竹林環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

張菊 江朝暉 李博 高健

摘 要：針對竹林環(huán)境監(jiān)測中地形復(fù)雜、供電及通信不便和成本較高等問題，設(shè)計了一款太陽能供電的竹林環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可對空氣和土壤多參數(shù)進行長時間、高精度采集，并具有SD卡存儲和GPRS傳輸功能。系統(tǒng)性價比高，使用簡單，易于二次開發(fā)，有利于竹資源的管理、開發(fā)和利用。

關(guān)鍵詞：竹林環(huán)境;多參數(shù)采集;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)庫;存儲;傳輸

中圖分類號：TP391.4文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-05

0 引 言

中國是世界上竹類資源最豐富的國家，對竹子的培育和利用已有6 000多年歷史[1]。竹子屬于綠色植物，具有空氣凈化、氣候調(diào)節(jié)、防風(fēng)固沙、防止水土流失等生態(tài)環(huán)境保護功能[2]，也是優(yōu)質(zhì)的建筑和編制材料，同時竹筍還是營養(yǎng)豐富的食材。發(fā)展竹子對解決貧困問題、環(huán)境問題、社會問題具有顯著的效益[3]。對竹林環(huán)境進行長時間、低誤差、高精準(zhǔn)、遠距離的監(jiān)測是竹子生長發(fā)育管理和林下種植養(yǎng)殖管理的需要[4]。雖然近年來中國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展迅速，但是對竹林生長環(huán)境進行監(jiān)測依然存在許多問題，主要包括野外供電困難[5]、通信不便[6]、環(huán)境參數(shù)多、地形復(fù)雜、成本高[7-8]等。

針對以上問題，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實用的竹林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可采集空氣溫濕度、光照強度、CO2含量、土壤溫濕度等，可將數(shù)據(jù)進行實時顯示，待SD卡存儲后可通過GPRS遠程發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)有利于竹資源的管理、開發(fā)和利用，具有重要的經(jīng)濟和社會價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

竹林環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要采集空氣溫濕度及光照強度、CO2含量、土壤溫濕度等，且數(shù)據(jù)精度需符合標(biāo)準(zhǔn)、采集間隔可設(shè)置、傳感器可增減、能夠全天候連續(xù)工作、可遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)。需要解決竹林供電和通信不便、環(huán)境因素變化大、地形復(fù)雜等實際問題。竹林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括主控模塊、傳感器模塊、顯示存儲通信模塊和太陽能供電模塊，如圖1所示，可滿足大范圍、多參數(shù)、連續(xù)、自動、精準(zhǔn)監(jiān)測的需求，達到使用方便、性價比高、應(yīng)用范圍廣的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）主控模塊主要由采用STM32F103的嵌入式微處理器和繼電器組成，負責(zé)間斷性數(shù)據(jù)采集和處理。

（2）傳感器模塊的傳感器組采用RS 485輸出數(shù)字信號，通過Modbus協(xié)議讀取實時環(huán)境參數(shù)值。

（3）顯示存儲通信模塊由液晶顯示屏、SD卡、GPRS模塊組成，完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲和遠程通信。

（4）太陽能供電模組由太陽能板、控制器、蓄電池組成，可實現(xiàn)長時間數(shù)據(jù)監(jiān)測，解決了野外無法使用市電的問題。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊選擇基于Cortex-M3的32位嵌入式微處理器STM32F103ZET6。該處理器具有低功耗、短延遲、低成本等優(yōu)點，芯片主頻可達72 MHz，內(nèi)置512 KB閃存和64 KB SRAM，片內(nèi)硬件資源豐富，擁有5個串口、4個通用定時器、2個I2C、3個12位ADC、3個SPI、2個DMA控制器[9-10]。

為了降低功耗，通過PNP三極管控制SRD-05VDC繼電器間斷給傳感器組供電。繼電器有5個引腳，分別為VCC，GND，公共端，常開端及常閉端。繼電器線圈需要流過較大的電流（約50 mA）才能使繼電器吸合，即公共端連接常開端，一般的集成電路無法提供大電流，因此必須進行擴流，即驅(qū)動。采用PNP控制，當(dāng)輸入為低電平時，三極管飽和，從而使繼電器線圈有符合要求的電流流過，使繼電器吸合;相反，當(dāng)輸入為高電平時，三極管截止，繼電器釋放。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要由TTL轉(zhuǎn)485模塊（TTL-RS 485 Module）、集線器和3組土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強度、CO2濃度傳感器組成。本次設(shè)計中將傳感器分為3組，實現(xiàn)多點、多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測，達到全面了解竹林生長環(huán)境的目的。而RS 485協(xié)議則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式，最大速率可達10 Mbps，傳輸距離超千米。在本次設(shè)計中，考慮到現(xiàn)場環(huán)境以及后續(xù)的擴展升級，采用RS 485通信方式與性能相對優(yōu)越的MAX485通信芯片[11]。

采用土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強度、CO2濃度傳感器進行監(jiān)測，這些皆為通用RS 485型傳感器，使用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議。所有傳感器通過集線器連接到TTL轉(zhuǎn)485模塊上，TTL轉(zhuǎn)485模塊與主控模塊的串口相連，每個傳感器預(yù)先設(shè)置一個不同的設(shè)備地址，然后主控模塊通過向每個地址發(fā)送查詢命令來讀取各傳感器的數(shù)據(jù)。以第一組傳感器為例，命令如圖2所示。

2.3 顯示存儲通信模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)顯示

選用3.5寸的TFT液晶屏模塊，工作電壓為3.3 V，最大工作電流為70 mA。支持320×240分辨率，內(nèi)置230 KB內(nèi)存，可顯示文字和圖形，采用LED背光設(shè)計，通過軟件可對背光亮度進行調(diào)節(jié)[12]。在液晶顯示屏上顯示傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶通過按鍵控制液晶是否背光，以降低功耗。

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲

本次設(shè)計為了后續(xù)能夠?qū)?shù)據(jù)進行處理分析，采用SD卡存儲數(shù)據(jù)。設(shè)計使用SDIO接口，包括CLK，CMD及4條DAT[3：0]信號線。同時，采用文件系統(tǒng)FATFS以高效管理SD卡的存儲內(nèi)容（FATFS是為了存儲和管理數(shù)據(jù)而在存儲介質(zhì)上建立的組織結(jié)構(gòu)，它是一個通用的文件系統(tǒng)模塊，可在小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)）。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲通過向程序中移植FATFS文件系統(tǒng)實現(xiàn)。

2.3.3 數(shù)據(jù)通信

本次設(shè)計在數(shù)據(jù)存儲到SD卡后及時將數(shù)據(jù)遠程發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，以供用戶遠程監(jiān)測。采用GPRS遠程通信技術(shù)，GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的簡稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端、廣域的無線IP連接，優(yōu)點在于傳輸速率高、永遠在線、可實時傳輸數(shù)據(jù)、以流量收費、價格合理、基于IP協(xié)議可以訪問整個Internet[13]。

主控芯片收到各傳感器返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過串口經(jīng)GPRS部分發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，同時還可提前通過按鍵控制是否選擇通過短信發(fā)送數(shù)據(jù)到用戶手機，以便能夠?qū)崟r了解竹林生長狀況。模塊與主控芯片的通信協(xié)議是AT命令集，在數(shù)據(jù)發(fā)送前需要先對GPRS模塊進行初始化、查詢狀態(tài)并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息[14]。

2.4 供電模塊

本系統(tǒng)主要工作在野外密林環(huán)境中，設(shè)備無法供應(yīng)市電，因此采用太陽能板+控制器+蓄電池方案，將設(shè)備與太陽能控制器負載端相連，即可獲得5 V和12 V兩路電源。

各模塊供電主要有3路，一路5 V電壓給GPRS模塊、繼電器供電;一路5 V電壓通過AMS1117-3.3模塊降壓到3.3 V給主控芯片、液晶顯示屏、SD卡模塊供電;一路12 V電壓通過XL6009模塊升壓到24 V給傳感器組供電。

3 軟件設(shè)計

3.1 工作軟件

為節(jié)省功耗，主控芯片每隔1小時進入一次低功耗模式，再通過定時器中斷喚醒進行采集、顯示、存儲、通信工作。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

3.2 通信軟件

為解決偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)無法實時獲得的問題，本次設(shè)計在數(shù)據(jù)采集后可通過GPRS通信將數(shù)據(jù)傳送至自己搭建的數(shù)據(jù)庫，同時，用戶可通過按鍵選擇是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)到手機端。GPRS通信部分軟件流程如圖4所示。

4 測試及結(jié)果

4.1 系統(tǒng)測試

為驗證設(shè)備的可靠性、實用性，在涇縣的毛竹林里進行實驗，監(jiān)測現(xiàn)場如圖5所示。將3組傳感器放置在主控模塊的3個方向，全面監(jiān)測竹林生長環(huán)境。終端部分的體積為103 mm×80 mm×30 mm，成本小于60元。每小時消耗0.55 W電量，采用12 V/20 A·h的鉛酸蓄電池，在沒有光照的情況下連續(xù)工作時間大于430 h，在實際天氣狀況下可連續(xù)可靠工作。

4.2 數(shù)據(jù)庫展示

數(shù)據(jù)通過GPRS上傳到數(shù)據(jù)庫，用戶可及時了解竹林生長環(huán)境，并供后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析。

4.3 SD卡存儲展示

在野外竹林進行監(jiān)測實驗，數(shù)據(jù)存儲到SD卡中的展示如圖6所示。實驗設(shè)置每隔一小時采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，包括3組土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度、空氣濕度、空氣溫度共18個數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

竹林環(huán)境參數(shù)對竹筍、成竹的生長發(fā)育以及林下種植、養(yǎng)殖都非常重要，需要實時、精準(zhǔn)、高效地監(jiān)測竹林生長環(huán)境，包括土壤濕度、土壤溫度、CO2濃度、光照強度、空氣濕度、空氣溫度。

本文針對竹林供電和通信不便、環(huán)境因素變化大、地形復(fù)雜等實際情況，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實用的竹林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在涇縣毛竹林進行試驗，結(jié)果表明數(shù)據(jù)完整、精確，硬件性價比高，使用簡單，易于二次開發(fā)，達到了預(yù)期目標(biāo)。下一步的工作是進一步降低功耗，完善數(shù)據(jù)庫，進行可視化分析。本系統(tǒng)有利于竹資源的管理、開發(fā)和利用，具有重要的經(jīng)濟和社會價值。

參 考 文 獻

[1]楊宇明，輝朝茂.中國竹產(chǎn)業(yè)開發(fā)的前景和對策研究[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2000（5）：36-40.

[2]汪奎宏，李琴，高小輝.竹類資源利用現(xiàn)狀及深度開發(fā)[J].竹子研究匯刊，2000，19（4）：72.

[3]輝朝茂，楊宇明，郝吉明.論竹子生態(tài)環(huán)境效益與竹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003（4）：25-29.

[4]單桂朋，江朝暉，孫云云.基于OneNet平臺的作物監(jiān)測系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（12）：16-19.

[5]王松寧.分布式太陽能電池充電及其控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].福建交通科技，2011（3）：85-87.

[6]何金輝.基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[7]張永戰(zhàn)，賀立龍，朱亮.物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器低成本化發(fā)展的思考[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（12）：32-35.

[8]徐開先，馬麗敏.傳感器是國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（12）：1-4.

[9]紀(jì)超，王昆.飛機外掛物管理系統(tǒng)無線原位檢測技術(shù)研究[J].計算技術(shù)與自動化，2015，34（3）：13l-135.

[10]劉虎，王紫婷，張文婷.基于LabVlEW的STM32調(diào)試平臺的研究與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2012（4）：120-122.

[11]丁艷.基于STM32的太陽能電池板監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（1）：44-45.

[12]隋宗強，李立偉，張洪偉.基于STM32單片機的EMS液晶顯示觸摸屏設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2012，29（3）：47-49.

[13]周洋.基于GPRS無線傳輸系統(tǒng)的研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2012.

[14]江朝暉，檀春節(jié)，支孝勤，等.基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（1）：79-82.