农田生态环境远程监测（精选8篇）
农田生态环境远程监测 篇1
0 引言
农业具有地域分散、对象多样和环境因子不确定等特点。传统农业生产主要凭借人的经验进行,无法对农业生产全程进行实时精准监控,实现最优化的生产。快速、有效地采集和描述影响作物生长环境的空间变量信息,是实现“精细农业”的重要基础[1]。因此,进行农田环境监测,随时掌握农业环境因素变化,并采取相应的最优对策,显得十分重要。
传统的农田信息监测主要靠农业技术人员实地现场采集数据、A/D转换、通过PC保存分析数据或者通过数传电台的方式进行数据传输。这些方式存在很多问题。由于农业环境相对恶劣,严寒、高温或高湿等气候因素很容易导致PC机无法正常工作,PC机因其体积较大、费用较高与功耗显著造成性能价格比低,无法实现远程监测。即便使用数传电台,也会受到地形的限制,距离仅限于几十千米之内,无法进行24h实时监测[2]。因此,农业环境的远程实时监测问题亟待解决。
目前,国内外的研究大多采用单片机作为微控制器[2]。由于其自身性能的局限性,使得系统功能扩展时出现了一系列不可预知的调试问题。在数据传输部分,有的采用CDMA模块,但成本太高,不宜推广。
本设计提出了基于ARM和GSM的嵌入式农田环境信息采集发送系统设计方案,降低了功耗和成本,可靠性强,易于升级。
1 系统设计
1.1 嵌入式体系结构及工作原理
本系统包括硬件系统和软件系统两大部分。利用硬件电路来实现数据采集、实时显示,并通过GSM(Global System for Mobile Communication)模块发送到监控中心服务器上,与远程服务器建立连接,接收数据,完成数据存储和分析处理,实现了远程环境信息监测的设计思想。系统的示意图如图1所示。
1.2 硬件设计
硬件部分包括系统核心板和GSM模块。系统核心板包括微处理器和信息采集两部分。
1.2.1 微处理器
采用S3C44B0作为嵌入式微处理器,内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器核。ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32核,S3C44B0在此基础上集成了丰富的外围功能模块,便于低成本设计嵌入式应用系统。ARM微处理器具有传统的微控制器—单片机无可比拟的优势[3],大大减少了设计的复杂度和工作量,从而保证了系统的稳定性和集成性。本系统用到的主要功能如下:
1)2个带有握手协议的UART;
2)5个PWM定时器及1个内部定时器;
3)8路10位模数转换器ADC;
4)功耗控制模式为正常、低、休眠和停止;
5)看门狗定时器;
6)1个多主的I2C总线控制器;
7)71个通用可编程I/O口,8个外部中断源。
1.2.2 数据采集模块
农业环境中对作物生长起决定作用的要素包括气温、土壤湿度、CO2浓度和光照强度等因素。农田环境信息采集模块由以上各因素相应的传感器组构成。由于黑龙江省全年温差较大,在选用传感器时应注意传感器工作适宜的温度范围。温度范围在–40~1000C的传感器较好。从精确度、误差、价格、响应时间和输出信号是否便于转换、设计安装难易与操作是否方便等因素考虑[4],本系统用到的传感器有美国Dallas半导体公司数字化温度传感器DS1820、SC0058土壤湿度传感器、TGS4160 AM-4 CO2传感器以及Honeywell照度传感器。
1.2.3 GSM技术及GSM模块
信息传输是利用GSM方式发送的,它是目前全球最成熟的数字移动通信标准。GSM提供的服务可以不受空间与地域的限制,随时随地获取所需信息,为在恶劣的现场环境中营造相对平稳、安全与有效的各种监测系统提供了可能和方便。
短信息服务(SMS)是GSM技术应用的一项重要内容,它具有以下突出的优点:一次可传输140bit的数据;短信息通过短消息中心(MSC)转发到最终目标;在短消息传送过程中不进行呼叫连接建立和释放的过程;传输距离不受限制,实现方便。
系统采用的短信模块型号为西门子GSM MODEM TS-SGC1,采用AT指令集进行控制,短信息格式为文本格式,波特率设置为9600bps[5]。
1.3 软件设计
软件部分由信息采集、显示、发送模块和上位机接收、存储、查询模块组成。
农田信息采集、显示、发送模块采用移植性好的C语言作为开发语言,开发环境是英蓓特公司的集成开发环境。程序流程图如图2所示。功能函数包括:系统初始化sys_init();定时器初始化timer_in it();定时器中断timer_int();数据采集data_clt();实时显示lcd_data();发送数据gsm_sen da();等。系统初始化后,进入循环等待中断状态。当定时器中断发生时,就进行数据采集显示并保存;采完预定次数后,执行信息发送程序;发送完毕,重新进行下一轮数据采集。
基于成本的考虑,本系统采用多轮采集、一次发送的方法。其中,农田信息采用传感器轮流采集的方法,每采集一个传感器数据就保存在缓冲区中。等到采集一轮完毕,把缓冲区中的数据转换为字符串形式,并通过GSM模块远程发送。数据采集和发送时间间隔由定时器控制。
上位机数据接收处理模块包括接收数据、保存数据和分析处理等功能。数据处理软件采用Visual Basic设计,数据库为ACCESS。通过数据接收处理模块,服务器自动接收、保存并实时显示当前值,工作人员能够得到实时数据和历史数据的表格显示以及它们的实时趋势曲线、历史趋势曲线,从而得到几天内甚至数周内各因素的最大值、最小值和某一时刻的各因素数值,进而总结出农田环境信息的变化情况,并及时地采取相应措施[6]。
2 结论与展望
本系统经长时间试运行表明,功能可靠实用,易于升级,功耗管理严格,成本低廉,稳定性和可靠性达到相当高的水平。今后的研究方向是把采集到的数据接入Internet,网页实时发布,实现资源共享,全面地实现农田环境监测数字化与网络化管理。基于嵌入式技术的研究开发将是农田环境信息监测控制系统发展的重要趋势,它必将在实现农业装备、农业监测系统、农业控制系统等的智能化、信息化、精确化等领域做出更大贡献。
参考文献
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农田生态环境远程监测 篇2
关键词：监测系统；网络终端；温湿度传感器
中图分类号： TP274；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0416-03
收稿日期：2015-04-27
基金项目：院士工作站资助项目（编号：fckt201503）；陕西省教育厅产业化培育项目（编号：14JF004）；陕西理工学院科研基金（编号：SLGKY14-06、SLGKY15-25）。
作者简介：韩团军（1981—），男，陕西乾县人，硕士，讲师，主要从事集成电路设计与分析相关研究。E-mail：htjzyh@163.com。随着汉中茶园种植朝着产业化、标准化种植方向发展，茶园环境的信息化管理水平对其质量和产量有着很大影响。因此，生产过程中实时掌握种植环境参数有着重要意义。传统的监控设备数据不能实时在网络上进行显示，用户不可以随时随地查看信息进行控制[1-3]。随着农业的迅速发展，远程实时监控农作物生长环境显得更加重要。为了达到实时监控空气质量的目的，并且能方便、快捷、高效、直观地查看监控的结果，本研究提出了基于GPRS和WEB的远程网络分布式茶园环境污染检测系统。相比传统的监控设备，该系统是将数据发送到网络上进行显示，用户可以随时随地查看信息，进行控制。
1检测系统的设计方案
该系统是通过各个气体传感器将模拟当地空气浓度模拟信号传到AD转换芯片将模拟信号转换为数字信号，单片机接收数字信号，分析、处理再加密数据后传给GPRS，GPRS使用3G网络，使用TCP/IP协议，将加密后的数据发送到服务器端，服务器端接收大量数据并提取转换实际有效的数据，写入到数据库。服务器端是基于多线程网路数据库的后台程序，同时可以支持上千客户访问的连接，处理并写入到数据库。数据库存储海量数据，为WEB前台提供接口，WEB前台调用指定数据库的数据并进行直观显示。具体硬件框图如图1所示。
2硬件接口设计
2.1传感器选择
传感器对于监测系统来说就如同生物的眼睛一样重要，它决定着该系统数据的稳定性、真实性。因此，就数据的真实性﹑稳定性和价格合理性选择了技术先进、性能稳定、灵敏度
高、性价比高的MQ系列气体传感器和Sensirion公司生产的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11[4-6]。气体传感器原理是其输出电压和气体的浓度有一定的比例，输出为模拟电压值，利用ADC7888将模拟信号数字化。温湿度传感器是一个将放大和调理为一体的器件，而且输出为数字信号，避免了芯片之间转化而使信号产生误差。经过长时间的测试和厂家提供的传感器技术资料，得出这为后期的数据处理提供了优越的先天条件，而且为系统数据的稳定性、真实性提供有力的保障。
2.2GSM通信模块电路
SIM9000A模块是一个双频GPRS/GSM模块，TCP/IP协议在其内部嵌入。控制模块利用它的串口控制其工作实现该模块的收据收发。电路如图2所示。
2.3电源模块电路
电源电路要为整个系统供电，由于单片机、传感器和GPRS模块所需电流不同，系统用双电源进行供电。GPRS模块供电用MP2307设计，该器件工作电流可达3A，集成可调MOSFET，电流模式控制快速瞬态响应和逐周期电流限制。采用78M05、LM2940稳压芯片分别为传感器和AD芯片及各部分电路供电。GPRS供电具体电路如图3所示。
2.4控制电路
控制电路采用STC12C5A60S2完成傳感器数据的采集和线性处理，控制GSM模块完成信息的无线传输，最后在终端
显示实时参数（图4）。
3系统的软件设计
3.1系统的流程
系统主要由控制芯片完成环境的数据采集、分析、处理，再加密数据后传给GPRS，GPRS使用3G网络，使用TCP/IP协议，将加密后的数据发送到服务器端，服务器端接收大量数据并提取转换实际有效的数据，写入到数据库，服务器端是基于多线程网路数据库的后台程序，同时可以支持上千客户访问的连接，处理并写入到数据库。数据库存储海量数据，为WEB前台提供接口，WEB前台调用指定数据库的数据并进行直观显示。具体流程如图5所示。
3.2WEB服务器的设计
空气质量远程监测软件的WEB服务器最终决定使用 Apache 公司的一款免费开源的Web 应用服务器TomCat作为B/S结构的WEB服务器。ApacheTomcat服务器接收用户发来的请求并送至数据逻辑处理部分的Servlet进行处理，Servlet 则根据需要，调用JavaBean中的方法，通过JDBC技术获得数据库的数据，最后将所得到的数据再经由Tomcat、Apache 服务器和Jsp、HTML页面呈现给用户。
4实现与应用
通过硬件和软件设计，系统可以正常地监测分散地域的环境相关参量，可以很好地在用户页面上展示数据，系统稳定，页面美观大方。用户页面如图6所示，最终的设计终端如图7所示。
5结论
针对汉中茶园种植的特点，设计了基于GPRS和WEB的远程网络分布式茶园环境污染检测系统，实现了对当地空气质量数据的实时采集，并全自动发送至网络，通过自建的服务器收到后并响应，用户可以很方便的访问和查询，该系统测量精确抗干扰能力强、性价比高，支持7×24 h不间断为用户提供信息服务，具有一定的农业应用价值。
参考文献：
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农田生态环境远程监测 篇3
气候条件会直接影响到农业生产, 高温、霜冻、暴雪、暴雨、大风等复杂天气会导致作物减产, 直接影响了农业经济的发展。与此同时, 自然气候条件也会影响到农业基础设施的使用寿命。早期自动气象系统可以收集准确的气象信息, 而体积大、安装条件限制了其推广应用[1]。新兴的虚拟仪器技术因具有体积小、易开发和使用简便等优势, 可以替代自动气象站的数据采集器和预处理器。Lab VIEW语言的应用可以提高程序开发效率, 降低综合成本。通过具备控制、处理分析能力的软件, 虚拟仪器可以取代相应功能电子线路, 是传统仪器功能与外形的模块化和软件化。远程虚拟仪器技术是虚拟仪器技术与网络技术的结合, 将虚拟仪器的应用范围拓展到整个Internet网上, 使信号采集、传输和处理一体化, 从与Internet相连的远端获得动态数据或将控制信号传送到远端, 在监控中心可以监控远端设备[2]。
1 系统结构组成
农田气象信息远程监测系统主要由室外自动气象站和气象信息管理系统组成: 室外自动气象站由传感器、主控制系统组成, 通过GPRS模块接收采集到的数据并发送到气象信息管理系统; 气象信息管理系统利用Lab VIEW编程语言实现对气象的显示[3]。系统设计流程图, 如图1 所示。
1. 1 传感器
本设计采用的传感器型号是Vaisala公司生产的气象变送器WXT520, 是一个轻巧的小型变送器, 采用紧凑式包装, 可提供6 种气象参数。WXT520 用于测量风速、风向、降水、气压、温度和相对湿度。传感器外壳的等级为IP65 /IP66, 适合于我国北方的恶劣天气。WXT520 采用32VDC, 并使用可选择的通信协议输出串行数据: SDI - 12、ASCII自动和轮询。有4 个串行接口可供选择: RS - 232、RS - 485、RS - 422 和SDI - 12; 并配备了一个安装用8 针M12 接头和一个维护用4 针M8 接头。
1. 2 主控系统
主控系统包括数据采集器与控制器, 具体包括控制器、采集器、通讯模块、供电电源和存储模块等部分。主控器通过嵌入式软件与供电、采集、通讯、存储等单元协调工作来完成。自动气象站的核心是数据采集器, 负责数据收集、传输、统计分析和数据存储[4]。采集器电路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板, 具有良好的扩展性, 操作性、支持第三方控制器, 包括时钟管理、实时及周期间隔定时器、复位、关机、高级中断及调试单元 ( DBGU) 。通讯单元为西门子6GK7 型工业以太网通讯单元, 可以做到网络统一, 可与支持Ether Net /IP的设备连接, 结合使用Ethernet功能使其具有传感器监控器及控制值备份等现场实际应用功能, 要想完成任务下达命令和数据上传功能需要通过网络来实现。通讯模块起到关键作用, 所以要求其具备以下功能: 1支持国际标准通讯协议, 如TCP /IP ( 6. 0 ) 、UDP或者PPP, 具有标准RS232 串口; 2可以自动监测联网状态, 短线1min内自动拨号重新连接, 防止数据的丢失; 3接口速率为可选的1 200 ~ 9 600k B /s范围。存储单元: 因采集数据的频率较短和跟踪监测的时间范围较长, 因此采用存储容量为闪迪256G固态硬盘, 用于保证存储容量及数据的安全性、稳定性和读取速度, 同时存储单元可以记录系统工作状态。防雷单元: 由于监测系统需要全天候连续工作, 所以需要面对复杂天气状况, 因此加装防雷设备对于整个系统的安全性尤为关键, 本系统采用的是雷太LY1 - B系列电涌保护器 ( 一级防雷器) 。供电单元: 由于本系统需要在田间进行监测, 不宜采用城市供电, 因此选用了太阳能电池进行供电, 对电池的容量要求为在无光线的环境中可以连续供电10 天。扩展单元: 新型传感器需要有相应的端口或接口与主控系统相连接, 以满足系统升级或新添设备需要。
2 系统设计
农田气象信息远程监测系统的主控器选用的是Atmel公司的ARM9 系列的AT91SAM9260 处理器。该处理器可以采用Linux操作系统, 通过嵌入式应用控制程序, 实现农田环境多要素气象数据的采集、处理及存储的功能。被采集到的气象要素基于TCP /IP协议的通讯网络, 采用无线GPRS方式, 根据实际情况选择最佳的组网方案, 实现无线气象数据传输, 并基于Lab VIEW开发农业气象信息管理软件, 使气象信息能够被读取。
2. 1 采集控制设计
采集系统可以实现采集并对采集到的气象要素信号进行处理。采集系统内部设有存储器, 可以进行信息清除并对采集到的各气象要素的数据进行存储, 有接口USB实现信息数据的备份功能。系统设有通讯接口RS232 /RS485, 可以通过该接口与GPRS /CDMA等通讯设备连接。该系统有时钟校准功能, 通过监控中心下达指令, 对气象站的时间进行校准。
数据处理的方法需要设计采集数据的时间间隔。气象数据的监测主要为定时扫描各传感器的数据, 通过通讯模块将数据的电信号传到主控系统中经既定程序 ( Lab VIEW) 计算; 通过屏幕可以直接读取实时数据, 针对特定时间段的数据可以进行有目的的分析, 如平均值, 不同时间点的变化趋势数据以及不同周、月份、年份的数据统计分析等[5]。收集数据默认为温度、相对湿度、降雨量、风向、风速及气压; 当增加传感器时, 在主控系统中重新设置就可以进行增加项目数据的收集。各气象数据中气温、相对湿度、雨量、气压的数据传感器每10s测定一次, 根据气象学上常规的统计方法, 通过程序收集到1min内每10s的瞬时气象数据。气温、相对湿度、雨量、气压在1min内会收集到6 个数据, 舍弃一个最高值和一个最低值, 使用其余的4 个测定数据来计算算术平均值, 此值为监测系统最终在屏幕中实时显示的瞬时数值。风向、风速的监测频率为1 次/min, 系统计算每5min内5 次测定值的算数平均值, 此数据在Lab VIEW程序界面中实时显示。所有测定的数据在数据库中均有保存, 如统计部门需要对数据进行特殊分析, 均可在数据库中将数据导出。在数据库中如有异常数据, 一般以超过临近时间点两倍的数据值进行特殊标记, 以便提醒管理员对相应数据进行核实和异常情况的分析。
2. 2 通讯设计
前端采集部分与后端监控中心系统通信采用无线GPRS通信方式, 由于农田气象站放置在室外, 因此不适宜采用光纤传输, 而采用GPRS无线能够解决此问题[6]。GPRS采用的组网方式是公网固定IP的方式。GPRS拥有传递及时、通信信号好等优势, 在并组网时减少对原有网络资源的浪费, 节约了成本, 并可以在室外复杂环境中实时进行监测, 而且具有一定的安全性。室外自动气象站与气象信息管理系统需要建立点对点的网络连接, 在连接过程中需要以无线方式登陆到以太网络来获得网络地址。要实现网络服务器地址和端口映射在气象管理系统中, 需要气象信息管理系统软件采用其网络子网地址, 这样在管理系统显示软件中就可以实现气象数据的双向通讯, 进行有效的信息传递和收集[7 - 8]。图2 为基于GPRS无线通讯的气象信息系统示意图。
2. 3 软件设计
气象信息管理系统可以通过网络来查看气象信息。本研究天气显示采用的软件是Lab VIEW, 此软件是美国国家仪器公司推出的一门图像化编程语言, 同时也是著名的虚拟仪器开发平台[9 - 10]。作为一门图形化编程语言, Lab VIEW秉承了其简单易用的一贯作风, 使用户能够快速编写出强大的应用程序。本研究的Lab VIEW编写程序图, 如图3 所示。
为了方便叙述, 本文把风向、风速、温度、湿度、雨量和气压多种气象数据统称为气象信息值。气象系统天气前面板显示图, 如图4 所示。
通过该系统对哈尔滨市香坊区东北农业大学校内气象信息值进行监测, 与气象台预报数据作为参考进行对比, 气象信息值监测结果如表1 所示。
表1 中实测的时间跨度是实验当天早6: 00 至晚18: 00。从数据中可以看出, 实测日期当天监测到的温度、湿度、雨量、风速和气压与参考值相比, 具有良好的线性关系, 系统可以准确计算出当天所监测气象信息的平均值。此收集到的气象数据只是一天中的部分数据, 所以经过系统分析计算出来的数据只能代表所监测时间范围内的气象信息, 与气象台发布的参考值有偏差。
3 结论
本研究实现了通过虚拟仪器技术对气象信息进行实时监测及通过GPRS无线传输通讯与管理系统进行数据交换, 且通过Lab VIEW软件可以把气象信息以数据形式直观展现。通过对现场实际气象信息监测, 证实该系统可以连续实时记录和储存所监测时间范围内的气象数据, 并可以对收集到的数据进行统计分析, 配合气象预警系统基本可以实现恶劣气象条件及时给与提醒, 为相关机构对实施相应防护方案提供准确可靠的理论根据。同时, 可把恶劣天气对农业生产的影响降到最低, 为农业生产的顺利进行提供有力保障。
参考文献
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基于物联网的农田环境监测系统 篇4
为了促进我国精细农业技术的研究与开发, 推动现代化高科技精细农业的发展, 设计并研制一种传感器网络系统, 建立基于物联网 (Internet of Things, IOT) 的农田环境监测系统。通过长期大面积地监测农田微小气候变化, 实时监测生物的各种生长环境因素, 包括温度、湿度、光照度、CO2浓度、土壤温度、土壤水分以及土壤电导率等, 建立基于物联网的收集、分析、处理的农田环境信息监测系统, 实现农作物生长环境的远程、实时、自动监测, 促进物联网与精细农业的共同进步。
2 系统总体组成
该农田环境监测系统由三部分组成:传感器数据采集、数据传输及管理控制中心。监测系统的工作示意图如图1所示。
系统以农田作为监测对象, 各网络节点采用无线传感器完成农田环境的数据采集, 每隔固定时间采集一次信息并存储, 然后以无线通信的方式将数据发送给汇聚节点, 最后由汇聚节点将数据通过无线网络传输到管理控制中心服务器。中心的可视化监测平台起到监测管理的作用。所有数据存储在中心服务器上, 供远程用户通过浏览器进行查询和下载。减少人力资源的浪费, 在一定程度上实现农业生产自动化。
3 系统功能实现
农作物的生长受空气温湿度、光照度、CO2浓度、土壤温度、水分以及电导率等的影响与控制, 因此, 农田环境直接关系到农作物的产量和质量。应用物联网及其相关技术, 对农田环境进行监测, 以便及时采取相应措施来调整农业的生产管理。
3.1 温室环境监测系统
温室环境监测系统对农作物生长环境进行实时的监测, 以实现对温室环境的及时控制与调整。
在温室环境里单个温室即可成为物联网一个测量控制区, 采用不同的传感器节点组成无线网络进行测量, 并对土壤水分、电导率、PH值、空气温湿度、气压、CO2浓度及光照强度等的调整来获得农作物生长的最佳条件, 为温室环境调控提供科学依据。最终实现温室中各传感器的网络化, 从而达到现场安装组网方便、增加作物产量、调节生长周期、提高经济效益的目的。系统结构如图2所示。
3.2 节水灌溉控制系统
一个完善的节水灌溉控制系统要能够实现实时监测农作物的需水信息, 再结合天气情况, 实现对农作物的适量灌溉。整个系统应当具有数据采集、数据传输、数据处理和灌溉控制功能。系统结构如图3所示。
在该系统中, 分成多个基本灌溉区域, 每个基本灌溉区域由一个灌溉执行机构实现对本区域的灌溉。节水灌溉专家系统是整个控制系统的核心, 由控制中心的计算机完成。该专家系统把农业灌溉专家知识存储到知识库中, 根据实时测量的土壤温湿度信息和天气情况, 判断是否灌溉、何时灌溉、灌溉量等。并将信息存入数据库中, 为今后的控制提供科学的数据依据, 用户可及时查询灌溉情况, 并可进行适度调整。
4 结束语
农田环境监测系统中, 数据采集、处理和传输均由无线传感器网络完成。无线传感器网络在整个系统中起到基础支撑作用。物联网的应用避免了有线网络的局限性, 具有更大的灵活性和互换性, 易于扩展, 节省成本。
因此, 在现代农业迅速发展的同时, 物物互联的物联网技术在我国精细农业的自动化信息化领域具有有很好的应用前景。
参考文献
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农田生态环境远程监测 篇5
一、监测仪的基本组成
本蔬菜大棚环境参数微型无线监测仪由温度采集模块、湿度采集模块、无线模块1、无线模块2和微型液晶显示模块等5部分组成, 无线通信协议采用Simplici TI网络协议支持的串状网络结构。监测仪的基本工作过程是:大棚内的温度、湿度传感器将信号发送至无线模块1后, 该模块将这些信号处理变换为数字信号, 再通过微型天线发送给无线模块2;无线模块2对接收到的数字信号进行处理后, 传送到微型液晶显示器显示, 使人们可以及时掌握大棚的环境参数信息。该系统的无线传输距离可达000米, 非常适合大面积大棚的环境参数监测。
二、监测仪的硬件选择
基于高精度、低成本的原则, 我们对本大棚环境参数监测仪的主要硬件做了如下选择。
1. 无线收发模块。
系统所选无线收发模块的核心是CC1110无线单片机, 该芯片是一种真正的无线Soc, 特别适合低功耗无线应用设计。它包含了一个标准的增强型8051内核微处理器, 一个无线收发芯片CC1110被封装在一个6mm×6mm的芯片中, 芯片内自带32KB Flash和4KB RAM。无线通信主要工作在315/433/868/915MHz的ISM (工业、科学和医学) 频率波段, 在ISM频段可自由地设置为300~348MHz、391~464MHz和728~928MHz。该芯片的RF射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器, 可支持不同的调制格式, 其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项, 可使性能达到最佳状态。该芯片的主要特点如下:无线接收灵敏度高、抗干扰特性强;高达500KBaud的可编程数据传输速率;待机模式电流低于0.3μA时, 可从外部中断唤醒;电压范围较宽, 约为2.0~3.6V; (5) 内置12位高精度积分型A/D转换器, 并可配置为8路输入。
2. 温度传感器。
所选温度传感器为DS18B20, 具有微型化 (功耗仅相当于普通小功率三极管) 、低功耗、高精度和抗干扰能力强等优点, 可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理, 而无需传统的放大、A/D转换等外设电路, 节省了硬件资源。测量温度范围为-55℃~+125℃, 在-10℃~+85℃范围内, 精度为±0.5℃, 特别适合用于恶劣环境的现场温度测量。并且, 温度传感器在与单片机交换数据的单总线上, 可以挂接多个DS18B20, 因而能够实现多点温度的监控。单片机可以通过读取该温度传感器内部的64位光刻序列号, 识别出各个测温点的DS18B20, 实现对多点温度进行监控。
3. 湿度传感器。
所选湿度传感器为KSC-6V集成相对湿度传感器, 其基本原理是将湿敏电容置于RC振荡电路中, 直接将湿敏元件的电容信号转换成电压信号。设定在0%RH时, 湿敏支路产生一脉冲宽度的方波, 调整多圈电位器使其方波与湿敏支路脉冲宽度相同, 则两信号差为0。湿度变化引起脉冲宽度变化, 两信号差通过RC滤波后, 经标准化处理得到电压输出, 输出电压随相对湿度而增加, 其相对湿度0%~100%RH对应的输出为0~100m V。
4. 微型液晶显示器。
所选显示器件为微型液晶显示器1602LCD, 其性能特点是功耗非常低 (工作电流只有2.0m A) 、工作可靠、体积小 (可显示16×2个字符) 。其字符显示功能由内部专用的驱动芯片HD44780实现, 该芯片的应用非常简单, 只需将待显字符的标准ASCII码放入其内部集成的数据显示存储器 (DDRAM) 中, 内部控制线路就会自动将字符传送到显示器上。
三、硬件的接口电路
大棚内的数字温度信号被DS18B20采集后, 由其引脚2输出至无线单片机CC1110的第14引脚 (P2.0) 。湿度信号被集成湿度传感器KSC-6V采集后, 由其引脚2输出0~100m V的模拟电压信号, 再经集成运放相同比例放大后, 得到的模拟电压信号, 并输入到单片机CC1110的引脚P0.0 (该引脚可被设为能进行A/D采集的第二功能) 。CC1110芯片将对接收到的温度、湿度信号进行调制处理, 并由其天线E1发射出去, 供接收模块接收。
监测数据 (温度、湿度信号) 被天线E2接收后, 由CC1110芯片解调、数字化处理后, 得到的8位二进制数据可由P0.0~P0.7输送到LCD的DB0.0~DB0.7引脚进行显示。1602LCD的第一行显示为温度信息, 第二行显示为湿度信息。
四、监测仪的主要软件设计
监测仪的软件部分由无线发送和无线接收2个模块组成。为提高数据存取效率, 使用了CC1110内存与外设之间的DMA专门数据通道。该通道在DMA硬件控制器的控制下, 直接进行数据交换而无需通过CPU内核, 无需I/O指令。因此, A/D采集和射频收发器的数据移动到内存时就无需CPU内核干涉, 从而大大提高了无线数据的传输速度。
发送模块主程序:首先运行初始化程序, 然后进入程序循环, 调用radio Send () 函数, 把transmit Data缓冲区的数据发送出去。接收模块主程序:首先运行初始化程序, 然后进入程序循环, 先调用radio Receive () 函数, 接收无线监测数据, 待到确认接收成功后, 再将接收到的数据显示到1602LCD上。
五、监测仪的Proteus软件仿真
为确保测试仪的软硬件设计正确, 缩短开发周期, 本文基于Proteus软件进行了仿真。其基本过程是:首先设计好仿真原理图, 然后将由Keil软件编译过的“*.hex”文件载入单片机, 最后运行仿真, 可看到图1所示的仿真效果。该仿真结果初步表明, 监测仪的软硬件设计正确。
六、结束语
一种矿山环境远程监测系统设计 篇6
随着网络技术的不断发展和国家对矿井安全生产的重视,矿井的安全生产显得越来越重要。近年来国家大量投入国债资金用于矿井安全生产技术改造,全国大多数矿井都实行了安全监测装置。每一个矿井都有独立的监测装置,为了提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率,提出一种高效率低成本的矿山环境远程监测控制系统。同时也为企业安全生产信息化管理提供了更高的要求。
1设计原理
本系统采用ADC0809采集外部多路模拟信号转换为数字信号,在分点微处理器STC89C52的控制下将数字信号通过串行口输出到信号放大器MAX485发射到传输电缆。在监控总台由MAX485接收将信号整理放大后通过串行口输入控制总台微控制器STC89C52,控制总台将接收到的数据(温度计算标准,湿度计算标准、瓦斯浓度检测等)按监控项目所设计的标准转换后输出到液晶显示器LCD1602上显示。其系统方框图如图1所示。
STC89C52单片机成本较低,四个八位并行端口 ;256B内部RAM,8K内部ROM ;内置看门狗,可使处理器按程序稳定的执行。双数据指针、三个定时器,且STC89C52可以完成100 000次读写,在前期的开发和后期的维护带来很大的方便。
系统中设置了温度传感器PT100、湿度传感器HM1500和瓦斯浓度传感器KGS-20的转换计算标准。用户如需采用其他传感器可以手动从4*4距阵键盘输入转换计算标准,具有良好的兼容性能。
2硬件设计
整个系统采用模块化设计 , 硬件结构由分点信息采集模块、总台控制模块、显示模块三个模块组成。
2.1分点信息采集模块
信息采集模块主要为模数转换和与单片机通讯,在本系统中由微处理器端口ALE产生1MHz脉冲号通过低触发器74LS293二分频为0.5MHz时钟信号供模数转换芯片ADC0809,利用微处理器P0口接收模数转换芯片ADC0809转换后的数字信号。其模数转换硬件原理图如图2所示。
ADC0809具有8路模拟信号(0~5V)采集端口,由三个地址端控制 ;由外部提供时钟信号 ;输出八位TTL分辨率可达到256,可使模拟信号真实采集并传输到总台微控制器。
此模块中设计了一个八位行列键盘,在必要的时候采取强制信息选择八路模拟数据。
2.2总台控制模块
总台控制模块主要实现信息接收、显示、通过键盘接收人为信息。总台信息的接收和分点信息的发射采用同一模块,将其接受的信号放大后输入到微处理器。其信息接受硬件原理如图3所示。串行收发信号放大器MAX485具有很强的防静电能力,可耐静电压 +15KV,高速串行数据传输,具有128位总线 ;内置信号放大电路可使信号传输的距离达到1km。
2.3液晶显示模块
液晶显示器由第4脚接STC89C52,LCD1602显示容量为16*2个字符,可以同时显示多路信息 ;自带英文字库且控制简单。
总台控制模块设计了4*4的距阵键盘,接总台微控制器的P1口。可以根据不同的监测对象和不同的周边环境人为的设定不同的转换标准或是报警值。总台控制模块还留有功能扩展接口,在必要的时候可以扩展为智能开关控制外部的调节系统,实现全自动智能控制。
3软件设计
采用C语言编程,并在编写程序时采用模块化编程方法将程序分为主程序、模数转换、信号发射、信号接收、显示、键盘等模块。这样增加了程序的可读性 , 可移植性。使软件的功能扩展更灵活。其程序主要流程图如图4所示。
4结束语
农田生态环境远程监测 篇7
1 系统总体设计
数字电视机房环境智能远程监测系统由监测中心和多个机房集中管理客户端组成。监测中心由监测主机及监测软件组成;机房集中管理客户端采用模块化设计,部署在各地的机房内,系统整体结构如图1所示。为了对分布式的机房进行集中统一管理,监测中心和机房客户端采用C/S架构设计进行数据交换。整个系统结构组建灵活,扩展方便。可实现机房设备运行管理的无人值守,极大地提高了资源利用率和设备运行管理水平[2]。
机房集中管理客户端主要负责数据采集、分析、处理、显示及报警,并统一对所有事件作出响应,同时将本地采集处理后的数据通过TCP/IP传输给上级管理中心;监测中心负责对多个机房的集中管理,接收下级监测站传来的各种实时信息并发送控制命令给各分机房。机房温湿度传感器采集环境温湿度模拟量信号,转换成标准电信号后接入到监测模块;烟雾、浸水、红外、门磁等开关量信号传感器则采用物理线直连的方式接入到处理器相应端口,一旦检测到异常情况,机房集中管理客户端及时提示报警,并报告给监测中心,系统根据上报的事故报警信息进行分析处理,对于不同的预警和报警信息记录到事故信息库,并在向值班人员发出信息进行提示[3]。
2 机房集中管理客户端硬件结构
机房集中管理客户端硬件结构主要由各检测模块、本地报警单元和嵌入式处理器S3C2440组成。检测模块主要包括温湿度传感器、烟雾传感器、漏水检测仪、粉尘检测传感器和门磁防盗仪等[4]。电源管理模块给终端提供12 V,5 V,3.3 V和1.8 V的供电。数字电视机房客户端硬件结构如图2所示。
2.1 温湿度检测子系统
对于重要的机房,设备对温湿度环境的要求非常严格,事先为系统设置每个温湿度传感器的温度与湿度的报警上限与下限值。温湿度传感器将检测到的数值传送给处理器,并在软件界面上以图形形式直观地实时显示出来,也可以显示在短时间段内的变化情况曲线图,当任意检测到的数据超过设定的上限或下限时,系统会自动发出报警,提示管理员通过调节空调温给机房设备提供最佳运行环境。
2.2 漏水检测子系统
鉴于机房内设备的重要性,如不慎发生漏水而不能及时发现并处理,极有可能导致电力短路,后果将不堪设想。因此将漏水传感器布置在有可能漏水的位置,如空调区域,一旦漏水,可确保系统在第一时间报警。
2.3 粉尘监测子系统
在机房内安装粉尘探测器,管理员通过本地液晶屏或者远程监测系统实时显示粉尘含量值来了解机房空气情况。主要机房设计空气洁净度为A级,即大于等于0.5μm尘粒数不大于10 000个/dm3;各弱电系统分配线间、各功能中心设计洁净度为B级,即大于等于0.5μm尘粒数不大于18 000个/dm3;当粉尘超过标准时,会自动向监测中心发出报警。
2.4 烟雾监测子系统
由于机房内电源线路非常复杂,极易出现电力起火等事故,在机房内部署烟雾传感器,可以及时有效地监测机房内的火情。一旦机房内发生火灾,烟雾达到一定浓度的时候,传感器会自动给嵌入式处理器一个开关信号量,机房集中管理客户端经过处理发出高音鸣叫,并通过网络向监测中心报警[5]。
3 系统软件设计
3.1 集中管理客户端软件
应用软件在Win CE5.0嵌入式操作系统平台上开发,用来实现对数字电视机房环境的实时监测,它提供一个友好的人机界面,直观显示环境参数和状态,以及与监测中心的数据通信等。Embedded Visual CE4.0是基于Win CE5.0平台下嵌入式操作系统定制的集成开发环境,它提供了所有进行设计、创建、编译、测试和调试应用程序等功能[6]。
集中管理客户端开机后自动进行硬件自检和载入操作系统,开启监测软件后建立与监测中心的TCP/IP网络连接,如果没有连接成功则一直进行连接请求,直到连成功为止。终端通过轮询检测的方法获取各传感器模块的输出,并对得到的数据进行处理和分析,如果传感器的输出值超出了预先设置的报警范围,则立即进行本地报警,并将错误原因存入日志,同时,将这些数据封装发送到监测中心。程序流程如图3所示。应用软件编写好后,建立PC机与嵌人式系统的Active Sync连接,并移植到Win CE5.0操作系统,最终实现相应的功能。
3.2 监测中心软件
监测中心软件建立在Windows操作系统上,采用VC++6.0软件进行开发,利用ACCESS2003作为数据库编写了功能强大的监测管理软件。在机房环境监测管理主机上采用统一的图形用户界面,分类管理温湿度检测、漏水检测、烟雾和防盗等功能组态[7]。监测中心管理软件结构如图4所示。
用户显示界面将以动态图标显示方式对各环境设备的状态、数值、故障和报警进行集中监测。维护人员能随意地选择查看任何一个机房的任何环境参数。当机房内环境发生异常事件时,会在相应机房的所在区域自动弹出提示到当前监测计算机的主画面上,并给出发生事件的时间、位置以及具体的类型等文字信息,显示在属性框中和系统的事件列表中。系统内的信息按机房、位置、内容和环境参数进行分类记录和存储,可以按照各种查询条件进行查询、报表显示和打印输出。
4 试验结果与分析
对5个机房环境进行监测,由于系统采用的是轮询监测的方法,每秒钟只扫描1个机房。为了解系统在某一时间的运行情况,通过历史数据库查询可知。输入条件“时间”和所要查询的机房“编号”,就可以得到相应的环境参数报表,查询结果如表1所示。
该报表显示,所监测的这5个机房内的温度和湿度稍微偏离设置的固定值,但没有超出安全范围,故在这一时刻所有监测参数都很正常。
5 结论
系统采用C/S架构设计,实现了对远程分布式数字电视机房环境的集中监测和管理,遇到环境温度过高或过低、环境湿度过大、非法闯入、火灾等紧急意外情况,能够及时记录、查询和自动快速报警,不仅减少了值班人员的工作量,而且对于保证设备的正常运行起到了积极作用。经过实验表明,该系统工作稳定、延时短,实现了从单点管理过渡到全面集中管理,对于推动三网融合的发展具有重要意义。
摘要：为了实时监测数字电视机房内的环境参数,采用C/S架构设计了数字电视机房环境智能远程监测系统,系统由监测中心和机房集中管理客户端组成。管理客户端采用嵌入式处理器S3C2240设计,实现了本地机房的漏水、温湿度、粉尘和烟雾监测等功能,同时与远程的监测中心建立TCP/IP网络连接,将数据进行实时回传。实验结果表明,该系统工作稳定、延时短,对数字电视机房内的设备正常运行和延长使用寿命具有积极作用。
关键词：机房环境监测,C/S架构,嵌入式,TCP/IP通信
参考文献
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[3]李峥,黄俊,刘美玲.基于嵌入式的红外电力监测系统的设计[J].电视技术,2011(5):100-102.
[4]史水娥,杨豪强.基于ARM9处理器的机房环境远程监测系统设计[J].河南师范大学学报:自然科学版,2010,38(3):57-59.
[5]钟新跃.模糊算法在智能火灾报警器中的应用[J].制造业自动化,2010(9):128-130.
[6]张根宝,吴彦.基于嵌入式Linux的智能瓦斯监测系统设计[J].计算机测量与控制,2011(5):1033-1035.
农田生态环境远程监测 篇8
核能给人类带来了巨大的经济和社会效益, 但核安全问题不容忽视。在核事故发生时, 为有效保护环境、保护公众安全、减少损失, 须及时做出正确的应急辐射评价和应急决策, 而核事故现场的气象环境是做出应急决策的一项重要依据[1,2]。
针对高危核辐射环境下进行长时间远程监测的问题, 文中设计并实现了气象参数远程实时监测节点, 可在无人值守情况下将现场温度、湿度、风向、风速及GPS定位信息传送到监控处理中心。监控处理中心对远程监测节点传回的数据经综合处理后, 可及时的预报、评估和预测核辐射的现状及发展趋势, 在核事故应急决策中具有非常重要的意义。该远程监测节点采用太阳能供电技术, 可解决野外长时供电问题, 并采用低功耗设计, 可长期工作在无人值守的野外恶劣环境中。
2 系统设计
2.1 系统整体设计
远程监测系统的组成如图1所示, 该系统包括远程监测节点和监控处理中心两个部分, 远程节点采集到的现场数据通过以太网实时传输到监控处理中心, 监控处理中心根据获取到的现场气象信息, 通过综合处理后可及时的采取相应的应急措施。其中远程监测节点是系统设计的重点和难点, 该远程监测节点采用低功耗处理器STM32F407作为主控器, 外部配置了大量的传感器模块, 主要包括温湿度测量模块、GPS模块、风向测量模块以及风速测量模块。实时获取的野外现场气象信息通过以太网接口模块传输到远程监控中心, 考虑到远程节点在野外供电比较困难的问题, 我们采用太阳能供电方式, 可解决野外无人值守环境下的长期供电问题。
2.2 STM32F407嵌入式系统模块
基于处理器STM32F407的监控节点包括STM32F407最小系统和与各个传感器的通信接口。温湿度传感器采用I2C总线接口, 本设计中采用STM32F407的通用IO口模拟I2C总线来进行通信;分别采用两个串行通信接口与GPS模块和风向传感器模块进行通信;风速传感器输出的是脉冲信号, 设计中将风速传感器输出脉冲信号引脚直接与STM32F407的中断口相连, 处理器通过对脉冲频率进行计算后可间接得到风速值。
本设计中的风向传感器采用XFX-WD, 该传感器内部采用精密电位器, 低惯性轻金属风向标响应风向, 动态特性好, 具有量程大、线性好、抗雷击能力强、观测方便、稳定可靠等优点。处理器STM32F407采用串口通信接口与该风向传感器进行通信, 处理器向风向传感器发送相应的指令后可对传感器进行相应的设置, 并读取出实时的风向信息。
2.3 风速传感器模块
本设计中的风速传感器采用XFX-WS, 该传感器采用传统三风杯风速传感器结构, 风杯选用碳纤维材料, 强度高且启动好;杯体内置信号处理单元能根据需求输出相应风速信号。该风速传感器模块以脉冲的形式间接提供风速数据, 处理器根据接收到的脉冲信号频率进行计算后得到实际的风速数据。
2.4 温湿度传感器模块
本设计中的温湿度传感器模块采用SHT15, 该传感器是一种新型传感器, 将传感器、信号放大及调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上, 具有全校准相对湿度及温度值输出, 实现了温湿度传感器的数字式输出, 且免调试、免标定、免外围电路, 极大地方便了在嵌入式测控领域的应用。该传感器湿度值输出分辨率为14位, 温度值输出分辨率为12位 (可编程为12位或8位) , 具备CRC数据传输校验功能。STM32F407采用通用I/O口来模拟I2C总线与温湿度传感器进行通信, 其中DATA数据线需要外接一个上拉电阻。
2.5 GPS模块
目前市场上出售的通用GPS模块较多, 本系统采用GPS模块QE-GPS93, 该模块集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU, 并加上相关外围电路。GPS模块收到卫星信号后能快速得到定位数据, 定位数据按照规定的数据格式 (包括经度、纬度、高度、速度等) , 通过串口每1秒向外输出一次定位信息。STM32F407无需参与卫星定位的相关处理, 直接通过串行接口即可获取GPS模块输出的定位信息, 硬件电路设计和软件设计都十分简便。
2.6 以太网接口模块
该远程监测节点具备以太网通信功能, 现场获取的气象参数和地理位置信息通过以太网传输出去。本设计中选用DP83848VV作为以太网控制器, 该控制器具备100M的传输能力。为了进行以太网通信, 需要在STM32F407上移植TCP/IP协议栈, 由于远程监测节点是采用的嵌入式系统, 系统资源有限, 所以我们选择了轻量级协议LWIP, 该协议在保持TCP协议主要功能的基础上减少了对RAM的占用, 只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行, 所以L W I P协议栈非常适合在低端的嵌入式系统中使用。本设计在STM32F407上移植了LWIP协议, 通过UDP方式与远程监控中心进行通信。
3 监测节点软件设计
远程监测节点的程序设计框图如图2所示, 主要包括三个部分:主程序、风速测量程序和中断程序。
主程序中流程如图2所示, 上电启动后首先对系统进行初始化, 包括处理器STM32F407的时钟、外设端口、串口、中断等的初始化, 接着对以太网芯片和相关协议参数进行设置, 随后进入主体循环程序:风速测量、风向测量、温湿度测量以及以太网处理程序, 由于GPS模块会每1秒会自动通过RS232接口向处理器发送定位信息, 所以我们采用串口中断的方式对获取的GPS信息进行处理。
4 实验及结论
远程气象监测节点设计完成后做了实时监测试验, 远程监测中心用一台带网络接口的普通计算机代替。在计算机上运行监测应用程序, 远程监测节点传来的数据将实时的在屏幕上显示出来根据远程监测节点提供的数据, 在危急情况下, 决策部门可据此作出应急响应。
文中设计的核辐射环境下远程气象参数监测节点, 可实时采集风速, 风向、温度, 相对湿度和GPS定位信息, 采集的数据通过以太网传回监控处理中心。
参考文献
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