基于物联网的秸秆禁烧监控系统的硬件设计

1、    基于物联网的秸秆禁烧监控系统的硬件设计    肖青青摘 要为克服传统的秸秆禁烧监控系统的不足，提高信息的实时性和准确性，本文结合物联网技术，设计了一种基于物联网的秸秆禁烧监控系统，详细阐述了整个系统的结构框架，以armstr710fr为控制核心，设计了传感器的节点、集中器及相关接口电路等。其主要优势在于数据采集和传输的低成本、低功耗及可靠性。关键词物联网;秸秆禁烧;armstr710fr中图分类号： tp274文献标识码： adoi：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.09.0720 引言随着我国农业进程的不断加快，农业

2、秸秆总量迅速增加，秸秆焚烧成了一个屡禁不止的老大难问题，不仅造成环境污染和交通事故，也严重影响了农耕环境，社会反响强烈，各级政府采取了各种措施来积极遏制，但是由于农村地域广阔，执法难度很大，因此建立一个完善的秸秆禁烧监控系统，形成长效的禁烧监测机制才是解决问题的根本。目前，国内外秸秆露天禁烧都已列入法律法规，监测机制除了利用人海战术外，主要利用卫星遥感进行监测，但是这种方法的精度不高，可以发现大面积的问题，并且数据会有滞后，不能实现实时监控。为了解决以上问题，本项目采用zigbee技术，利用其低成本和实时性优势，在禁烧区域建立无线监测系统。系统能随时将预警信息发送到监控人手机或者电脑终端，这样

3、不仅可以实现远程监测和无人值守，并且在后期可以逐步扩大区域，划分区域网格，实现大数据统一监控，形成长效的督查机制。1 秸秆禁烧监控系统的硬件设计1.1 硬件系统总体设计本系统的设计目的是构建一个区域性的远程监控系统，实现对于禁烧区的远程监测、控制及自动预警等功能。系统总体结构如图1所示，在禁烧监控区域内分布温度、烟度、红外可视传感器节点，组建传感网络，实现对于该区域的信息采集，将信息送到集中器模块分析处理，再通过zigbee模块和gsm模块进行数据的实时传输，送至计算机监控中心和移动终端，当监控数据超过预警值时能迅速报警。同时也能通过计算机和移动终端实现对于现场监控装置的控制，比如重启，关机及

4、相关参数的调整等。因为传感器的寿命直接决定了整个监控网络的寿命，而控制器的性能决定了监控系统的信息处理能力，因此在器件选择时应格外注意能耗，信息实时性及工作环境等方面的问题。1.2 无线传感器节点的设计秸秆禁烧监控系统所采用的传感器主要是烟气温度传感器，无线传感器节点主要包括处理器模块、无线通讯模块、存储模块、传感器模块和电源模块五个组成部分。其中处理器模块是无线传感器网络节点的核心部件，其作用是分析、处理采集的数據，并实现任务和能耗的合理管理，执行通讯协议等;无线通信模块的作用是实现信息的接收和发送，其在整个节点中占用的能耗相对较高，可以通过算法进行优化;存储模块中存储能力的大小可以根据需要

5、而选择，也可以进行一定的扩展，其主要作用是暂存相关数据;传感器模块是整个节点的前端部分，主要负责在相应区域内实时监测所需的烟度温度信号;电源模块的作用是为整个传感器节点提供能量，传感器节点的硬件框图如图2所示。本设计中处理器使用的是ti公司的cc2510芯片，它是由无线收发芯片以及增强型8051处理器组成，成本和功耗较低，可以尽快地在休眠模式和主动模式之间转换，可以增长传感器节点的使用寿命，能满足以zigbee为基础的2.4ghz的波段应用，结合了4kb的ram、32kb的可编程闪存及强大的外围模块。由于该芯片内置资源比较完整，所以在节点硬件电路中只需要附加电源、晶振及复位电路、烟气温度传感器

6、、运行指示等。本设计采用电池供电，外置两个晶振y1及y2，其中y1为主晶振，y2能选择配置，为cc2510提供精准时钟源，用以调节cc2510的工作状态，帮助快速休眠及唤醒。秸秆焚烧属于低温状态不完全燃烧，烟气中的主要成分为co和co2，因此传感器部分选用sqd1003，可以测试监控区域内气体浓度和温度，其尺寸小、稳定性好、功耗低、灵敏度高、响应恢复快。1.3 集中器硬件设计传感器节点群按照一定的拓扑结构分布在监测区域内，组成了传感器网络，这些节点由集中器来统一管理，集中器负责集合区域内所有传感器节点采集的信号，将信息进行汇总，并将数据处理后传送给用户端，当数据超出了用户设定的预警值时，及时向

7、计算机及手机终端进行预警，同时负责响应用户主站的命令，调配执行机构，如进行关机、重启或者调整参数等。每个小区域由一个集中器管理，这样可以实现区域网格化，推而广之，可以形成更大区域的无线监测。如图3所示，集中器的电路设计以32位arm微处理器str710fr为控制芯片，该处理器有64kb的ram并可扩展，内置模数转换器adc，32个双向i/o口等，指令长度固定、执行效率高、体积小、低成本、低功耗。其外围电路包括cc2510无线通信模块，用以实现与计算机的通讯;gsm模块，用来实现与移动终端的通讯;flash存储芯片;两种接口转换电路，即以太网接口电路和can总线接口电路。1.4 相关接口电路设计

8、监测区域中的各个传感器节点通过cc2510将采集的信息发送给集中器，然后集中器将信息收集，处理后再转发给计算机或者移动终端，反之，也可以将用户的命令传输给传感器节点，以实现人机通讯。在这一系列信息传递中，需要采用相关通讯协议，设计通讯接口电路，微处理器str710fr与计算机之间可以通过can总线或者rs485总线直接连接到计算机，当距离较远时可以通过zigbee实现无线射频传输实现与计算机的通讯，或者通过gprs实现与移动终端的通讯。因此在实际应用中，需要通过监测范围来界定采用哪种方式进行通讯，结合环境要求，可以设计串口通讯接口、以太网通讯接口和can接口，以以太网为例，接口电路如图4所示，

9、该电路以cirrus logic公司的cs8900a为控制芯片，符合ieee802.3以太网标准，功耗低，性能稳定，使用灵活，能根据需求将物理层接口、工作方式及数据传输模式进行动态调整，可以适应不同环境的需求，是比较理想的选择。2 结语本设计在传统的秸秆禁烧监控系统的基础上结合物联网技术，实现对监测区域更加准确、实时的监测。详细设计了整个传感器网络的组成框架、传感器节点的组成及硬件部分、集中器电路以及相关接口电路，主要的创新点是将物联网技术应用于秸秆禁烧监控系统中，可以降低能耗、节约成本、并且使监测数据更加准确、实时。设计中也依然存在一些需要进一步研究的地方，比如软件部分的设计;传感器网络如何更好地实现全覆盖、不重叠;以及为了使整个传感器网络尽可能有更长的寿命，如何通过相应算法来更好地调配节点的休眠和主动机制的转换等，因此后期将会从这几个方面继续改进完善整个系统。参考文献1齐志远，李志峰.基于zigbee通信的微电网监控网络，计算机工程，2017，43（4）：79-83.2张志伟.基于低空遥感技术的秸秆焚烧监控系统