng)的棲息地繁衍生息，可實(shí)現(xiàn)扎龍濕地范圍內(nèi)的精準(zhǔn)定位和短信通知所在位置。以STM32為核心，GPS衛(wèi)星定位模塊精確定位到所在位置并在LCD1206液晶屏上顯示當(dāng)前定位到的位置的經(jīng)緯度。并通過GSM短信模塊將所定位到的經(jīng)緯度發(fā)送到監(jiān)測站。當(dāng)扎龍濕地的工作人員遇到受傷的動物或遇到危險(xiǎn)時(shí)需要救援時(shí)短信通知當(dāng)前所在位置并獲得及時(shí)救援。

7.結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)是以ZigBee，STM32，為核心，具體分為兩個(gè)部分?；赯igBee的溫濕度監(jiān)測模塊、MQ-2煙霧監(jiān)測模塊、光敏傳感器模塊；基于STM32的GPS定位模塊、GSM短信模塊。利用了多個(gè)傳感器并采用軟硬件結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)扎龍濕地的環(huán)境監(jiān)測。從系統(tǒng)運(yùn)行的情況來看，以上兩個(gè)方面都達(dá)到了很好的效果，模塊運(yùn)行一切正常，能夠完成扎龍濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。并且成本低，應(yīng)用便捷，反應(yīng)靈敏，對扎龍濕地內(nèi)的動植物的保護(hù)起到了一定的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蓋赫莉，王淑梅，王欣.對扎龍濕地生態(tài)環(huán)境的分析[J].黑龍江環(huán)境報(bào)，2015，26（3）.

[2]張亞鋒.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動化，2015，37（4）：27-29.