肖青青

摘 要

為克服傳統(tǒng)的秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提高信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，以ARMSTR710FR為控制核心，設(shè)計(jì)了傳感器的節(jié)點(diǎn)、集中器及相關(guān)接口電路等。其主要優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)牡统杀尽⒌凸募翱煽啃浴?/p>

關(guān)鍵詞

物聯(lián)網(wǎng);秸稈禁燒;ARMSTR710FR

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.072

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)進(jìn)程的不斷加快，農(nóng)業(yè)秸稈總量迅速增加，秸稈焚燒成了一個(gè)屢禁不止的老大難問(wèn)題，不僅造成環(huán)境污染和交通事故，也嚴(yán)重影響了農(nóng)耕環(huán)境，社會(huì)反響強(qiáng)烈，各級(jí)政府采取了各種措施來(lái)積極遏制，但是由于農(nóng)村地域廣闊，執(zhí)法難度很大，因此建立一個(gè)完善的秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)，形成長(zhǎng)效的禁燒監(jiān)測(cè)機(jī)制才是解決問(wèn)題的根本。

目前，國(guó)內(nèi)外秸稈露天禁燒都已列入法律法規(guī)，監(jiān)測(cè)機(jī)制除了利用人海戰(zhàn)術(shù)外，主要利用衛(wèi)星遙感進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是這種方法的精度不高，可以發(fā)現(xiàn)大面積的問(wèn)題，并且數(shù)據(jù)會(huì)有滯后，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了解決以上問(wèn)題，本項(xiàng)目采用Zigbee技術(shù)，利用其低成本和實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，在禁燒區(qū)域建立無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)能隨時(shí)將預(yù)警信息發(fā)送到監(jiān)控人手機(jī)或者電腦終端，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和無(wú)人值守，并且在后期可以逐步擴(kuò)大區(qū)域，劃分區(qū)域網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)控，形成長(zhǎng)效的督查機(jī)制。

1 秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是構(gòu)建一個(gè)區(qū)域性的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于禁燒區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制及自動(dòng)預(yù)警等功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在禁燒監(jiān)控區(qū)域內(nèi)分布溫度、煙度、紅外可視傳感器節(jié)點(diǎn)，組建傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于該區(qū)域的信息采集，將信息送到集中器模塊分析處理，再通過(guò)ZigBee模塊和GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心和移動(dòng)終端，當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警值時(shí)能迅速報(bào)警。同時(shí)也能通過(guò)計(jì)算機(jī)和移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置的控制，比如重啟，關(guān)機(jī)及相關(guān)參數(shù)的調(diào)整等。因?yàn)閭鞲衅鞯膲勖苯記Q定了整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的壽命，而控制器的性能決定了監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理能力，因此在器件選擇時(shí)應(yīng)格外注意能耗，信息實(shí)時(shí)性及工作環(huán)境等方面的問(wèn)題。

1.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)所采用的傳感器主要是煙氣溫度傳感器，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括處理器模塊、無(wú)線通訊模塊、存儲(chǔ)模塊、傳感器模塊和電源模塊五個(gè)組成部分。其中處理器模塊是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心部件，其作用是分析、處理采集的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)任務(wù)和能耗的合理管理，執(zhí)行通訊協(xié)議等;無(wú)線通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)信息的接收和發(fā)送，其在整個(gè)節(jié)點(diǎn)中占用的能耗相對(duì)較高，可以通過(guò)算法進(jìn)行優(yōu)化;存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)能力的大小可以根據(jù)需要而選擇，也可以進(jìn)行一定的擴(kuò)展，其主要作用是暫存相關(guān)數(shù)據(jù);傳感器模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的前端部分，主要負(fù)責(zé)在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所需的煙度溫度信號(hào);電源模塊的作用是為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件框圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中處理器使用的是TI公司的CC2510芯片，它是由無(wú)線收發(fā)芯片以及增強(qiáng)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(dòng)模式之間轉(zhuǎn)換，可以增長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命，能滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHZ的波段應(yīng)用，結(jié)合了4KB的RAM、32KB的可編程閃存及強(qiáng)大的外圍模塊。由于該芯片內(nèi)置資源比較完整，所以在節(jié)點(diǎn)硬件電路中只需要附加電源、晶振及復(fù)位電路、煙氣溫度傳感器、運(yùn)行指示等。本設(shè)計(jì)采用電池供電，外置兩個(gè)晶振Y1及Y2，其中Y1為主晶振，Y2能選擇配置，為CC2510提供精準(zhǔn)時(shí)鐘源，用以調(diào)節(jié)CC2510的工作狀態(tài)，幫助快速休眠及喚醒。秸稈焚燒屬于低溫狀態(tài)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(cè)試監(jiān)控區(qū)域內(nèi)氣體濃度和溫度，其尺寸小、穩(wěn)定性好、功耗低、靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快。

1.3 集中器硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)群按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，組成了傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)由集中器來(lái)統(tǒng)一管理，集中器負(fù)責(zé)集合區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)，將信息進(jìn)行匯總，并將數(shù)據(jù)處理后傳送給用戶端，當(dāng)數(shù)據(jù)超出了用戶設(shè)定的預(yù)警值時(shí)，及時(shí)向計(jì)算機(jī)及手機(jī)終端進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶主站的命令，調(diào)配執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如進(jìn)行關(guān)機(jī)、重啟或者調(diào)整參數(shù)等。每個(gè)小區(qū)域由一個(gè)集中器管理，這樣可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)格化，推而廣之，可以形成更大區(qū)域的無(wú)線監(jiān)測(cè)。

如圖3所示，集中器的電路設(shè)計(jì)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(kuò)展，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，32個(gè)雙向I/O口等，指令長(zhǎng)度固定、執(zhí)行效率高、體積小、低成本、低功耗。其外圍電路包括CC2510無(wú)線通信模塊，用以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊;GSM模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)終端的通訊;FLASH存儲(chǔ)芯片;兩種接口轉(zhuǎn)換電路，即以太網(wǎng)接口電路和CAN總線接口電路。

1.4 相關(guān)接口電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)區(qū)域中的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)CC2510將采集的信息發(fā)送給集中器，然后集中器將信息收集，處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)或者移動(dòng)終端，反之，也可以將用戶的命令傳輸給傳感器節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。在這一系列信息傳遞中，需要采用相關(guān)通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)通訊接口電路，微處理器STR710FR與計(jì)算機(jī)之間可以通過(guò)CAN總線或者RS485總線直接連接到計(jì)算機(jī)，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)可以通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)無(wú)線射頻傳輸實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊，或者通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)終端的通訊。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過(guò)監(jiān)測(cè)范圍來(lái)界定采用哪種方式進(jìn)行通訊，結(jié)合環(huán)境要求，可以設(shè)計(jì)串口通訊接口、以太網(wǎng)通訊接口和CAN接口，以以太網(wǎng)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，功耗低，性能穩(wěn)定，使用靈活，能根據(jù)需求將物理層接口、工作方式及數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以適應(yīng)不同環(huán)境的需求，是比較理想的選擇。

2 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成框架、傳感器節(jié)點(diǎn)的組成及硬件部分、集中器電路以及相關(guān)接口電路，主要的創(chuàng)新點(diǎn)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)中，可以降低能耗、節(jié)約成本、并且使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)。設(shè)計(jì)中也依然存在一些需要進(jìn)一步研究的地方，比如軟件部分的設(shè)計(jì);傳感器網(wǎng)絡(luò)如何更好地實(shí)現(xiàn)全覆蓋、不重疊;以及為了使整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)盡可能有更長(zhǎng)的壽命，如何通過(guò)相應(yīng)算法來(lái)更好地調(diào)配節(jié)點(diǎn)的休眠和主動(dòng)機(jī)制的轉(zhuǎn)換等，因此后期將會(huì)從這幾個(gè)方面繼續(xù)改進(jìn)完善整個(gè)系統(tǒng)。

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