礦山廢棄地生態溫室集成監控系統的設計

丁愛華

(唐山學院信息工程系，河北唐山 063000)

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礦山廢棄地生態溫室集成監控系統的設計

丁愛華

(唐山學院信息工程系，河北唐山 063000)

為了在礦山廢棄地溫室監測系統中實現多傳感器集成與信息融合技術，采用無線網絡集成技術，建立一種基于ZigBee技術的數據采集系統。針對不同傳感器采集數據的不同，提出多傳感器的數據模型，并構建ZigBee無線網絡；同時，利用GPRS模塊將數據以分組轉發的方式，發送到計算機控制系統，從而提高了系統的控制功能。通過在河北省遷安市瑞陽生態農業大觀園的典型應用，驗證了該系統的可行性。

礦山廢棄地；ZigBee；無線傳感器網絡；數據采集

In order to realize the multi-sensor integration and information fusion technology in monitoring systems of the agricultural greenhouse in abandoned mines, the wireless network integration technology was used to establish a data acquisition system based on ZigBee technology. According to the multi data from different sensors, the the model of multi-sensor was proposed and a wireless network with ZigBee technology was constructed. At the same time, the GPRS module was used as the data packet forwarding mode and send multi date to the computer control system, so as to improve the functions of control system. Through the typical application in Ruiyang Ecological Agriculture Garden in Qian'an City, Hebei Province, the feasibility of the system was verified.

Key words Abandoned mines; ZigBee; Wireless sensor network; Data acquisition

由于礦山廢棄地生態恢復與治理要求越來越高，如何保證廢棄地上建項目的安全穩定性越來越引起重視。智能監測技術的發展，環境監測集多個傳感器于一體，采集的數據包括地基穩定性、空氣和土壤的溫濕度、光照強度、CO2濃度等多種信息。這就涉及多傳感器融合技術的應用，將多傳感器獲得的觀測數據，依據數學模型加以自動分析、綜合處理，從而彌補了單一傳感器的采集信息片面的缺陷，得到更為全面的系統描述，以便能夠對環境進行深入的系統分析，得到更為準確的環境監測數據，有助于系統做出及時的決策。

河北省遷安市瑞陽生態農業大觀園建設成現代化大型智能生態溫室，屬于生態恢復后的復墾項目。由于該大型溫室地處鐵礦采空區，地基條件極其不穩定，因此，生態溫室中需要檢測的數據除了常規的環境信息和農作物信息外，需要對大跨度的溫室地表沉降進行監測。地表沉降的變化緩慢，因此需要實時監測整體的微小變形量，進一步構造統計分析模型，并對變形的變化趨勢做出合理預測，為后期的分析決策提供科學依據。這也是與以往溫室大棚監控系統不同之處。同時，為了進行形變分析，需要獲得監測點高精度變形數據，通常要求監測點的觀測數據達到精度較高。

1 原理簡介

整套系統包括采集模塊的設計、無線傳輸網絡的開發。其中，位移傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和光照傳感器和ZigBee終端節點相連，負責各類數據的采集。數據采集后，轉換格式，再由終端節點由通過開放式無線網絡發送到網絡協調器上，ZigBee協調器通過和其相連接的GRPS模塊，將數據以分組轉發的方式，發送到GPRS網絡上，最后由聯網的PC機上，通過監控管理程序實現對數據的分析、匯總。

系統總體示意如圖1所示。

圖1 系統總體示意

2 硬件設計

2.1 無線傳輸模塊開放式無線網絡的集成，主要利用先進的無線傳輸技術，構建無線傳輸網絡。ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本，因而使得網絡節點的體積小、組網靈活。非常適合用在自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。因此本設計選用ZigBee模塊作為數據采集點和控制中心的通信工具。

該設計采用的ZigBee模塊為CC2530。CC2530能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。經對比選擇其中的CC2530F256，具有256 kb的閃存。CC2530F256結合了德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee協議棧(Z-StackTM)，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

2.2 網關模塊IP MODEMIP MODEM模塊主要負責ZigBee網絡和GPRS網絡之間的數據傳遞，是連接監控中心和溫室大棚檢測區域的紐帶。當監控管理中心發送查詢指令，IP MODEM模塊接收指令，同時在ZigBee網絡中廣播。ZigBee網絡中，符合地址要求的傳感器模塊將數據通過ZigBee網絡上傳至IP MODEM，再由IP MODEM將數據發送至監控管理中心。

IP MODEM采用高性能的工業級32位通信處理器、工業級蜂窩無線模塊和工業級ZigBee模塊，軟件平臺采用的是嵌入式系統，同時還帶有RS232、RS485和ZigBee接口，可直接連接串口設備和ZigBee設備。IP MODEM采用低功耗設計，最大限度降低功耗，此外IP MODEM還采用金屬外殼，保護等級IP30，特別適用于工業控制現場的應用。

2.3 采集模塊及終端節點針對控制系統的需求，尤其是不穩定的地基環境下，除了常規的采集量以外，特增加了地基位移的檢測，實時檢測地基的形變，有效預防地基變化對建筑物的破壞。設計采集模塊實現功能如下：

(1)溫濕度傳感器可根據大棚內溫濕度的變化轉換成相應的數字信號，傳送給單片機，滿足信息的處理、顯示、記錄和控制等要求。空氣溫濕度傳感器選擇瑞士SensirionAG SHT11傳感器，而土壤溫濕度傳感器則選擇防水效果較好且耐壓的SHT10傳感器，分別進行空氣和土壤溫濕度的檢測。

(2)光照強度檢測選擇的是S1087光照傳感器，將光照強度轉換為電流，利用負載電路轉換為電壓，輸出為模擬量，為了進一步的傳輸，經過ADC0832模數轉換芯片輸出數字信號，傳送至控制器。

(3)CO2濃度值用煙霧值代替，采用MQ-2煙霧傳感器采集，輸出的信號，經過ADC0832轉換送至CC2530。

(4)位移傳感器。將BF120-5AA型電阻應變片粘貼在室內設置的特定監測點上，應變片將由于地基位移所產生的應變信號轉換成電阻的變化，再通過差動電橋，將其轉換為電壓值。通過連接調理電路，實現信號的放大、濾波等處理。

此外，利用CC2530模塊，完成溫室大棚內遠程終端節點的數據采集和控制。用以實現對多傳感器模塊的控制、借助液晶屏實現采集值的顯示、采集值超標時的報警和控制、上下限值的設定及采集數據發送等功能的控制。

采用CC2530模塊作為節點的主控模塊，可以利用CC2530內的單片機資源，實現多傳感器數據的輸入和信號調理，且CC2530硬件資源豐富、速度快，實用性高。

2.4 報警和調節模塊數據采集模塊采集的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、位移等數值與預先設定的上下限值進行比較，當瞬時采集值超出上下限值時，系統產生報警。

報警模塊包括：

(1)采用蜂鳴器作為產生報警信號后的聲音報警器。

(2)一旦報警發生，監控管理中心的軟件平臺以最高優先級顯示報警信號，并將報警信息記錄至報警報表，以備查閱。如位移傳感器采集的變形量與基準值相比較，及時判斷大棚地基是否安全，避免事故發生。

(3)監控管理系統自動給相關管理人員發送短信，及時提醒。

(4)調節機構自動運行，如濕度過低，則噴淋裝置啟動；溫度過高，則排風系統啟動。調節機構也可通過聯網的PC機遠程控制，或者手動進行環境參數的設置、調節和控制。

3 軟件實現

3.1 基于單片機的多傳感器采集系統的軟件設計節點由CC2530作為節點控制芯片，控制執行采集、顯示、串口發送等功能，如圖2所示。

圖2 節點采集模塊軟件流程

ZigBee協調器流程如圖3所示。

圖3 協調器流程

3.2 監控管理界面設計該設計的上位機界面采用LabVIEW軟件制作，完成的主要功能有：通過GPRS網絡接收節點發送的空氣和土壤的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、地基位移等數據，用戶可通過網絡上的客戶機，顯示瞬時的采集值和系統的報警；手動對采集系統進行控制參數的設置和調整；對GSM模塊進行控制。管理界面如圖4所示。

有緊急情況發生時，工作人員可以通過監控管理界面上的GSM功能，給相應管理人員發送短消息，告知具體情況。其設計主要包括電話號碼的輸入框圖、短消息的輸入框圖、發送配置框圖3大部分。其中，短消息輸入的程序如圖5所示。通過Concatenate Strings Function節點把待發送的字符、數字和標點連接成一個字符串，經過串口配置實現GSM的發短信功能。

圖4 管理界面功能結構

圖5 短信內容輸入程序示意

4 溫室大棚應用實例

瑞陽生態農業大觀園位于河北省遷安市，是我國第一個現代農業院士工作站。園區占地80 hm2，于廢棄礦山上建設而成，具有特殊的地勢環境。因此在常規溫室監控參數的基礎上，增加了位移檢測因子，采用了土壤活化技術、生物環保零排放檢測技術、智能溫室系統等多項高新科技。智能短信報警模塊的應用，使得管理者可以獲得更為及時的信息。瑞陽大觀園智能溫室內部影像見圖6。

5 結論

圖6 瑞陽大觀園智能溫室內部

該設計是在溫室大棚內，設置若干數據采集節點，主要實現了對溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、地基位移的實時采集和顯示，數據的無線傳輸，通過監控管理程序對采集值進行顯示和控制功能?？蓪崟r監測多個傳感器的采集值，采用新興的ZigBee技術實現遠距離的無線數據傳輸，更加符合現代溫室的使用要求，節省了物力、人力，對溫室環境的監測控制更加科學；管理計算機具有良好的人機友好界面，實現了串行通信、顯示功能、報警功能、發短消息功能和控制功能，能夠實時地遠程監測溫室環境，增加的報警功能提供了警示意義，更具有實用性。

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唐山市科技計劃項目(13130249z)。

丁愛華(1978-)，女，江蘇海安人，副教授，碩士，從事檢測技術及傳感器設計研究。

2014-12-22

S 126；TP 89

A

0517-6611(2015)04-351-02

Design of Integrated Monitoring System for Ecological Greenhouse in Abandoned Mines

DING Ai-hua

(Department of Information Engineering, Tangshan College, Tangshan, Hebei 063000)