楊曉迪, 古麗米拉·克孜爾別克, 孫 偉

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基于物聯(lián)網(wǎng)的新疆干旱區(qū)城市防護(hù)林溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)①

楊曉迪, 古麗米拉·克孜爾別克, 孫 偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院, 烏魯木齊 830000)

針對新疆干旱區(qū)城市防護(hù)林面積廣闊、氣候干燥缺水, 工作人員測量數(shù)據(jù)任務(wù)量大, 難以做到數(shù)據(jù)采集及時、準(zhǔn)確, 林業(yè)管理部門監(jiān)管難度大等特點, 將GSM無線通信技術(shù)及嵌入式技術(shù)結(jié)合在一起,設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的新疆干旱區(qū)城市防護(hù)林溫濕度監(jiān)測系統(tǒng). 系統(tǒng)利用溫濕度傳感器, 結(jié)合現(xiàn)有嵌入式微處理器的開發(fā)和控制水平, 開展基于GSM的遠(yuǎn)距離無線傳輸數(shù)據(jù)的研究, 達(dá)到通過手機和電腦實現(xiàn)對溫濕度的監(jiān)測和管理的目的. 測試表明, 該系統(tǒng)具有良好的實用性、可靠性和可擴(kuò)展性.

溫濕度; 干旱區(qū); 嵌入式; GSM; 傳感器

1 引言

在世界范圍內(nèi), 特別是干旱無雨或少雨的荒漠地區(qū), 土地荒漠化對人類生產(chǎn)與生活造成很大威脅, 已引起人們普遍的關(guān)注. 例如地處中國西北邊陲的新疆, 總面積占全國陸地總面積的六分之一, 氣候干燥少雨, 是典型的內(nèi)陸荒漠區(qū), 到處都有遭受荒漠化的可能. 在新疆建設(shè)以林為主的完整的防護(hù)林體系, 能夠有效地維護(hù)和鞏固綠洲的生態(tài)平衡, 并進(jìn)而擴(kuò)大綠洲[1-3]. 據(jù)調(diào)查, 在新疆庫爾勒市近10多年來開展的荒山綠化過程中, 水資源的供需矛盾將會變得日益突出和激烈, 荒山綠化工程對庫爾勒市的用水需求量很難得到滿足, 會逐步影響到庫爾勒市荒山綠化成果的管護(hù)水平, 進(jìn)而極大地影響森林的生態(tài)防護(hù)能力和效能. 建設(shè)林業(yè)生態(tài)情況監(jiān)控體系將會為林業(yè)資源的生態(tài)保護(hù)和水資源合理利用起到至關(guān)重要的作用.

隨著信息技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展, 物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)走進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域. 目前公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)定義是國際電信聯(lián)盟給出的: 通過智能傳感器、射頻識別(RFID)、激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感等信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)和其他基于物-物通信模式(M2M)的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò), 按照約定的協(xié)議, 把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來, 進(jìn)行信息交換和通信, 以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨大智能網(wǎng)絡(luò)[4,5]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)的多個方面已經(jīng)得到了初步應(yīng)用, 并具有非常廣闊的應(yīng)用前景, 但還處于起步階段, 應(yīng)用范圍小, 技術(shù)水平低, 尚需不斷總結(jié)探索, 拓展物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域[6].

在國際上, 林業(yè)方面的技術(shù)己經(jīng)走進(jìn)了系統(tǒng)性階段. 例如加拿大研究人員高效地使用地理信息技術(shù), 并利用遙感和GPS系統(tǒng)收集數(shù)據(jù), 通過功能強大的Arc/Info分析工具從各類信息中獲取到空間信息, 最終建立了著名的加拿大林業(yè)資源數(shù)據(jù)庫CFRDS (Canadian Forest Resource Data System)[7]. 此外, 美國的Patlatc公司建立了林業(yè)經(jīng)營系統(tǒng), 該系統(tǒng)是依托于地理信息系統(tǒng)的, 功能強大, 既能夠即時的提供樹木的信息和林業(yè)上的采伐情況的信息, 又能夠顯示林業(yè)相關(guān)專題圖[8]. 最近幾年, 國內(nèi)許多研究單位和高等學(xué)校開展了森林環(huán)境的監(jiān)測研究, 但是已經(jīng)投入使用的很少. 中國林業(yè)科學(xué)研究院構(gòu)建的對林業(yè)環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)是基于無線傳感網(wǎng)的, 它能夠?qū)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)進(jìn)行云存儲和共享[9]. 南京林業(yè)大學(xué)在紫金山地區(qū)構(gòu)建了基于無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[10]. 此外, 香港的科技大學(xué)和浙江的農(nóng)林大學(xué)聯(lián)合構(gòu)建了一個對林業(yè)郁閉度與火災(zāi)風(fēng)險預(yù)估的監(jiān)測性系統(tǒng)[11].

林業(yè)具有鮮明的行業(yè)特點, 如面積廣闊和樹木生長周期長, 林業(yè)工作人員和管理部門的測量任務(wù)量大、時間周期長, 難以得到準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù), 監(jiān)測難度大[12]. 林業(yè)的主要測量數(shù)據(jù)為溫濕度數(shù)據(jù), 溫濕度監(jiān)測對樹木生長、火災(zāi)預(yù)警、病蟲害防治和節(jié)水等方面起到重要作用[13-16]. 目前, 基于GSM網(wǎng)路的數(shù)據(jù)傳輸在許多領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用, 特別是在工作環(huán)境惡劣、地理位置偏僻、無人值守場所等領(lǐng)域. 基于以上事實, 本文考慮將GSM技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合, 利用GSM技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸, 利用溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過嵌入式技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理, 最終, 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上, 實現(xiàn)實時監(jiān)測, 并可以通過短信方式及時提醒工作人員. 因此, 本系統(tǒng)具有研究的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值, 符合當(dāng)前的實際應(yīng)用需要.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文研究的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、無線通信模塊、STM32處理器、PC機和手機等構(gòu)成, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器, STM32處理器等. 采集的數(shù)據(jù)通過RS-232接口與GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端相連, 通過GSM傳輸終端將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送出去. 同時, 可以接受監(jiān)測端發(fā)送的指令, 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.

2.2 GSM網(wǎng)絡(luò)

采集終端采集的數(shù)據(jù), 經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)接口功能模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)送, 通多GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸, 最終傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心.

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理中心

數(shù)據(jù)監(jiān)測處理中心負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、整理和綜合分析. 管理人員可以通過電腦查看分析溫濕度的變化對植物的生長影響, 從而達(dá)到預(yù)測災(zāi)害保護(hù)防護(hù)林的目的.

3 系統(tǒng)硬件介紹

系統(tǒng)硬件主要分為數(shù)據(jù)采集平臺和數(shù)據(jù)顯示平臺兩大部分.

3.1 數(shù)據(jù)采集平臺

數(shù)據(jù)采集平臺采用32位基于ARM微控制器STM32F103VET6作為主控芯片, 連接溫濕度傳感器和SIM900A無線傳輸芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)發(fā)送端.

STM32F103VET6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核, 工作頻率為72MHz, 內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM), 豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè), 包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器, 還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口: 多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN. STM32F103VET6工作于-40°C至+105°C的溫度范圍, 供電電壓2.0V至3.6V, 睡眠模式、停機模式、待機模式等一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求.

無線通信芯片方面采用SIM900A串口(UART)通信, 使用控制器連接到SIM900A的TTL接口或USB口, 使用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令對SIM900A進(jìn)行控制, 實現(xiàn)發(fā)短信等功能.

溫濕度傳感器方面采用密封性好、耐腐蝕的HL-TR05型號的土壤溫濕度傳感器和SHT20型號的空氣溫濕度傳感器, 可快速、實時測量溫度和濕度, 穩(wěn)定性好, 測量精度高, 響應(yīng)速度快, 數(shù)據(jù)傳輸效率高.

3.2 數(shù)據(jù)顯示平臺

數(shù)據(jù)顯示平臺分為PC端和手持終端. 考慮到使用的方便性, 手持終端使用手機來實現(xiàn). 任何一臺可以接收和發(fā)送短信的手機都可以作為手持終端來接收溫濕度等相關(guān)數(shù)據(jù). 工作人員接到短信后就可以根據(jù)當(dāng)時的溫濕度情況及提示信息進(jìn)行相應(yīng)操作. PC端主要由PC和SIM900A芯片構(gòu)成. SIM900A用于接收溫濕度傳感器測量的數(shù)據(jù), 并通過串口傳輸?shù)絇C中. PC讀取串口數(shù)據(jù)并且進(jìn)行存儲處理, 使得管理人員可以隨時查看實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù), 起到監(jiān)督的作用.

4 系統(tǒng)的程序設(shè)計

系統(tǒng)的程序主要包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送程序、數(shù)據(jù)讀取和存儲程序、數(shù)據(jù)顯示程序.

4.1 數(shù)據(jù)采集和發(fā)送程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊是在STM32端用C語言實現(xiàn)的, 主程序流程圖如圖2所示.

STM32微處理器通過串行接口(單線雙向)與傳感器進(jìn)行同步和通訊. 系統(tǒng)主要是通過定時和接收命令兩個方式確定溫濕度的發(fā)送時間. 首先進(jìn)行初始化設(shè)置, 包括所有外設(shè)的復(fù)位, 初始化Flash界面和系統(tǒng)定時器, 配置系統(tǒng)時鐘, 初始化輸入輸出口、收發(fā)器、控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口, 設(shè)置時鐘當(dāng)前時間. 然后使SIM900A開機并握手, 保證指令能夠發(fā)送成功. 判斷定時時間到達(dá)或者收到發(fā)送短信指令時, 獲取傳感器數(shù)據(jù)并且編輯成短信發(fā)送給指定手機號碼, 判斷是否發(fā)送成功, 如果發(fā)送成功, 獲取當(dāng)前時間并重新做判斷, 否則, 重新獲取傳感器數(shù)據(jù)并且編輯成短信發(fā)送給指定手機號碼.

圖2 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊軟件流程圖

4.2 數(shù)據(jù)讀取、存儲和顯示程序設(shè)計

數(shù)據(jù)服務(wù)器是在PC端實現(xiàn)的, PC上運行著服務(wù)程序. 服務(wù)程序使用Python語言進(jìn)行開發(fā). 選擇Python語言是因為Python具有豐富和強大的庫, 尤其是有一款輕量級 Web 應(yīng)用框架Flask. 使用Flask結(jié)合HTML和JavaScript, 能輕松實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的界面展示. 服務(wù)程序由串口數(shù)據(jù)讀取程序、數(shù)據(jù)存儲程序、數(shù)據(jù)顯示程序構(gòu)成.

數(shù)據(jù)讀取和存儲程序使用Python語言進(jìn)行開發(fā), 通過串口與無線傳輸模塊進(jìn)行通信, 讀取接收到的溫濕度數(shù)據(jù)并存儲到Mysql數(shù)據(jù)庫中. 軟件流程圖如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)讀取模塊軟件流程圖

要將數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁上需要使用Flask技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)站, 然后連接數(shù)據(jù)庫, 從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)交給顯示界面. 對于界面的顯示, 使用一塊開源的圖表庫chart.js, chart.js是一款純javascript編寫的圖表庫, 能夠很簡單便捷的在Web網(wǎng)站或Web應(yīng)用中添加交互性的圖表. 其中的一個插件jQchart是一個jQuery的圖表插件, 用來繪制圖表, 支持各種形狀的圖表. 對于界面的瀏覽采用認(rèn)證的方式. 用戶通過瀏覽器訪問Web界面.

對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行測試, 運行結(jié)果如圖4至圖6所示. 系統(tǒng)可以按照預(yù)想的結(jié)果進(jìn)行, 發(fā)送端能夠按照設(shè)定的內(nèi)容發(fā)送短信到指定手機號碼上, 時間沒有出現(xiàn)太大偏差, 內(nèi)容沒有出現(xiàn)亂碼, 接收端能夠正常接收短信并通過串口讀取和刪除短信內(nèi)容、提取和存儲溫濕度數(shù)據(jù)等信息, 并且能夠正確讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁的形式顯示數(shù)據(jù)折線圖, 表明系統(tǒng)能夠正常運行, 實現(xiàn)預(yù)期的功能.

圖4 PC端接收程序運行截圖

圖5 數(shù)據(jù)庫存儲表數(shù)據(jù)截圖

圖6 溫濕度變化折線圖網(wǎng)頁截圖

5 測試結(jié)果

系統(tǒng)的測試包括系統(tǒng)的性能測試和系統(tǒng)的精度測試.

系統(tǒng)的性能測試主要是系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試, 目的是測試系統(tǒng)是否可以正常運行. 設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)采集時間間隔為30分鐘, 并發(fā)送到接收端手機號碼上. 接收端讀取數(shù)據(jù)并存儲. 如圖7所示是某日對溫濕度數(shù)據(jù)的測量值變化曲線圖, 在14:30由于澆水使得濕度大幅度提升.

系統(tǒng)的性能測試結(jié)果: 手機可以得到短信提示當(dāng)時的溫濕度情況, 同時, 從界面上可以看到溫濕度的情況, 測試結(jié)果表明了系統(tǒng)可以在較長時間穩(wěn)定運行并且測量的溫濕度值變化趨勢與實際情況沒有太大出入, 基本相符, 該系統(tǒng)具有可行性.

圖7 溫濕度變化曲線圖

由于市場上買到的溫濕度測量儀也是存在誤差的, 不能當(dāng)成準(zhǔn)確值, 只能作為參考, 本文的精度測量實驗采用自身對比的方式. 如表1所示是同一時刻連續(xù)對空氣和土壤的溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行測量的一組數(shù)據(jù)值.

系統(tǒng)的精度測試結(jié)果: 溫度誤差小于0.2℃, 濕度誤差小于1% RH, 空氣溫濕度和土壤溫濕度數(shù)據(jù)誤差都在允許范圍內(nèi), 滿足使用要求, 表明該系統(tǒng)具有一定的準(zhǔn)確性.

表1 溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)(單位: ℃、%)

表2是測試不同長度的短信丟包率情況. 每組數(shù)據(jù)100條短信, 以每分鐘4條短信的速度進(jìn)行發(fā)送, 無丟包的現(xiàn)象, 表明系統(tǒng)具有可靠性.

表2 短信的丟包率測試

從測試結(jié)果可知該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性, 對未來新疆干旱區(qū)城市防護(hù)林溫濕度監(jiān)測具有很好的參考價值和指導(dǎo)意義.

6 結(jié)語

本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的新疆干旱區(qū)城市防護(hù)林溫濕度監(jiān)測系統(tǒng), 利用STM32處理器獲取溫濕度傳感器采集到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并通過SIM900A模塊以短信方式遠(yuǎn)距離無線傳輸給林業(yè)工作人員的手機中和PC端的SIM900A中, PC通過讀取SIM900A串口數(shù)據(jù), 獲取環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫中, 使林業(yè)管理部門可以通過網(wǎng)頁查詢溫濕度數(shù)據(jù)及變化情況. 經(jīng)測試, 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠, 具有安裝方便, 無需布線, 可擴(kuò)展性強的特點, 具有很強的實用性. 應(yīng)用于庫爾勒市這類典型的極端干旱區(qū)域開展荒山綠化工作以改善環(huán)境, 將有利于節(jié)省大量水資源, 并有助于實時監(jiān)管庫爾勒市防護(hù)林的溫濕度狀況. 總之, 基于物聯(lián)網(wǎng)的新疆干旱區(qū)城市防護(hù)林溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)將對水資源的節(jié)約、環(huán)境的保護(hù)、人力物力的節(jié)省和防護(hù)林養(yǎng)護(hù)情況的監(jiān)管等有很大的幫助.

1 新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)廳.新疆林業(yè)概況.http://www. xjlyt.gov.cn/Get/xjly/183821686.htm.

2 新疆林業(yè)科技信息網(wǎng).新疆農(nóng)田防護(hù)林體系的結(jié)構(gòu)及其基本功能原理.http://www.xjlykj.cn/article/show.asp?id=1357.

3 Hostetler JK.城市防護(hù)林.林業(yè)科技,1981,(3).

4 ITU Strategy and Policy Unit. ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things. Geneva International Telecommunication Union(ITU), 2005.

5 盧書海,劉帥,李建軍,曹旭鵬.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其在林業(yè)中的應(yīng)用.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(11):181–185.

6 李春勇.物聯(lián)網(wǎng)及其在林業(yè)中的應(yīng)用.北京農(nóng)業(yè),2013, (18):84.

7 Chenoweth RE. A face analysis of visualization for environmental management. Landscape and Urban Planning. 1999, 21(4): 247–251.

8 張茜.CASS林業(yè)制圖功能的集成與實現(xiàn)[碩士學(xué)位論文] .北京:北京林業(yè)大學(xué),2010.

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10 Jiang X, Zhou G, Liu Y, et al. Wireless sensor networks for forest environmental monitoring. 2010 2nd International Conference on Information Science and Engineering (ICISE). 2010. 2514–2517.

11 Sabit H, Al-Anbuky A, GholamHosseini H. Wireless sensor network based wildfire hazard prediction system modeling. Procedia Computer Science, 2011: 106–114.

12 藺生金.簡述物聯(lián)網(wǎng)在智慧林業(yè)建設(shè)中的應(yīng)用.內(nèi)蒙古林業(yè),2014,(4):20–21.

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14 董鑫,趙博.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)信息化管理中的應(yīng)用.河南農(nóng)業(yè),2014,(15):58.

15 孫全玲.物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)信息化中的應(yīng)用.木材加工機械, 2013,(2):53–55.

16 王穎,周鐵軍,李陽.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)信息化中的應(yīng)用前景.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,49(10):2601–2604.

Temperature and Humidity Monitoring System of the City Shelterbelt of Xinjiang Arid Areas Based on the Internet of Things

YANG Xiao-Di, KEZIERBIEKE Gulimila, SUN Wei

(Institute of Computer and Information Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830000, China)

Due to the vast of urban shelter forest, water shortage, and dry climate, it is difficult to achieve timely and accurate data collection, and it is difficult for the forestry management department to supervise. Combining the GSM wireless communication technology and the embedded technology, the monitoring system of temperature and humidity of urban shelterbelt in arid area of Xinjiang based on Internet of Things is designed. The system uses the temperature and humidity sensor, combined with the development and control level of the existing embedded microprocessors, to carry out long-distance wireless transmission based on GSM data research, to achieve temperature and humidity monitoring and management purposes based on mobile phones and computers. Experiments show that the system has good practicality, reliability and scalability.

temperature and humidity; arid areas; embedded; GSM; sensor

2014年庫爾勒科技合作項目(KRLKJHZXM)

古麗米拉?克孜爾別克.Email:glml@xjau.edu.cn

2016-04-28;收到修改稿時間:2016-06-01

[10.15888/j.cnki.csa.005549]