一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

“十二五”規(guī)劃中明確地提出了在接下來(lái)的五年中要“綠色發(fā)展 建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”著重強(qiáng)調(diào)了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)。保護(hù)和修復(fù)生態(tài)最基本的途徑就是植樹(shù)造林，各種綠化帶和人工林有效地遏制了水土流失，削弱了沙塵暴的危害。但是，傳統(tǒng)的人工管理方法消耗了大量的時(shí)間和人力，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的需要。與此同時(shí)，隨著科學(xué)的進(jìn)步，各種先進(jìn)的技術(shù)不斷融入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)了資源和管理的優(yōu)化。

針對(duì)上述情況，本項(xiàng)目通過(guò)把各種環(huán)境參數(shù)傳感器、高性能低功耗的avr處理器和無(wú)線通信技術(shù)有機(jī)融合，形成一個(gè)立體化的林木自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集干濕監(jiān)控、氣象監(jiān)控、病蟲(chóng)監(jiān)控和林火監(jiān)控于一體，能夠高效方便地管理林區(qū)。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 各個(gè)分節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)定時(shí)地監(jiān)控土壤的干濕情況、氣溫、氣壓并把結(jié)果發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)。

(2) 各分節(jié)點(diǎn)一旦檢測(cè)出火警，立刻向主節(jié)點(diǎn)報(bào)告。

(3) 各主節(jié)點(diǎn)有攝像頭，能夠提供周圍關(guān)于病蟲(chóng)的圖像信息。

(4) 主節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)收集所屬分節(jié)點(diǎn)的信息和自己收集的圖像信息，并通過(guò)GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)。

(5) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在有陽(yáng)光時(shí)能利用太陽(yáng)能光板進(jìn)行內(nèi)部電池的充電，以保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

(6) 遠(yuǎn)程主機(jī)系統(tǒng)能夠統(tǒng)一處理各個(gè)主節(jié)點(diǎn)收集的信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高效管理。

2.2 性能要求

(1) 系統(tǒng)必須能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 能夠?qū)鹎樽龀隹焖俚姆磻?yīng)。

(3) 由于是戶外使用，各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須具有較強(qiáng)的抗老化能力。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

（1）系統(tǒng)的信息采集功能主要是利用土壤溫濕傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感器和攝像頭等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)達(dá)到全方位采集信息的目標(biāo)。

（2）為了實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)區(qū)域樹(shù)林生長(zhǎng)情況監(jiān)控，本設(shè)計(jì)采用子節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)的兩層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在一個(gè)林區(qū)中，每隔一段距離就有一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)測(cè)量土壤溫濕傳感器、氣溫傳感器和氣壓傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)送到主節(jié)點(diǎn)。

（3）主節(jié)點(diǎn)主要有兩個(gè)功能：第一，利用CMOS攝像頭拍照功能，看有沒(méi)有蟲(chóng)災(zāi)發(fā)生，每隔一段時(shí)間對(duì)森林拍一張照片，并以彩信的形式通過(guò)GPRS模塊發(fā)照片到遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)；第二，利用Zigbee模塊來(lái)獲取多個(gè)子節(jié)點(diǎn)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并以短信的形式通過(guò)GPRS模塊發(fā)數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)。

（4）各個(gè)節(jié)點(diǎn)的供能采用太陽(yáng)能光板配合鋰電池聯(lián)合供電，保證系統(tǒng)能夠全天候工作。

（5）遠(yuǎn)程主機(jī)，采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用計(jì)算機(jī)比較好的人機(jī)交互界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

分節(jié)點(diǎn)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 分節(jié)點(diǎn)架構(gòu)框圖

主節(jié)點(diǎn)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 主節(jié)點(diǎn)架構(gòu)框圖

遠(yuǎn)程主機(jī)架構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 遠(yuǎn)程主機(jī)架構(gòu)框圖

系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從低功耗方面考慮，所以采用ATxmega128A1芯片平臺(tái)。ATxmega128A1具有XMEGA系列微控制器的所有可用功能，包括一個(gè)DMA控制器、事件系統(tǒng)、12位高速模擬外設(shè)、AES和DES加密模塊、外部總線接口、所有第二代 picoPower特性，以及其它功能，是市場(chǎng)上功耗較低的微控制器產(chǎn)品。

分節(jié)點(diǎn)硬件電路框圖，見(jiàn)圖5。

圖5 分節(jié)點(diǎn)硬件電路框圖

主節(jié)點(diǎn)電路框圖，見(jiàn)圖6。

圖6主節(jié)點(diǎn)硬件電路框圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

各節(jié)點(diǎn)的控制器采用低功耗的ATxmega128A1處理器來(lái)控制設(shè)備，同時(shí)借助zigbee實(shí)現(xiàn)和GPRS兩種通訊模塊進(jìn)行各個(gè)分系統(tǒng)的通訊。硬件平臺(tái)采用AVR XMEGA-A1 Xplained平臺(tái)（見(jiàn)圖7）：

圖7項(xiàng)目開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

主要分為三個(gè)分系統(tǒng)：遠(yuǎn)程主機(jī)系統(tǒng)、主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和分節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)都有各自的控制和通訊模塊。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)，見(jiàn)圖8。

圖8系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程

（1）子節(jié)點(diǎn)程序流程。

子節(jié)點(diǎn)程序流程，見(jiàn)圖9。

圖9 子節(jié)點(diǎn)流程

（2）主節(jié)點(diǎn)程序流程

主節(jié)點(diǎn)程序流程，見(jiàn)圖10。

圖10主節(jié)點(diǎn)流程

（3）遠(yuǎn)程主機(jī)程序流程：

遠(yuǎn)程主機(jī)程序流程，見(jiàn)圖11。

圖11 遠(yuǎn)程主機(jī)程序運(yùn)行流程圖

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)全天候遠(yuǎn)程監(jiān)控林區(qū)土壤、氣象、病蟲(chóng)等常規(guī)指標(biāo)，同時(shí)能夠及時(shí)報(bào)告突發(fā)的火警情況。從而達(dá)到高效管理林區(qū)的目的。

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