基于傳感技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)研發(fā)

王金濤

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，710010）

0 引言

傳感器技術(shù)對于現(xiàn)代信息科技的發(fā)展有著非常重要的作用，它不僅可以提升現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平，而且在能源開發(fā)、交通監(jiān)控以及生態(tài)系統(tǒng)等環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域也都離不開傳感器技術(shù)的應(yīng)用。尤其是近年來經(jīng)濟(jì)的快速增長，讓人們越來越注重自身的生活質(zhì)量，而環(huán)境問題無疑成為了社會焦點(diǎn)1。利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，是提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有效保障。要實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的智能化、信息化，就需要對園林生態(tài)環(huán)境內(nèi)的多個物理量進(jìn)行全天候在線監(jiān)測，傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)顯然無法滿足這一需求，而傳感技術(shù)正適應(yīng)了這種現(xiàn)代化生態(tài)監(jiān)測發(fā)展的要求。因此，本文主要對基于傳感器技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 傳感器技術(shù)概述

我國《國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-2005》中，將傳感器定義成能夠感受規(guī)定的被測量，并且按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或者裝置。傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路組成。通過傳感器可以將被測量信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號或者其他所需形式的信息進(jìn)行輸出2，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的傳輸、處理、顯示以及存儲等要求，因此可以說，傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測量與自動控制的重要環(huán)節(jié)。

敏感元件是傳感器的重要組成部分，它直接作用于被測量物體，能夠靈敏度感受被測變量并做出響應(yīng)；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能夠?qū)⒚舾性D(zhuǎn)化成適于傳輸和測量的電信號部分；轉(zhuǎn)換電路主要是將傳感器的測量參數(shù)轉(zhuǎn)換成可供傳輸?shù)碾娦盘枴Ｃ舾性娃D(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上是一體的，為了減少外界環(huán)境對傳感器的影響，有時(shí)也將轉(zhuǎn)換電路與敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組裝在一起，但是由于空間等客觀因素的限制，轉(zhuǎn)換電路常置于傳感器外部3。同時(shí)也有一些傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路之后才能輸出電量信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

傳感器技術(shù)是信息采集的核心部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測量和自動控制的主要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，同時(shí)也是信息社會賴以生存和發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)今社會是信息化的社會。傳感技術(shù)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并稱為支撐現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。因此，對于傳感技術(shù)的開發(fā)與研究是信息時(shí)代發(fā)展的必然要求。

2 園林生態(tài)系統(tǒng)的研發(fā)

基于傳感技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)的研發(fā)主要分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)兩大部分。其中數(shù)據(jù)采集主要是借助傳感器等監(jiān)測設(shè)備將園林生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境信息轉(zhuǎn)化成電信號傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行分析處理；而監(jiān)測系統(tǒng)則是利用現(xiàn)代通信技術(shù)，將采集到的信息傳輸?shù)娇蛻舳耍瑢?shí)現(xiàn)對園林生態(tài)環(huán)境的有效控制。以下就對基于傳感器技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)行詳細(xì)分析4：

2.1 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是基于傳感技術(shù)園林生態(tài)系統(tǒng)的核心部分，采集系統(tǒng)主要是利用數(shù)據(jù)采集模塊對園林生態(tài)環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、光照以及降雨量等信息進(jìn)行有效采集，然后再通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行輸出顯示、數(shù)據(jù)存儲以及打印，便于后期利用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1 所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出，基于傳感技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊兩大部分構(gòu)成。傳感器是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的主要媒介，傳感器主要作用是將被監(jiān)測對象的物理參數(shù)轉(zhuǎn)化成可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娦盘枺虼藬?shù)據(jù)信息采集的精確度很大程度上取決于傳感器自身的性能。在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)園林生態(tài)環(huán)境的實(shí)際需求，遵循經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的基本原則，本文主要從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個方面對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分析。

基于傳感技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)采用RHE3 型室外溫濕度傳感器對園林的溫度和濕度進(jìn)行信息采集，通過先進(jìn)的電阻體聚合技術(shù)以及電容傳感元件檢測溫度；采用LT/G 型光照度傳感器和LT/YL 型翻斗式雨量傳感器對生態(tài)系統(tǒng)中的光照和降雨量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；根據(jù)這些現(xiàn)有的資源設(shè)備選擇MCS-51 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建。

系統(tǒng)軟件的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理、分析以及顯示，該軟件系統(tǒng)的研發(fā)是基于Lab VIEW8.2 軟件作為開放平臺，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，將其分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)管理四大部分。在數(shù)據(jù)采集模塊中，根據(jù)串口資源對其波特率、數(shù)據(jù)位偶校驗(yàn)位、停止位以及流方式等進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個主程序采用了層疊式的結(jié)構(gòu)，首先發(fā)送TLC0831 模塊數(shù)據(jù)采集命令對溫度、濕度以及光照這三個數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)入到下一個case 進(jìn)行雨量采集，等到四個數(shù)據(jù)采集完后，關(guān)閉串口。整個數(shù)據(jù)采集模塊采用了While 循環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)園林生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)置了四種間隔時(shí)間模式，即1min、10min、15min 和30min。開啟數(shù)據(jù)采集按鈕后，選擇相應(yīng)的間隔時(shí)間，系統(tǒng)就可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，保存成文本文件，通過這些數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

實(shí)時(shí)顯示主要是對采集到的四組數(shù)據(jù)信息以不同的顏色在面板中顯示出來。這四組數(shù)據(jù)信息分別與四個Wave form Chart 連接，設(shè)置Show Digital Displays，四個通道的數(shù)據(jù)顯示分別配有指示器監(jiān)測系統(tǒng)是否正常。若指示燈亮，則數(shù)據(jù)正常采集，同時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)間也顯示在面板上；若指示燈不亮，則說明數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)故障，需要對系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

數(shù)據(jù)存儲與管理主要采用平鋪順序結(jié)構(gòu)，給程序設(shè)置觸發(fā)時(shí)間，對園林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全天候的數(shù)據(jù)采集，并且對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行平均數(shù)計(jì)算，保存這些平均數(shù)，與此同時(shí)在控制面板上顯示最近天數(shù)的平均值曲線。使用平鋪順序結(jié)構(gòu)可以有效的節(jié)約磁盤空間，確保數(shù)據(jù)存儲的正確性和穩(wěn)定性5。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基于傳感技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程監(jiān)測主要功能是對園林景區(qū)受控范圍內(nèi)的溫度、濕度、光照以及降雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后將采集到的數(shù)據(jù)信息通過現(xiàn)代通信手段傳遞到客戶端，使工作人員可以借助互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器瀏覽這些數(shù)據(jù)信息。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖2 所示：

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要可以分為傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、服務(wù)器以及遠(yuǎn)程客戶端這四個部分。其中，服務(wù)器端的作用是為其他機(jī)械設(shè)備提供服務(wù)，在基于傳感技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)中，服務(wù)器端的主要功能是對溫度、濕度、光照以及降雨量這四個參數(shù)進(jìn)行自動采集、顯示和存儲，但執(zhí)行這一操作的前提是先運(yùn)行Data Socket Server，否則將會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信失敗。

客戶端（Client）又稱為用戶端，與服務(wù)器相對應(yīng)，主要是為用戶提供本地服務(wù)的程序。除了一些需要在本地運(yùn)行的應(yīng)用程序以外，客戶端通常可以安裝在普通客戶機(jī)上，與服務(wù)段相互配合運(yùn)行。在基于傳感技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)中客戶端和服務(wù)器端借助互聯(lián)網(wǎng)通信連接，以此來確保應(yīng)用程序的正常運(yùn)行。首先采用Data Socket 函數(shù)編程的方式與服務(wù)器端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，然后在利用四個Read 函數(shù)讀取服務(wù)器端傳輸來的數(shù)據(jù)信息，這其中每一個Read 函數(shù)的URL 與服務(wù)器端的Data Socket Connection 相對應(yīng)，而且客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳輸采用隊(duì)列的方式，這樣可以有效的避免數(shù)據(jù)信息的丟失。最后，再讀取隊(duì)列中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存。

3 結(jié)束語

綜上所述，伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)的迅速普及，使得傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用越來越突出。本文主要研究的是基于傳感器技術(shù)的園林生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩大部分，其中數(shù)據(jù)采集主要是對園林生態(tài)環(huán)境中的溫度、濕度、光照以及降雨量等參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)對園林生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)采用了實(shí)用性的設(shè)計(jì)理念，方便、快捷的操作以及良好的人機(jī)交互界面讓該系統(tǒng)擁有更加廣泛的應(yīng)用前景。

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