基于物联网技术的古树名木生长环境实时监测系统设计与应用

尹晓军、严建辉、吴云平

(福建师范大学光电与信息工程学院, 福建福州 350007)

摘要: 针对园林实验区古树名木生长环境监测的应用需求，设计了一种基于物联网技术的植物生长环境实时监测系统，主要由传感终端组成。节点、集中器和监控中心。在微环境区域的不同位置部署多个传感终端节点，实现区域环境数据（气温、湿度、气压、海拔、光照）的实时采集，利用ZigBee组网无线传输到集中器，并生成协议数据包通过GPRS无线传输至监控中心进行存储、挖掘和可视化处理，实现对古树名木生长环境的实时监测，推进植被生长特性研究。该系统克服了原来人工测量各种环境参数的局限性，将传统监测方式从有线改为无线，不仅节省了经济成本，而且提高了工作效率，满足了植被环境监测的基本业务需求。

0简介

古树名木是基因库，是研究自然历史的重要资料。它们也是吉祥的象征。它不能再生，也不能永远存在[1]。近年来，随着社会经济的快速发展，为了满足商业、医疗等应用的需要，许多名贵野生植物急剧减少，有的甚至濒临灭绝。为此，各地根据地理和气候环境特点，建设了许多森林覆盖率较高的园林，引进了某些类型的名贵植被树种，精心种植，人工构建了适合其生长的生态环境，并做了大量的研究。培育这些植物并拯救它们。一些珍稀濒危树种。

众所周知，生态环境对植物的生存、生长和发育有着极其重要的影响。为了了解植被生长过程中的环境信息，过去，研究人员通常采用手动校准测量和现场测量记录等监测方法。获取信息还需要人工进行档案管理，费时费力，操作上存在局限性。随着技术水平的不断提高，以RS485为主的有线网络监控系统逐渐被采用。韩辉[2]采用总线式RS485通信网络搭建主从式分布式结构监测系统，实现环境参数的实时采集和有线网络传输。针对温室环境的应用需求，杨静等[3]通过NRF无线射频技术设计了基于RS-485总线网络的环境监测系统，完成了多点环境数据的测量和短距离无线传输。此类系统大多采集终端设备的数据，并通过RS485总线传输至上端监控主机。但布线复杂、施工周期长、线路容易老化，会导致成本高、应用受到限制等一系列问题。

近年来，基于物联网理念的自动化监测技术带动了环境监测领域的快速发展。刘敏静[4]分析了植被生长过程中的关键环境因素，提出了无线传感器网络的应用场景。韩英梅等[5]开发了一种基于无线传感器网络技术的冬季蔬菜生产环境测控系统，可以改变蔬菜生长环境因素，调整生长周期。孙宇文[6]根据无线传感器网络的农田环境特点，分析了有效区域内多个节点的网络性能，延长了节点网络的生命周期，提高了传感设备的实用性。薛伟强[7]利用基于物联网三层架构的ZigBee传感设备设计了一种基于物联网的无线环境监测系统，实现了环境数据的实时采集和监测。

通过比较可以发现，逐渐普及和应用的各类物联网环境监测系统普遍具有以下特点：

（1）监控设备不会对周围生态环境造成破坏，且外观小巧、易于安装；

（2）传感器节点之间互不干扰，各自独立采集监测区域内的环境参数，并统一将数据传输至网关；

(3)传感器节点部署区域生态环境监测数据应实时、准确，保证其有效性。

但为了适应不同环境的应用场景，对现有监控系统的远程控制和监控参数的多样化提出了更加具体的应用需求。目前无线传感设备大多采用节点域组网和跳路传输方式来实现终端与服务器之间的远程通信。这就需要大量的路由功能节点作为通信中转站，增加了成本，降低了通信可靠性，并且创造了无人值守的条件。远程监控带来不便。

针对上述系统的基本特点，结合对园林现有名贵植被生长环境的综合分析，本文根据环境参数的特点，采用传感器采集、无线传输等关键技术，并将ZigBee传感器网络与GPRS技术相结合，设计出一种实时高效、易于操作、低成本的古树名木环境监测系统。系统由终端节点采集环境数据、ZigBee自组织网络无线传输、集中器封装处理、GSM网络上传、实时监测参数变化等组成，使用户及时掌握终端的环境信息。 ZigBee技术与GPRS技术的结合在远程监测中具有巨大的应用价值[8]，而物联网技术在环境监测中的应用使得环境监测和管理更加方便、准确[9～10]。

1 系统总体设计

图1 系统总体设计图1是系统总体设计图，可分为传感设备、传输网络、监控中心三部分，符合物联网的经典架构。传感设备是系统终端，是物联网架构的感知层。它们包括支持太阳能的传感器节点和聚光器。传感器节点的主要任务是实时感知和传输环境信息，而集中器则处理传感器数据。进行有效的过滤、封装和打包，通过GPRS网络传输到上端监控中心，是物联网架构的应用层。监控中心由服务器和移动客户端组成，实现历史数据归档管理、数据波动可视化、下发指令控制设备工作状态等基本功能；移动客户端支持远程在线查询环境数据信息，记录数据趋势，让用户随时随地掌握终端设备的环境信息。

2 系统硬件设计

2.1 电源电路设计

电源是电路系统的重要组成部分，是维持系统正常工作的能量来源。现阶段无线传感器节点通常使用两节AA碱性电池供电。一旦设备采集频率增加，电量就会提前耗尽，导致无线传感器网络过早消亡[11]。考虑到实际应用环境，为了延长节点设备的生命周期，电源模块改进为太阳能供电。图2是系统电源电路模块的设计框图。

从图2可以看出，系统电源可根据应用环境采用太阳能供电或外部接口供电，两者均通过标准输出电压对锂电池组进行充电。在实际应用中，设备主要采用太阳能供电。阳光供电能量大于系统损耗能量，使锂电池组保持充电状态。当蓄电达到上限容量时，保护电路会自动切断锂电池组的外部充电，使锂电池组能够长期保持4.2V工作电压的输出，然后使用不同性能的线性稳压电源芯片，扩展系统各模块的功率输入。当环境和气候恶劣、阳光能量供给不足时，可以考虑使用外部充电接口功能。连接移动电源即可恢复供电，维持系统正常运行。

2.2 传感节点电路设计

从图3可以看出，电路模块主要由电源、PC测试接口、SMA天线接口电路、时钟模块和环境参数传感器组成。从无线传感器网络的功能来看，类型配置为ZigBee终端设备。当节点开始工作时，每个传感器自动测量周围的环境参数，并通过不同的标准总线接口将实时数据传输到CC2530。主芯片对各类数据进行有效过滤和组合，并利用ZigBee标准协议栈无线传输至集中器。同时，电路还具有操作指令、复位电路（如图3传感器节点硬件框图所示），并预留传感器接口以满足后续调试和扩展。

2.3 集中器电路设计

集中器是系统数据交互通信的核心场所，协调器作为目标节点，用于接收传感器节点的采集信息。整个系统只有一个，负责整个网络的建立和运行[12]。

集中器的硬件结构如图4所示，主要完成两个任务：一是接收协调器ZigBee模块通过串口0发送的感知数据，并根据协议要求进行有效的打包处理，生成完整的数据包。数据包；另一种是使用串口 1、驱动无线GPRS模块将数据包通过GSM网络传输到监控中心。为了节省串口资源，系统使用串口0同时进行PC测试和ZigBee数据接收，其使用功能由中间的跳线控制。同时，系统还配备了运行指示灯、复位电路如图4集中器硬件框图所示，并预留了串口和IIC接口，方便后续扩展应用。

3 系统软件设计

3.1 传感器数据采集模块

传感器数据采集是传感器节点的核心任务，也是系统数据的来源。其软件基于TI发布的ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0版本协议栈开发。开发环境是IAR Embedded Workbench。在此平台下，进行终端感知节点和协调器的程序编译和调试，驱动感知设备和协调器工作[13]。

值得注意的是，传感器节点的采集状态根据集中器下发的指令在实时或定时采集之间切换。否则，终端设备将处于休眠状态，以节省能源并延长生命周期。图5是各传感器的软件流程图。

图5 传感器数据采集工作流程图 传感器DHT22 采集环境温度和湿度。内部采用AM2302湿敏电容作为传感器件，测量精度高，采用单总线通信机制。通过严格的时序控制，可以从数据端口依次获取湿温和校验码。如果计算生成的校验码与数据校验码匹配，则判断采集有效，否则丢弃并重新开始采集操作。

传感器HP206C的任务是获取环境气压和海拔高度。它有自己的专利算法来补偿收集的数据。当供电正常时，设备初始配置完成，指令合理采集读取，MCU从IIC总线读取数据。图9B校准的传感数据。

传感器 TSL2561 测量环境光强度并支持标准 IIC 通信机制。内部由对可见光和红外线敏感的通道0和仅对红外线敏感的通道1组成。测量时，两个通道都会产生传感数据，用于计算一对转换系数。照度获取公式将利用这个转换系数来得到最终的照度值。

3.2 数据处理与打包模块

当每个传感器成功采集到数据后，需要对每个传感数据进行融合并封装成原始数据包。传感设备可以在TI发布的标准协议栈下使用ZigBee模块将原始数据包无线传输到协调器。然后集中器根据自定义协议完成GPRS数据包封装并等待上传。图6是数据处理和封装工作流程图。

数据采集​​完成后，系统进入数据处理和打包工作流程。从图6可以看出，进程启动后，存储单元会自动初始化，并使用相应的标志位来标识每个传感器数据的有效性。如果采集到的实时数据有效，则封装协议数据包，生成GPRS数据包；如果无效，则默认丢弃当前数据，重新开始采集操作或者使用之前的数据进行封装处理，生成GPRS数据包。

3.3 无线通讯模块

传感设备采集的数据通过无线传感器网络和GPRS传输。它位于物联网架构的传输层，采用ZigBee和GSM模块来实现其功能。 ZigBee无线模块的主芯片采用TI公司生产的CC2530。它的任务是将原始数据包通过无线传感器网络传输到集中器。开发时需要将底层驱动移植到协议栈下的应用层，利用协议栈中的库函数实现网络传输； GSM模块采用泰利特公司生产的GL868-DUAL，功耗极低，适用范围广。工作温度范围支持双频通信，满足室外复杂环境监控的应用需求。任务是将封装后的GPRS数据包无线传输到监控中心，在后台进行进一步处理。图7是GPRS无线通信工作流程图。

集中器上的协调器用于接收终端设备数据，MCU与GSM模块采用串行通信。当程序开始执行时，MCU依次完成串口的初始化配置和启动工作，这是逻辑上实现模块通信的第一步；然后通过串口向GSM模块发送AT命令，进行配置、维护连接状态，实现完整的通信；最后，串口通过GSM模块将数据包传输至监控中心。图7中，设备与服务器的第一次握手是确认GSM模块是否收到配置指令，第二次握手是确认GSM模块收到数据包。当数据包上传完成后，集中器还会自检监控中心是否下发控制指令并进行相应处理。

4 监控中心及移动终端功能分析

监控中心的主要任务是接收GSM网络传输的传感器数据，并进行分类归档和后续处理。与用户交互时，监控中心具备图形界面可视化、数据表格导出等基本功能。还可以支持向指定设备发出指令，控制设备的工作状态。其业务功能如图8所示。

移动终端为手持终端，方便用户远程查询传感设备采集的数据，以图表的形式反馈植被生长的实时环境信息。实际操作中，移动终端可连接监控中心查看设备在线状态，选择跟踪设备数据采集信息，设置上下报警阈值，使用折线图记录数据趋势，直观显示数据波动情况，随时随地掌握现场环境信息。其业务功能如图9所示。

5 结论

本文基于物联网的基本架构，设计了一种基于ZigBee和GPRS无线传输技术的环境监测系统，旨在解决实验园区古树名木生长研究带来的不便。图10 系统终端及现场测试图 所设计系统的硬件部分包括电源模块、终端节点和集中器，给出了各模块的硬件设计框图。终端和现场测试如图10所示。针对监控系统的实际应用以及各硬件模块的实现功能，分析了相关设备的工作特性，设计了传感器数据采集、提出了包装处理和无线通信，并给出了一些流程图。同时，根据监控中心和移动客户端的使用需求提供了具体的功能框图。系统24小时不间断传输测试包接收情况如图11所示。从图中可以看出，由于温度和湿度影响设备特性，出现丢包现象时延较小。整体接收稳定，全天收包率为95.79%，丢包率保持较小。实验表明，该系统在现场测试环境下全天候稳定可靠运行，能够较好地完成采集和传输任务，满足实际环境监测的应用需求。

参考

[1] 毛兴辉，唐丽玉，段慧丽。基于RFID的古树名木管理三维信息系统设计与实现[J].微型计算机及其应用，2014，33(6)：1013。

[2] 韩辉.基于RS485总线的温室环境检测系统[J]．仪器技术与传感器，2012（3）：2023。

[3] 杨静，白保良，李泽涛。温室环境监测系统设计——基于RS485总线和无线通信方法[J].农业机械化研究，2013，35(10)：166170。

[4]刘敏静.基于ZigBee无线传感器网络的农作物生长环境监测系统[D].济南：暨南大学，2014。

[5]韩英梅.冬季蔬菜生长环境测控系统设计[D].曲阜: 曲阜师范大学, 2011.

[6] 孙玉文.基于无线传感器网络的农田环境监测系统研究与实现[D].南京：南京农业大学，2013。

[7] 薛伟强.基于物联网的无线环境监测系统设计与软件实现[D].秦皇岛：燕山大学，2013。

[8]陈辉.基于ZigBee和GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统研究与实现[D].杭州：浙江大学，2013。

［9］王震.物联网时代的水质监测［J］．科学技术综述，2014（2）：5859。

[10] 谢卫平，蒋超，蒋克伟，等。太湖泛高发区物联网监测技术与预警系统[J].环境科学与技术, 2013, 26(1): 3942.

[11] HILLl JL，CULLER D E.Mica：深度嵌入式网络的无线平台[J]。 IEEE Micro，2002（6）：5255。