低山丘陵信息采集系统协调节点的设计与实现

李圣普，王小辉

（平顶山学院 计算机科学与技术学院，河南 平顶山 467002）

当前人的行为因素和低山丘陵区域系统自身的双重原因，低山丘陵区域生态系统出现了土壤侵蚀、水土严重流失、频繁发生自然灾害和生物种类减少等生态环境方面的问题，生态平衡严重破坏，使得当前对低山丘陵生态环境进行信息采集及实时监控的必要性和可行性。

低山丘陵信息采集系统的设计目标是对低山丘陵地区的光照强度、土壤温湿度和空气温湿度等环境的实时检测、汇总和分析，通过低山丘陵信息采集系统可以全方位检测低山丘陵覆盖面积的生态环境，可以实时感知检测区域的生态坏境动态数据。通过分析对采用数据的水土植被复合系统来改善脆弱生态环境水土流失的主要措施，已作为低山丘陵生态破坏区生态恢复、开展农业生产的主要突破口[1-2]。

1 系统主要功能

低山丘陵信息采集系统的开发可以包含很多方面的内容，有很多功能的实现难度较大，本系统主要实现对采集区域内空气和土壤的温湿度以及光照度信息的采集和上传。目前可以实现的功能有：

1)查看传感器节点的空气和土壤的实时温湿度以及光照度的数值：利用全局变量传递有效的监测数据。

2)获取协调器搜集整理的数据：通过套接字(socket)编程接收下位机发送过来的数据，并显示在窗体之中。

3)精确定位采集区域：能够在地图界面查看协调器节点的准确位置。

4)实现对实时数据的采集与上传以及对历史数据的图形化查看功能。

5)对环境指数预警控制功能：利用全局变量的状态发送控制命令。将实时温湿度和设定的温湿度范围进行比对，实现预警功能并发出相应的提示消息。

本文重点介绍协调器节点的设计。

2 协调器节点的设计与实现

2.1 协调器节点原理图

在低山丘陵监控系统中设立协调器的目的是搭建了一个从传感器节点到远程服务器的桥梁，把采集到得数据已经定位信息通过协调器发送至远程服务器。协调器节点主要由STC12C5A60S2单片机、GPS定位模块、SIM900A GPRS模块、UART串口转Zig-bee无线模块DRF1607H模块组成。

各个模块所负责的功能：

1)STC单片机是该节点的处理器，解析定位数据，接收各采集节点发送的有效信息并把位置信息和数据信息通过SIM900A GPRS模块传递给远程服务器[3]。

图1 协调器节点的电路原理图Fig.1 The principle diagram of the circuit

2)GPS工作模块可以把从卫星接收到的信息发送到单片机进行处理。

3)SIM900A GPRS模块把有效的位置信息以及数据信息传递给远程服务器。

4)接口转换模块DRF1607H承担是把从协调器接收到的信息交付给单片机[4]。

2.2 MCU的选型与设计

本系统设计采用STC公司生产的STC12C5A60S2处理芯片，该芯片的工作电压较低，为5.5~3.5 V，被称为5 V的处理芯片，它1T的机器周期。与之相对应的STC12LE5A60S2工作电压更低，为3.6~2.2 V，被称为3 V的处理芯片，更加节能，它也是1T的机器周期。该系列处理芯片工作性能更好处理能力强、功耗更低、工作中抗干扰能力也比较出色，所采用的指令代码与传统单片机兼容，同时处理速度有8～12倍的提升空间。正因为如此，本系统采用其作为协调器的控制芯片。

本系统采用其作为控制芯片还有一个重要的原因是，考虑到该系统需要用来通信的串口有3个，第一个用来接收Zigbee接收到的数据信息，第二个用来接收GPS的定位信息，第三个用来把处理得到的有效数据信息，交付给SIM900A模块，通过GPRS技术利用其Internet接入技术，可以顺利的把系统采集到的生态数据汇集到上位机配置好的数据库中。

2.3 Zig-bee模块的实现

本系统在协调器节点和终端节点之间，采用Zig-bee无线通讯协议，Zig-bee无线通讯协议可以主动自组网，运行能耗也比较低，工作中抗干扰能力也比较好。系统设计中采用了透传形式的模块，该类型的模块开发难度低、集成程度高，便于系统开发设计，可以在终端传感器、终端处理芯片与协调器节点处理芯片之间搭建一个简易快速的桥梁，实现低山丘陵生态数据采集网络的快速搭建和便捷的后续维护[5-6]。

协调器节点通过Zig-bee模块接收到数据产生串口接收中断，然后进行对数据进行判断，是否有丢失或差错，接着便存入相应的数据缓冲区。其核心代码如下：

1)产生中断存入数据缓冲区：

2)主程序循环检测，是否产生接收完毕的标志，若产生则检查数据完整性，并存入相应缓冲区，否则丢弃：

2.4 GPS定位模块的实现

本系统设计采用的GPS定位模块基于的传输洗衣是NMEA-0183。系统中协调器节点作为一个小的信息采集网络的中心，有GPS信息的需求，便于系统的物理定位，为后续网络维护提供可靠的定位信息，同时配合上位机网络地图开发技术，在地图上明细的标注采集点的位置。

作为该领域的重要标准协议，在定位系统中得到广泛应用，众多的接收器件、相关处理软件和很多导航类别的软件开发都会涉及到它，要充分考虑与该协议的兼容性。在开发中该协议的组成语句和语法比较繁琐，对初学者有比较大的难度，但要实现基本的功能，真正用到的语句是很有限的，也就是那几个常用语句就可以了。

下面仅针对该系统解析的定位信息$GPRMC字段定义解释。

$GPRMC $GPRMC,012345.670,A,3123.4567,N,12345.6789,E,11.01,312.34,123456,,,A*50

根据以上协议内容的要求，我们采取的是专门针对$GPRM即Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐最小定位信息，该语句的解析，通过在串口中断中检测该语句的出现，并存入相应的内存空间，以此来保存定位信息。

2.5 GPRS模块的实现

在协调器处理器STC12LE5A60S2接受到来自传感器节点的数据信息和来自GPS的定位信息后，便等待响应定时器的定时中断。一旦定时中断到来，处理器便立即响应该定时中断：建立TCP/IP连接，并且把数据信息和位置信息按照事先规定好的协议打包发送。

GPRS建立连接的过程：

1)建立一个TCP/IP连接：

sendstring2(AT_CIPSTART); //AT+CIPSTART="TCP","171.14.165.67","5000"

通过串口2发送AT+CIPSTART右侧的指令，当检测到串口2的接收缓冲区反馈信号"CONNECT OK",GPRS便建立起到固定IP:172.14.165.67，固定端口：5000的数据通道。

2)建立一个域名连接：sendstring2(AT_CLPORT);

//设置本地端口，使用tcp协议AT+CLPORT="TCP","5000"sendstring2(AT_CDNSCFG);

//设置域名解析服务器ip地址AT+CDNSCFG="222.88.88.88"

sendstring2(AT_CDNSORIP);//该参数为1设置使用域名作为连接方式

sendstring2(AT_CIPSTART1);

//"TCP","80pc.eicp.net","44198"，GPRS连接方式 连接地址(根据用户实际域名修改)GPRS连接的端口

3)检测反馈信号的代码：

while(strsearch("CONNECT OK",SystemBuf2)!=0);

sendstring("GPRSCONNECT OK!");

代码说明：while为检测语句；sendstring为方便调试时的提示语句。当检测到串口2的接收缓冲区反馈信号"CONNECT OK",GPRS便建立起到域名80pc.eicp.net，固定端口：44198的数据通道。

4)协调器节点向服务器发送数据格式如下：

*DG,15290764951,V2,B1,温度土壤,湿度土,温度空气,湿度空气,光照度,F#

*DG,15290764951,V1,2233.1055,N,11358.1257,E,F#

说明：*DG——头部，保持不变；15290764951——（可变），协调器节点SIM卡号；V1——保持不变,代表GPS数据；V2表示数据；B1——节点一；2233.1055——纬度值；N——北纬，或S；11358.1257——经度值；E——东经，或W；F——代表4个检测状态是否检测到异常，异常时为“0”，转16进制型大写字符串;#——尾部，保持不变。

3 结束语

低山丘陵生态采集系统要实现的功能有还很多。对低山丘陵基础生态数据信息采集的，以及Zig-bee的组网方式将会不断的变化[7]。Zig-bee的星型网络虽然简单易用但是还是有缺陷的，如果协调器不能正常工作了，整个系统就会瘫痪，所以说Zig-bee的组网方式很重要，在以后的设计中将会有进一步的改革，将会将这些问题发生的可能性降到最低。

[1]代媛.基于ZigBee无线传感器网络的农田信息监测研究[D].西安：西北农林科技大学,2010.

[2]韩华峰.农业环境信息远程监控与管理系统设计[D].北京北京：中国农业科学院 2009.

[3]周益.基于Zigbee技术的无线传感网络拓扑设计与实现[D].苏州：苏州大学 2009.

[4]韩华峰.基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报，2009(7):79-81.HANHua-feng.Based on the ZigBee network design and application of remote monitoring system of greenhouse environment[J].Journal of Agricultural Engineering,2009(7):79-81.

[5]周雅琴,谭定忠.无线传感器网络应用及研究现状[J].传感器世界，2009(5):53-57.ZHOU Ya-qin,TAN Ding-zhong.Wireless sensor network applications and research status of[J].Journal of sensors in the world,2009(5):53-57.

[6]Heinzelman W R,Chandrakasan Anantha P,Hari Balakrishnan,An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE Trans on Wireless Communications,2002,1(4):660-670.

[7]Chen Xiaobo,Niu Zhisheng.A Randomly Delayed Clustering Method for Wireless Sensor Networks[C]//Proc.of IEEE International Conference on Communications. [S.l.]:IEEE Press,2006:578-580.