竹林環境監測物聯網系統

張菊 江朝暉 李博 高健

摘 要：針對竹林環境監測中地形復雜、供電及通信不便和成本較高等問題，設計了一款太陽能供電的竹林環境監測物聯網系統，可對空氣和土壤多參數進行長時間、高精度采集，并具有SD卡存儲和GPRS傳輸功能。系統性價比高，使用簡單，易于二次開發，有利于竹資源的管理、開發和利用。

關鍵詞：竹林環境;多參數采集;物聯網;數據庫;存儲;傳輸

中圖分類號：TP391.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-05

0 引 言

中國是世界上竹類資源最豐富的國家，對竹子的培育和利用已有6 000多年歷史[1]。竹子屬于綠色植物，具有空氣凈化、氣候調節、防風固沙、防止水土流失等生態環境保護功能[2]，也是優質的建筑和編制材料，同時竹筍還是營養豐富的食材。發展竹子對解決貧困問題、環境問題、社會問題具有顯著的效益[3]。對竹林環境進行長時間、低誤差、高精準、遠距離的監測是竹子生長發育管理和林下種植養殖管理的需要[4]。雖然近年來中國環境監測領域發展迅速，但是對竹林生長環境進行監測依然存在許多問題，主要包括野外供電困難[5]、通信不便[6]、環境參數多、地形復雜、成本高[7-8]等。

針對以上問題，運用物聯網技術研制了實用的竹林環境監測系統，可采集空氣溫濕度、光照強度、CO2含量、土壤溫濕度等，可將數據進行實時顯示，待SD卡存儲后可通過GPRS遠程發送到數據庫，該系統有利于竹資源的管理、開發和利用，具有重要的經濟和社會價值。

1 系統設計

竹林環境監測物聯網系統需要采集空氣溫濕度及光照強度、CO2含量、土壤溫濕度等，且數據精度需符合標準、采集間隔可設置、傳感器可增減、能夠全天候連續工作、可遠程監測數據。需要解決竹林供電和通信不便、環境因素變化大、地形復雜等實際問題。竹林環境監測系統包括主控模塊、傳感器模塊、顯示存儲通信模塊和太陽能供電模塊，如圖1所示，可滿足大范圍、多參數、連續、自動、精準監測的需求，達到使用方便、性價比高、應用范圍廣的標準。

（1）主控模塊主要由采用STM32F103的嵌入式微處理器和繼電器組成，負責間斷性數據采集和處理。

（2）傳感器模塊的傳感器組采用RS 485輸出數字信號，通過Modbus協議讀取實時環境參數值。

（3）顯示存儲通信模塊由液晶顯示屏、SD卡、GPRS模塊組成，完成數據的顯示、存儲和遠程通信。

（4）太陽能供電模組由太陽能板、控制器、蓄電池組成，可實現長時間數據監測，解決了野外無法使用市電的問題。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊選擇基于Cortex-M3的32位嵌入式微處理器STM32F103ZET6。該處理器具有低功耗、短延遲、低成本等優點，芯片主頻可達72 MHz，內置512 KB閃存和64 KB SRAM，片內硬件資源豐富，擁有5個串口、4個通用定時器、2個I2C、3個12位ADC、3個SPI、2個DMA控制器[9-10]。

為了降低功耗，通過PNP三極管控制SRD-05VDC繼電器間斷給傳感器組供電。繼電器有5個引腳，分別為VCC，GND，公共端，常開端及常閉端。繼電器線圈需要流過較大的電流（約50 mA）才能使繼電器吸合，即公共端連接常開端，一般的集成電路無法提供大電流，因此必須進行擴流，即驅動。采用PNP控制，當輸入為低電平時，三極管飽和，從而使繼電器線圈有符合要求的電流流過，使繼電器吸合;相反，當輸入為高電平時，三極管截止，繼電器釋放。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要由TTL轉485模塊（TTL-RS 485 Module）、集線器和3組土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強度、CO2濃度傳感器組成。本次設計中將傳感器分為3組，實現多點、多參數環境監測，達到全面了解竹林生長環境的目的。而RS 485協議則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式，最大速率可達10 Mbps，傳輸距離超千米。在本次設計中，考慮到現場環境以及后續的擴展升級，采用RS 485通信方式與性能相對優越的MAX485通信芯片[11]。

采用土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強度、CO2濃度傳感器進行監測，這些皆為通用RS 485型傳感器，使用標準的Modbus-RTU協議。所有傳感器通過集線器連接到TTL轉485模塊上，TTL轉485模塊與主控模塊的串口相連，每個傳感器預先設置一個不同的設備地址，然后主控模塊通過向每個地址發送查詢命令來讀取各傳感器的數據。以第一組傳感器為例，命令如圖2所示。

2.3 顯示存儲通信模塊

2.3.1 數據顯示

選用3.5寸的TFT液晶屏模塊，工作電壓為3.3 V，最大工作電流為70 mA。支持320×240分辨率，內置230 KB內存，可顯示文字和圖形，采用LED背光設計，通過軟件可對背光亮度進行調節[12]。在液晶顯示屏上顯示傳感器采集的環境數據，用戶通過按鍵控制液晶是否背光，以降低功耗。

2.3.2 數據存儲

本次設計為了后續能夠對數據進行處理分析，采用SD卡存儲數據。設計使用SDIO接口，包括CLK，CMD及4條DAT[3：0]信號線。同時，采用文件系統FATFS以高效管理SD卡的存儲內容（FATFS是為了存儲和管理數據而在存儲介質上建立的組織結構，它是一個通用的文件系統模塊，可在小型嵌入式系統中實現FAT文件系統）。系統數據的存儲通過向程序中移植FATFS文件系統實現。

2.3.3 數據通信

本次設計在數據存儲到SD卡后及時將數據遠程發送到數據庫，以供用戶遠程監測。采用GPRS遠程通信技術，GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的簡稱，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端、廣域的無線IP連接，優點在于傳輸速率高、永遠在線、可實時傳輸數據、以流量收費、價格合理、基于IP協議可以訪問整個Internet[13]。

主控芯片收到各傳感器返回的監測數據后，將數據通過串口經GPRS部分發送到數據庫，同時還可提前通過按鍵控制是否選擇通過短信發送數據到用戶手機，以便能夠實時了解竹林生長狀況。模塊與主控芯片的通信協議是AT命令集，在數據發送前需要先對GPRS模塊進行初始化、查詢狀態并設置網絡信息[14]。

2.4 供電模塊

本系統主要工作在野外密林環境中，設備無法供應市電，因此采用太陽能板+控制器+蓄電池方案，將設備與太陽能控制器負載端相連，即可獲得5 V和12 V兩路電源。

各模塊供電主要有3路，一路5 V電壓給GPRS模塊、繼電器供電;一路5 V電壓通過AMS1117-3.3模塊降壓到3.3 V給主控芯片、液晶顯示屏、SD卡模塊供電;一路12 V電壓通過XL6009模塊升壓到24 V給傳感器組供電。

3 軟件設計

3.1 工作軟件

為節省功耗，主控芯片每隔1小時進入一次低功耗模式，再通過定時器中斷喚醒進行采集、顯示、存儲、通信工作。系統工作流程如圖3所示。

3.2 通信軟件

為解決偏遠地區數據無法實時獲得的問題，本次設計在數據采集后可通過GPRS通信將數據傳送至自己搭建的數據庫，同時，用戶可通過按鍵選擇是否需要發送數據到手機端。GPRS通信部分軟件流程如圖4所示。

4 測試及結果

4.1 系統測試

為驗證設備的可靠性、實用性，在涇縣的毛竹林里進行實驗，監測現場如圖5所示。將3組傳感器放置在主控模塊的3個方向，全面監測竹林生長環境。終端部分的體積為103 mm×80 mm×30 mm，成本小于60元。每小時消耗0.55 W電量，采用12 V/20 A·h的鉛酸蓄電池，在沒有光照的情況下連續工作時間大于430 h，在實際天氣狀況下可連續可靠工作。

4.2 數據庫展示

數據通過GPRS上傳到數據庫，用戶可及時了解竹林生長環境，并供后續進行數據分析。

4.3 SD卡存儲展示

在野外竹林進行監測實驗，數據存儲到SD卡中的展示如圖6所示。實驗設置每隔一小時采集一次環境數據，包括3組土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度、空氣濕度、空氣溫度共18個數據。

5 結 語

竹林環境參數對竹筍、成竹的生長發育以及林下種植、養殖都非常重要，需要實時、精準、高效地監測竹林生長環境，包括土壤濕度、土壤溫度、CO2濃度、光照強度、空氣濕度、空氣溫度。

本文針對竹林供電和通信不便、環境因素變化大、地形復雜等實際情況，運用物聯網技術研制了實用的竹林環境監測系統，在涇縣毛竹林進行試驗，結果表明數據完整、精確，硬件性價比高，使用簡單，易于二次開發，達到了預期目標。下一步的工作是進一步降低功耗，完善數據庫，進行可視化分析。本系統有利于竹資源的管理、開發和利用，具有重要的經濟和社會價值。

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