丁愛華

(唐山學(xué)院信息工程系，河北唐山 063000)

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礦山廢棄地生態(tài)溫室集成監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

丁愛華

(唐山學(xué)院信息工程系，河北唐山 063000)

為了在礦山廢棄地溫室監(jiān)測系統(tǒng)中實現(xiàn)多傳感器集成與信息融合技術(shù)，采用無線網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)，建立一種基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。針對不同傳感器采集數(shù)據(jù)的不同，提出多傳感器的數(shù)據(jù)模型，并構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；同時，利用GPRS模塊將數(shù)據(jù)以分組轉(zhuǎn)發(fā)的方式，發(fā)送到計算機(jī)控制系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的控制功能。通過在河北省遷安市瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園的典型應(yīng)用，驗證了該系統(tǒng)的可行性。

礦山廢棄地；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集

In order to realize the multi-sensor integration and information fusion technology in monitoring systems of the agricultural greenhouse in abandoned mines, the wireless network integration technology was used to establish a data acquisition system based on ZigBee technology. According to the multi data from different sensors, the the model of multi-sensor was proposed and a wireless network with ZigBee technology was constructed. At the same time, the GPRS module was used as the data packet forwarding mode and send multi date to the computer control system, so as to improve the functions of control system. Through the typical application in Ruiyang Ecological Agriculture Garden in Qian'an City, Hebei Province, the feasibility of the system was verified.

Key words Abandoned mines; ZigBee; Wireless sensor network; Data acquisition

由于礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)與治理要求越來越高，如何保證廢棄地上建項目的安全穩(wěn)定性越來越引起重視。智能監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測集多個傳感器于一體，采集的數(shù)據(jù)包括地基穩(wěn)定性、空氣和土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等多種信息。這就涉及多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用，將多傳感器獲得的觀測數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)學(xué)模型加以自動分析、綜合處理，從而彌補(bǔ)了單一傳感器的采集信息片面的缺陷，得到更為全面的系統(tǒng)描述，以便能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行深入的系統(tǒng)分析，得到更為準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，有助于系統(tǒng)做出及時的決策。

河北省遷安市瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園建設(shè)成現(xiàn)代化大型智能生態(tài)溫室，屬于生態(tài)恢復(fù)后的復(fù)墾項目。由于該大型溫室地處鐵礦采空區(qū)，地基條件極其不穩(wěn)定，因此，生態(tài)溫室中需要檢測的數(shù)據(jù)除了常規(guī)的環(huán)境信息和農(nóng)作物信息外，需要對大跨度的溫室地表沉降進(jìn)行監(jiān)測。地表沉降的變化緩慢，因此需要實時監(jiān)測整體的微小變形量，進(jìn)一步構(gòu)造統(tǒng)計分析模型，并對變形的變化趨勢做出合理預(yù)測，為后期的分析決策提供科學(xué)依據(jù)。這也是與以往溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)不同之處。同時，為了進(jìn)行形變分析，需要獲得監(jiān)測點高精度變形數(shù)據(jù)，通常要求監(jiān)測點的觀測數(shù)據(jù)達(dá)到精度較高。

1 原理簡介

整套系統(tǒng)包括采集模塊的設(shè)計、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。其中，位移傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和光照傳感器和ZigBee終端節(jié)點相連，負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集后，轉(zhuǎn)換格式，再由終端節(jié)點由通過開放式無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上，ZigBee協(xié)調(diào)器通過和其相連接的GRPS模塊，將數(shù)據(jù)以分組轉(zhuǎn)發(fā)的方式，發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，最后由聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)上，通過監(jiān)控管理程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、匯總。

系統(tǒng)總體示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體示意

2 硬件設(shè)計

2.1 無線傳輸模塊開放式無線網(wǎng)絡(luò)的集成，主要利用先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)，構(gòu)建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其特點是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，因而使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體積小、組網(wǎng)靈活。非常適合用在自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。因此本設(shè)計選用ZigBee模塊作為數(shù)據(jù)采集點和控制中心的通信工具。

該設(shè)計采用的ZigBee模塊為CC2530。CC2530能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。經(jīng)對比選擇其中的CC2530F256，具有256 kb的閃存。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(Z-StackTM)，提供了一個強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案。

2.2 網(wǎng)關(guān)模塊IP MODEMIP MODEM模塊主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳遞，是連接監(jiān)控中心和溫室大棚檢測區(qū)域的紐帶。當(dāng)監(jiān)控管理中心發(fā)送查詢指令，IP MODEM模塊接收指令，同時在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中廣播。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，符合地址要求的傳感器模塊將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至IP MODEM，再由IP MODEM將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控管理中心。

IP MODEM采用高性能的工業(yè)級32位通信處理器、工業(yè)級蜂窩無線模塊和工業(yè)級ZigBee模塊，軟件平臺采用的是嵌入式系統(tǒng)，同時還帶有RS232、RS485和ZigBee接口，可直接連接串口設(shè)備和ZigBee設(shè)備。IP MODEM采用低功耗設(shè)計，最大限度降低功耗，此外IP MODEM還采用金屬外殼，保護(hù)等級IP30，特別適用于工業(yè)控制現(xiàn)場的應(yīng)用。

2.3 采集模塊及終端節(jié)點針對控制系統(tǒng)的需求，尤其是不穩(wěn)定的地基環(huán)境下，除了常規(guī)的采集量以外，特增加了地基位移的檢測，實時檢測地基的形變，有效預(yù)防地基變化對建筑物的破壞。設(shè)計采集模塊實現(xiàn)功能如下：

(1)溫濕度傳感器可根據(jù)大棚內(nèi)溫濕度的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，傳送給單片機(jī)，滿足信息的處理、顯示、記錄和控制等要求?？諝鉁貪穸葌鞲衅鬟x擇瑞士SensirionAG SHT11傳感器，而土壤溫濕度傳感器則選擇防水效果較好且耐壓的SHT10傳感器，分別進(jìn)行空氣和土壤溫濕度的檢測。

(2)光照強(qiáng)度檢測選擇的是S1087光照傳感器，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流，利用負(fù)載電路轉(zhuǎn)換為電壓，輸出為模擬量，為了進(jìn)一步的傳輸，經(jīng)過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸出數(shù)字信號，傳送至控制器。

(3)CO2濃度值用煙霧值代替，采用MQ-2煙霧傳感器采集，輸出的信號，經(jīng)過ADC0832轉(zhuǎn)換送至CC2530。

(4)位移傳感器。將BF120-5AA型電阻應(yīng)變片粘貼在室內(nèi)設(shè)置的特定監(jiān)測點上，應(yīng)變片將由于地基位移所產(chǎn)生的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過差動電橋，將其轉(zhuǎn)換為電壓值。通過連接調(diào)理電路，實現(xiàn)信號的放大、濾波等處理。

此外，利用CC2530模塊，完成溫室大棚內(nèi)遠(yuǎn)程終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和控制。用以實現(xiàn)對多傳感器模塊的控制、借助液晶屏實現(xiàn)采集值的顯示、采集值超標(biāo)時的報警和控制、上下限值的設(shè)定及采集數(shù)據(jù)發(fā)送等功能的控制。

采用CC2530模塊作為節(jié)點的主控模塊，可以利用CC2530內(nèi)的單片機(jī)資源，實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的輸入和信號調(diào)理，且CC2530硬件資源豐富、速度快，實用性高。

2.4 報警和調(diào)節(jié)模塊數(shù)據(jù)采集模塊采集的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、位移等數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)瞬時采集值超出上下限值時，系統(tǒng)產(chǎn)生報警。

報警模塊包括：

(1)采用蜂鳴器作為產(chǎn)生報警信號后的聲音報警器。

(2)一旦報警發(fā)生，監(jiān)控管理中心的軟件平臺以最高優(yōu)先級顯示報警信號，并將報警信息記錄至報警報表，以備查閱。如位移傳感器采集的變形量與基準(zhǔn)值相比較，及時判斷大棚地基是否安全，避免事故發(fā)生。

(3)監(jiān)控管理系統(tǒng)自動給相關(guān)管理人員發(fā)送短信，及時提醒。

(4)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自動運行，如濕度過低，則噴淋裝置啟動；溫度過高，則排風(fēng)系統(tǒng)啟動。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也可通過聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)遠(yuǎn)程控制，或者手動進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的設(shè)置、調(diào)節(jié)和控制。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 基于單片機(jī)的多傳感器采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計節(jié)點由CC2530作為節(jié)點控制芯片，控制執(zhí)行采集、顯示、串口發(fā)送等功能，如圖2所示。

圖2 節(jié)點采集模塊軟件流程

ZigBee協(xié)調(diào)器流程如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器流程

3.2 監(jiān)控管理界面設(shè)計該設(shè)計的上位機(jī)界面采用LabVIEW軟件制作，完成的主要功能有：通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點發(fā)送的空氣和土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、地基位移等數(shù)據(jù)，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)上的客戶機(jī)，顯示瞬時的采集值和系統(tǒng)的報警；手動對采集系統(tǒng)進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整；對GSM模塊進(jìn)行控制。管理界面如圖4所示。

有緊急情況發(fā)生時，工作人員可以通過監(jiān)控管理界面上的GSM功能，給相應(yīng)管理人員發(fā)送短消息，告知具體情況。其設(shè)計主要包括電話號碼的輸入框圖、短消息的輸入框圖、發(fā)送配置框圖3大部分。其中，短消息輸入的程序如圖5所示。通過Concatenate Strings Function節(jié)點把待發(fā)送的字符、數(shù)字和標(biāo)點連接成一個字符串，經(jīng)過串口配置實現(xiàn)GSM的發(fā)短信功能。

圖4 管理界面功能結(jié)構(gòu)

圖5 短信內(nèi)容輸入程序示意

4 溫室大棚應(yīng)用實例

瑞陽生態(tài)農(nóng)業(yè)大觀園位于河北省遷安市，是我國第一個現(xiàn)代農(nóng)業(yè)院士工作站。園區(qū)占地80 hm2，于廢棄礦山上建設(shè)而成，具有特殊的地勢環(huán)境。因此在常規(guī)溫室監(jiān)控參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加了位移檢測因子，采用了土壤活化技術(shù)、生物環(huán)保零排放檢測技術(shù)、智能溫室系統(tǒng)等多項高新科技。智能短信報警模塊的應(yīng)用，使得管理者可以獲得更為及時的信息。瑞陽大觀園智能溫室內(nèi)部影像見圖6。

5 結(jié)論

圖6 瑞陽大觀園智能溫室內(nèi)部

該設(shè)計是在溫室大棚內(nèi)，設(shè)置若干數(shù)據(jù)采集節(jié)點，主要實現(xiàn)了對溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、地基位移的實時采集和顯示，數(shù)據(jù)的無線傳輸，通過監(jiān)控管理程序?qū)Σ杉颠M(jìn)行顯示和控制功能?？蓪崟r監(jiān)測多個傳感器的采集值，采用新興的ZigBee技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，更加符合現(xiàn)代溫室的使用要求，節(jié)省了物力、人力，對溫室環(huán)境的監(jiān)測控制更加科學(xué)；管理計算機(jī)具有良好的人機(jī)友好界面，實現(xiàn)了串行通信、顯示功能、報警功能、發(fā)短消息功能和控制功能，能夠?qū)崟r地遠(yuǎn)程監(jiān)測溫室環(huán)境，增加的報警功能提供了警示意義，更具有實用性。

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唐山市科技計劃項目(13130249z)。

丁愛華(1978-)，女，江蘇海安人，副教授，碩士，從事檢測技術(shù)及傳感器設(shè)計研究。

2014-12-22

S 126；TP 89

A

0517-6611(2015)04-351-02

Design of Integrated Monitoring System for Ecological Greenhouse in Abandoned Mines

DING Ai-hua

(Department of Information Engineering, Tangshan College, Tangshan, Hebei 063000)