基于ZigBee的園林生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)生態(tài)監(jiān)測(cè)的空間尺度，可將其劃分為宏觀生態(tài)監(jiān)測(cè)和微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)兩大類。

宏觀生態(tài)監(jiān)測(cè)是在大區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)的組合方式、鑲嵌特征、動(dòng)態(tài)變化和空間分布格局及其在人類活動(dòng)影響下的變化等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要利用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和生態(tài)制圖技術(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)其監(jiān)測(cè)對(duì)象的地域等級(jí)最大可包括由幾個(gè)生態(tài)系統(tǒng)組成的景觀生態(tài)區(qū)，最小也應(yīng)代表單一的生態(tài)類型，它是對(duì)某一特定生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)系統(tǒng)集合體的結(jié)構(gòu)和功能特征及其在人類活動(dòng)影響下的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)上逐步從生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以提供早期預(yù)警。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一種基于ZigBee技術(shù)的園林微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)，其過(guò)程包括：首先進(jìn)行園林微觀信息收集；然后將信息上傳，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入或聯(lián)網(wǎng)，將無(wú)線網(wǎng)關(guān)獲得的數(shù)據(jù)利用互聯(lián)網(wǎng)保存至服務(wù)器；最后進(jìn)入數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)管理，任何時(shí)候、任何地點(diǎn)都能夠通過(guò)web瀏覽器觀察并分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)正常水平時(shí)，設(shè)置報(bào)警功能，對(duì)異常的環(huán)境進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警記錄提供查詢。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要分為粉塵顆粒檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、控制模塊、顯示模塊和無(wú)線通信模塊，其中粉塵顆粒檢測(cè)模塊中的粉塵濃度傳感器所輸出為信號(hào)為連續(xù)的模擬電壓信號(hào)，而CC2530所能識(shí)別的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，因此在進(jìn)行粉塵顆粒濃度的檢測(cè)時(shí)需要加一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，用來(lái)將傳感器輸出的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能讀取的數(shù)字量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 PM2.5檢測(cè)電路

圖2 粉塵傳感器電路連接圖

GP2Y1010AU0F傳感器是一款由日本夏普公司生產(chǎn)的，該型號(hào)的傳感器可以用來(lái)檢測(cè)到粒徑在0.8微米以上的粉塵，該傳感器是一款光學(xué)傳感器，其靈敏度為0.5v/mg/m3，其原理如圖所示，在傳感器上裝有一個(gè)吸氣器，其可以主動(dòng)的吸進(jìn)空氣并讓空氣通過(guò)這個(gè)洞，在傳感器的上面有個(gè)紅外線發(fā)光管，其可透過(guò)吸進(jìn)的空氣，在其下面有個(gè)能夠接收到紅外線信號(hào)的接受裝置，該接收裝置能接收到經(jīng)過(guò)了粉塵后反射回來(lái)的紅外線信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)放大等操作將接收裝置接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同頻率的電信號(hào)，從而得到相應(yīng)的粉塵濃度。

傳感器的典型連接電路如圖2所示。

由于該傳感器輸出的是模擬電壓信號(hào)，因此該模塊后引入ADC0809，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)輸入CC2530。

3 溫濕度檢測(cè)電路

溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)采用的是DHT11數(shù)字式傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款以數(shù)字信號(hào)方式輸出的復(fù)合式傳感器，其內(nèi)部的傳 感器都是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的。它采用的是專用的數(shù)字式的采集模塊技術(shù)和溫、濕度傳感技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)的使用確保了該產(chǎn)品具有了極好的可靠性和具有長(zhǎng)期穩(wěn)定工作能力。該傳感器是由一個(gè)電阻式的感濕元件和一個(gè)NTC的溫度檢測(cè)元件組成。該傳感器具有較高的抗干擾能力，超快的響應(yīng)能力，并且其具有較高的性價(jià)比等諸多優(yōu)點(diǎn)。出廠的每一個(gè)DHT11傳感器都會(huì)在那些具有很高精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行濕度的精確校準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的系數(shù)將以程序的形式被儲(chǔ)存到DHT11溫濕度傳感器中的OTP內(nèi)存里，當(dāng)利用傳感器進(jìn)行溫濕度的檢測(cè)并處理被檢測(cè)的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)調(diào)用這些已經(jīng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)過(guò)的系數(shù)。該傳感器采用的是單總線制的串行通信協(xié)議，從而在設(shè)計(jì)電路時(shí)會(huì)使電路更簡(jiǎn)潔方便?；谝陨系闹T多特點(diǎn)使其具有極小的體積和極低的功耗，使該傳感器成為了許多人在各類需要溫濕度的應(yīng)用中甚至是在最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合中的最佳的選擇。該型號(hào)的傳感器采用了4個(gè)單排引腳的封裝。連接方便。

DHT11通過(guò)單總線與微控制器連接，電路如圖3所示。

圖3 DHT11電路圖

4 無(wú)線通信系統(tǒng)

利用ZigBee組建園林生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）ZigBee體積較小，利于安裝布設(shè),減輕技術(shù)維護(hù)人員安裝調(diào)試工作量，提高效率。

（2）ZigBee無(wú)線組網(wǎng)省去布線這塊的成本和技術(shù)維護(hù)，最重要的是提高了信息實(shí)時(shí)性。

（3）ZigBee的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)成本較低，省去了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。

（4）ZigBee可搭載較多外圍器件，比如主控MCU，可控IC，傳感器等等，這對(duì)園林生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)了很大的發(fā)展空間。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳遞此模塊以數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收為目的，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。模塊應(yīng)用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。在無(wú)線化通信和數(shù)據(jù)間傳輸需要智能自動(dòng)化操作的背景下產(chǎn)生了ZigBee技術(shù)，它是基于IEE標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。具有傳輸速度快、省電、投資少、支持多種模式、安全可靠等顯著特點(diǎn)。在數(shù)模轉(zhuǎn)換器的終端，安裝ZigBee模塊作為發(fā)送裝置，在系統(tǒng)的處理端，安裝ZigBee作為接收數(shù)據(jù)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)模式有三種：星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，串行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，圖4是各自模式的簡(jiǎn)圖：

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

園林生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用串行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，根據(jù)串行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模式。各個(gè)終端采集數(shù)據(jù)信息經(jīng)路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將統(tǒng)一數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器端，協(xié)調(diào)器再經(jīng)數(shù)據(jù)集中器發(fā)送到控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用了德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530，該芯片兼容C8051內(nèi)核處理器。能夠以非常低的總的材料成本來(lái)完成。CC2530 不但具有射頻收發(fā)器突出的優(yōu)點(diǎn)外，還兼具了增強(qiáng)型的處理器，內(nèi)嵌式可修改存儲(chǔ)器，8K字節(jié)容量的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器以及其他功能，模式與模式之間的轉(zhuǎn)化時(shí)間少，很好地控制了能耗。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)園林生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其工作過(guò)程如下：

第一階段，信息收集；利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集不同傳感器數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)連接多個(gè)傳感器；傳感器節(jié)點(diǎn)之間形成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的方式匯總數(shù)據(jù)；

第二階段，信息上傳；利用移動(dòng)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將傳感器節(jié)點(diǎn)匯總的數(shù)據(jù)上傳至無(wú)線網(wǎng)關(guān)；

第三階段，信息保存；無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，將無(wú)線網(wǎng)關(guān)獲得的數(shù)據(jù)利用互聯(lián)網(wǎng)保存至服務(wù)器；

最后信息進(jìn)入園林生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)管理，任何時(shí)候、任何地點(diǎn)都能夠通過(guò)web瀏覽器觀察并分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；對(duì)于不能上網(wǎng)的用戶，還能夠通過(guò)手機(jī)的方式獲取數(shù)據(jù)；當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)正常水平時(shí)，設(shè)置報(bào)警功能，對(duì)異常的環(huán)境進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警記錄提供查詢。

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的園林生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，具體如下：

（1）采集設(shè)備采用電池供電，無(wú)線節(jié)點(diǎn)不需要固定電源設(shè)施，可以布署在野外、路邊等任何需要的地方。

（2）無(wú)線傳感網(wǎng)具有自組織自愈合的特點(diǎn)，方便非技術(shù)人員安裝，并且網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性，節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)中。

（3）通過(guò)無(wú)線基站與無(wú)線網(wǎng)關(guān)相連，然后經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器相連，實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。

（4）各級(jí)別用戶都可以通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，客戶可設(shè)置自定義的趨勢(shì)圖和報(bào)警級(jí)別等功能。

另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的低成本、高覆蓋和可擴(kuò)展性強(qiáng)的技術(shù)特征在園林生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀?，基于物?lián)網(wǎng)，協(xié)助實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)，提高樹木和花卉、水果等經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量及質(zhì)量，可以帶來(lái)巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

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