基于Zigbee和GPS的濕地環境監測系統

張鳳 朱琳

【摘 要】本文設計運用了ZigBee技術和GPS技術。ZigBee環境監測系統由傳感器節點、協調器和上位機監測平臺組成。傳感器節點是由ZigBee芯片和傳感器構成的。傳感器節點是用來采集環境變量參數，例如當前環境下的溫度、濕度、光照強度、空氣質量等等環境變量參數；協調器的功能就是接收各個傳感器節點采集到數據，并發送到上位機實現實時監測。傳感器節點、協調器以及上位機之間的是通過串口來完成通訊信息交互。衛星定位系統采用STM32核心芯片外圍電路含有液晶顯示器LCD1602，GPS，GSM電路，按鍵和LED燈電路組成，通過LCD模塊能夠將實時時間以及定位經緯度顯示出來。系統可以通過GSM模塊直接發送定位信息到指定的手機用戶上。

【關鍵詞】ZigBee；衛星定位；環境監測；濕地

扎龍濕地擁有豐富的野生動植物資源，然而由于濕地周邊的人為干擾和旅游開發等活動，導致濕地遭到嚴重的破壞。目前扎龍濕地正面臨著缺水、污染和資源枯竭等嚴重問題，直接威脅了丹頂鶴等珍稀水禽繁殖棲息環境[1]。傳統的環境監測方法通過人工監測或依靠環境監測站采集環境信息，因為濕地生態系統的環境和地貌的復雜性，使得對于其監測產生了困難[2]。ZigBee模塊的無線傳感器技術正在逐漸走向成熟，它與無線標記技術和藍牙技術有著根本的區別，是介于他們之何的一種技術方家，它以自已的獨特的低功耗、低復雜度、近距離、低成本的、低數據傳輸速率的技術特點的姿態發展起來。前端信息的采集與傳輸是面向濕地環境的傳感器網絡監測系統中最重要的一環。

1.系統總體方案

基于ZigBee的扎龍濕地環境監測系統總體架構主要是由PC端上位機、CC2530協調器節點、多個ZigBee終端/路由節點組成。傳感器采集當前環境的溫度、濕度、光照度、煙霧，協調器通過串口將采集到的數據傳送到上位機進行實時監控測、匯總和數據分析，根據生物需要的環境要求進行對比從而進行人工或機器的調整。

2.系統主要實現功能

本次設計是基于ZigBee的濕地環境監測與基于STM32的GPS定位系統的設計。該系統的設計實現主要有以下的功能：環境濕度監測、環境溫度監測、環境光照強度監測、環境空氣質量監測、環境煙霧監測、GPS衛星定位、GSM短信通知、LED燈照明。

基于ZigBee的環境監測系統實時監測環境溫濕度、環境光照、環境空氣質量等環境參數。所有模塊監測得到的數據發送到協調器，通過協調器傳輸到PC端上位機，由C++做了個顯示界面并在PC端上位機進行實時顯示。終端節點、協調、上位機他們之間通過串口進行通訊完成數據傳輸。工作人員通過得到的環境參數進行人為調控，使環境達到適合動植物生活。

基于STM32的GPS定位系統通過GPS衛星定位模塊可以實現實時精確定位，并且定位到坐標可以通過GSM模塊發送到相關人員的手機上。當工作人員在扎龍濕地內巡視時，遇到受傷的動物或突發狀況時，可以通過定位到坐標和短信通知獲得及時的救援。

3.GSM_SIM800A電路設計

本次畢設計選擇了SIM800A模塊去實現對系統遠程短信信息的交互。SIM800A模塊主要通過串口與單片機進行連接，從而實現對SIM800A模塊的控制。SIM800A的串口提供了多條控制線，包含數據信號線TXD和RXD，狀態信號線RTS和CTS控制信號線DTR，DCD，DSR和RI。RXD數據接收信號線用于接收來自單片機的數據。接22歐電阻后與單片機數據發送端口TXD1即P0.1相接。TXD數據發送信號線用于向單片機發送數據。接22歐電阻后與單片機RXD1即P0.0相接。RTS發送請求信號線，接22歐姆電阻后與單片機P1.5口相連。CTS發送清除信號線，接22歐姆電阻后與單片機P1.4口相連。RI振鈴指示信號線，接22歐姆電阻后與單片機P1.7口相連。DSR數據設備準備信號線，接22歐姆電阻后與單片機P1.2口相連。DCD數據載波檢測信號線，接22歐姆電阻后與單片機P1.3口相連。DTR數據終端準備信號線，接P1.6接22歐姆和15K電阻后與單片機P1.6口相連。

4. LCD1602液晶顯示模塊電路和NEO-6MGPS模塊電路設計

LCD1602的引腳1連接單片機的GND端，引腳2連接單片機的VCC端，引腳3連接滑動變阻器的中間引腳，引腳4連接單片機的單片機的PB5端，引腳5連接單片機的PB6端，引腳6連接單片機的PB7端，引腳7連接單片機的PB8，引腳15連接VCC，引腳16連接GND。

NEO-6M GPS模塊的引腳1連接VCC，引腳2連接GND，引腳3連接單片機的PA2端口，引腳4連接單片機的PA3端口，引腳5懸空。

5.系統主流程設計

所有的ZigBee系統在程序運行之初，都要對其硬件進行初始化，主要對系統的關鍵寄存器進行設置、CPU的工作頻率以及等待狀態發生器的設置。

根據GPS接收模塊的功能：實時接收衛星發送的導航電文，通過串口將數據發送至處理器進行解析，數據解析后存儲并顯示在LCD上。GPS模塊與處理器間通過串口1進行通信。微處理器的串口2與GSM模塊連接，微處理器從GPS導航電文中解析出我們需要的地理信息后，將數據存儲在串口2，等待通過GSM模塊發送至用戶移動設備。因此程序設計主要包括：配置GPS模塊串口參數、串口中斷處理函數、LCD顯示處理函數或GSM發送數據。

6.系統測試

將程序通過ST-LINK燒寫進單片機，基于ZigBee的環境監測系統上電后，PC端會顯示當前的檢測到周圍環境參數，然后將程序通過ST-LINK燒寫進單片機，基于STM32的GPS定位系統上電后，LCD1602液晶顯示屏會顯示當前所處位置的經緯度。

6.1測試結果分析

可實現扎龍濕地的環境參數監測。通過ZigBee協調器和終端組成節點模塊，協調器接收各個模塊檢測到的環境參數并發送到PC端。由扎龍濕地的工作人員根據所監測到環境參數進行對扎龍濕地范圍內動植物保護，從而豐富扎龍濕地的生物多樣性。野生丹頂鶴也能再次回到曾經的棲息地繁衍生息，可實現扎龍濕地范圍內的精準定位和短信通知所在位置。以STM32為核心，GPS衛星定位模塊精確定位到所在位置并在LCD1206液晶屏上顯示當前定位到的位置的經緯度。并通過GSM短信模塊將所定位到的經緯度發送到監測站。當扎龍濕地的工作人員遇到受傷的動物或遇到危險時需要救援時短信通知當前所在位置并獲得及時救援。

7.結語

本次設計的整個系統是以ZigBee，STM32，為核心，具體分為兩個部分。基于ZigBee的溫濕度監測模塊、MQ-2煙霧監測模塊、光敏傳感器模塊；基于STM32的GPS定位模塊、GSM短信模塊。利用了多個傳感器并采用軟硬件結合的方式來實現整個程序的運行，從而實現扎龍濕地的環境監測。從系統運行的情況來看，以上兩個方面都達到了很好的效果，模塊運行一切正常，能夠完成扎龍濕地環境監測系統設計的基本要求。并且成本低，應用便捷，反應靈敏，對扎龍濕地內的動植物的保護起到了一定的作用。

【參考文獻】

[1]蓋赫莉，王淑梅，王欣.對扎龍濕地生態環境的分析[J].黑龍江環境報，2015，26（3）.

[2]張亞鋒.基于ZigBee無線傳感網絡的草原環境監測系統設計[J].電氣自動化，2015，37（4）：27-29.