低山丘陵信息采集系統協調節點的設計與實現

李圣普，王小輝

（平頂山學院 計算機科學與技術學院，河南 平頂山 467002）

當前人的行為因素和低山丘陵區域系統自身的雙重原因，低山丘陵區域生態系統出現了土壤侵蝕、水土嚴重流失、頻繁發生自然災害和生物種類減少等生態環境方面的問題，生態平衡嚴重破壞，使得當前對低山丘陵生態環境進行信息采集及實時監控的必要性和可行性。

低山丘陵信息采集系統的設計目標是對低山丘陵地區的光照強度、土壤溫濕度和空氣溫濕度等環境的實時檢測、匯總和分析，通過低山丘陵信息采集系統可以全方位檢測低山丘陵覆蓋面積的生態環境，可以實時感知檢測區域的生態壞境動態數據。通過分析對采用數據的水土植被復合系統來改善脆弱生態環境水土流失的主要措施，已作為低山丘陵生態破壞區生態恢復、開展農業生產的主要突破口[1-2]。

1 系統主要功能

低山丘陵信息采集系統的開發可以包含很多方面的內容，有很多功能的實現難度較大，本系統主要實現對采集區域內空氣和土壤的溫濕度以及光照度信息的采集和上傳。目前可以實現的功能有：

1)查看傳感器節點的空氣和土壤的實時溫濕度以及光照度的數值：利用全局變量傳遞有效的監測數據。

2)獲取協調器搜集整理的數據：通過套接字(socket)編程接收下位機發送過來的數據，并顯示在窗體之中。

3)精確定位采集區域：能夠在地圖界面查看協調器節點的準確位置。

4)實現對實時數據的采集與上傳以及對歷史數據的圖形化查看功能。

5)對環境指數預警控制功能：利用全局變量的狀態發送控制命令。將實時溫濕度和設定的溫濕度范圍進行比對，實現預警功能并發出相應的提示消息。

本文重點介紹協調器節點的設計。

2 協調器節點的設計與實現

2.1 協調器節點原理圖

在低山丘陵監控系統中設立協調器的目的是搭建了一個從傳感器節點到遠程服務器的橋梁，把采集到得數據已經定位信息通過協調器發送至遠程服務器。協調器節點主要由STC12C5A60S2單片機、GPS定位模塊、SIM900A GPRS模塊、UART串口轉Zig-bee無線模塊DRF1607H模塊組成。

各個模塊所負責的功能：

1)STC單片機是該節點的處理器，解析定位數據，接收各采集節點發送的有效信息并把位置信息和數據信息通過SIM900A GPRS模塊傳遞給遠程服務器[3]。

圖1 協調器節點的電路原理圖Fig.1 The principle diagram of the circuit

2)GPS工作模塊可以把從衛星接收到的信息發送到單片機進行處理。

3)SIM900A GPRS模塊把有效的位置信息以及數據信息傳遞給遠程服務器。

4)接口轉換模塊DRF1607H承擔是把從協調器接收到的信息交付給單片機[4]。

2.2 MCU的選型與設計

本系統設計采用STC公司生產的STC12C5A60S2處理芯片，該芯片的工作電壓較低，為5.5~3.5 V，被稱為5 V的處理芯片，它1T的機器周期。與之相對應的STC12LE5A60S2工作電壓更低，為3.6~2.2 V，被稱為3 V的處理芯片，更加節能，它也是1T的機器周期。該系列處理芯片工作性能更好處理能力強、功耗更低、工作中抗干擾能力也比較出色，所采用的指令代碼與傳統單片機兼容，同時處理速度有8～12倍的提升空間。正因為如此，本系統采用其作為協調器的控制芯片。

本系統采用其作為控制芯片還有一個重要的原因是，考慮到該系統需要用來通信的串口有3個，第一個用來接收Zigbee接收到的數據信息，第二個用來接收GPS的定位信息，第三個用來把處理得到的有效數據信息，交付給SIM900A模塊，通過GPRS技術利用其Internet接入技術，可以順利的把系統采集到的生態數據匯集到上位機配置好的數據庫中。

2.3 Zig-bee模塊的實現

本系統在協調器節點和終端節點之間，采用Zig-bee無線通訊協議，Zig-bee無線通訊協議可以主動自組網，運行能耗也比較低，工作中抗干擾能力也比較好。系統設計中采用了透傳形式的模塊，該類型的模塊開發難度低、集成程度高，便于系統開發設計，可以在終端傳感器、終端處理芯片與協調器節點處理芯片之間搭建一個簡易快速的橋梁，實現低山丘陵生態數據采集網絡的快速搭建和便捷的后續維護[5-6]。

協調器節點通過Zig-bee模塊接收到數據產生串口接收中斷，然后進行對數據進行判斷，是否有丟失或差錯，接著便存入相應的數據緩沖區。其核心代碼如下：

1)產生中斷存入數據緩沖區：

2)主程序循環檢測，是否產生接收完畢的標志，若產生則檢查數據完整性，并存入相應緩沖區，否則丟棄：

2.4 GPS定位模塊的實現

本系統設計采用的GPS定位模塊基于的傳輸洗衣是NMEA-0183。系統中協調器節點作為一個小的信息采集網絡的中心，有GPS信息的需求，便于系統的物理定位，為后續網絡維護提供可靠的定位信息，同時配合上位機網絡地圖開發技術，在地圖上明細的標注采集點的位置。

作為該領域的重要標準協議，在定位系統中得到廣泛應用，眾多的接收器件、相關處理軟件和很多導航類別的軟件開發都會涉及到它，要充分考慮與該協議的兼容性。在開發中該協議的組成語句和語法比較繁瑣，對初學者有比較大的難度，但要實現基本的功能，真正用到的語句是很有限的，也就是那幾個常用語句就可以了。

下面僅針對該系統解析的定位信息$GPRMC字段定義解釋。

$GPRMC $GPRMC,012345.670,A,3123.4567,N,12345.6789,E,11.01,312.34,123456,,,A*50

根據以上協議內容的要求，我們采取的是專門針對$GPRM即Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推薦最小定位信息，該語句的解析，通過在串口中斷中檢測該語句的出現，并存入相應的內存空間，以此來保存定位信息。

2.5 GPRS模塊的實現

在協調器處理器STC12LE5A60S2接受到來自傳感器節點的數據信息和來自GPS的定位信息后，便等待響應定時器的定時中斷。一旦定時中斷到來，處理器便立即響應該定時中斷：建立TCP/IP連接，并且把數據信息和位置信息按照事先規定好的協議打包發送。

GPRS建立連接的過程：

1)建立一個TCP/IP連接：

sendstring2(AT_CIPSTART); //AT+CIPSTART="TCP","171.14.165.67","5000"

通過串口2發送AT+CIPSTART右側的指令，當檢測到串口2的接收緩沖區反饋信號"CONNECT OK",GPRS便建立起到固定IP:172.14.165.67，固定端口：5000的數據通道。

2)建立一個域名連接：sendstring2(AT_CLPORT);

//設置本地端口，使用tcp協議AT+CLPORT="TCP","5000"sendstring2(AT_CDNSCFG);

//設置域名解析服務器ip地址AT+CDNSCFG="222.88.88.88"

sendstring2(AT_CDNSORIP);//該參數為1設置使用域名作為連接方式

sendstring2(AT_CIPSTART1);

//"TCP","80pc.eicp.net","44198"，GPRS連接方式 連接地址(根據用戶實際域名修改)GPRS連接的端口

3)檢測反饋信號的代碼：

while(strsearch("CONNECT OK",SystemBuf2)!=0);

sendstring("GPRSCONNECT OK!");

代碼說明：while為檢測語句；sendstring為方便調試時的提示語句。當檢測到串口2的接收緩沖區反饋信號"CONNECT OK",GPRS便建立起到域名80pc.eicp.net，固定端口：44198的數據通道。

4)協調器節點向服務器發送數據格式如下：

*DG,15290764951,V2,B1,溫度土壤,濕度土,溫度空氣,濕度空氣,光照度,F#

*DG,15290764951,V1,2233.1055,N,11358.1257,E,F#

說明：*DG——頭部，保持不變；15290764951——（可變），協調器節點SIM卡號；V1——保持不變,代表GPS數據；V2表示數據；B1——節點一；2233.1055——緯度值；N——北緯，或S；11358.1257——經度值；E——東經，或W；F——代表4個檢測狀態是否檢測到異常，異常時為“0”，轉16進制型大寫字符串;#——尾部，保持不變。

3 結束語

低山丘陵生態采集系統要實現的功能有還很多。對低山丘陵基礎生態數據信息采集的，以及Zig-bee的組網方式將會不斷的變化[7]。Zig-bee的星型網絡雖然簡單易用但是還是有缺陷的，如果協調器不能正常工作了，整個系統就會癱瘓，所以說Zig-bee的組網方式很重要，在以后的設計中將會有進一步的改革，將會將這些問題發生的可能性降到最低。

[1]代媛.基于ZigBee無線傳感器網絡的農田信息監測研究[D].西安：西北農林科技大學,2010.

[2]韓華峰.農業環境信息遠程監控與管理系統設計[D].北京北京：中國農業科學院 2009.

[3]周益.基于Zigbee技術的無線傳感網絡拓撲設計與實現[D].蘇州：蘇州大學 2009.

[4]韓華峰.基于ZigBee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J].農業工程學報，2009(7):79-81.HANHua-feng.Based on the ZigBee network design and application of remote monitoring system of greenhouse environment[J].Journal of Agricultural Engineering,2009(7):79-81.

[5]周雅琴,譚定忠.無線傳感器網絡應用及研究現狀[J].傳感器世界，2009(5):53-57.ZHOU Ya-qin,TAN Ding-zhong.Wireless sensor network applications and research status of[J].Journal of sensors in the world,2009(5):53-57.

[6]Heinzelman W R,Chandrakasan Anantha P,Hari Balakrishnan,An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Trans on Wireless Communications,2002,1(4):660-670.

[7]Chen Xiaobo,Niu Zhisheng.A Randomly Delayed Clustering Method for Wireless Sensor Networks[C]//Proc.of IEEE International Conference on Communications. [S.l.]:IEEE Press,2006:578-580.