智能改变生活：林区远程监控系统实现

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一、项目概述
        1.1 引言
        “十二五”规划中明确地提出了在接下来的五年中要“绿色发展 建设资源节约型、环境友好型社会”着重强调了对生态环境的保护和修复。保护和修复生态最基本的途径就是植树造林，各种绿化带和人工林有效地遏制了水土流失，削弱了沙尘暴的危害。但是，传统的人工管理方法消耗了大量的时间和人力，已经无法适应现代社会的需要。与此同时，随着科学的进步，各种先进的技术不断融入社会的各个领域，促进了资源和管理的优化。
         
        针对上述情况，本项目通过把各种环境参数传感器、高性能低功耗的avr处理器和无线通信技术有机融合，形成一个立体化的林木自动监控系统。该系统集干湿监控、气象监控、病虫监控和林火监控于一体，能够高效方便地管理林区。
         
        二、需求分析
         
        2.1 功能要求
        (1) 各个分节点能够通过定时地监控土壤的干湿情况、气温、气压并把结果发送到主节点。
        (2) 各分节点一旦检测出火警，立刻向主节点报告。
        (3) 各主节点有摄像头，能够提供周围关于病虫的图像信息。
        (4) 主节点能够通过短距离无线数据传输网络收集所属分节点的信息和自己收集的图像信息，并通过GPRS模块发送给远程主机。
        (5) 每个节点在有阳光时能利用太阳能光板进行内部电池的充电，以保证系统能够正常运行。
        (6) 远程主机系统能够统一处理各个主节点收集的信息，实现远程高效管理。
         
        2.2 性能要求
        (1) 系统必须能够长时间稳定运行。
        (2) 能够对火情做出快速的反应。
        (3) 由于是户外使用，各个节点必须具有较强的抗老化能力。
         
        三、方案设计
         
        3.1 系统功能实现原理
        （1）系统的信息采集功能主要是利用土壤温湿传感器、气温传感器、气压传感器和摄像头等手段来实现，以此来达到全方位采集信息的目标。
        （2）为了实现对一个区域树林生长情况监控，本设计采用子节点和主节点的两层体系结构设计。在一个林区中，每隔一段距离就有一个子节点，每个子节点测量土壤温湿传感器、气温传感器和气压传感器的数据，同时每个子节点可以通过Zigbee网络把数据送到主节点。
        （3）主节点主要有两个功能：第一，利用CMOS摄像头拍照功能，看有没有虫灾发生，每隔一段时间对森林拍一张照片，并以彩信的形式通过GPRS模块发照片到远程监控台；第二，利用Zigbee模块来获取多个子节点送来的数据，并以短信的形式通过GPRS模块发数据到远程监控台。
        （4）各个节点的供能采用太阳能光板配合锂电池联合供电，保证系统能够全天候工作。
        （5）远程主机，采用计算机来实现，利用计算机比较好的人机交互界面和强大的数据处理能力。
         
        分节点架构见图1。
         
                

        图1 分节点架构框图

         

        主节点架构见图2。

       

        图2 主节点架构框图

         

        远程主机架构见图3。

       

        图3 远程主机架构框图

        系统总体架构见图4。

       

          

        图4 系统总体架构框图

         
        由于本系统的设计要从低功耗方面考虑，所以采用ATxmega128A1芯片平台。ATxmega128A1具有XMEGA系列微控制器的所有可用功能，包括一个DMA控制器、事件系统、12位高速模拟外设、AES和DES加密模块、外部总线接口、所有第二代 picoPower特性，以及其它功能，是市场上功耗较低的微控制器产品。
         
        分节点硬件电路框图，见图5。

       

        图5 分节点硬件电路框图

         

        主节点电路框图，见图6。

       

        图6主节点硬件电路框图

         

        3.2 硬件平台选用及资源配置
        各节点的控制器采用低功耗的ATxmega128A1处理器来控制设备，同时借助zigbee实现和GPRS两种通讯模块进行各个分系统的通讯。硬件平台采用AVR XMEGA-A1 Xplained平台（见图7）：

       

        图7项目开发硬件平台

         
        3.3系统软件架构
        主要分为三个分系统：远程主机系统、主节点系统和分节点系统。每个系统都有各自的控制和通讯模块。
         
        系统软件架构，见图8。

       

        图8系统软件架构

         

        3.4 系统软件流程
        （1）子节点程序流程。
         
        子节点程序流程，见图9。

                

        图9 子节点流程

         

        （2）主节点程序流程
            主节点程序流程，见图10。

       

        图10主节点流程

         

        （3）远程主机程序流程：
            远程主机程序流程，见图11。

       

        图11 远程主机程序运行流程图

         

        3.5 系统预计实现结果
        实现全自动全天候远程监控林区土壤、气象、病虫等常规指标，同时能够及时报告突发的火警情况。从而达到高效管理林区的目的。
         
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