基于物聯網的環境監測系統的研究及實現

李偉強 李曉 陳定鑫 楊建鋁 曾松偉

摘要基于物聯網的環境監測系統是一個小型氣候信息的自動化監測控制系統，能更好地幫助用戶們管理作物。闡述了該系統的總體設計方案，并介紹了其硬件系統設計和軟件系統設計，最后對其應用案例進行了闡述。

關鍵詞無線傳輸；單片機；環境監測系統

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）12-0199-04

AbstractEnvironmental monitoring system based on internet of things is a small automatic monitoring control system for climate information， which can help users better manage their crops. The overall design scheme of this system was expounded， and the designs of hardware system and software system were introduced. And its application case was described.

Key wordsWireless transmission；Single chip microcomputer；Environmental monitoring system

溫濕度、風向和降雨量等環境因素是農業生產過程中必須要考慮的重要部分，因此對作物生長環境的監測成為農戶在經營農田的關鍵一環。我國的環境監測技術較國外還有很大的差距，絕大多數通過有線采集現場參數信息來傳送環境信息，而通過無線傳輸方式來獲得環境參數尚處于起步階段，而且環境參數的精度也無法保證[1]。國外的監測技術雖然在科技含量上占有優勢，但是在價格成本方面大大超過國內同類產品。

在借鑒和吸收國內外環境監測技術的基礎上，筆者所在項目組已經掌握了環境自動測報的基本原理和實現方法，提出了系統實現方案——系統設計目標、選擇通訊方式、環境監測系統的構成和開發系統的技術路線。基于無線傳輸的自動環境變量采集系統的軟硬件系統，包括環境數據采集器、通信和環境數據中心處理系統[2]。環境參數收集的精度成為目前的研究重點和難點之一。筆者提出了基于物聯網的環境監測系統的總體設計方案，介紹了其硬件系統設計和軟件系統設計，并對其應用案例進行了闡述。

1總體設計方案

生態環境監測系統主要將溫濕度、大氣壓、雨量、風速和PM2.5這5個參數作為監測對象，實現5個參數實時在線監測，在LCD顯示屏上實時顯示采集的生態環境參數數據，同時本地存儲數據，并通過GPRS通訊模塊上傳到遠程監控中心。

根據上述功能要求，系統主要由傳感器模塊、氣象數據采集模塊、人機交互模塊、數據庫模塊、遠程監控模塊、數據儲存模塊和手持設備組成，系統框架如圖1所示。

2硬件系統設計

2.1最小系統

系統采用STM32 系列閃存微控制器作為主控模塊，采用了哈佛結構，使用ARM最新的先進架構的Cortex-M3內核，與ARM7TDMI相比速度最多可增加35%且代碼最多可節省45%，具有Thmber-2指令集、16位CPU的集成度和32位CPU的性能，更有利于項目團隊的開發。該系統的適應能力較強，使得產品可以更容易流入市場。最小系統包括單片機及電源、時鐘、復位等部分，其中單片機是整個系統的控制中心，該最小系統的電路如圖2所示。

2.2數據采樣模塊

數據采樣模塊是環境監測系統的一個重要部分，按照系統設計要求，該系統需要實時采集溫濕度、大氣壓、風速、雨量和PM2.5這5個參數[3]。系統采用的傳感器型號分別為DHT-11溫濕度、BMP-085大氣壓傳感器、CG-04雨量傳感器、FR-WS風速傳感器和PMS-1003顆粒物傳感器。

除顆粒物傳感器采用5 V供電之外，其余傳感器均采用3.3 V電壓（3.3 V電壓由轉壓芯片LM-2596產生）。各傳感器接口電路如圖3所示。

2.3存儲模塊

存儲模塊是信息采集模塊的子模塊，需要存儲大量的環境信息，要求儲存信息不失真，寫入速度快，容量大，實現本地備份，防止數據無故丟失。系統采用SD 卡作為存儲介質，而SD卡每小時發送N組數據，每組數據有5個參數，每個參數大小為8 bit，則每天發送的數據量為120 kb，那么此SD卡一次性最大能存儲1 092/N天的數據量[4]。當N=3時，采用128 M的SD卡，那么SD卡一次性約能存儲1年的數據，從而體現了系統的可調性。

按與單片機的通訊模式分類，可分為SD卡模式與SPI模式，該系統選用SD卡模式，為了實現數據的高速傳輸，該模式采用4條數據總線傳輸數據，各個引腳功能如表1所示。存儲模塊的硬件電路如圖4所示。

3軟件系統設計

通訊系統是基于無線射頻網絡、WIFI網絡、GPS網絡開發的，通過對便攜終端的邏輯控制，實現數據的采集、傳輸、存儲和監控。STM32的軟件開發基于IAR embedded workbench開發平臺，整個軟件開發、調試和仿真都在Windows 7操作系統下完成。

3.1程序主流程

系統開始工作首先需要進行系統的初始化，其中包括USART、GPRS、DS1302、KEY、GPIO、LCD等。系統主要包括3個模塊：MODBUS協議模塊、按鍵模塊、GPRS模塊。系統主程序流程如圖5所示。

3.2軟件系統模塊設計

基于Android系統的手機終端客戶端的設計，是環境監測與農場管理方案的結合。農戶利用手機APP記錄農作物生長情況，通過連接無線信號處理端建立的WIFI熱點獲取環境參數，同時將數據發送到WEB信息管理中心的數據庫。整個手機終端的設計中，APP的作用包括獲取配置、收集信息、解析信息、儲存信息、發送信息、顯示信息。

MODBUS協議模塊，主機發送數據，將數據發送給傳感器，然后置于接收狀態，傳感器接到主機發送的數據，并把數據返回給主機，最后將數據傳到液晶數據口并顯示。

GPRS模塊經過IP和端口數據讀取后，進行串口初始化、發送、等待接收[5]。GPRS模塊首先配置APN進入TCP功能，打開一條TCP連接，每隔1 h發送1次，每次發3組數據到TCP終端，直至1 h后關閉GPRS[6]。

4系統的應用

系統試驗測試地點分別選取浙江農林大學西徑山、臨安平山農場、臨安青山湖自然區，分別于2015年11月27—29日、2016年1月20日、2016年4月15日對3個地點進行環境監測。便攜式生態環境監測儀界面如圖6所示。

開機并完成設備初始化后，設備每隔1 min定時采集傳感器數據并通過LCD液晶屏實時顯示數據，將數據打包封裝后通過GPRS模塊上傳至遠程監測中心。為了系統備份的需要，同時將采集的數據存儲于本地SD卡中[7-8]。根據遠程監測中心獲得的數據，使用Excel軟件進行處理后得到表2。

5結論

基于物聯網的環境監測系統作為一種新型的環境監測系統，集中了市場同類商品的技術優點，堅持可持續發展的理念，做到了低成本、低功耗、低排放，與市場上普通的環境監測產品相比具有顯著優勢。將該系統投入市場后，將改變現有的高成本、高功耗、高排放設備的現狀，給環境監測系統帶來巨大的利益，推動了新型農業種植技術的進步。

該系統將農業生產和電子科技結合在一起，利用多種環境信息采集傳感器，并在移動平臺上觀測農場環境要素，大幅度提升了單位面積的勞動生產率和資源產出率，有助于解決“三農”問題，改變了傳統農業的工作方式，對于實現可持續發展具有重要意義。

在農業生產中，還有許多重要因素需要實時監測。在后期的設計中，可考慮將土壤碳通量、鹽堿度、空氣負氧離子濃度等更多的指標添加到監控系統中，使系統更加完善，有助于農戶的觀測更加深入化、廣泛化。

參考文獻

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[2] 李良宇.氣象數據采集器主控單元的研究與構建[D].長春：吉林大學，2004.

[3] 郭勇，姜學東.基于MSP430單片機的氣象數據采集系統[J].國外電子測量技術，2007，26（10）：43-46.

[4] 王連波.數據采集記錄設備的存儲模塊設計[J].科技傳播，2013（14）：228，225.

[5] 勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機，2012，25（9）：26-28.

[6] 劉玉梅.基于無線傳感器網絡的草原環境監測系統設計[D].哈爾濱：東北農業大學，2012.

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[8] 童剛，李萍.基于STM32F103VB單片機的串口通信程序設計[J].自動化信息，2010（9）：48-49，42.