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        基于ZigBee和LoRa的麥田監(jiān)控系統(tǒng)

        2018-01-10 21:09:49周一振
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2017年12期

        周一振

        摘 要:為提高小麥產(chǎn)量和對燃燒秸稈的管控效率,避免麥田火災(zāi)及不科學(xué)使用化肥引起的環(huán)境污染,文中設(shè)計了一款基于ZigBee和LoRa的麥田監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將ZigBee、LoRa和GPRS技術(shù)應(yīng)用到麥田監(jiān)控中,通過終端對麥田土壤必要微量元素、麥田火災(zāi)及燃燒秸稈進行監(jiān)控,將監(jiān)測數(shù)據(jù)和超限報警信息上傳給監(jiān)控中心和麥田負責(zé)人。該系統(tǒng)為麥田科學(xué)管理提供了數(shù)據(jù)依據(jù),提高了管理效率。

        關(guān)鍵詞:ZigBee;LoRa;GPRS;麥田監(jiān)控

        中圖分類號:TP27 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2017)12-00-02

        0 引 言

        我國是小麥種植大國,在麥田管理過程中,存在麥田火災(zāi)、燃燒秸稈及過量使用化肥引起土壤環(huán)境問題等現(xiàn)象。近年來,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用[1,2],為解決上述問題提供了有效方法。

        ZigBee技術(shù)的通信距離較短,且組網(wǎng)復(fù)雜[3]。LoRa技術(shù)通信距離較遠,主要采用星型輪詢組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[4],組網(wǎng)簡單。通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service,GPRS)是基于GSM的一種新型數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù),也被描述為2.5G,具有傳輸速率高、接入時間短等特點[5]。由于麥田面積比較大、監(jiān)測點多,若只使用ZigBee和GPRS技術(shù),組網(wǎng)較為復(fù)雜[6];若只使用LoRa和GPRS技術(shù),將會因通信范圍內(nèi)部署節(jié)點較多而導(dǎo)致輪詢獲取信息的速度較慢。因此,將上述三種無線通信技術(shù)相結(jié)合,形成分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。麥田監(jiān)控系統(tǒng)可在麥田科學(xué)管理、麥田火災(zāi)報警及燃燒秸稈管控方面發(fā)揮積極作用。

        1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

        該系統(tǒng)主要由ZigBee終端、ZigBee-LoRa采集器、LoRa-LoRa中繼器、LoRa-GPRS集中器組成。

        由ZigBee終端采集麥田信息,并將采集到的麥田信息傳送到ZigBee-LoRa采集器,ZigBee-LoRa采集器將接收到的信息傳送到LoRa-GPRS集中器。若距離較遠,則可以使用LoRa-LoRa中繼器,實現(xiàn)遠距離傳輸。集中器將報警信息通過基站傳送至麥田負責(zé)人,并可將麥田信息通過Internet上傳給監(jiān)控中心。麥田監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

        2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

        2.1 ZigBee終端

        ZigBee終端主要用于采集多麥田信息,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括電源模塊、交互模塊、主控芯片MSP430F169、ZigBee通信模塊及煙霧傳感器等。

        微量元素和水分對小麥產(chǎn)量有著重要的影響[7],而濫用肥料將會造成土壤污染[8]。麥田火災(zāi)不僅會造成生命財產(chǎn)損失,且燃燒秸稈對空氣亦會造成污染。因此,本文設(shè)計的系統(tǒng)主要對微量元素、水分、煙霧進行監(jiān)測。為防止煙霧傳感器被誤認為遭到遮擋,特增加了對煙霧傳感器遮擋的監(jiān)測。

        2.2 ZigBee-LoRa采集器

        ZigBee-LoRa采集器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,包括電源模塊、主控芯片MSP430F169、交互模塊、ZigBee通信模塊、LoRa通信模塊及GPS模塊。

        當(dāng)ZigBee通信模塊完成對ZigBee終端信息的采集后,由LoRa通信模塊將采集到的信息上傳到LoRa-GPRS集中器或LoRa-LoRa中繼器,全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)[9]為麥田監(jiān)控系統(tǒng)提供位置信息。由于ZigBee通信距離較近,因此,在ZigBee-LoRa采集器中應(yīng)用GPS模塊即可滿足采集信息的位置要求,同時大大節(jié)省了成本。

        2.3 LoRa-LoRa中繼器

        LoRa-LoRa中繼器的結(jié)構(gòu)如圖4所示,包括電源模塊、交互模塊及LoRa通信模塊。對于距離大面積麥田相對較遠的孤立麥田,為減少GPRS模塊的使用,可以通過LoRa-LoRa中繼器對信號進行復(fù)制、放大,保證LoRa-GPRS集中器可以不失真地接收到信號。

        2.4 LoRa-GPRS集中器

        LoRa-GPRS集中器的結(jié)構(gòu)如圖5所示,包括電源模塊、LoRa通信模塊、交互模塊及GPRS通信模塊。LoRa通信模塊用于接收LoRa-LoRa中繼器和ZigBee-LoRa采集器上傳的信息,GPRS通信模塊將LoRa-GPRS集中器收到的信息上傳給基站。監(jiān)控中心可以通過Internet遠程獲取信息[10],且用戶可以短信查詢和接收報警信息。

        3 結(jié) 語

        本文設(shè)計的基于ZigBee和LoRa的麥田監(jiān)控系統(tǒng)可以為小麥的種植和管理提供數(shù)據(jù)信息,提升對麥田火災(zāi)監(jiān)測和對燃燒秸稈監(jiān)管的管理效率,能夠在第一時間發(fā)出報警信息,減少因燃燒秸稈造成的空氣污染和降低因麥田火災(zāi)造成的生命財產(chǎn)損失。該監(jiān)控系統(tǒng)的使用將會降低工作人員的勞動強度,大幅提升管控效率。

        參考文獻

        [1]黃桑.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚種植監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].濟南:山東大學(xué),2016.

        [2]童建新.基于物聯(lián)網(wǎng)的淡水魚養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].長春:吉林大學(xué),2016.

        [3]武永勝,王偉,沈昱明.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2009,32(11):121-124.

        [4]趙太飛,陳倫斌,袁麓,等.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2016,24(9):298-301.

        [5]孟麗,呂英杰.GPRS系統(tǒng)簡介[J].郵電設(shè)計技術(shù),2001(7):8-12.

        [6]公茂法,殷凡姣,李玉午,等.基于ZigBee和GPRS的遠程無線抄表系統(tǒng)設(shè)計[J].電子質(zhì)量,2014(8):19-22.

        [7]張環(huán).小麥缺素的診斷與防治的辦法[J].港澳經(jīng)濟,2014(23):120.

        [8]楊婷,李漢林,李姝,等.化肥使用對土壤污染的調(diào)查報告[J].中學(xué)生物學(xué),2002,18(3):32-33.

        [9]邱中軍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其它衛(wèi)星系統(tǒng)簡介[J].科技資訊,2012(36):27.

        [10]劉國錦,劉新霞.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用[J].信息化研究,2010,36(2):1-3.endprint

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