基于物联网的秸秆禁烧监控系统的硬件设计
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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： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.072
0 引言
随着我国农业进程的不断加快，农业秸秆总量迅速增加，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、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
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，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
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