肖青青

摘 要

為了實現(xiàn)秸稈禁燒的實時監(jiān)控，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術，在前期硬件設計框架的基礎上進行了監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計，以ARMSTR710FR為控制核心，設計了系統(tǒng)中傳感節(jié)點、集中器、報警程序、以及上位機的軟件部分。整個系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控的實時性，提高系統(tǒng)的效率、并節(jié)約能耗、降低成本。

關鍵詞

秸稈禁燒;監(jiān)控系統(tǒng);Zigbee

中圖分類號： TP274.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 75

0 引言

秸稈焚燒會讓空氣質量下降，引起火災，影響土地質量，焚燒產(chǎn)生的煙霧粉塵也會影響人們的身體健康。但是秸稈焚燒是人們自古以來的習慣，很難改變，政府因此加大了整治力度，但如果采用人為值守，不僅需要大量的人力物力，還會有一定的監(jiān)控困難，本文結合自動控制，采用遠程監(jiān)控的方式來實現(xiàn)大面積農(nóng)田的實時監(jiān)測，還可以采用網(wǎng)格化的方式，把數(shù)據(jù)匯聚在一起，歸入大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，統(tǒng)一管理，最終形成長期有效的監(jiān)控模式，久而久之，規(guī)范農(nóng)民的行為，最后從根本上解決這個問題。

1 秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分集中器選用ARM公司的STR710FR芯片，傳感器節(jié)點中處理器用CC2510芯片，傳感部分采用SQD1003，主要任務是監(jiān)測區(qū)域中的煙氣和溫度，接口部分采用CS8900A作為控制芯片。在此硬件框架的基礎上，本文主要設計對應的軟件部分，主要是傳感節(jié)點、集中器、報警程序、以及上位機的軟件部分等。整個設計的目的是在一個限定區(qū)域范圍內組件一個遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過遠程上位機對整個監(jiān)測區(qū)域實時監(jiān)控煙氣及溫度，一旦超過閾值及時報警，并通過控制中心采取安全措施。具體方法是通過終端傳感器采集煙氣和溫度數(shù)據(jù)，在區(qū)域內組建無線自組織網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡將采集的信息發(fā)送給集中器，由集中器分析數(shù)據(jù)是否完整，再由Zigbee和GSM模塊將數(shù)據(jù)實時傳送給PC，與限定值進行比較分析，實時監(jiān)控。在此過程中，硬件和軟件部分相輔相成，協(xié)同合作。

1.1 無線傳感器節(jié)點的軟件設計

秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)主要采用煙氣溫度傳感器，節(jié)點硬件部分在之前的論文中已有敘述，軟件部分的功能主要有形成自組織網(wǎng)絡、實現(xiàn)良好連通和覆蓋、采集溫度及煙氣數(shù)據(jù)、實時發(fā)送采集數(shù)據(jù)，并且接受和執(zhí)行控制命令。節(jié)點的主程序流程圖如圖1所示。從圖中可以看出，節(jié)點的主要流程為初始化，包含整個傳感器節(jié)點板級硬件的初始化、傳感器模塊的初始化、然后進行傳感器內部工作設置，開啟定時器功能和中斷功能，當入網(wǎng)成功后判斷傳感器是否到預定時間點采集完數(shù)據(jù)，如果采集完畢，就發(fā)送數(shù)據(jù)到中心匯聚節(jié)點，如果沒有，就等待控制中心發(fā)送命令再采集，采集的煙霧和溫度數(shù)據(jù)通過傳感器轉換為電信號后在控制中心與設置的閾值進行比較，從而判斷采集點是否燃燒秸稈。

1.2 集中器的軟件設計

集中器AP的主要功用是建立無線傳感網(wǎng)絡，比如平面網(wǎng)絡、分級網(wǎng)絡、混合網(wǎng)絡以及Mesh網(wǎng)絡等，采用自組織的方式形成完整的拓撲結構，而傳感器節(jié)點就是組成整個網(wǎng)絡的成員，另外集中器還負責存儲采集的數(shù)據(jù)信息及向控制中心轉發(fā)任務等。如圖2所示，集中器的任務流程為：先初始化板級硬件BSP，并且初始化串口，為與上位機通訊做準備，當無線自組織網(wǎng)絡建立好后，將網(wǎng)絡拓撲信息等相關參數(shù)發(fā)送給PC，當有新的節(jié)點要加入網(wǎng)絡時，集中器負責管理新節(jié)點的端口分配問題，當新節(jié)點加入后，AP會實時更新整個網(wǎng)絡新的拓撲信息，接收所有入網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)并存儲，當網(wǎng)絡比較龐大時，可以采用分布式結構，對網(wǎng)絡進行分層，由簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)融合，然后再發(fā)送給集中器，這樣可以減少信息通信的消耗以及信道擁塞問題，從而節(jié)約能耗，增加網(wǎng)絡壽命。

1.3 報警程序設計

當溫度以及煙霧濃度超過報警程序設定的閾值時，報警器將會鳴叫提醒并有紅燈閃爍，提醒工作人員采取相應的安全措施，或者通過一些自動控制裝置來進行安全操作，進而最大程度上保證生產(chǎn)安全，避免因焚燒而引起的安全事故。具體流程如圖3所示，當程序執(zhí)行時，會先讀取溫度和煙度值，判斷數(shù)據(jù)是否超過閾值，如果超過了，紅色LED燈亮并報警，同時仍然實時監(jiān)測新的數(shù)據(jù)信息，如果恢復正常，則返回主程序，繼續(xù)實時監(jiān)控。

1.4 上位機軟件設計

無線傳感網(wǎng)絡中采集的數(shù)據(jù)信息通過串口傳送到上位機，由上位機實現(xiàn)節(jié)點入網(wǎng)、信道偵聽和調度、網(wǎng)絡拓撲方面的監(jiān)控，并能用組態(tài)軟件實時監(jiān)測，掌握數(shù)據(jù)的最新動態(tài)信息。流程圖如圖4所示，初始化后對串口進行設置，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端會驗證數(shù)據(jù)的完整性，若無丟失，打開串口發(fā)送接收請求，此時發(fā)送端會應答并且進行數(shù)據(jù)傳輸，PC接收數(shù)據(jù)。

2 結語

本文結合物聯(lián)網(wǎng)技術，在設計整個秸稈禁燒監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的基礎上，設計了系統(tǒng)的軟件部分，分別包括傳感器節(jié)點，集中器，報警部分和上位機部分，本系統(tǒng)的創(chuàng)新點是在傳統(tǒng)秸稈禁燒系統(tǒng)的基礎上加入了物聯(lián)網(wǎng)技術，減少信道競爭、通信耗費，從而達到節(jié)約能耗的效果，大大提高了系統(tǒng)的性能。但是仍然有很多需要繼續(xù)完善的地方，比如怎樣優(yōu)化算法使網(wǎng)絡的拓撲結構具有更好的覆蓋性和連通性，如何更好地采用MAC協(xié)議實現(xiàn)轉換節(jié)點的休眠和工作機制等，因此后期仍然需要繼續(xù)完善系統(tǒng)。

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