張菊 江朝暉 李博 高健

摘 要：針對(duì)竹林環(huán)境監(jiān)測(cè)中地形復(fù)雜、供電及通信不便和成本較高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款太陽(yáng)能供電的竹林環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可對(duì)空氣和土壤多參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、高精度采集，并具有SD卡存儲(chǔ)和GPRS傳輸功能。系統(tǒng)性價(jià)比高，使用簡(jiǎn)單，易于二次開(kāi)發(fā)，有利于竹資源的管理、開(kāi)發(fā)和利用。

關(guān)鍵詞：竹林環(huán)境;多參數(shù)采集;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)庫(kù);存儲(chǔ);傳輸

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）01-00-05

0 引 言

中國(guó)是世界上竹類資源最豐富的國(guó)家，對(duì)竹子的培育和利用已有6 000多年歷史[1]。竹子屬于綠色植物，具有空氣凈化、氣候調(diào)節(jié)、防風(fēng)固沙、防止水土流失等生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能[2]，也是優(yōu)質(zhì)的建筑和編制材料，同時(shí)竹筍還是營(yíng)養(yǎng)豐富的食材。發(fā)展竹子對(duì)解決貧困問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題、社會(huì)問(wèn)題具有顯著的效益[3]。對(duì)竹林環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、低誤差、高精準(zhǔn)、遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)是竹子生長(zhǎng)發(fā)育管理和林下種植養(yǎng)殖管理的需要[4]。雖然近年來(lái)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，但是對(duì)竹林生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)依然存在許多問(wèn)題，主要包括野外供電困難[5]、通信不便[6]、環(huán)境參數(shù)多、地形復(fù)雜、成本高[7-8]等。

針對(duì)以上問(wèn)題，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實(shí)用的竹林環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可采集空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2含量、土壤溫濕度等，可將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，待SD卡存儲(chǔ)后可通過(guò)GPRS遠(yuǎn)程發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)，該系統(tǒng)有利于竹資源的管理、開(kāi)發(fā)和利用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

竹林環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要采集空氣溫濕度及光照強(qiáng)度、CO2含量、土壤溫濕度等，且數(shù)據(jù)精度需符合標(biāo)準(zhǔn)、采集間隔可設(shè)置、傳感器可增減、能夠全天候連續(xù)工作、可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。需要解決竹林供電和通信不便、環(huán)境因素變化大、地形復(fù)雜等實(shí)際問(wèn)題。竹林環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主控模塊、傳感器模塊、顯示存儲(chǔ)通信模塊和太陽(yáng)能供電模塊，如圖1所示，可滿足大范圍、多參數(shù)、連續(xù)、自動(dòng)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的需求，達(dá)到使用方便、性價(jià)比高、應(yīng)用范圍廣的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）主控模塊主要由采用STM32F103的嵌入式微處理器和繼電器組成，負(fù)責(zé)間斷性數(shù)據(jù)采集和處理。

（2）傳感器模塊的傳感器組采用RS 485輸出數(shù)字信號(hào)，通過(guò)Modbus協(xié)議讀取實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)值。

（3）顯示存儲(chǔ)通信模塊由液晶顯示屏、SD卡、GPRS模塊組成，完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程通信。

（4）太陽(yáng)能供電模組由太陽(yáng)能板、控制器、蓄電池組成，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，解決了野外無(wú)法使用市電的問(wèn)題。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊選擇基于Cortex-M3的32位嵌入式微處理器STM32F103ZET6。該處理器具有低功耗、短延遲、低成本等優(yōu)點(diǎn)，芯片主頻可達(dá)72 MHz，內(nèi)置512 KB閃存和64 KB SRAM，片內(nèi)硬件資源豐富，擁有5個(gè)串口、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)I2C、3個(gè)12位ADC、3個(gè)SPI、2個(gè)DMA控制器[9-10]。

為了降低功耗，通過(guò)PNP三極管控制SRD-05VDC繼電器間斷給傳感器組供電。繼電器有5個(gè)引腳，分別為VCC，GND，公共端，常開(kāi)端及常閉端。繼電器線圈需要流過(guò)較大的電流（約50 mA）才能使繼電器吸合，即公共端連接常開(kāi)端，一般的集成電路無(wú)法提供大電流，因此必須進(jìn)行擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)。采用PNP控制，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，三極管飽和，從而使繼電器線圈有符合要求的電流流過(guò)，使繼電器吸合;相反，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，三極管截止，繼電器釋放。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要由TTL轉(zhuǎn)485模塊（TTL-RS 485 Module）、集線器和3組土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強(qiáng)度、CO2濃度傳感器組成。本次設(shè)計(jì)中將傳感器分為3組，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)，達(dá)到全面了解竹林生長(zhǎng)環(huán)境的目的。而RS 485協(xié)議則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式，最大速率可達(dá)10 Mbps，傳輸距離超千米。在本次設(shè)計(jì)中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及后續(xù)的擴(kuò)展升級(jí)，采用RS 485通信方式與性能相對(duì)優(yōu)越的MAX485通信芯片[11]。

采用土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強(qiáng)度、CO2濃度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這些皆為通用RS 485型傳感器，使用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議。所有傳感器通過(guò)集線器連接到TTL轉(zhuǎn)485模塊上，TTL轉(zhuǎn)485模塊與主控模塊的串口相連，每個(gè)傳感器預(yù)先設(shè)置一個(gè)不同的設(shè)備地址，然后主控模塊通過(guò)向每個(gè)地址發(fā)送查詢命令來(lái)讀取各傳感器的數(shù)據(jù)。以第一組傳感器為例，命令如圖2所示。

2.3 顯示存儲(chǔ)通信模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)顯示

選用3.5寸的TFT液晶屏模塊，工作電壓為3.3 V，最大工作電流為70 mA。支持320×240分辨率，內(nèi)置230 KB內(nèi)存，可顯示文字和圖形，采用LED背光設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件可對(duì)背光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)[12]。在液晶顯示屏上顯示傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶通過(guò)按鍵控制液晶是否背光，以降低功耗。

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本次設(shè)計(jì)為了后續(xù)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，采用SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)使用SDIO接口，包括CLK，CMD及4條DAT[3：0]信號(hào)線。同時(shí)，采用文件系統(tǒng)FATFS以高效管理SD卡的存儲(chǔ)內(nèi)容（FATFS是為了存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)而在存儲(chǔ)介質(zhì)上建立的組織結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)通用的文件系統(tǒng)模塊，可在小型嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)）。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)通過(guò)向程序中移植FATFS文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 數(shù)據(jù)通信

本次設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡后及時(shí)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)，以供用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。采用GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)，GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的簡(jiǎn)稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端、廣域的無(wú)線IP連接，優(yōu)點(diǎn)在于傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線、可實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、以流量收費(fèi)、價(jià)格合理、基于IP協(xié)議可以訪問(wèn)整個(gè)Internet[13]。

主控芯片收到各傳感器返回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口經(jīng)GPRS部分發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)還可提前通過(guò)按鍵控制是否選擇通過(guò)短信發(fā)送數(shù)據(jù)到用戶手機(jī)，以便能夠?qū)崟r(shí)了解竹林生長(zhǎng)狀況。模塊與主控芯片的通信協(xié)議是AT命令集，在數(shù)據(jù)發(fā)送前需要先對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化、查詢狀態(tài)并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息[14]。

2.4 供電模塊

本系統(tǒng)主要工作在野外密林環(huán)境中，設(shè)備無(wú)法供應(yīng)市電，因此采用太陽(yáng)能板+控制器+蓄電池方案，將設(shè)備與太陽(yáng)能控制器負(fù)載端相連，即可獲得5 V和12 V兩路電源。

各模塊供電主要有3路，一路5 V電壓給GPRS模塊、繼電器供電;一路5 V電壓通過(guò)AMS1117-3.3模塊降壓到3.3 V給主控芯片、液晶顯示屏、SD卡模塊供電;一路12 V電壓通過(guò)XL6009模塊升壓到24 V給傳感器組供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作軟件

為節(jié)省功耗，主控芯片每隔1小時(shí)進(jìn)入一次低功耗模式，再通過(guò)定時(shí)器中斷喚醒進(jìn)行采集、顯示、存儲(chǔ)、通信工作。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

3.2 通信軟件

為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)獲得的問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集后可通過(guò)GPRS通信將數(shù)據(jù)傳送至自己搭建的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，用戶可通過(guò)按鍵選擇是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)端。GPRS通信部分軟件流程如圖4所示。

4 測(cè)試及結(jié)果

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)備的可靠性、實(shí)用性，在涇縣的毛竹林里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。將3組傳感器放置在主控模塊的3個(gè)方向，全面監(jiān)測(cè)竹林生長(zhǎng)環(huán)境。終端部分的體積為103 mm×80 mm×30 mm，成本小于60元。每小時(shí)消耗0.55 W電量，采用12 V/20 A·h的鉛酸蓄電池，在沒(méi)有光照的情況下連續(xù)工作時(shí)間大于430 h，在實(shí)際天氣狀況下可連續(xù)可靠工作。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)展示

數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可及時(shí)了解竹林生長(zhǎng)環(huán)境，并供后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4.3 SD卡存儲(chǔ)展示

在野外竹林進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中的展示如圖6所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)置每隔一小時(shí)采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，包括3組土壤溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、空氣濕度、空氣溫度共18個(gè)數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

竹林環(huán)境參數(shù)對(duì)竹筍、成竹的生長(zhǎng)發(fā)育以及林下種植、養(yǎng)殖都非常重要，需要實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、高效地監(jiān)測(cè)竹林生長(zhǎng)環(huán)境，包括土壤濕度、土壤溫度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、空氣濕度、空氣溫度。

本文針對(duì)竹林供電和通信不便、環(huán)境因素變化大、地形復(fù)雜等實(shí)際情況，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實(shí)用的竹林環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在涇縣毛竹林進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明數(shù)據(jù)完整、精確，硬件性價(jià)比高，使用簡(jiǎn)單，易于二次開(kāi)發(fā)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。下一步的工作是進(jìn)一步降低功耗，完善數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行可視化分析。本系統(tǒng)有利于竹資源的管理、開(kāi)發(fā)和利用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊宇明，輝朝茂.中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的前景和對(duì)策研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2000（5）：36-40.

[2]汪奎宏，李琴，高小輝.竹類資源利用現(xiàn)狀及深度開(kāi)發(fā)[J].竹子研究匯刊，2000，19（4）：72.

[3]輝朝茂，楊宇明，郝吉明.論竹子生態(tài)環(huán)境效益與竹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（4）：25-29.

[4]單桂朋，江朝暉，孫云云.基于OneNet平臺(tái)的作物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（12）：16-19.

[5]王松寧.分布式太陽(yáng)能電池充電及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].福建交通科技，2011（3）：85-87.

[6]何金輝.基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[7]張永戰(zhàn)，賀立龍，朱亮.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代傳感器低成本化發(fā)展的思考[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（12）：32-35.

[8]徐開(kāi)先，馬麗敏.傳感器是國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（12）：1-4.

[9]紀(jì)超，王昆.飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)無(wú)線原位檢測(cè)技術(shù)研究[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2015，34（3）：13l-135.

[10]劉虎，王紫婷，張文婷.基于LabVlEW的STM32調(diào)試平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2012（4）：120-122.

[11]丁艷.基于STM32的太陽(yáng)能電池板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（1）：44-45.

[12]隋宗強(qiáng)，李立偉，張洪偉.基于STM32單片機(jī)的EMS液晶顯示觸摸屏設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2012，29（3）：47-49.

[13]周洋.基于GPRS無(wú)線傳輸系統(tǒng)的研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2012.

[14]江朝暉，檀春節(jié)，支孝勤，等.基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測(cè)儀研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（1）：79-82.