基于ZigBee的园林生态监测系统

根据生态监测的空间尺度，可将其划分为宏观生态监测和微观生态监测两大类。

宏观生态监测是在大区域范围内对各类生态系统的组合方式、镶嵌特征、动态变化和空间分布格局及其在人类活动影响下的变化等进行监测。主要利用遥感技术、地理信息系统和生态制图技术等进行监测。微观生态监测其监测对象的地域等级最大可包括由几个生态系统组成的景观生态区，最小也应代表单一的生态类型，它是对某一特定生态系统或生态系统集合体的结构和功能特征及其在人类活动影响下的变化进行监测。在生态质量评价上逐步从生态质量现状评价转为生态风险评价，以提供早期预警。

本系统实现一种基于ZigBee技术的园林微观生态监测，其过程包括：首先进行园林微观信息收集；然后将信息上传，再通过无线网关接入或联网，将无线网关获得的数据利用互联网保存至服务器；最后进入数据管理与分析系统，实现远程数据获取和数据管理，任何时候、任何地点都能够通过web浏览器观察并分析实时数据；当监测数据超过正常水平时，设置报警功能，对异常的环境进行报警，报警记录提供查询。

1 系统整体设计方案

系统主要分为粉尘颗粒检测模块、温湿度检测模块、控制模块、显示模块和无线通信模块，其中粉尘颗粒检测模块中的粉尘浓度传感器所输出为信号为连续的模拟电压信号，而CC2530所能识别的信号为数字信号，因此在进行粉尘颗粒浓度的检测时需要加一个模/数转换芯片，用来将传感器输出的模拟信号量转换成单片机能读取的数字量。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 PM2.5检测电路

图2 粉尘传感器电路连接图

GP2Y1010AU0F传感器是一款由日本夏普公司生产的，该型号的传感器可以用来检测到粒径在0.8微米以上的粉尘，该传感器是一款光学传感器，其灵敏度为0.5v/mg/m3，其原理如图所示，在传感器上装有一个吸气器，其可以主动的吸进空气并让空气通过这个洞，在传感器的上面有个红外线发光管，其可透过吸进的空气，在其下面有个能够接收到红外线信号的接受装置，该接收装置能接收到经过了粉尘后反射回来的红外线信号，然后通过信号放大等操作将接收装置接收到的光信号转化为不同频率的电信号，从而得到相应的粉尘浓度。

传感器的典型连接电路如图2所示。

由于该传感器输出的是模拟电压信号，因此该模块后引入ADC0809，将转换的数字信号输入CC2530。

3 温湿度检测电路

温湿度检测电路设计时采用的是DHT11数字式传感器，DHT11数字温湿度传感器是一款以数字信号方式输出的复合式传感器，其内部的传 感器都是经过校准的。它采用的是专用的数字式的采集模块技术和温、湿度传感技术，这两项技术的使用确保了该产品具有了极好的可靠性和具有长期稳定工作能力。该传感器是由一个电阻式的感湿元件和一个NTC的温度检测元件组成。该传感器具有较高的抗干扰能力，超快的响应能力，并且其具有较高的性价比等诸多优点。出厂的每一个DHT11传感器都会在那些具有很高精确的湿度校验室中进行湿度的精确校准。经过校准后的系数将以程序的形式被储存到DHT11温湿度传感器中的OTP内存里，当利用传感器进行温湿度的检测并处理被检测的数据时会调用这些已经经过校准过的系数。该传感器采用的是单总线制的串行通信协议，从而在设计电路时会使电路更简洁方便。基于以上的诸多特点使其具有极小的体积和极低的功耗，使该传感器成为了许多人在各类需要温湿度的应用中甚至是在最为苛刻的应用场合中的最佳的选择。该型号的传感器采用了4个单排引脚的封装。连接方便。

DHT11通过单总线与微控制器连接，电路如图3所示。

图3 DHT11电路图

4 无线通信系统

利用ZigBee组建园林生态监测系统具有如下优点：

（1）ZigBee体积较小，利于安装布设,减轻技术维护人员安装调试工作量，提高效率。

（2）ZigBee无线组网省去布线这块的成本和技术维护，最重要的是提高了信息实时性。

（3）ZigBee的无线组网技术成本较低，省去了系统的运营成本。

（4）ZigBee可搭载较多外围器件，比如主控MCU，可控IC，传感器等等，这对园林生态监测系统带来了很大的发展空间。

无线数据传递此模块以数据的发送和接收为目的，实现数据的无线传输。模块应用ZigBee模块实现数据的无线传输。在无线化通信和数据间传输需要智能自动化操作的背景下产生了ZigBee技术，它是基于IEE标准的低功耗局域网协议。具有传输速度快、省电、投资少、支持多种模式、安全可靠等显著特点。在数模转换器的终端，安装ZigBee模块作为发送装置，在系统的处理端，安装ZigBee作为接收数据装置，实现数据的接收。

ZigBee网络的组网模式有三种：星型网络架构，串行网络架构，网型网络架构，图4是各自模式的简图：

图4 ZigBee网络结构

园林生态监测系统选用串行网络架构模式，根据串行网络数据传输模式。各个终端采集数据信息经路由器进行转发，将统一数据发送至协调器端，协调器再经数据集中器发送到控制中心进行数据的统一处理。本系统在设计过程中选用了德州仪器公司生产的CC2530，该芯片兼容C8051内核处理器。能够以非常低的总的材料成本来完成。CC2530 不但具有射频收发器突出的优点外，还兼具了增强型的处理器，内嵌式可修改存储器，8K字节容量的随机存取存储器以及其他功能，模式与模式之间的转化时间少，很好地控制了能耗。

本系统实现的无线传感网络园林生态监测系统。其工作过程如下：

第一阶段，信息收集；利用传感器节点采集不同传感器数据，每个传感器节点能够同时连接多个传感器；传感器节点之间形成无线传感网络，通过点对点通信的方式汇总数据；

第二阶段，信息上传；利用移动3G无线网络，将传感器节点汇总的数据上传至无线网关；

第三阶段，信息保存；无线网关接入互联网，将无线网关获得的数据利用互联网保存至服务器；

最后信息进入园林生态监测系统数据管理与分析系统：实现远程数据获取和数据管理，任何时候、任何地点都能够通过web浏览器观察并分析实时数据；对于不能上网的用户，还能够通过手机的方式获取数据；当监测数据超过正常水平时，设置报警功能，对异常的环境进行报警，报警记录提供查询。

5 结论

基于物联网的园林生态监测系统的优点是显而易见的，具体如下：

（1）采集设备采用电池供电，无线节点不需要固定电源设施，可以布署在野外、路边等任何需要的地方。

（2）无线传感网具有自组织自愈合的特点，方便非技术人员安装，并且网络具有可扩展性，节点可以自动加入网络中。

（3）通过无线基站与无线网关相连，然后经过互联网与服务器相连，实时传送数据。

（4）各级别用户都可以通过浏览器远程查看数据和进行数据管理，客户可设置自定义的趋势图和报警级别等功能。

另外，传感器网络特有的低成本、高覆盖和可扩展性强的技术特征在园林生态监测领域将大有可为，基于物联网，协助实现环境监测，提高树木和花卉、水果等经济作物的产量及质量，可以带来巨大的社会效益与经济效益。

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