基于物联网的环境监测系统的研究及实现

李伟强 李晓 陈定鑫 杨建铝 曾松伟

摘要基于物联网的环境监测系统是一个小型气候信息的自动化监测控制系统，能更好地帮助用户们管理作物。阐述了该系统的总体设计方案，并介绍了其硬件系统设计和软件系统设计，最后对其应用案例进行了阐述。

关键词无线传输；单片机；环境监测系统

中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2017）12-0199-04

AbstractEnvironmental monitoring system based on internet of things is a small automatic monitoring control system for climate information， which can help users better manage their crops. The overall design scheme of this system was expounded， and the designs of hardware system and software system were introduced. And its application case was described.

Key wordsWireless transmission；Single chip microcomputer；Environmental monitoring system

温湿度、风向和降雨量等环境因素是农业生产过程中必须要考虑的重要部分，因此对作物生长环境的监测成为农户在经营农田的关键一环。我国的环境监测技术较国外还有很大的差距，绝大多数通过有线采集现场参数信息来传送环境信息，而通过无线传输方式来获得环境参数尚处于起步阶段，而且环境参数的精度也无法保证[1]。国外的监测技术虽然在科技含量上占有优势，但是在价格成本方面大大超过国内同类产品。

在借鉴和吸收国内外环境监测技术的基础上，笔者所在项目组已经掌握了环境自动测报的基本原理和实现方法，提出了系统实现方案——系统设计目标、选择通讯方式、环境监测系统的构成和开发系统的技术路线。基于无线传输的自动环境变量采集系统的软硬件系统，包括环境数据采集器、通信和环境数据中心处理系统[2]。环境参数收集的精度成为目前的研究重点和难点之一。笔者提出了基于物联网的环境监测系统的总体设计方案，介绍了其硬件系统设计和软件系统设计，并对其应用案例进行了阐述。

1总体设计方案

生态环境监测系统主要将温湿度、大气压、雨量、风速和PM2.5这5个参数作为监测对象，实现5个参数实时在线监测，在LCD显示屏上实时显示采集的生态环境参数数据，同时本地存储数据，并通过GPRS通讯模块上传到远程监控中心。

根据上述功能要求，系统主要由传感器模块、气象数据采集模块、人机交互模块、数据库模块、远程监控模块、数据储存模块和手持设备组成，系统框架如图1所示。

2硬件系统设计

2.1最小系统

系统采用STM32 系列闪存微控制器作为主控模块，采用了哈佛结构，使用ARM最新的先进架构的Cortex-M3内核，与ARM7TDMI相比速度最多可增加35%且代码最多可节省45%，具有Thmber-2指令集、16位CPU的集成度和32位CPU的性能，更有利于项目团队的开发。该系统的适应能力较强，使得产品可以更容易流入市场。最小系统包括单片机及电源、时钟、复位等部分，其中单片机是整个系统的控制中心，该最小系统的电路如图2所示。

2.2数据采样模块

数据采样模块是环境监测系统的一个重要部分，按照系统设计要求，该系统需要实时采集温湿度、大气压、风速、雨量和PM2.5这5个参数[3]。系统采用的传感器型号分别为DHT-11温湿度、BMP-085大气压传感器、CG-04雨量传感器、FR-WS风速传感器和PMS-1003颗粒物传感器。

除颗粒物传感器采用5 V供电之外，其余传感器均采用3.3 V电压（3.3 V电压由转压芯片LM-2596产生）。各传感器接口电路如图3所示。

2.3存储模块

存储模块是信息采集模块的子模块，需要存储大量的環境信息，要求储存信息不失真，写入速度快，容量大，实现本地备份，防止数据无故丢失。系统采用SD 卡作为存储介质，而SD卡每小时发送N组数据，每组数据有5个参数，每个参数大小为8 bit，则每天发送的数据量为120 kb，那么此SD卡一次性最大能存储1 092/N天的数据量[4]。当N=3时，采用128 M的SD卡，那么SD卡一次性约能存储1年的数据，从而体现了系统的可调性。

按与单片机的通讯模式分类，可分为SD卡模式与SPI模式，该系统选用SD卡模式，为了实现数据的高速传输，该模式采用4条数据总线传输数据，各个引脚功能如表1所示。存储模块的硬件电路如图4所示。

3软件系统设计

通讯系统是基于无线射频网络、WIFI网络、GPS网络开发的，通过对便携终端的逻辑控制，实现数据的采集、传输、存储和监控。STM32的软件开发基于IAR embedded workbench开发平台，整个软件开发、调试和仿真都在Windows 7操作系统下完成。

3.1程序主流程

系统开始工作首先需要进行系统的初始化，其中包括USART、GPRS、DS1302、KEY、GPIO、LCD等。系统主要包括3个模块：MODBUS协议模块、按键模块、GPRS模块。系统主程序流程如图5所示。

3.2软件系统模块设计

基于Android系统的手机终端客户端的设计，是环境监测与农场管理方案的结合。农户利用手机APP记录农作物生长情况，通过连接无线信号处理端建立的WIFI热点获取环境参数，同时将数据发送到WEB信息管理中心的数据库。整个手机终端的设计中，APP的作用包括获取配置、收集信息、解析信息、储存信息、发送信息、显示信息。

MODBUS协议模块，主机发送数据，将数据发送给传感器，然后置于接收状态，传感器接到主机发送的数据，并把数据返回给主机，最后将数据传到液晶数据口并显示。

GPRS模塊经过IP和端口数据读取后，进行串口初始化、发送、等待接收[5]。GPRS模块首先配置APN进入TCP功能，打开一条TCP连接，每隔1 h发送1次，每次发3组数据到TCP终端，直至1 h后关闭GPRS[6]。

4系统的应用

系统试验测试地点分别选取浙江农林大学西径山、临安平山农场、临安青山湖自然区，分别于2015年11月27—29日、2016年1月20日、2016年4月15日对3个地点进行环境监测。便携式生态环境监测仪界面如图6所示。

开机并完成设备初始化后，设备每隔1 min定时采集传感器数据并通过LCD液晶屏实时显示数据，将数据打包封装后通过GPRS模块上传至远程监测中心。为了系统备份的需要，同时将采集的数据存储于本地SD卡中[7-8]。根据远程监测中心获得的数据，使用Excel软件进行处理后得到表2。

5结论

基于物联网的环境监测系统作为一种新型的环境监测系统，集中了市场同类商品的技术优点，坚持可持续发展的理念，做到了低成本、低功耗、低排放，与市场上普通的环境监测产品相比具有显著优势。将该系统投入市场后，将改变现有的高成本、高功耗、高排放设备的现状，给环境监测系统带来巨大的利益，推动了新型农业种植技术的进步。

该系统将农业生产和电子科技结合在一起，利用多种环境信息采集传感器，并在移动平台上观测农场环境要素，大幅度提升了单位面积的劳动生产率和资源产出率，有助于解决“三农”问题，改变了传统农业的工作方式，对于实现可持续发展具有重要意义。

在农业生产中，还有许多重要因素需要实时监测。在后期的设计中，可考虑将土壤碳通量、盐碱度、空气负氧离子浓度等更多的指标添加到监控系统中，使系统更加完善，有助于农户的观测更加深入化、广泛化。

参考文献

[1] 郭杨.远程自动气象数据采集系统[D].南京：南京信息工程大学，2007.

[2] 李良宇.气象数据采集器主控单元的研究与构建[D].长春：吉林大学，2004.

[3] 郭勇，姜学东.基于MSP430单片机的气象数据采集系统[J].国外电子测量技术，2007，26（10）：43-46.

[4] 王连波.数据采集记录设备的存储模块设计[J].科技传播，2013（14）：228，225.

[5] 勾慧兰，刘光超.基于STM32的最小系统及串口通信的实现[J].工业控制计算机，2012，25（9）：26-28.

[6] 刘玉梅.基于无线传感器网络的草原环境监测系统设计[D].哈尔滨：东北农业大学，2012.

[7] 沈军.气象自动观测站数据处理方法研究[D].长沙：中南大学，2011.

[8] 童刚，李萍.基于STM32F103VB单片机的串口通信程序设计[J].自动化信息，2010（9）：48-49，42.