張鳳 朱琳

【摘 要】本文設(shè)計運(yùn)用了ZigBee技術(shù)和GPS技術(shù)。ZigBee環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)監(jiān)測平臺組成。傳感器節(jié)點是由ZigBee芯片和傳感器構(gòu)成的。傳感器節(jié)點是用來采集環(huán)境變量參數(shù)，例如當(dāng)前環(huán)境下的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等等環(huán)境變量參數(shù)；協(xié)調(diào)器的功能就是接收各個傳感器節(jié)點采集到數(shù)據(jù)，并發(fā)送到上位機(jī)實現(xiàn)實時監(jiān)測。傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器以及上位機(jī)之間的是通過串口來完成通訊信息交互。衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用STM32核心芯片外圍電路含有液晶顯示器LCD1602，GPS，GSM電路，按鍵和LED燈電路組成，通過LCD模塊能夠?qū)崟r時間以及定位經(jīng)緯度顯示出來。系統(tǒng)可以通過GSM模塊直接發(fā)送定位信息到指定的手機(jī)用戶上。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；衛(wèi)星定位；環(huán)境監(jiān)測；濕地

扎龍濕地?fù)碛胸S富的野生動植物資源，然而由于濕地周邊的人為干擾和旅游開發(fā)等活動，導(dǎo)致濕地遭到嚴(yán)重的破壞。目前扎龍濕地正面臨著缺水、污染和資源枯竭等嚴(yán)重問題，直接威脅了丹頂鶴等珍稀水禽繁殖棲息環(huán)境[1]。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法通過人工監(jiān)測或依靠環(huán)境監(jiān)測站采集環(huán)境信息，因為濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境和地貌的復(fù)雜性，使得對于其監(jiān)測產(chǎn)生了困難[2]。ZigBee模塊的無線傳感器技術(shù)正在逐漸走向成熟，它與無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)有著根本的區(qū)別，是介于他們之何的一種技術(shù)方家，它以自已的獨特的低功耗、低復(fù)雜度、近距離、低成本的、低數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)特點的姿態(tài)發(fā)展起來。前端信息的采集與傳輸是面向濕地環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。

1.系統(tǒng)總體方案

基于ZigBee的扎龍濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)主要是由PC端上位機(jī)、CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個ZigBee終端/路由節(jié)點組成。傳感器采集當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度、光照度、煙霧，協(xié)調(diào)器通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控測、匯總和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)生物需要的環(huán)境要求進(jìn)行對比從而進(jìn)行人工或機(jī)器的調(diào)整。

2.系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能

本次設(shè)計是基于ZigBee的濕地環(huán)境監(jiān)測與基于STM32的GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)主要有以下的功能：環(huán)境濕度監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測、環(huán)境光照強(qiáng)度監(jiān)測、環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測、環(huán)境煙霧監(jiān)測、GPS衛(wèi)星定位、GSM短信通知、LED燈照明。

基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照、環(huán)境空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)。所有模塊監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，通過協(xié)調(diào)器傳輸?shù)絇C端上位機(jī)，由C++做了個顯示界面并在PC端上位機(jī)進(jìn)行實時顯示。終端節(jié)點、協(xié)調(diào)、上位機(jī)他們之間通過串口進(jìn)行通訊完成數(shù)據(jù)傳輸。工作人員通過得到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行人為調(diào)控，使環(huán)境達(dá)到適合動植物生活。

基于STM32的GPS定位系統(tǒng)通過GPS衛(wèi)星定位模塊可以實現(xiàn)實時精確定位，并且定位到坐標(biāo)可以通過GSM模塊發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上。當(dāng)工作人員在扎龍濕地內(nèi)巡視時，遇到受傷的動物或突發(fā)狀況時，可以通過定位到坐標(biāo)和短信通知獲得及時的救援。

3.GSM_SIM800A電路設(shè)計

本次畢設(shè)計選擇了SIM800A模塊去實現(xiàn)對系統(tǒng)遠(yuǎn)程短信信息的交互。SIM800A模塊主要通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)對SIM800A模塊的控制。SIM800A的串口提供了多條控制線，包含數(shù)據(jù)信號線TXD和RXD，狀態(tài)信號線RTS和CTS控制信號線DTR，DCD，DSR和RI。RXD數(shù)據(jù)接收信號線用于接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)。接22歐電阻后與單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送端口TXD1即P0.1相接。TXD數(shù)據(jù)發(fā)送信號線用于向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。接22歐電阻后與單片機(jī)RXD1即P0.0相接。RTS發(fā)送請求信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.5口相連。CTS發(fā)送清除信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.4口相連。RI振鈴指示信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.7口相連。DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.2口相連。DCD數(shù)據(jù)載波檢測信號線，接22歐姆電阻后與單片機(jī)P1.3口相連。DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備信號線，接P1.6接22歐姆和15K電阻后與單片機(jī)P1.6口相連。

4. LCD1602液晶顯示模塊電路和NEO-6MGPS模塊電路設(shè)計

LCD1602的引腳1連接單片機(jī)的GND端，引腳2連接單片機(jī)的VCC端，引腳3連接滑動變阻器的中間引腳，引腳4連接單片機(jī)的單片機(jī)的PB5端，引腳5連接單片機(jī)的PB6端，引腳6連接單片機(jī)的PB7端，引腳7連接單片機(jī)的PB8，引腳15連接VCC，引腳16連接GND。

NEO-6M GPS模塊的引腳1連接VCC，引腳2連接GND，引腳3連接單片機(jī)的PA2端口，引腳4連接單片機(jī)的PA3端口，引腳5懸空。

5.系統(tǒng)主流程設(shè)計

所有的ZigBee系統(tǒng)在程序運(yùn)行之初，都要對其硬件進(jìn)行初始化，主要對系統(tǒng)的關(guān)鍵寄存器進(jìn)行設(shè)置、CPU的工作頻率以及等待狀態(tài)發(fā)生器的設(shè)置。

根據(jù)GPS接收模塊的功能：實時接收衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器進(jìn)行解析，數(shù)據(jù)解析后存儲并顯示在LCD上。GPS模塊與處理器間通過串口1進(jìn)行通信。微處理器的串口2與GSM模塊連接，微處理器從GPS導(dǎo)航電文中解析出我們需要的地理信息后，將數(shù)據(jù)存儲在串口2，等待通過GSM模塊發(fā)送至用戶移動設(shè)備。因此程序設(shè)計主要包括：配置GPS模塊串口參數(shù)、串口中斷處理函數(shù)、LCD顯示處理函數(shù)或GSM發(fā)送數(shù)據(jù)。

6.系統(tǒng)測試

將程序通過ST-LINK燒寫進(jìn)單片機(jī)，基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上電后，PC端會顯示當(dāng)前的檢測到周圍環(huán)境參數(shù)，然后將程序通過ST-LINK燒寫進(jìn)單片機(jī)，基于STM32的GPS定位系統(tǒng)上電后，LCD1602液晶顯示屏?xí)@示當(dāng)前所處位置的經(jīng)緯度。

6.1測試結(jié)果分析

可實現(xiàn)扎龍濕地的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。通過ZigBee協(xié)調(diào)器和終端組成節(jié)點模塊，協(xié)調(diào)器接收各個模塊檢測到的環(huán)境參數(shù)并發(fā)送到PC端。由扎龍濕地的工作人員根據(jù)所監(jiān)測到環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對扎龍濕地范圍內(nèi)動植物保護(hù)，從而豐富扎龍濕地的生物多樣性。野生丹頂鶴也能再次回到曾經(jīng)的棲息地繁衍生息，可實現(xiàn)扎龍濕地范圍內(nèi)的精準(zhǔn)定位和短信通知所在位置。以STM32為核心，GPS衛(wèi)星定位模塊精確定位到所在位置并在LCD1206液晶屏上顯示當(dāng)前定位到的位置的經(jīng)緯度。并通過GSM短信模塊將所定位到的經(jīng)緯度發(fā)送到監(jiān)測站。當(dāng)扎龍濕地的工作人員遇到受傷的動物或遇到危險時需要救援時短信通知當(dāng)前所在位置并獲得及時救援。

7.結(jié)語

本次設(shè)計的整個系統(tǒng)是以ZigBee，STM32，為核心，具體分為兩個部分?；赯igBee的溫濕度監(jiān)測模塊、MQ-2煙霧監(jiān)測模塊、光敏傳感器模塊；基于STM32的GPS定位模塊、GSM短信模塊。利用了多個傳感器并采用軟硬件結(jié)合的方式來實現(xiàn)整個程序的運(yùn)行，從而實現(xiàn)扎龍濕地的環(huán)境監(jiān)測。從系統(tǒng)運(yùn)行的情況來看，以上兩個方面都達(dá)到了很好的效果，模塊運(yùn)行一切正常，能夠完成扎龍濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。并且成本低，應(yīng)用便捷，反應(yīng)靈敏，對扎龍濕地內(nèi)的動植物的保護(hù)起到了一定的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蓋赫莉，王淑梅，王欣.對扎龍濕地生態(tài)環(huán)境的分析[J].黑龍江環(huán)境報，2015，26（3）.

[2]張亞鋒.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣自動化，2015，37（4）：27-29.