基于物聯網的新型林圃監測系統設計與實現

白文樂 梁東升 北方工業大學電子與信息工程學院

引言

目前，國內外農林業監測系統缺少傾斜角度的監測。另外，也有用無人機對樹林生長狀況進行監測的，但是目前國內低空對無人機是限飛的。本文旨在為樹林設計一套新型遠程監測系統，加入傾斜角傳感器，從多一維的角度采集樹苗生長的實時數據。實現無線遠程訪問。

1 系統總體結構設計

該系統由中央服務器、ZigBee各級節點、網關、客戶端、電源模塊、傳感器模塊組成，系統總體結構圖如圖1所示。

每個監測器都包括電源模塊、溫濕度傳感器、光照強度傳感器、傾斜角傳感器、無線收發模塊，還可根據需要選擇性加入GPS模塊。各個ZigBee支節點通過掃描信道，逐跳地將數據傳輸給最近的上一級節點。主節點通過網關與中央服務器建立連接，實現數據的相互傳輸。

系統上電后，各模塊就緒，終端傳感器采集信息，單片機將數字信號進行處理，ZigBee支節點將數據發送到主節點，主節點將數據匯總再發送給中央服務器，存儲在數據庫中。遠程客戶端包括電腦和手機兩種客戶端，當遠程客戶端向中央服務器發送訪問請求，并輸入經服務器授權過的賬戶和密碼，就會進入系統，從而根據各個監測器的MAC地址來選擇需要查看的數據。

2 系統硬件設計

信息監測器負責樹苗生長環境參數的采集，包括溫度、濕度、光照強度、傾斜角度等，硬件系統由傳感器、電池模塊、無線收發模塊、顯示模塊、CC2530最小系統構成。

2.1 最小系統設計

采用CC2530最小系統，它能建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU等強大功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。CC2530F256結合了黃金單元ZigBee協議棧，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

CC2530最小系統電路如下圖所示：

圖2 CC2530最小系統電路圖

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用TMP102，它是一款雙線串行輸出溫度傳感器，采用微型SOT563封裝，無需外部元件，TMP102能夠讀取溫度，分辨率為0.0625°C。TMP102具有SMBus和兩線接口兼容性 ，并允許在一條總線上最多連接四個設備。

2.3 傾斜角傳感器

傾斜角傳感器采用ADXL345，它是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計，分辨率高(13位)，測量范圍達±16g。數字輸出數據為16位二進制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數字接口訪問。ADXL345非常適合移動設備應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度。能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。

2.4 光照強度傳感器

光照強度傳感器采用RE200B, 它采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，并配合雙靈敏元互補方法抑制溫度變化產生的干擾，提高了傳感器的工作穩定性。

2.5 電源模塊

采用輸出電壓為5V輸出電流為1A的可充電電池，電源模塊為樹苗信息監測器供電。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點設計

傳感器采集相應的數據，通過串口發送給支節點，支節點與協調器組網后將數據發送給協調器。

3.2 網關設計

本文采用在電腦端搭建網關的方式，通過流套接字（TCP）遠程訪問服務器。對于TCP套接字，服務器先處于監聽客戶端請求連接的狀態，當客戶發出連接請求，以IP和端口號連接服務器端的套接字，服務器收到請求并響應，建立獨立的連接線程，把服務器端的套接字發送給客戶端，連接就建立了。

3.3 服務器設計

服務器可以是任何一臺電腦，網關只需要知道服務器的IP就能和它建立連接，實現兩者的通信。服務器開啟后，會在特定端口監聽。當監聽到網關的訪問請求時，會與網關建立連接，然后接收網關發來的數據。

4 系統組網過程

上電后，支節點定時讀取傳感器數據，通過無線傳輸方式發送給臨近的協調器。協調器節點負責組網，在掃描到空閑信道時，設置好網絡參數。其他節點發出加入網絡請求時，只要將信道設置成與現有的協調器使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可加入網絡，并且能得到自己的網絡地址。同理，任何一個節點提出離開網絡的請求即可離開網絡。協調器掌握了所有的網絡節點信息。

5 傾斜角變化算法

如圖3所示，如果樹苗傾斜角變化之前與垂直方向所成角度為∠1，此時選三軸加速度計的任意一個軸為參照，假設選X軸為參照，此時傾斜角傳感器X軸讀數為A，傾斜角度變化之后樹苗與垂直方向所成角度變為∠2，此時的讀數為B，那么傾斜角變化值就是∠2和∠1的差值。即：

傾斜角變化值=∠2-∠1=arc cosB-arc cosA

圖3 傾斜角度變化分析圖

6 實驗結果分析

6.1 溫度數據

溫度數據以曲線形式顯示出來，橫軸是時間軸，以小時為單位，縱軸是溫度軸，以攝氏度為單位。用戶可以查詢實時和歷史數據。

6.2 光照強度數據

光照強度數據以曲線形式顯示出來，橫軸是時間軸，以小時為單位，縱軸是光照強度軸，以勒克斯為單位。用戶可以查詢實時和歷史的數據。

6.3 傾斜角度數據

加速度傳感器數據包括X軸、Y軸、Z軸，數值有正負，如果數值為正數，則重力加速度與該軸的正半軸方向所成角度為銳角或零度；如果數值為負數，則重力加速度與該軸的正半軸方向所成角度為鈍角或180度。每個軸顯示的對應數據均為重力加速度的倍數，表示重力在該軸的分量大小，所以根據反余弦定理，傾斜角大小就是該數的反余弦。

7 結語

本文在傳統農業監測系統的基礎上，加入傾斜角傳感器，多一維度來監測樹苗的生長狀況，利用ZigBee無線通信協議，摒棄傳統的有線連接方式，避免了因采集節點增多和布線繁瑣而帶來的問題，用戶可以遠程登陸系統，查看實時數據，來了解樹苗生長環境各個參數的變化情況。本設計符合現代農業林業發展要求，具備很好的研究價值。

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