基于物聯網的新疆干旱區城市防護林溫濕度監測系統①

楊曉迪, 古麗米拉·克孜爾別克, 孫 偉

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基于物聯網的新疆干旱區城市防護林溫濕度監測系統①

楊曉迪, 古麗米拉·克孜爾別克, 孫 偉

(新疆農業大學計算機與信息工程學院, 烏魯木齊 830000)

針對新疆干旱區城市防護林面積廣闊、氣候干燥缺水, 工作人員測量數據任務量大, 難以做到數據采集及時、準確, 林業管理部門監管難度大等特點, 將GSM無線通信技術及嵌入式技術結合在一起,設計了基于物聯網的新疆干旱區城市防護林溫濕度監測系統. 系統利用溫濕度傳感器, 結合現有嵌入式微處理器的開發和控制水平, 開展基于GSM的遠距離無線傳輸數據的研究, 達到通過手機和電腦實現對溫濕度的監測和管理的目的. 測試表明, 該系統具有良好的實用性、可靠性和可擴展性.

溫濕度; 干旱區; 嵌入式; GSM; 傳感器

1 引言

在世界范圍內, 特別是干旱無雨或少雨的荒漠地區, 土地荒漠化對人類生產與生活造成很大威脅, 已引起人們普遍的關注. 例如地處中國西北邊陲的新疆, 總面積占全國陸地總面積的六分之一, 氣候干燥少雨, 是典型的內陸荒漠區, 到處都有遭受荒漠化的可能. 在新疆建設以林為主的完整的防護林體系, 能夠有效地維護和鞏固綠洲的生態平衡, 并進而擴大綠洲[1-3]. 據調查, 在新疆庫爾勒市近10多年來開展的荒山綠化過程中, 水資源的供需矛盾將會變得日益突出和激烈, 荒山綠化工程對庫爾勒市的用水需求量很難得到滿足, 會逐步影響到庫爾勒市荒山綠化成果的管護水平, 進而極大地影響森林的生態防護能力和效能. 建設林業生態情況監控體系將會為林業資源的生態保護和水資源合理利用起到至關重要的作用.

隨著信息技術和計算機網絡技術的發展, 物聯網已經走進了農業生產的各個領域. 目前公認的物聯網定義是國際電信聯盟給出的: 通過智能傳感器、射頻識別(RFID)、激光掃描儀、全球定位系統(GPS)、遙感等信息傳感設備及系統和其他基于物-物通信模式(M2M)的短距無線自組織網絡, 按照約定的協議, 把任何物品與互聯網連接起來, 進行信息交換和通信, 以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種巨大智能網絡[4,5]. 物聯網技術在林業的多個方面已經得到了初步應用, 并具有非常廣闊的應用前景, 但還處于起步階段, 應用范圍小, 技術水平低, 尚需不斷總結探索, 拓展物聯網在林業中的應用領域[6].

在國際上, 林業方面的技術己經走進了系統性階段. 例如加拿大研究人員高效地使用地理信息技術, 并利用遙感和GPS系統收集數據, 通過功能強大的Arc/Info分析工具從各類信息中獲取到空間信息, 最終建立了著名的加拿大林業資源數據庫CFRDS (Canadian Forest Resource Data System)[7]. 此外, 美國的Patlatc公司建立了林業經營系統, 該系統是依托于地理信息系統的, 功能強大, 既能夠即時的提供樹木的信息和林業上的采伐情況的信息, 又能夠顯示林業相關專題圖[8]. 最近幾年, 國內許多研究單位和高等學校開展了森林環境的監測研究, 但是已經投入使用的很少. 中國林業科學研究院構建的對林業環境的監測系統是基于無線傳感網的, 它能夠對傳感器的數據進行云存儲和共享[9]. 南京林業大學在紫金山地區構建了基于無線傳感網的環境監測系統[10]. 此外, 香港的科技大學和浙江的農林大學聯合構建了一個對林業郁閉度與火災風險預估的監測性系統[11].

林業具有鮮明的行業特點, 如面積廣闊和樹木生長周期長, 林業工作人員和管理部門的測量任務量大、時間周期長, 難以得到準確的實時數據, 監測難度大[12]. 林業的主要測量數據為溫濕度數據, 溫濕度監測對樹木生長、火災預警、病蟲害防治和節水等方面起到重要作用[13-16]. 目前, 基于GSM網路的數據傳輸在許多領域得到了較好的應用, 特別是在工作環境惡劣、地理位置偏僻、無人值守場所等領域. 基于以上事實, 本文考慮將GSM技術與嵌入式技術相結合, 利用GSM技術實現數據的遠距離無線傳輸, 利用溫濕度傳感器進行數據采集并通過嵌入式技術實現數據的轉發和處理, 最終, 將數據傳輸到服務器上, 實現實時監測, 并可以通過短信方式及時提醒工作人員. 因此, 本系統具有研究的社會價值和經濟價值, 符合當前的實際應用需要.

2 系統總體設計

本文研究的溫濕度監測系統主要由傳感器、無線通信模塊、STM32處理器、PC機和手機等構成, 系統結構如圖1所示.

圖1 系統結構圖

2.1 數據采集與傳輸系統

數據采集系統包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器, STM32處理器等. 采集的數據通過RS-232接口與GPRS數據傳輸終端相連, 通過GSM傳輸終端將相關數據傳送出去. 同時, 可以接受監測端發送的指令, 進行遠程控制.

2.2 GSM網絡

采集終端采集的數據, 經GSM網絡接口功能模塊對數據進行編碼發送, 通多GSM網絡進行傳輸, 最終傳送到數據監測中心.

2.3 數據監控與處理中心

數據監測處理中心負責對數據進行匯總、整理和綜合分析. 管理人員可以通過電腦查看分析溫濕度的變化對植物的生長影響, 從而達到預測災害保護防護林的目的.

3 系統硬件介紹

系統硬件主要分為數據采集平臺和數據顯示平臺兩大部分.

3.1 數據采集平臺

數據采集平臺采用32位基于ARM微控制器STM32F103VET6作為主控芯片, 連接溫濕度傳感器和SIM900A無線傳輸芯片構成數據發送端.

STM32F103VET6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核, 工作頻率為72MHz, 內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM), 豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設, 包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器, 還包含標準和先進的通信接口: 多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN. STM32F103VET6工作于-40°C至+105°C的溫度范圍, 供電電壓2.0V至3.6V, 睡眠模式、停機模式、待機模式等一系列的省電模式保證低功耗應用的要求.

無線通信芯片方面采用SIM900A串口(UART)通信, 使用控制器連接到SIM900A的TTL接口或USB口, 使用標準的AT指令對SIM900A進行控制, 實現發短信等功能.

溫濕度傳感器方面采用密封性好、耐腐蝕的HL-TR05型號的土壤溫濕度傳感器和SHT20型號的空氣溫濕度傳感器, 可快速、實時測量溫度和濕度, 穩定性好, 測量精度高, 響應速度快, 數據傳輸效率高.

3.2 數據顯示平臺

數據顯示平臺分為PC端和手持終端. 考慮到使用的方便性, 手持終端使用手機來實現. 任何一臺可以接收和發送短信的手機都可以作為手持終端來接收溫濕度等相關數據. 工作人員接到短信后就可以根據當時的溫濕度情況及提示信息進行相應操作. PC端主要由PC和SIM900A芯片構成. SIM900A用于接收溫濕度傳感器測量的數據, 并通過串口傳輸到PC中. PC讀取串口數據并且進行存儲處理, 使得管理人員可以隨時查看實時數據及歷史數據, 起到監督的作用.

4 系統的程序設計

系統的程序主要包括數據采集和發送程序、數據讀取和存儲程序、數據顯示程序.

4.1 數據采集和發送程序設計

數據采集和發送模塊是在STM32端用C語言實現的, 主程序流程圖如圖2所示.

STM32微處理器通過串行接口(單線雙向)與傳感器進行同步和通訊. 系統主要是通過定時和接收命令兩個方式確定溫濕度的發送時間. 首先進行初始化設置, 包括所有外設的復位, 初始化Flash界面和系統定時器, 配置系統時鐘, 初始化輸入輸出口、收發器、控制器、模數轉換接口, 設置時鐘當前時間. 然后使SIM900A開機并握手, 保證指令能夠發送成功. 判斷定時時間到達或者收到發送短信指令時, 獲取傳感器數據并且編輯成短信發送給指定手機號碼, 判斷是否發送成功, 如果發送成功, 獲取當前時間并重新做判斷, 否則, 重新獲取傳感器數據并且編輯成短信發送給指定手機號碼.

圖2 數據采集與發送模塊軟件流程圖

4.2 數據讀取、存儲和顯示程序設計

數據服務器是在PC端實現的, PC上運行著服務程序. 服務程序使用Python語言進行開發. 選擇Python語言是因為Python具有豐富和強大的庫, 尤其是有一款輕量級 Web 應用框架Flask. 使用Flask結合HTML和JavaScript, 能輕松實現采集數據的界面展示. 服務程序由串口數據讀取程序、數據存儲程序、數據顯示程序構成.

數據讀取和存儲程序使用Python語言進行開發, 通過串口與無線傳輸模塊進行通信, 讀取接收到的溫濕度數據并存儲到Mysql數據庫中. 軟件流程圖如圖3所示.

圖3 數據讀取模塊軟件流程圖

要將數據顯示在網頁上需要使用Flask技術構建網站, 然后連接數據庫, 從數據庫中讀取數據并把數據交給顯示界面. 對于界面的顯示, 使用一塊開源的圖表庫chart.js, chart.js是一款純javascript編寫的圖表庫, 能夠很簡單便捷的在Web網站或Web應用中添加交互性的圖表. 其中的一個插件jQchart是一個jQuery的圖表插件, 用來繪制圖表, 支持各種形狀的圖表. 對于界面的瀏覽采用認證的方式. 用戶通過瀏覽器訪問Web界面.

對系統的軟件進行測試, 運行結果如圖4至圖6所示. 系統可以按照預想的結果進行, 發送端能夠按照設定的內容發送短信到指定手機號碼上, 時間沒有出現太大偏差, 內容沒有出現亂碼, 接收端能夠正常接收短信并通過串口讀取和刪除短信內容、提取和存儲溫濕度數據等信息, 并且能夠正確讀取數據庫數據通過網頁的形式顯示數據折線圖, 表明系統能夠正常運行, 實現預期的功能.

圖4 PC端接收程序運行截圖

圖5 數據庫存儲表數據截圖

圖6 溫濕度變化折線圖網頁截圖

5 測試結果

系統的測試包括系統的性能測試和系統的精度測試.

系統的性能測試主要是系統的穩定性測試, 目的是測試系統是否可以正常運行. 設置監測系統采集時間間隔為30分鐘, 并發送到接收端手機號碼上. 接收端讀取數據并存儲. 如圖7所示是某日對溫濕度數據的測量值變化曲線圖, 在14:30由于澆水使得濕度大幅度提升.

系統的性能測試結果: 手機可以得到短信提示當時的溫濕度情況, 同時, 從界面上可以看到溫濕度的情況, 測試結果表明了系統可以在較長時間穩定運行并且測量的溫濕度值變化趨勢與實際情況沒有太大出入, 基本相符, 該系統具有可行性.

圖7 溫濕度變化曲線圖

由于市場上買到的溫濕度測量儀也是存在誤差的, 不能當成準確值, 只能作為參考, 本文的精度測量實驗采用自身對比的方式. 如表1所示是同一時刻連續對空氣和土壤的溫度和濕度參數進行測量的一組數據值.

系統的精度測試結果: 溫度誤差小于0.2℃, 濕度誤差小于1% RH, 空氣溫濕度和土壤溫濕度數據誤差都在允許范圍內, 滿足使用要求, 表明該系統具有一定的準確性.

表1 溫濕度監測數據(單位: ℃、%)

表2是測試不同長度的短信丟包率情況. 每組數據100條短信, 以每分鐘4條短信的速度進行發送, 無丟包的現象, 表明系統具有可靠性.

表2 短信的丟包率測試

從測試結果可知該系統具有穩定性、準確性和可靠性, 對未來新疆干旱區城市防護林溫濕度監測具有很好的參考價值和指導意義.

6 結語

本文設計了基于物聯網的新疆干旱區城市防護林溫濕度監測系統, 利用STM32處理器獲取溫濕度傳感器采集到的環境溫濕度數據并通過SIM900A模塊以短信方式遠距離無線傳輸給林業工作人員的手機中和PC端的SIM900A中, PC通過讀取SIM900A串口數據, 獲取環境溫濕度數據并存儲到數據庫中, 使林業管理部門可以通過網頁查詢溫濕度數據及變化情況. 經測試, 系統穩定可靠, 具有安裝方便, 無需布線, 可擴展性強的特點, 具有很強的實用性. 應用于庫爾勒市這類典型的極端干旱區域開展荒山綠化工作以改善環境, 將有利于節省大量水資源, 并有助于實時監管庫爾勒市防護林的溫濕度狀況. 總之, 基于物聯網的新疆干旱區城市防護林溫濕度監測系統將對水資源的節約、環境的保護、人力物力的節省和防護林養護情況的監管等有很大的幫助.

1 新疆維吾爾自治區林業廳.新疆林業概況.http://www. xjlyt.gov.cn/Get/xjly/183821686.htm.

2 新疆林業科技信息網.新疆農田防護林體系的結構及其基本功能原理.http://www.xjlykj.cn/article/show.asp?id=1357.

3 Hostetler JK.城市防護林.林業科技,1981,(3).

4 ITU Strategy and Policy Unit. ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things. Geneva International Telecommunication Union(ITU), 2005.

5 盧書海,劉帥,李建軍,曹旭鵬.物聯網關鍵技術及其在林業中的應用.中南林業科技大學學報,2012,32(11):181–185.

6 李春勇.物聯網及其在林業中的應用.北京農業,2013, (18):84.

7 Chenoweth RE. A face analysis of visualization for environmental management. Landscape and Urban Planning. 1999, 21(4): 247–251.

8 張茜.CASS林業制圖功能的集成與實現[碩士學位論文] .北京:北京林業大學,2010.

9 陳雄華.林業物聯網云網關關鍵技術研究與初步設計[碩士學位論文].北京:中國林業科學研究院,2013.

10 Jiang X, Zhou G, Liu Y, et al. Wireless sensor networks for forest environmental monitoring. 2010 2nd International Conference on Information Science and Engineering (ICISE). 2010. 2514–2517.

11 Sabit H, Al-Anbuky A, GholamHosseini H. Wireless sensor network based wildfire hazard prediction system modeling. Procedia Computer Science, 2011: 106–114.

12 藺生金.簡述物聯網在智慧林業建設中的應用.內蒙古林業,2014,(4):20–21.

13 徐志剛.物聯網技術在智慧林業中應用的探討.電子技術與軟件工程,2014,(7):19.

14 董鑫,趙博.物聯網技術在林業信息化管理中的應用.河南農業,2014,(15):58.

15 孫全玲.物聯網在林業信息化中的應用.木材加工機械, 2013,(2):53–55.

16 王穎,周鐵軍,李陽.物聯網技術在林業信息化中的應用前景.湖北農業科學,2010,49(10):2601–2604.

Temperature and Humidity Monitoring System of the City Shelterbelt of Xinjiang Arid Areas Based on the Internet of Things

YANG Xiao-Di, KEZIERBIEKE Gulimila, SUN Wei

(Institute of Computer and Information Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830000, China)

Due to the vast of urban shelter forest, water shortage, and dry climate, it is difficult to achieve timely and accurate data collection, and it is difficult for the forestry management department to supervise. Combining the GSM wireless communication technology and the embedded technology, the monitoring system of temperature and humidity of urban shelterbelt in arid area of Xinjiang based on Internet of Things is designed. The system uses the temperature and humidity sensor, combined with the development and control level of the existing embedded microprocessors, to carry out long-distance wireless transmission based on GSM data research, to achieve temperature and humidity monitoring and management purposes based on mobile phones and computers. Experiments show that the system has good practicality, reliability and scalability.

temperature and humidity; arid areas; embedded; GSM; sensor

2014年庫爾勒科技合作項目(KRLKJHZXM)

古麗米拉?克孜爾別克.Email:glml@xjau.edu.cn

2016-04-28;收到修改稿時間:2016-06-01

[10.15888/j.cnki.csa.005549]