基于物联网的新型林圃监测系统设计与实现

白文乐 梁东升 北方工业大学电子与信息工程学院

引言

目前，国内外农林业监测系统缺少倾斜角度的监测。另外，也有用无人机对树林生长状况进行监测的，但是目前国内低空对无人机是限飞的。本文旨在为树林设计一套新型远程监测系统，加入倾斜角传感器，从多一维的角度采集树苗生长的实时数据。实现无线远程访问。

1 系统总体结构设计

该系统由中央服务器、ZigBee各级节点、网关、客户端、电源模块、传感器模块组成，系统总体结构图如图1所示。

每个监测器都包括电源模块、温湿度传感器、光照强度传感器、倾斜角传感器、无线收发模块，还可根据需要选择性加入GPS模块。各个ZigBee支节点通过扫描信道，逐跳地将数据传输给最近的上一级节点。主节点通过网关与中央服务器建立连接，实现数据的相互传输。

系统上电后，各模块就绪，终端传感器采集信息，单片机将数字信号进行处理，ZigBee支节点将数据发送到主节点，主节点将数据汇总再发送给中央服务器，存储在数据库中。远程客户端包括电脑和手机两种客户端，当远程客户端向中央服务器发送访问请求，并输入经服务器授权过的账户和密码，就会进入系统，从而根据各个监测器的MAC地址来选择需要查看的数据。

2 系统硬件设计

信息监测器负责树苗生长环境参数的采集，包括温度、湿度、光照强度、倾斜角度等，硬件系统由传感器、电池模块、无线收发模块、显示模块、CC2530最小系统构成。

2.1 最小系统设计

采用CC2530最小系统，它能建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU等强大功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。CC2530F256结合了黄金单元ZigBee协议栈，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

CC2530最小系统电路如下图所示：

图2 CC2530最小系统电路图

2.2 温度传感器

温度传感器采用TMP102，它是一款双线串行输出温度传感器，采用微型SOT563封装，无需外部元件，TMP102能够读取温度，分辨率为0.0625°C。TMP102具有SMBus和两线接口兼容性 ，并允许在一条总线上最多连接四个设备。

2.3 倾斜角传感器

倾斜角传感器采用ADXL345，它是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度。能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。

2.4 光照强度传感器

光照强度传感器采用RE200B, 它采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。

2.5 电源模块

采用输出电压为5V输出电流为1A的可充电电池，电源模块为树苗信息监测器供电。

3 系统软件设计

3.1 传感器节点设计

传感器采集相应的数据，通过串口发送给支节点，支节点与协调器组网后将数据发送给协调器。

3.2 网关设计

本文采用在电脑端搭建网关的方式，通过流套接字（TCP）远程访问服务器。对于TCP套接字，服务器先处于监听客户端请求连接的状态，当客户发出连接请求，以IP和端口号连接服务器端的套接字，服务器收到请求并响应，建立独立的连接线程，把服务器端的套接字发送给客户端，连接就建立了。

3.3 服务器设计

服务器可以是任何一台电脑，网关只需要知道服务器的IP就能和它建立连接，实现两者的通信。服务器开启后，会在特定端口监听。当监听到网关的访问请求时，会与网关建立连接，然后接收网关发来的数据。

4 系统组网过程

上电后，支节点定时读取传感器数据，通过无线传输方式发送给临近的协调器。协调器节点负责组网，在扫描到空闲信道时，设置好网络参数。其他节点发出加入网络请求时，只要将信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可加入网络，并且能得到自己的网络地址。同理，任何一个节点提出离开网络的请求即可离开网络。协调器掌握了所有的网络节点信息。

5 倾斜角变化算法

如图3所示，如果树苗倾斜角变化之前与垂直方向所成角度为∠1，此时选三轴加速度计的任意一个轴为参照，假设选X轴为参照，此时倾斜角传感器X轴读数为A，倾斜角度变化之后树苗与垂直方向所成角度变为∠2，此时的读数为B，那么倾斜角变化值就是∠2和∠1的差值。即：

倾斜角变化值=∠2-∠1=arc cosB-arc cosA

图3 倾斜角度变化分析图

6 实验结果分析

6.1 温度数据

温度数据以曲线形式显示出来，横轴是时间轴，以小时为单位，纵轴是温度轴，以摄氏度为单位。用户可以查询实时和历史数据。

6.2 光照强度数据

光照强度数据以曲线形式显示出来，横轴是时间轴，以小时为单位，纵轴是光照强度轴，以勒克斯为单位。用户可以查询实时和历史的数据。

6.3 倾斜角度数据

加速度传感器数据包括X轴、Y轴、Z轴，数值有正负，如果数值为正数，则重力加速度与该轴的正半轴方向所成角度为锐角或零度；如果数值为负数，则重力加速度与该轴的正半轴方向所成角度为钝角或180度。每个轴显示的对应数据均为重力加速度的倍数，表示重力在该轴的分量大小，所以根据反余弦定理，倾斜角大小就是该数的反余弦。

7 结语

本文在传统农业监测系统的基础上，加入倾斜角传感器，多一维度来监测树苗的生长状况，利用ZigBee无线通信协议，摒弃传统的有线连接方式，避免了因采集节点增多和布线繁琐而带来的问题，用户可以远程登陆系统，查看实时数据，来了解树苗生长环境各个参数的变化情况。本设计符合现代农业林业发展要求，具备很好的研究价值。

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