基于物聯網的山地生態環境監測系統的設計

張恒+楊靖

摘 要：山地生態環境系統的信息作為衡量全球氣候變化的一個重要參考指標，對全球氣候預測具有重要意義，因此對山地生態環境系統的信息獲取顯得尤為重要。文中針對山地生態環境的特征設計了一個基于物聯網的生態監測系統。首先選擇具有自組織、傳輸范圍廣、便于安裝的ZigBee網絡作為數據的通信網絡，并確定了以單播和廣播方式相結合的數據傳輸機制進行數據傳輸。其次，選擇STM32—LPC1752芯片和CC2530芯片作為硬件部分的主控單元。主控單元接收到數據后，通過3G模塊SIM5320E將數據發送到遠程服務器中。最后，可通過Internet訪問服務器，將數據在Web網頁上進行顯示和分析。通過實際環境的測試，該系統能滿足大部分山地生態環境的信息監測需求。

關鍵詞：山地生態環境；物聯網；ZigBee；STM32-LPC1752；CC2530

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

根據研究調查顯示，全球陸地面積的24%是山地，山地環境為人類提供了大量生存資源，如淡水資源、礦產資源以及良好的生態環境等，豐富的植被覆蓋和地理特征成為很多瀕危物種生存和避難的場所，山地生態環境對全球變暖具有很強的敏感性，同時也為山地農業發展提供了所依賴的生態環境[1]。中國是農業大國，也是山地資源較為豐富的國家，因此對山地生態環境的研究與開發也是目前的重點發展方向之一。

隨著物聯網技術的迅猛發展，無線傳感器網絡（WSN）作為數字化信息采集的重要手段，無線傳感器網絡具有自組織、無需布線、易安裝、攜帶方便、價格低廉等特點，使得它在環境監測技術方面的使用越來越多，因此對很多復雜山地生態環境的監測也逐漸走向智能化，在環境監測、森林防火預警以及農業病蟲害防治等方面有著廣泛的應用。

由于山地環境氣候的多變性，地理位置的復雜性等，文中設計了一套基于ZigBee的山地生態環境監測系統，適用于對大部分山地生態環境的影響因子（空氣溫濕度、土壤水分、光照度、風速風向、土壤pH值、CO2濃度、降雨量等）進行實時監測，并將數據通過匯聚節點發送到遠端服務器供進一步分析處理。

1 系統總體設計

基于WSN的監測系統主要由上位機監測單元，ZigBee智能網關以及傳感器單元構成，系統整體結構框圖如圖1所示。ZigBee各終端節點上連接有相應的傳感器，傳感器采集數據后通過ZigBee自組網絡的一個或者多個路由器轉發從而傳到協調器網關節點。一方面網關節點通過串口把數據存在本地PC端，另一方面通過3G模塊把數據通過固定的IP地址發送到遠端服務器，上位機單元通過網絡可以查詢數據，并進行實時顯示和分析，用戶也可以通過手機連接數據庫來查看信息，從而達到實時監測的目的[2]。

2 硬件設計

2.1 WSN的數據采集網絡拓撲結構設計

Z-Stack協議棧是基于IEEE 802.15.4標準協議建立的，定義了協議的PHY層和MAC層。ZigBee網絡還具有成本低、功耗低、時延短、網絡容量大、可靠度高等特點被廣泛應用在多種無線監測領域[3]。其網絡拓撲結構分為星型網絡、簇型網絡和網狀網絡。本系統的工作環境處于山地中，無線信號的傳播會受到地形和障礙物的影響而發生折射和反射，因此我們選擇簇型網絡，該種拓撲結構能夠保證數據的可靠傳輸，有較強的自組織能力，適用于山地環境中的數據采集[4]。WSN的數據采集網絡拓撲圖如圖2所示。

Z-Stack協議棧的數據傳輸方式分為廣播、組播和單播。由于監測環境的需要，我們將終端監測節點的傳輸方式設置為單播，指向協調器的地址：0X0000發送數據；協調器節點則設置為廣播傳輸，地址為：0XFFFF，傳輸對象為網絡覆蓋范圍內的所有設備。這種傳輸機制能夠有效減少數據冗余，有利于增加數據的真實性。

2.2 硬件系統的整體設計

系統的硬件結構圖如圖3所示。該系統以STM32-LPC1752芯片作為MCU單元，以TI公司生產的ZigBee CC2530低功耗模塊作為搭建WSN網絡的主要模塊。當傳感器單元采集到環境數據信息后，終端監測節點通過ZigBee網絡將數據傳送到協調器，協調器接收到數據后通過串口將數據發送到MCU單元，本地的上位機系統存儲數據后，對之進行處理，并判斷數據是否出現異常，一旦出現異常便觸發3G（SIM5320E9）模塊來發送短信給指定用戶進行短信報警，通過GPS模塊還可定位到每一個節點的相對具體區域，使得用戶對每個監測區域環境的具體情況能做出更準確的判斷。另一方面將數據通過3G模塊發送到遠端的上位機系統，用戶通過訪問固定的IP地址來獲取實時數據信息，實現遠程環境數據實時監測。由于監測節點需要在山地環境中工作，因此對該系統采用太陽能電池板供電和電池供電兩種供電模式，以確保網絡正常運行。

3 上位機系統的設計

對于該系統上位機的監控中心部分，利用C#編程語言實現。通過C#與.NET實現網頁和服務器之間的連接，以此來訪問數據庫中所接收到的實時環境監測數據[5]。Web網頁包含實時數據顯示、歷史數據查詢、歷史數據曲線圖等功能，用戶在任何有網絡的地方都可以隨時查看實時數據，加入數據曲線圖的功能后方便用戶來對數據進行更好地觀察和分析。圖4所示為上位機接收數據流程圖，圖5所示為上位機接收數據監測界面，圖6所示為上位機數據歷史曲線趨勢圖。

4 結 語

針對山地生態環境的特點，文中設計了一種基于物聯網的山地生態環境監測系統。該系統具有低功耗、數據傳輸可靠性高、安裝方便、實時性好等特點。通過在實際環境中的測試，能夠對監測區域的空氣溫濕度、風向、風速、二氧化碳濃度、土壤濕度、降雨量等多個重要的環境因子進行實時監測，滿足了大部分山地生態環境監測的需求，為進一步研究山地生態環境提供了可靠的數據。

參考文獻

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