基于ZigBee的園林生態監測系統

根據生態監測的空間尺度，可將其劃分為宏觀生態監測和微觀生態監測兩大類。

宏觀生態監測是在大區域范圍內對各類生態系統的組合方式、鑲嵌特征、動態變化和空間分布格局及其在人類活動影響下的變化等進行監測。主要利用遙感技術、地理信息系統和生態制圖技術等進行監測。微觀生態監測其監測對象的地域等級最大可包括由幾個生態系統組成的景觀生態區，最小也應代表單一的生態類型，它是對某一特定生態系統或生態系統集合體的結構和功能特征及其在人類活動影響下的變化進行監測。在生態質量評價上逐步從生態質量現狀評價轉為生態風險評價，以提供早期預警。

本系統實現一種基于ZigBee技術的園林微觀生態監測，其過程包括：首先進行園林微觀信息收集；然后將信息上傳，再通過無線網關接入或聯網，將無線網關獲得的數據利用互聯網保存至服務器；最后進入數據管理與分析系統，實現遠程數據獲取和數據管理，任何時候、任何地點都能夠通過web瀏覽器觀察并分析實時數據；當監測數據超過正常水平時，設置報警功能，對異常的環境進行報警，報警記錄提供查詢。

1 系統整體設計方案

系統主要分為粉塵顆粒檢測模塊、溫濕度檢測模塊、控制模塊、顯示模塊和無線通信模塊，其中粉塵顆粒檢測模塊中的粉塵濃度傳感器所輸出為信號為連續的模擬電壓信號，而CC2530所能識別的信號為數字信號，因此在進行粉塵顆粒濃度的檢測時需要加一個模/數轉換芯片，用來將傳感器輸出的模擬信號量轉換成單片機能讀取的數字量。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 PM2.5檢測電路

圖2 粉塵傳感器電路連接圖

GP2Y1010AU0F傳感器是一款由日本夏普公司生產的，該型號的傳感器可以用來檢測到粒徑在0.8微米以上的粉塵，該傳感器是一款光學傳感器，其靈敏度為0.5v/mg/m3，其原理如圖所示，在傳感器上裝有一個吸氣器，其可以主動的吸進空氣并讓空氣通過這個洞，在傳感器的上面有個紅外線發光管，其可透過吸進的空氣，在其下面有個能夠接收到紅外線信號的接受裝置，該接收裝置能接收到經過了粉塵后反射回來的紅外線信號，然后通過信號放大等操作將接收裝置接收到的光信號轉化為不同頻率的電信號，從而得到相應的粉塵濃度。

傳感器的典型連接電路如圖2所示。

由于該傳感器輸出的是模擬電壓信號，因此該模塊后引入ADC0809，將轉換的數字信號輸入CC2530。

3 溫濕度檢測電路

溫濕度檢測電路設計時采用的是DHT11數字式傳感器，DHT11數字溫濕度傳感器是一款以數字信號方式輸出的復合式傳感器，其內部的傳 感器都是經過校準的。它采用的是專用的數字式的采集模塊技術和溫、濕度傳感技術，這兩項技術的使用確保了該產品具有了極好的可靠性和具有長期穩定工作能力。該傳感器是由一個電阻式的感濕元件和一個NTC的溫度檢測元件組成。該傳感器具有較高的抗干擾能力，超快的響應能力，并且其具有較高的性價比等諸多優點。出廠的每一個DHT11傳感器都會在那些具有很高精確的濕度校驗室中進行濕度的精確校準。經過校準后的系數將以程序的形式被儲存到DHT11溫濕度傳感器中的OTP內存里，當利用傳感器進行溫濕度的檢測并處理被檢測的數據時會調用這些已經經過校準過的系數。該傳感器采用的是單總線制的串行通信協議，從而在設計電路時會使電路更簡潔方便。基于以上的諸多特點使其具有極小的體積和極低的功耗，使該傳感器成為了許多人在各類需要溫濕度的應用中甚至是在最為苛刻的應用場合中的最佳的選擇。該型號的傳感器采用了4個單排引腳的封裝。連接方便。

DHT11通過單總線與微控制器連接，電路如圖3所示。

圖3 DHT11電路圖

4 無線通信系統

利用ZigBee組建園林生態監測系統具有如下優點：

（1）ZigBee體積較小，利于安裝布設,減輕技術維護人員安裝調試工作量，提高效率。

（2）ZigBee無線組網省去布線這塊的成本和技術維護，最重要的是提高了信息實時性。

（3）ZigBee的無線組網技術成本較低，省去了系統的運營成本。

（4）ZigBee可搭載較多外圍器件，比如主控MCU，可控IC，傳感器等等，這對園林生態監測系統帶來了很大的發展空間。

無線數據傳遞此模塊以數據的發送和接收為目的，實現數據的無線傳輸。模塊應用ZigBee模塊實現數據的無線傳輸。在無線化通信和數據間傳輸需要智能自動化操作的背景下產生了ZigBee技術，它是基于IEE標準的低功耗局域網協議。具有傳輸速度快、省電、投資少、支持多種模式、安全可靠等顯著特點。在數模轉換器的終端，安裝ZigBee模塊作為發送裝置，在系統的處理端，安裝ZigBee作為接收數據裝置，實現數據的接收。

ZigBee網絡的組網模式有三種：星型網絡架構，串行網絡架構，網型網絡架構，圖4是各自模式的簡圖：

圖4 ZigBee網絡結構

園林生態監測系統選用串行網絡架構模式，根據串行網絡數據傳輸模式。各個終端采集數據信息經路由器進行轉發，將統一數據發送至協調器端，協調器再經數據集中器發送到控制中心進行數據的統一處理。本系統在設計過程中選用了德州儀器公司生產的CC2530，該芯片兼容C8051內核處理器。能夠以非常低的總的材料成本來完成。CC2530 不但具有射頻收發器突出的優點外，還兼具了增強型的處理器，內嵌式可修改存儲器，8K字節容量的隨機存取存儲器以及其他功能，模式與模式之間的轉化時間少，很好地控制了能耗。

本系統實現的無線傳感網絡園林生態監測系統。其工作過程如下：

第一階段，信息收集；利用傳感器節點采集不同傳感器數據，每個傳感器節點能夠同時連接多個傳感器；傳感器節點之間形成無線傳感網絡，通過點對點通信的方式匯總數據；

第二階段，信息上傳；利用移動3G無線網絡，將傳感器節點匯總的數據上傳至無線網關；

第三階段，信息保存；無線網關接入互聯網，將無線網關獲得的數據利用互聯網保存至服務器；

最后信息進入園林生態監測系統數據管理與分析系統：實現遠程數據獲取和數據管理，任何時候、任何地點都能夠通過web瀏覽器觀察并分析實時數據；對于不能上網的用戶，還能夠通過手機的方式獲取數據；當監測數據超過正常水平時，設置報警功能，對異常的環境進行報警，報警記錄提供查詢。

5 結論

基于物聯網的園林生態監測系統的優點是顯而易見的，具體如下：

（1）采集設備采用電池供電，無線節點不需要固定電源設施，可以布署在野外、路邊等任何需要的地方。

（2）無線傳感網具有自組織自愈合的特點，方便非技術人員安裝，并且網絡具有可擴展性，節點可以自動加入網絡中。

（3）通過無線基站與無線網關相連，然后經過互聯網與服務器相連，實時傳送數據。

（4）各級別用戶都可以通過瀏覽器遠程查看數據和進行數據管理，客戶可設置自定義的趨勢圖和報警級別等功能。

另外，傳感器網絡特有的低成本、高覆蓋和可擴展性強的技術特征在園林生態監測領域將大有可為，基于物聯網，協助實現環境監測，提高樹木和花卉、水果等經濟作物的產量及質量，可以帶來巨大的社會效益與經濟效益。

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