竹林环境监测物联网系统

张菊 江朝晖 李博 高健

摘 要：针对竹林环境监测中地形复杂、供电及通信不便和成本较高等问题，设计了一款太阳能供电的竹林环境监测物联网系统，可对空气和土壤多参数进行长时间、高精度采集，并具有SD卡存储和GPRS传输功能。系统性价比高，使用简单，易于二次开发，有利于竹资源的管理、开发和利用。

关键词：竹林环境;多参数采集;物联网;数据库;存储;传输

中图分类号：TP391.4文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-00-05

0 引 言

中国是世界上竹类资源最丰富的国家，对竹子的培育和利用已有6 000多年历史[1]。竹子属于绿色植物，具有空气净化、气候调节、防风固沙、防止水土流失等生态环境保护功能[2]，也是优质的建筑和编制材料，同时竹笋还是营养丰富的食材。发展竹子对解决贫困问题、环境问题、社会问题具有显著的效益[3]。对竹林环境进行长时间、低误差、高精准、远距离的监测是竹子生长发育管理和林下种植养殖管理的需要[4]。虽然近年来中国环境监测领域发展迅速，但是对竹林生长环境进行监测依然存在许多问题，主要包括野外供电困难[5]、通信不便[6]、环境参数多、地形复杂、成本高[7-8]等。

针对以上问题，运用物联网技术研制了实用的竹林环境监测系统，可采集空气温湿度、光照强度、CO2含量、土壤温湿度等，可将数据进行实时显示，待SD卡存储后可通过GPRS远程发送到数据库，该系统有利于竹资源的管理、开发和利用，具有重要的经济和社会价值。

1 系统设计

竹林环境监测物联网系统需要采集空气温湿度及光照强度、CO2含量、土壤温湿度等，且数据精度需符合标准、采集间隔可设置、传感器可增减、能够全天候连续工作、可远程监测数据。需要解决竹林供电和通信不便、环境因素变化大、地形复杂等实际问题。竹林环境监测系统包括主控模块、传感器模块、显示存储通信模块和太阳能供电模块，如图1所示，可满足大范围、多参数、连续、自动、精准监测的需求，达到使用方便、性价比高、应用范围广的标准。

（1）主控模块主要由采用STM32F103的嵌入式微处理器和继电器组成，负责间断性数据采集和处理。

（2）传感器模块的传感器组采用RS 485输出数字信号，通过Modbus协议读取实时环境参数值。

（3）显示存储通信模块由液晶显示屏、SD卡、GPRS模块组成，完成数据的显示、存储和远程通信。

（4）太阳能供电模组由太阳能板、控制器、蓄电池组成，可实现长时间数据监测，解决了野外无法使用市电的问题。

2 硬件设计

2.1 主控模块

主控模块选择基于Cortex-M3的32位嵌入式微处理器STM32F103ZET6。该处理器具有低功耗、短延迟、低成本等优点，芯片主频可达72 MHz，内置512 KB闪存和64 KB SRAM，片内硬件资源丰富，拥有5个串口、4个通用定时器、2个I2C、3个12位ADC、3个SPI、2个DMA控制器[9-10]。

为了降低功耗，通过PNP三极管控制SRD-05VDC繼电器间断给传感器组供电。继电器有5个引脚，分别为VCC，GND，公共端，常开端及常闭端。继电器线圈需要流过较大的电流（约50 mA）才能使继电器吸合，即公共端连接常开端，一般的集成电路无法提供大电流，因此必须进行扩流，即驱动。采用PNP控制，当输入为低电平时，三极管饱和，从而使继电器线圈有符合要求的电流流过，使继电器吸合;相反，当输入为高电平时，三极管截止，继电器释放。

2.2 传感器模块

传感器模块主要由TTL转485模块（TTL-RS 485 Module）、集线器和3组土壤温湿度、空气温湿度及光照强度、CO2浓度传感器组成。本次设计中将传感器分为3组，实现多点、多参数环境监测，达到全面了解竹林生长环境的目的。而RS 485协议则采用平衡传输，即差分传输方式，最大速率可达10 Mbps，传输距离超千米。在本次设计中，考虑到现场环境以及后续的扩展升级，采用RS 485通信方式与性能相对优越的MAX485通信芯片[11]。

采用土壤温湿度、空气温湿度及光照强度、CO2浓度传感器进行监测，这些皆为通用RS 485型传感器，使用标准的Modbus-RTU协议。所有传感器通过集线器连接到TTL转485模块上，TTL转485模块与主控模块的串口相连，每个传感器预先设置一个不同的设备地址，然后主控模块通过向每个地址发送查询命令来读取各传感器的数据。以第一组传感器为例，命令如图2所示。

2.3 显示存储通信模块

2.3.1 数据显示

选用3.5寸的TFT液晶屏模块，工作电压为3.3 V，最大工作电流为70 mA。支持320×240分辨率，内置230 KB内存，可显示文字和图形，采用LED背光设计，通过软件可对背光亮度进行调节[12]。在液晶显示屏上显示传感器采集的环境数据，用户通过按键控制液晶是否背光，以降低功耗。

2.3.2 数据存储

本次设计为了后续能够对数据进行处理分析，采用SD卡存储数据。设计使用SDIO接口，包括CLK，CMD及4条DAT[3：0]信号线。同时，采用文件系统FATFS以高效管理SD卡的存储内容（FATFS是为了存储和管理数据而在存储介质上建立的组织结构，它是一个通用的文件系统模块，可在小型嵌入式系统中实现FAT文件系统）。系统数据的存储通过向程序中移植FATFS文件系统实现。

2.3.3 数据通信

本次设计在数据存储到SD卡后及时将数据远程发送到数据库，以供用户远程监测。采用GPRS远程通信技术，GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端、广域的无线IP连接，优点在于传输速率高、永远在线、可实时传输数据、以流量收费、价格合理、基于IP协议可以访问整个Internet[13]。

主控芯片收到各传感器返回的监测数据后，将数据通过串口经GPRS部分发送到数据库，同时还可提前通过按键控制是否选择通过短信发送数据到用户手机，以便能够实时了解竹林生长状况。模块与主控芯片的通信协议是AT命令集，在数据发送前需要先对GPRS模块进行初始化、查询状态并设置网络信息[14]。

2.4 供电模块

本系统主要工作在野外密林环境中，设备无法供应市电，因此采用太阳能板+控制器+蓄电池方案，将设备与太阳能控制器负载端相连，即可获得5 V和12 V两路电源。

各模块供电主要有3路，一路5 V电压给GPRS模块、继电器供电;一路5 V电压通过AMS1117-3.3模块降压到3.3 V给主控芯片、液晶显示屏、SD卡模块供电;一路12 V电压通过XL6009模块升压到24 V给传感器组供电。

3 软件设计

3.1 工作软件

为节省功耗，主控芯片每隔1小时进入一次低功耗模式，再通过定时器中断唤醒进行采集、显示、存储、通信工作。系统工作流程如图3所示。

3.2 通信软件

为解决偏远地区数据无法实时获得的问题，本次设计在数据采集后可通过GPRS通信将数据传送至自己搭建的数据库，同时，用户可通过按键选择是否需要发送数据到手机端。GPRS通信部分软件流程如图4所示。

4 测试及结果

4.1 系统测试

为验证设备的可靠性、实用性，在泾县的毛竹林里进行实验，监测现场如图5所示。将3组传感器放置在主控模块的3个方向，全面监测竹林生长环境。终端部分的体积为103 mm×80 mm×30 mm，成本小于60元。每小时消耗0.55 W电量，采用12 V/20 A·h的铅酸蓄电池，在没有光照的情况下连续工作时间大于430 h，在实际天气状况下可连续可靠工作。

4.2 数据库展示

数据通过GPRS上传到数据库，用户可及时了解竹林生长环境，并供后续进行数据分析。

4.3 SD卡存储展示

在野外竹林进行监测实验，数据存储到SD卡中的展示如图6所示。实验设置每隔一小时采集一次环境数据，包括3组土壤温湿度、CO2浓度、光照强度、空气湿度、空气温度共18个数据。

5 结 语

竹林环境参数对竹笋、成竹的生长发育以及林下种植、养殖都非常重要，需要实时、精准、高效地监测竹林生长环境，包括土壤湿度、土壤温度、CO2浓度、光照强度、空气湿度、空气温度。

本文针对竹林供电和通信不便、环境因素变化大、地形复杂等实际情况，运用物聯网技术研制了实用的竹林环境监测系统，在泾县毛竹林进行试验，结果表明数据完整、精确，硬件性价比高，使用简单，易于二次开发，达到了预期目标。下一步的工作是进一步降低功耗，完善数据库，进行可视化分析。本系统有利于竹资源的管理、开发和利用，具有重要的经济和社会价值。

参 考 文 献

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