智能改變生活：林區(qū)遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

一、項目概述

1.1 引言

“十二五”規(guī)劃中明確地提出了在接下來的五年中要“綠色發(fā)展 建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”著重強調了對生態(tài)環(huán)境的保護和修復。保護和修復生態(tài)最基本的途徑就是植樹造林，各種綠化帶和人工林有效地遏制了水土流失，削弱了沙塵暴的危害。但是，傳統(tǒng)的人工管理方法消耗了大量的時間和人力，已經(jīng)無法適應現(xiàn)代社會的需要。與此同時，隨著科學的進步，各種先進的技術不斷融入社會的各個領域，促進了資源和管理的優(yōu)化。

針對上述情況，本項目通過把各種環(huán)境參數(shù)傳感器、高性能低功耗的avr處理器和無線通信技術有機融合，形成一個立體化的林木自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集干濕監(jiān)控、氣象監(jiān)控、病蟲監(jiān)控和林火監(jiān)控于一體，能夠高效方便地管理林區(qū)。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 各個分節(jié)點能夠通過定時地監(jiān)控土壤的干濕情況、氣溫、氣壓并把結果發(fā)送到主節(jié)點。

(2) 各分節(jié)點一旦檢測出火警，立刻向主節(jié)點報告。

(3) 各主節(jié)點有攝像頭，能夠提供周圍關于病蟲的圖像信息。

(4) 主節(jié)點能夠通過短距離無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡收集所屬分節(jié)點的信息和自己收集的圖像信息，并通過GPRS模塊發(fā)送給遠程主機。

(5) 每個節(jié)點在有陽光時能利用太陽能光板進行內(nèi)部電池的充電，以保證系統(tǒng)能夠正常運行。

(6) 遠程主機系統(tǒng)能夠統(tǒng)一處理各個主節(jié)點收集的信息，實現(xiàn)遠程高效管理。

2.2 性能要求

(1) 系統(tǒng)必須能夠長時間穩(wěn)定運行。

(2) 能夠對火情做出快速的反應。

(3) 由于是戶外使用，各個節(jié)點必須具有較強的抗老化能力。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

（1）系統(tǒng)的信息采集功能主要是利用土壤溫濕傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感器和攝像頭等手段來實現(xiàn)，以此來達到全方位采集信息的目標。

（2）為了實現(xiàn)對一個區(qū)域樹林生長情況監(jiān)控，本設計采用子節(jié)點和主節(jié)點的兩層體系結構設計。在一個林區(qū)中，每隔一段距離就有一個子節(jié)點，每個子節(jié)點測量土壤溫濕傳感器、氣溫傳感器和氣壓傳感器的數(shù)據(jù)，同時每個子節(jié)點可以通過Zigbee網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)送到主節(jié)點。

（3）主節(jié)點主要有兩個功能：第一，利用CMOS攝像頭拍照功能，看有沒有蟲災發(fā)生，每隔一段時間對森林拍一張照片，并以彩信的形式通過GPRS模塊發(fā)照片到遠程監(jiān)控臺；第二，利用Zigbee模塊來獲取多個子節(jié)點送來的數(shù)據(jù)，并以短信的形式通過GPRS模塊發(fā)數(shù)據(jù)到遠程監(jiān)控臺。

（4）各個節(jié)點的供能采用太陽能光板配合鋰電池聯(lián)合供電，保證系統(tǒng)能夠全天候工作。

（5）遠程主機，采用計算機來實現(xiàn)，利用計算機比較好的人機交互界面和強大的數(shù)據(jù)處理能力。

分節(jié)點架構見圖1。

圖1 分節(jié)點架構框圖

主節(jié)點架構見圖2。

圖2 主節(jié)點架構框圖

遠程主機架構見圖3。

圖3 遠程主機架構框圖

系統(tǒng)總體架構見圖4。

圖4 系統(tǒng)總體架構框圖

由于本系統(tǒng)的設計要從低功耗方面考慮，所以采用ATxmega128A1芯片平臺。ATxmega128A1具有XMEGA系列微控制器的所有可用功能，包括一個DMA控制器、事件系統(tǒng)、12位高速模擬外設、AES和DES加密模塊、外部總線接口、所有第二代 picoPower特性，以及其它功能，是市場上功耗較低的微控制器產(chǎn)品。

分節(jié)點硬件電路框圖，見圖5。

圖5 分節(jié)點硬件電路框圖

主節(jié)點電路框圖，見圖6。

圖6主節(jié)點硬件電路框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

各節(jié)點的控制器采用低功耗的ATxmega128A1處理器來控制設備，同時借助zigbee實現(xiàn)和GPRS兩種通訊模塊進行各個分系統(tǒng)的通訊。硬件平臺采用AVR XMEGA-A1 Xplained平臺（見圖7）：

圖7項目開發(fā)硬件平臺

3.3系統(tǒng)軟件架構

主要分為三個分系統(tǒng)：遠程主機系統(tǒng)、主節(jié)點系統(tǒng)和分節(jié)點系統(tǒng)。每個系統(tǒng)都有各自的控制和通訊模塊。

系統(tǒng)軟件架構，見圖8。

圖8系統(tǒng)軟件架構

3.4 系統(tǒng)軟件流程

（1）子節(jié)點程序流程。

子節(jié)點程序流程，見圖9。

圖9 子節(jié)點流程

（2）主節(jié)點程序流程

主節(jié)點程序流程，見圖10。

圖10主節(jié)點流程

（3）遠程主機程序流程：

遠程主機程序流程，見圖11。

圖11 遠程主機程序運行流程圖

3.5 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結果

實現(xiàn)全自動全天候遠程監(jiān)控林區(qū)土壤、氣象、病蟲等常規(guī)指標，同時能夠及時報告突發(fā)的火警情況。從而達到高效管理林區(qū)的目的。

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