基于Zigbee和GPS的湿地环境监测系统

张凤 朱琳

【摘 要】本文设计运用了ZigBee技术和GPS技术。ZigBee环境监测系统由传感器节点、协调器和上位机监测平台组成。传感器节点是由ZigBee芯片和传感器构成的。传感器节点是用来采集环境变量参数，例如当前环境下的温度、湿度、光照强度、空气质量等等环境变量参数；协调器的功能就是接收各个传感器节点采集到数据，并发送到上位机实现实时监测。传感器节点、协调器以及上位机之间的是通过串口来完成通讯信息交互。卫星定位系统采用STM32核心芯片外围电路含有液晶显示器LCD1602，GPS，GSM电路，按键和LED灯电路组成，通过LCD模块能够将实时时间以及定位经纬度显示出来。系统可以通过GSM模块直接发送定位信息到指定的手机用户上。

【关键词】ZigBee；卫星定位；环境监测；湿地

扎龙湿地拥有丰富的野生动植物资源，然而由于湿地周边的人为干扰和旅游开发等活动，导致湿地遭到严重的破坏。目前扎龙湿地正面临着缺水、污染和资源枯竭等严重问题，直接威胁了丹顶鹤等珍稀水禽繁殖栖息环境[1]。传统的环境监测方法通过人工监测或依靠环境监测站采集环境信息，因为湿地生态系统的环境和地貌的复杂性，使得对于其监测产生了困难[2]。ZigBee模块的无线传感器技术正在逐渐走向成熟，它与无线标记技术和蓝牙技术有着根本的区别，是介于他们之何的一种技术方家，它以自已的独特的低功耗、低复杂度、近距离、低成本的、低数据传输速率的技术特点的姿态发展起来。前端信息的采集与传输是面向湿地环境的传感器网络监测系统中最重要的一环。

1.系统总体方案

基于ZigBee的扎龙湿地环境监测系统总体架构主要是由PC端上位机、CC2530协调器节点、多个ZigBee终端/路由节点组成。传感器采集当前环境的温度、湿度、光照度、烟雾，协调器通过串口将采集到的数据传送到上位机进行实时监控测、汇总和数据分析，根据生物需要的环境要求进行对比从而进行人工或机器的调整。

2.系统主要实现功能

本次设计是基于ZigBee的湿地环境监测与基于STM32的GPS定位系统的设计。该系统的设计实现主要有以下的功能：环境湿度监测、环境温度监测、环境光照强度监测、环境空气质量监测、环境烟雾监测、GPS卫星定位、GSM短信通知、LED灯照明。

基于ZigBee的环境监测系统实时监测环境温湿度、环境光照、环境空气质量等环境参数。所有模块监测得到的数据发送到协调器，通过协调器传输到PC端上位机，由C++做了个显示界面并在PC端上位机进行实时显示。终端节点、协调、上位机他们之间通过串口进行通讯完成数据传输。工作人员通过得到的环境参数进行人为调控，使环境达到适合动植物生活。

基于STM32的GPS定位系统通过GPS卫星定位模块可以实现实时精确定位，并且定位到坐标可以通过GSM模块发送到相关人员的手机上。当工作人员在扎龙湿地内巡视时，遇到受伤的动物或突发状况时，可以通过定位到坐标和短信通知获得及时的救援。

3.GSM_SIM800A电路设计

本次毕设计选择了SIM800A模块去实现对系统远程短信信息的交互。SIM800A模块主要通过串口与单片机进行连接，从而实现对SIM800A模块的控制。SIM800A的串口提供了多条控制线，包含数据信号线TXD和RXD，状态信号线RTS和CTS控制信号线DTR，DCD，DSR和RI。RXD数据接收信号线用于接收来自单片机的数据。接22欧电阻后与单片机数据发送端口TXD1即P0.1相接。TXD数据发送信号线用于向单片机发送数据。接22欧电阻后与单片机RXD1即P0.0相接。RTS发送请求信号线，接22欧姆电阻后与单片机P1.5口相连。CTS发送清除信号线，接22欧姆电阻后与单片机P1.4口相连。RI振铃指示信号线，接22欧姆电阻后与单片机P1.7口相连。DSR数据设备准备信号线，接22欧姆电阻后与单片机P1.2口相连。DCD数据载波检测信号线，接22欧姆电阻后与单片机P1.3口相连。DTR数据终端准备信号线，接P1.6接22欧姆和15K电阻后与单片机P1.6口相连。

4. LCD1602液晶显示模块电路和NEO-6MGPS模块电路设计

LCD1602的引脚1连接单片机的GND端，引脚2连接单片机的VCC端，引脚3连接滑动变阻器的中间引脚，引脚4连接单片机的单片机的PB5端，引脚5连接单片机的PB6端，引脚6连接单片机的PB7端，引脚7连接单片机的PB8，引脚15连接VCC，引脚16连接GND。

NEO-6M GPS模块的引脚1连接VCC，引脚2连接GND，引脚3连接单片机的PA2端口，引脚4连接单片机的PA3端口，引脚5悬空。

5.系统主流程设计

所有的ZigBee系统在程序运行之初，都要对其硬件进行初始化，主要对系统的关键寄存器进行设置、CPU的工作频率以及等待状态发生器的设置。

根据GPS接收模块的功能：实时接收卫星发送的导航电文，通过串口将数据发送至处理器进行解析，数据解析后存储并显示在LCD上。GPS模块与处理器间通过串口1进行通信。微处理器的串口2与GSM模块连接，微处理器从GPS导航电文中解析出我们需要的地理信息后，将数据存储在串口2，等待通过GSM模块发送至用户移动设备。因此程序设计主要包括：配置GPS模块串口参数、串口中断处理函数、LCD显示处理函数或GSM发送数据。

6.系统测试

将程序通过ST-LINK烧写进单片机，基于ZigBee的环境监测系统上电后，PC端会显示当前的检测到周围环境参数，然后将程序通过ST-LINK烧写进单片机，基于STM32的GPS定位系统上电后，LCD1602液晶显示屏会显示当前所处位置的经纬度。

6.1测试结果分析

可实现扎龙湿地的环境参数监测。通过ZigBee协调器和终端组成节点模块，协调器接收各个模块检测到的环境参数并发送到PC端。由扎龍湿地的工作人员根据所监测到环境参数进行对扎龙湿地范围内动植物保护，从而丰富扎龙湿地的生物多样性。野生丹顶鹤也能再次回到曾经的栖息地繁衍生息，可实现扎龙湿地范围内的精准定位和短信通知所在位置。以STM32为核心，GPS卫星定位模块精确定位到所在位置并在LCD1206液晶屏上显示当前定位到的位置的经纬度。并通过GSM短信模块将所定位到的经纬度发送到监测站。当扎龙湿地的工作人员遇到受伤的动物或遇到危险时需要救援时短信通知当前所在位置并获得及时救援。

7.结语

本次设计的整个系统是以ZigBee，STM32，为核心，具体分为两个部分。基于ZigBee的温湿度监测模块、MQ-2烟雾监测模块、光敏传感器模块；基于STM32的GPS定位模块、GSM短信模块。利用了多个传感器并采用软硬件结合的方式来实现整个程序的运行，从而实现扎龙湿地的环境监测。从系统运行的情况来看，以上两个方面都达到了很好的效果，模块运行一切正常，能够完成扎龙湿地环境监测系统设计的基本要求。并且成本低，应用便捷，反应灵敏，对扎龙湿地内的动植物的保护起到了一定的作用。

【参考文献】

[1]盖赫莉，王淑梅，王欣.对扎龙湿地生态环境的分析[J].黑龙江环境报，2015，26（3）.

[2]张亚锋.基于ZigBee无线传感网络的草原环境监测系统设计[J].电气自动化，2015，37（4）：27-29.