李圣普，王小輝

（平頂山學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467002）

當(dāng)前人的行為因素和低山丘陵區(qū)域系統(tǒng)自身的雙重原因，低山丘陵區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了土壤侵蝕、水土嚴(yán)重流失、頻繁發(fā)生自然災(zāi)害和生物種類減少等生態(tài)環(huán)境方面的問題，生態(tài)平衡嚴(yán)重破壞，使得當(dāng)前對低山丘陵生態(tài)環(huán)境進(jìn)行信息采集及實(shí)時監(jiān)控的必要性和可行性。

低山丘陵信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是對低山丘陵地區(qū)的光照強(qiáng)度、土壤溫濕度和空氣溫濕度等環(huán)境的實(shí)時檢測、匯總和分析，通過低山丘陵信息采集系統(tǒng)可以全方位檢測低山丘陵覆蓋面積的生態(tài)環(huán)境，可以實(shí)時感知檢測區(qū)域的生態(tài)壞境動態(tài)數(shù)據(jù)。通過分析對采用數(shù)據(jù)的水土植被復(fù)合系統(tǒng)來改善脆弱生態(tài)環(huán)境水土流失的主要措施，已作為低山丘陵生態(tài)破壞區(qū)生態(tài)恢復(fù)、開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要突破口[1-2]。

1 系統(tǒng)主要功能

低山丘陵信息采集系統(tǒng)的開發(fā)可以包含很多方面的內(nèi)容，有很多功能的實(shí)現(xiàn)難度較大，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對采集區(qū)域內(nèi)空氣和土壤的溫濕度以及光照度信息的采集和上傳。目前可以實(shí)現(xiàn)的功能有：

1)查看傳感器節(jié)點(diǎn)的空氣和土壤的實(shí)時溫濕度以及光照度的數(shù)值：利用全局變量傳遞有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2)獲取協(xié)調(diào)器搜集整理的數(shù)據(jù)：通過套接字(socket)編程接收下位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并顯示在窗體之中。

3)精確定位采集區(qū)域：能夠在地圖界面查看協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

4)實(shí)現(xiàn)對實(shí)時數(shù)據(jù)的采集與上傳以及對歷史數(shù)據(jù)的圖形化查看功能。

5)對環(huán)境指數(shù)預(yù)警控制功能：利用全局變量的狀態(tài)發(fā)送控制命令。將實(shí)時溫濕度和設(shè)定的溫濕度范圍進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能并發(fā)出相應(yīng)的提示消息。

本文重點(diǎn)介紹協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)原理圖

在低山丘陵監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)立協(xié)調(diào)器的目的是搭建了一個從傳感器節(jié)點(diǎn)到遠(yuǎn)程服務(wù)器的橋梁，把采集到得數(shù)據(jù)已經(jīng)定位信息通過協(xié)調(diào)器發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、GPS定位模塊、SIM900A GPRS模塊、UART串口轉(zhuǎn)Zig-bee無線模塊DRF1607H模塊組成。

各個模塊所負(fù)責(zé)的功能：

1)STC單片機(jī)是該節(jié)點(diǎn)的處理器，解析定位數(shù)據(jù)，接收各采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的有效信息并把位置信息和數(shù)據(jù)信息通過SIM900A GPRS模塊傳遞給遠(yuǎn)程服務(wù)器[3]。

圖1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的電路原理圖Fig.1 The principle diagram of the circuit

2)GPS工作模塊可以把從衛(wèi)星接收到的信息發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理。

3)SIM900A GPRS模塊把有效的位置信息以及數(shù)據(jù)信息傳遞給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

4)接口轉(zhuǎn)換模塊DRF1607H承擔(dān)是把從協(xié)調(diào)器接收到的信息交付給單片機(jī)[4]。

2.2 MCU的選型與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2處理芯片，該芯片的工作電壓較低，為5.5~3.5 V，被稱為5 V的處理芯片，它1T的機(jī)器周期。與之相對應(yīng)的STC12LE5A60S2工作電壓更低，為3.6~2.2 V，被稱為3 V的處理芯片，更加節(jié)能，它也是1T的機(jī)器周期。該系列處理芯片工作性能更好處理能力強(qiáng)、功耗更低、工作中抗干擾能力也比較出色，所采用的指令代碼與傳統(tǒng)單片機(jī)兼容，同時處理速度有8～12倍的提升空間。正因?yàn)槿绱?，本系統(tǒng)采用其作為協(xié)調(diào)器的控制芯片。

本系統(tǒng)采用其作為控制芯片還有一個重要的原因是，考慮到該系統(tǒng)需要用來通信的串口有3個，第一個用來接收Zigbee接收到的數(shù)據(jù)信息，第二個用來接收GPS的定位信息，第三個用來把處理得到的有效數(shù)據(jù)信息，交付給SIM900A模塊，通過GPRS技術(shù)利用其Internet接入技術(shù)，可以順利的把系統(tǒng)采集到的生態(tài)數(shù)據(jù)匯集到上位機(jī)配置好的數(shù)據(jù)庫中。

2.3 Zig-bee模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間，采用Zig-bee無線通訊協(xié)議，Zig-bee無線通訊協(xié)議可以主動自組網(wǎng)，運(yùn)行能耗也比較低，工作中抗干擾能力也比較好。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了透傳形式的模塊，該類型的模塊開發(fā)難度低、集成程度高，便于系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)，可以在終端傳感器、終端處理芯片與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處理芯片之間搭建一個簡易快速的橋梁，實(shí)現(xiàn)低山丘陵生態(tài)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的快速搭建和便捷的后續(xù)維護(hù)[5-6]。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過Zig-bee模塊接收到數(shù)據(jù)產(chǎn)生串口接收中斷，然后進(jìn)行對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否有丟失或差錯，接著便存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。其核心代碼如下：

1)產(chǎn)生中斷存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：

2)主程序循環(huán)檢測，是否產(chǎn)生接收完畢的標(biāo)志，若產(chǎn)生則檢查數(shù)據(jù)完整性，并存入相應(yīng)緩沖區(qū)，否則丟棄：

2.4 GPS定位模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的GPS定位模塊基于的傳輸洗衣是NMEA-0183。系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為一個小的信息采集網(wǎng)絡(luò)的中心，有GPS信息的需求，便于系統(tǒng)的物理定位，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)提供可靠的定位信息，同時配合上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)地圖開發(fā)技術(shù)，在地圖上明細(xì)的標(biāo)注采集點(diǎn)的位置。

作為該領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在定位系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，眾多的接收器件、相關(guān)處理軟件和很多導(dǎo)航類別的軟件開發(fā)都會涉及到它，要充分考慮與該協(xié)議的兼容性。在開發(fā)中該協(xié)議的組成語句和語法比較繁瑣，對初學(xué)者有比較大的難度，但要實(shí)現(xiàn)基本的功能，真正用到的語句是很有限的，也就是那幾個常用語句就可以了。

下面僅針對該系統(tǒng)解析的定位信息$GPRMC字段定義解釋。

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

根據(jù)以上協(xié)議內(nèi)容的要求，我們采取的是專門針對$GPRM即Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推薦最小定位信息，該語句的解析，通過在串口中斷中檢測該語句的出現(xiàn)，并存入相應(yīng)的內(nèi)存空間，以此來保存定位信息。

2.5 GPRS模塊的實(shí)現(xiàn)

在協(xié)調(diào)器處理器STC12LE5A60S2接受到來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息和來自GPS的定位信息后，便等待響應(yīng)定時器的定時中斷。一旦定時中斷到來，處理器便立即響應(yīng)該定時中斷：建立TCP/IP連接，并且把數(shù)據(jù)信息和位置信息按照事先規(guī)定好的協(xié)議打包發(fā)送。

GPRS建立連接的過程：

1)建立一個TCP/IP連接：

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

通過串口2發(fā)送AT+CIPSTART右側(cè)的指令，當(dāng)檢測到串口2的接收緩沖區(qū)反饋信號"CONNECT OK",GPRS便建立起到固定IP:172.14.165.67，固定端口：5000的數(shù)據(jù)通道。

2)建立一個域名連接：sendstring2(AT_CLPORT);

//設(shè)置本地端口，使用tcp協(xié)議AT+CLPORT="TCP","5000"sendstring2(AT_CDNSCFG);

//設(shè)置域名解析服務(wù)器ip地址AT+CDNSCFG="222.88.88.88"

sendstring2(AT_CDNSORIP);//該參數(shù)為1設(shè)置使用域名作為連接方式

sendstring2(AT_CIPSTART1);

//"TCP","80pc.eicp.net","44198"，GPRS連接方式 連接地址(根據(jù)用戶實(shí)際域名修改)GPRS連接的端口

3)檢測反饋信號的代碼：

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

sendstring("GPRSCONNECT OK!");

代碼說明：while為檢測語句；sendstring為方便調(diào)試時的提示語句。當(dāng)檢測到串口2的接收緩沖區(qū)反饋信號"CONNECT OK",GPRS便建立起到域名80pc.eicp.net，固定端口：44198的數(shù)據(jù)通道。

4)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)格式如下：

*DG,15290764951,V2,B1,溫度土壤,濕度土,溫度空氣,濕度空氣,光照度,F#

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

說明：*DG——頭部，保持不變；15290764951——（可變），協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)SIM卡號；V1——保持不變,代表GPS數(shù)據(jù)；V2表示數(shù)據(jù)；B1——節(jié)點(diǎn)一；2233.1055——緯度值；N——北緯，或S；11358.1257——經(jīng)度值；E——東經(jīng)，或W；F——代表4個檢測狀態(tài)是否檢測到異常，異常時為“0”，轉(zhuǎn)16進(jìn)制型大寫字符串;#——尾部，保持不變。

3 結(jié)束語

低山丘陵生態(tài)采集系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能有還很多。對低山丘陵基礎(chǔ)生態(tài)數(shù)據(jù)信息采集的，以及Zig-bee的組網(wǎng)方式將會不斷的變化[7]。Zig-bee的星型網(wǎng)絡(luò)雖然簡單易用但是還是有缺陷的，如果協(xié)調(diào)器不能正常工作了，整個系統(tǒng)就會癱瘓，所以說Zig-bee的組網(wǎng)方式很重要，在以后的設(shè)計(jì)中將會有進(jìn)一步的改革，將會將這些問題發(fā)生的可能性降到最低。

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