基于物聯網的秸稈禁燒監控系統的硬件設計

肖青青

摘 要

為克服傳統的秸稈禁燒監控系統的不足，提高信息的實時性和準確性，本文結合物聯網技術，設計了一種基于物聯網的秸稈禁燒監控系統，詳細闡述了整個系統的結構框架，以ARMSTR710FR為控制核心，設計了傳感器的節點、集中器及相關接口電路等。其主要優勢在于數據采集和傳輸的低成本、低功耗及可靠性。

關鍵詞

物聯網;秸稈禁燒;ARMSTR710FR

中圖分類號： TP274文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.072

0 引言

隨著我國農業進程的不斷加快，農業秸稈總量迅速增加，秸稈焚燒成了一個屢禁不止的老大難問題，不僅造成環境污染和交通事故，也嚴重影響了農耕環境，社會反響強烈，各級政府采取了各種措施來積極遏制，但是由于農村地域廣闊，執法難度很大，因此建立一個完善的秸稈禁燒監控系統，形成長效的禁燒監測機制才是解決問題的根本。

目前，國內外秸稈露天禁燒都已列入法律法規，監測機制除了利用人海戰術外，主要利用衛星遙感進行監測，但是這種方法的精度不高，可以發現大面積的問題，并且數據會有滯后，不能實現實時監控。為了解決以上問題，本項目采用Zigbee技術，利用其低成本和實時性優勢，在禁燒區域建立無線監測系統。系統能隨時將預警信息發送到監控人手機或者電腦終端，這樣不僅可以實現遠程監測和無人值守，并且在后期可以逐步擴大區域，劃分區域網格，實現大數據統一監控，形成長效的督查機制。

1 秸稈禁燒監控系統的硬件設計

1.1 硬件系統總體設計

本系統的設計目的是構建一個區域性的遠程監控系統，實現對于禁燒區的遠程監測、控制及自動預警等功能。系統總體結構如圖1所示，在禁燒監控區域內分布溫度、煙度、紅外可視傳感器節點，組建傳感網絡，實現對于該區域的信息采集，將信息送到集中器模塊分析處理，再通過ZigBee模塊和GSM模塊進行數據的實時傳輸，送至計算機監控中心和移動終端，當監控數據超過預警值時能迅速報警。同時也能通過計算機和移動終端實現對于現場監控裝置的控制，比如重啟，關機及相關參數的調整等。因為傳感器的壽命直接決定了整個監控網絡的壽命，而控制器的性能決定了監控系統的信息處理能力，因此在器件選擇時應格外注意能耗，信息實時性及工作環境等方面的問題。

1.2 無線傳感器節點的設計

秸稈禁燒監控系統所采用的傳感器主要是煙氣溫度傳感器，無線傳感器節點主要包括處理器模塊、無線通訊模塊、存儲模塊、傳感器模塊和電源模塊五個組成部分。其中處理器模塊是無線傳感器網絡節點的核心部件，其作用是分析、處理采集的數據，并實現任務和能耗的合理管理，執行通訊協議等;無線通信模塊的作用是實現信息的接收和發送，其在整個節點中占用的能耗相對較高，可以通過算法進行優化;存儲模塊中存儲能力的大小可以根據需要而選擇，也可以進行一定的擴展，其主要作用是暫存相關數據;傳感器模塊是整個節點的前端部分，主要負責在相應區域內實時監測所需的煙度溫度信號;電源模塊的作用是為整個傳感器節點提供能量，傳感器節點的硬件框圖如圖2所示。

本設計中處理器使用的是TI公司的CC2510芯片，它是由無線收發芯片以及增強型8051處理器組成，成本和功耗較低，可以盡快地在休眠模式和主動模式之間轉換，可以增長傳感器節點的使用壽命，能滿足以ZigBee為基礎的2.4GHZ的波段應用，結合了4KB的RAM、32KB的可編程閃存及強大的外圍模塊。由于該芯片內置資源比較完整，所以在節點硬件電路中只需要附加電源、晶振及復位電路、煙氣溫度傳感器、運行指示等。本設計采用電池供電，外置兩個晶振Y1及Y2，其中Y1為主晶振，Y2能選擇配置，為CC2510提供精準時鐘源，用以調節CC2510的工作狀態，幫助快速休眠及喚醒。秸稈焚燒屬于低溫狀態不完全燃燒，煙氣中的主要成分為CO和CO2，因此傳感器部分選用SQD1003，可以測試監控區域內氣體濃度和溫度，其尺寸小、穩定性好、功耗低、靈敏度高、響應恢復快。

1.3 集中器硬件設計

傳感器節點群按照一定的拓撲結構分布在監測區域內，組成了傳感器網絡，這些節點由集中器來統一管理，集中器負責集合區域內所有傳感器節點采集的信號，將信息進行匯總，并將數據處理后傳送給用戶端，當數據超出了用戶設定的預警值時，及時向計算機及手機終端進行預警，同時負責響應用戶主站的命令，調配執行機構，如進行關機、重啟或者調整參數等。每個小區域由一個集中器管理，這樣可以實現區域網格化，推而廣之，可以形成更大區域的無線監測。

如圖3所示，集中器的電路設計以32位ARM微處理器STR710FR為控制芯片，該處理器有64KB的RAM并可擴展，內置模數轉換器ADC，32個雙向I/O口等，指令長度固定、執行效率高、體積小、低成本、低功耗。其外圍電路包括CC2510無線通信模塊，用以實現與計算機的通訊;GSM模塊，用來實現與移動終端的通訊;FLASH存儲芯片;兩種接口轉換電路，即以太網接口電路和CAN總線接口電路。

1.4 相關接口電路設計

監測區域中的各個傳感器節點通過CC2510將采集的信息發送給集中器，然后集中器將信息收集，處理后再轉發給計算機或者移動終端，反之，也可以將用戶的命令傳輸給傳感器節點，以實現人機通訊。在這一系列信息傳遞中，需要采用相關通訊協議，設計通訊接口電路，微處理器STR710FR與計算機之間可以通過CAN總線或者RS485總線直接連接到計算機，當距離較遠時可以通過ZigBee實現無線射頻傳輸實現與計算機的通訊，或者通過GPRS實現與移動終端的通訊。因此在實際應用中，需要通過監測范圍來界定采用哪種方式進行通訊，結合環境要求，可以設計串口通訊接口、以太網通訊接口和CAN接口，以以太網為例，接口電路如圖4所示，該電路以CIRRUS LOGIC公司的CS8900A為控制芯片，符合IEEE802.3以太網標準，功耗低，性能穩定，使用靈活，能根據需求將物理層接口、工作方式及數據傳輸模式進行動態調整，可以適應不同環境的需求，是比較理想的選擇。

2 結語

本設計在傳統的秸稈禁燒監控系統的基礎上結合物聯網技術，實現對監測區域更加準確、實時的監測。詳細設計了整個傳感器網絡的組成框架、傳感器節點的組成及硬件部分、集中器電路以及相關接口電路，主要的創新點是將物聯網技術應用于秸稈禁燒監控系統中，可以降低能耗、節約成本、并且使監測數據更加準確、實時。設計中也依然存在一些需要進一步研究的地方，比如軟件部分的設計;傳感器網絡如何更好地實現全覆蓋、不重疊;以及為了使整個傳感器網絡盡可能有更長的壽命，如何通過相應算法來更好地調配節點的休眠和主動機制的轉換等，因此后期將會從這幾個方面繼續改進完善整個系統。

參考文獻

[1]齊志遠，李志峰.基于ZigBee通信的微電網監控網絡，《計算機工程》，2017，43（4）：79-83.

[2]張志偉.基于低空遙感技術的秸稈焚燒監控系統研究，《湖北農業科學》，2016（2）：481-485.

[3]蔡騫，陳曙光，等.基于物聯網的秸稈焚燒監測系統，《農業與技術》，2015，35（8）：254-256

[4]劉卉，汪懋華.基于無線傳感器網絡的農田土壤溫濕度監測系統的設計與開發[J].吉林大學學報，2008，38（3）：604-608.