矿山废弃地生态温室集成监控系统的设计
时间：2021-04-06 08:06:51 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘要 为了在矿山废弃地温室监测系统中实现多传感器集成与信息融合技术，采用无线网络集成技术，建立一种基于ZigBee技术的数据采集系统。针对不同传感器采集数据的不同，提出多传感器的数据模型，并构建ZigBee无线网络；同时，利用GPRS模块将数据以分组转发的方式，发送到计算机控制系统，从而提高了系统的控制功能。通过在河北省迁安市瑞阳生态农业大观园的典型应用，验证了该系统的可行性。
关键词 矿山废弃地；ZigBee；无线传感器网络；数据采集
中图分类号 S126；TP89 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）04-351-02
由于矿山废弃地生态恢复与治理要求越来越高，如何保证废弃地上建项目的安全稳定性越来越引起重视。智能监测技术的发展，环境监测集多个传感器于一体，采集的数据包括地基稳定性、空气和土壤的温湿度、光照强度、CO2浓度等多种信息。这就涉及多传感器融合技术的应用，将多传感器获得的观测数据，依据数学模型加以自动分析、综合处理，从而弥补了单一传感器的采集信息片面的缺陷，得到更为全面的系统描述，以便能够对环境进行深入的系统分析，得到更为准确的环境监测数据，有助于系统做出及时的决策。
河北省迁安市瑞阳生态农业大观园建设成现代化大型智能生态温室，属于生态恢复后的复垦项目。由于该大型温室地处铁矿采空区，地基条件极其不稳定，因此，生态温室中需要检测的数据除了常规的环境信息和农作物信息外，需要对大跨度的温室地表沉降进行监测。地表沉降的变化缓慢，因此需要实时监测整体的微小变形量，进一步构造统计分析模型，并对变形的变化趋势做出合理预测，为后期的分析决策提供科学依据。这也是与以往温室大棚监控系统不同之处。同时，为了进行形变分析，需要获得监测点高精度变形数据，通常要求监测点的观测数据达到精度较高。
1 原理简介
整套系统包括采集模块的设计、无线传输网络的开发。其中，位移传感器、温湿度传感器、二氧化碳传感器和光照传感器和ZigBee终端节点相连，负责各类数据的采集。数据采集后，转换格式，再由终端节点由通过开放式无线网络发送到网络协调器上，ZigBee协调器通过和其相连接的GRPS模块，将数据以分组转发的方式，发送到GPRS网络上，最后由联网的PC机上，通过监控管理程序实现对数据的分析、汇总。
系统总体示意如图1所示。
图1 系统总体示意
2 硬件设计
2.1 无线传输模块 开放式无线网络的集成，主要利用先进的无线传输技术，构建无线传输网络。ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本，因而使得网络节点的体积小、组网灵活。非常适合用在自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。因此本设计选用ZigBee模块作为数据采集点和控制中心的通信工具。
该设计采用的ZigBee模块为CC2530。CC2530能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。经对比选择其中的CC2530F256，具有256 kb的闪存。CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-StackTM），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。
2.2 网关模块IP MODEM IP MODEM模块主要负责ZigBee网络和GPRS网络之间的数据传递，是连接监控中心和温室大棚检测区域的纽带。当监控管理中心发送查询指令，IP MODEM模块接收指令，同时在ZigBee网络中广播。ZigBee网络中，符合地址要求的传感器模块将数据通过ZigBee网络上传至IP MODEM，再由IP MODEM将数据发送至监控管理中心。
IP MODEM采用高性能的工业级32位通信处理器、工业级蜂窝无线模块和工业级ZigBee模块，软件平台采用的是嵌入式系统，同时还带有RS232、RS485和ZigBee接口，可直接连接串口设备和ZigBee设备。IP MODEM采用低功耗设计，最大限度降低功耗，此外IP MODEM还采用金属外壳，保护等级IP30，特别适用于工业控制现场的应用。
2.3 采集模块及终端节点 针对控制系统的需求，尤其是不稳定的地基环境下，除了常规的采集量以外，特增加了地基位移的检测，实时检测地基的形变，有效预防地基变化对建筑物的破坏。设计采集模块实现功能如下：
（1）温湿度传感器可根据大棚内温湿度的变化转换成相应的数字信号，传送给单片机，满足信息的处理、显示、记录和控制等要求。空气温湿度传感器选择瑞士SensirionAG SHT11传感器，而土壤温湿度传感器则选择防水效果较好且耐压的SHT10传感器，分别进行空气和土壤温湿度的检测。
（2）光照强度检测选择的是S1087光照传感器，将光照强度转换为电流，利用负载电路转换为电压，输出为模拟量，为了进一步的传输，经过ADC0832模数转换芯片输出数字信号，传送至控制器。
（3）CO2浓度值用烟雾值代替，采用MQ-2烟雾传感器采集，输出的信号，经过ADC0832转换送至CC2530。
（4）位移传感器。将BF120-5AA型电阻应变片粘贴在室内设置的特定监测点上，应变片将由于地基位移所产生的应变信号转换成电阻的变化，再通过差动电桥，将其转换为电压值。通过连接调理电路，实现信号的放大、滤波等处理。
此外，利用CC2530模块，完成温室大棚内远程终端节点的数据采集和控制。用以实现对多传感器模块的控制、借助液晶屏实现采集值的显示、采集值超标时的报警和控制、上下限值的设定及采集数据发送等功能的控制。
采用CC2530模块作为节点的主控模块，可以利用CC2530内的单片机资源，实现多传感器数据的输入和信号调理，且CC2530硬件资源丰富、速度快，实用性高。
2.4 报警和调节模块 数据采集模块采集的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、位移等数值与预先设定的上下限值进行比较，当瞬时采集值超出上下限值时，系统产生报警。
报警模块包括：
（1）采用蜂鸣器作为产生报警信号后的声音报警器。
（2）一旦报警发生，监控管理中心的软件平台以最高优先级显示报警信号，并将报警信息记录至报警报表，以备查阅。如位移传感器采集的变形量与基准值相比较，及时判断大棚地基是否安全，避免事故发生。
（3）监控管理系统自动给相关管理人员发送短信，及时提醒。
（4）调节机构自动运行，如湿度过低，则喷淋装置启动；温度过高，则排风系统启动。调节机构也可通过联网的PC机远程控制，或者手动进行环境参数的设置、调节和控制。
3 软件实现
3.1 基于单片机的多传感器采集系统的软件设计 节点由CC2530作为节点控制芯片，控制执行采集、显示、串口发送等功能，如图2所示。
图2 节点采集模块软件流程
ZigBee协调器流程如图3所示。
图3 协调器流程
3.2 监控管理界面设计 该设计的上位机界面采用LabVIEW软件制作，完成的主要功能有：通过GPRS网络接收节点发送的空气和土壤的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、地基位移等数据，用户可通过网络上的客户机，显示瞬时的采集值和系统的报警；手动对采集系统进行控制参数的设置和调整；对GSM模块进行控制。管理界面如图4所示。
有紧急情况发生时，工作人员可以通过监控管理界面上的GSM功能，给相应管理人员发送短消息，告知具体情况。其设计主要包括电话号码的输入框图、短消息的输入框图、发送配置框图3大部分。其中，短消息输入的程序如图5所示。通过Concatenate Strings Function节点把待发送的字符、数字和标点连接成一个字符串，经过串口配置实现GSM的发短信功能。
图4 管理界面功能结构
图5 短信内容输入程序示意
4 温室大棚应用实例
瑞阳生态农业大观园位于河北省迁安市，是我国第一个现代农业院士工作站。园区占地80 hm2，于废弃矿山上建设而成，具有特殊的地势环境。因此在常规温室监控参数的基础上，增加了位移检测因子，采用了土壤活化技术、生物环保零排放检测技术、智能温室系统等多项高新科技。智能短信报警模块的应用，使得管理者可以获得更为及时的信息。瑞阳大观园智能温室内部影像见图6。
5 结论
该设计是在温室大棚内，设置若干数据采集节点，主要实现了对温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、地基位移的实时
图6 瑞阳大观园智能温室内部
采集和显示，数据的无线传输，通过监控管理程序对采集值进行显示和控制功能。可实时监测多个传感器的采集值，采用新兴的ZigBee技术实现远距离的无线数据传输，更加符合现代温室的使用要求，节省了物力、人力，对温室环境的监测控制更加科学；管理计算机具有良好的人机友好界面，实现了串行通信、显示功能、报警功能、发短消息功能和控制功能，能够实时地远程监测温室环境，增加的报警功能提供了警示意义，更具有实用性。
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