CN104792354A - 森林环境因子远程监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是森林环境因子远程监测系统。该系统由多个数据采集节点和一个网关节点两部分组成，其中数据采集节点由太阳能供电系统、土壤温湿度传感器电路、空气温湿度传感器电路、光强度传感器、信号调理电路、CC2530芯片电路构成。网关节点由太阳能供电系统、GPRS模块电路、MSP430F149单片机电路、CC2530芯片电路构成。首先各数据采集节点通过传感器电路采集森林环境监测所需的空气温湿度、光照和土壤温湿度，然后基于Zigbee协议将各采集节点数据无线传输到网关节点，网关节点再将各采集节点的数据通过GPRS无线传输到远程服务器。优点：具有监测范围大，配置灵活，功耗低，对自然环境破坏小，成本低廉等特点，能够实时准确地远程监测多点的森林环境数据。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种森林环境监测技术领域，尤其是一种能够远程实时监测多点的森林环境监测系统。
背景技术
林业作为我国国民生产的基础行业，在整个国民经济中占有举足轻重的地位，对森林环境进行监测，可为森林生态系统与环境间相互作用的研究提供长期可靠的生态环境数据。由于森林生态环境监测点通常分布在地理位置比较偏远、分散且没有电源供给的地方，传统的人工监测执行效率低，人力成本高，而且国内森林环境监测的仪器存在功能单一、体积庞大、价格昂贵等诸多问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，设计了一种基于GPRS技术、ZigBee技术和智能传感器技术相结合的智能森林环境因子监测系统，它不仅能同时对多个监测点的光强度、空气温湿度、土壤温湿度等森林环境相关的数据进行监测，而且能够基于Zigbee短距离无线通信网络协议将各个数据采集节点的数据汇聚到网关节点，网关节点则通过GPRS网络将数据传输到远程服务器，用户可通过电脑或者手机上网实时查看森林环境因子数据。
本发明所采用的技术方案是：森林环境因子远程监测系统包括多个数据采集节点和一个网关节点两个部分。数据采集节点包括太阳能充电板、充电管理电路、锂电池、电压变换电路、土壤温湿度传感器电路、空气温湿度传感器电路、光强度传感器、信号调理电路、CC2530芯片电路。网关节点包括太阳能充电板、充电管理电路、锂电池、电压变换电路、GPRS模块电路、MSP430F149单片机电路、CC2530芯片电路。首先各数据采集节点通过传感器采集森林环境因子指标，如空气温湿度、光照和土壤温湿度，然后基于Zigbee短距离无线通信网络协议将各数据采集节点的数据无线传输到网关节点，网关节点再将各数据采集节点的数据通过GPRS模块电路无线传输到远程服务器。数据采集节点的结构如下：CC2530芯片电路的第一输入端接空气温湿度传感器电路的输出端，CC2530芯片电路的第二输入端接土壤温湿度传感器电路的输出端，CC2530芯片电路的第三输入端接信号调理电路的输出端，信号调理电路的输入端接光强度传感器的输出端，太阳能充电板的输出端接充电管理电路的输入端，充电管理电路的输出端接锂电池的输入端，锂电池的输出端接电压变换电路的输入端，电压变换电路的输出端接CC2530芯片电路第四输入端。网关节点的结构如下：太阳能充电板的输出端接充电管理电路的输入端，充电管理电路的输出端接锂电池的输入端，锂电池的输出端接电压变换电路的输入端，电压变换电路的输出端接MSP430F149单片机电路的第一输入端，MSP430F149单片机电路的第二输入端接CC2530芯片电路的输出端，MSP430F149单片机电路的输入输出端接GPRS模块电路的输入输出端。
本发明的优点：具有监测范围大，配置灵活，功耗低，对自然环境破坏小，成本低廉等特点，能够实时准确地远程监测多种森林业环境数据，也可推广到其它场合，如用于环境监测、大棚种植监控、水产养殖监控等。
附图说明
附图1是本发明的数据采集节点的结构示意图。
附图2是CC2530芯片电路及部分外围电路原理图。
附图3是本发明的网关节点的结构示意图。
附图4是MSP430F149单片机电路及部分外围电路原理图。
具体实施方式
对照附图1，本系统的数据采集节点由太阳能充电板U1，充电管理电路U2，锂电池U3，电压变换电路U4，CC2530芯片电路U5，空气温湿度传感器电路U6，土壤温湿度传感器电路U7，信号调理电路U8，光强度传感器U9构成。其中电压变换电路U4给U5供电，同时也给U6、U7、U8等电路供电。CC2530芯片电路U5控制U6、U7、U9，采集空气温湿度、土壤温湿度、光强度等数据，并基于Zigbee短距离无线通信网络协议将数据传送给网关节点。
对照附图1，CC2530芯片电路U5的第一输入端接空气温湿度传感器电路U6的输出端，CC2530芯片电路U5的第二输入端接土壤温湿度传感器电路U7的输出端，CC2530芯片电路电路U5的第三输入端接信号调理电路U8的输出端，信号调理电路U8的输入端接光强度传感器电路U9的输出端，太阳能充电板U1的输出端接充电管理电路U2的输入端，充电管理电路U2的输出端接锂电池U3的输入端，锂电池U3的输出端接电压变换电路U4的输入端，电压变换电路U4的输出端接CC2530芯片电路U5的第四输入端。
对照附图2，CC2530芯片电路是由CC2530芯片，电源DVDD，电感L1，电容C1、C271、C272、C391、C401、C311、C101、C211、C241，电阻R301，晶振Y1，电容C221、C231，晶振Y2，电容C321、C331，天线ANT1，电容C251、C252、C253、C254、C255、C261、C262，电感L251、L252、L261构成，保证了CC2530芯片正常运行及通信。
对照附图2，空气温湿度传感器电路U6包括空气温湿度传感器SHT11(IC1)，3.3V电压源(VDD_PA)。空气温湿度传感器SHT11(IC1)的3脚(SCK)与CC2530芯片的5脚(P1.5)相连，空气温湿度传感器SHT11(IC1)4脚(SDA)与CC2530芯片的18脚(P0.1)相连。
对照附图2，土壤温湿度传感器电路U7包括土壤温湿度传感器5TM(IC2)以及3.3V电压源(VDD_PA)，土壤温湿度传感器5TM(IC2)的2脚(DATA)与CC2530芯片的11脚(P1.0)相连。
对照附图2，信号调理电路U8包括运算放大器AD8616(IC3)，电容C1，电阻R1以及3.3V电压源(VDD_PA)。光照传感器U1的输出端(LIN)与运算放大器AD8616(IC3)的2脚(-INA)相连，运算放大器AD8616(IC3)的7脚(OUTB)与CC2530芯片的15脚(P0.4)相连。
对照附图3，本系统的网关节点由太阳能充电板U1，充电管理电路U2，锂电池U3，电压变换电路U4，CC2530芯片电路U5，MSP430F149单片机电路U6，GPRS模块电路U7构成。其中电压变换电路U4为U5、U6、U7等其它模块供电。CC2530芯片电路U5基于Zigbee短距离无线通讯网络协议接收各数据采集节点的数据，然后通过串口发送给MSP430F149单片机电路U6，MSP430F149单片机电路U6通过串口0接收CC2530芯片电路U5的数据，然后通过串口1控制GPRS模块电路U7发送给远程数据服务器。
对照附图3，太阳能充电板U1的输出端接充电管理电路U2的输入端，充电管理电路U2的输出端接锂电池U3的输入端，锂电池U3的输出端接电压变换电路U4的输入端，电压变换电路U4的输出端接MSP430F149单片机电路U6的第一输入端，MSP430F149单片机电路U6的第二输入端接CC2530芯片电路U5的输出端，MSP430F149单片机电路U6的输入输出端接GPRS模块电路U7的输入输出端。
对照附图4，MSP430F149单片机电路U6是由MSP430F149单片机(IC1)、晶振Y1，晶振Y2，电容C6、C7，复位开关S1，JTAG接口(P1)以及3.3V电源(VCC33)构成，保证了MSP430F149单片机(IC1)的正常运行。CC2530芯片的15脚(P0.4)与MSP430F149单片机(IC1)的33脚(URXD0)相连。MSP430F149单片机(IC1)的34脚(UTXD1)、35脚(URXD1)与GPRS模块的串口相连。
对照附图4，电压变换电路U4由LP2981稳压器芯片(IC2)以及电容C8组成。LP2981稳压器芯片(IC2)的1脚(IN)与锂电池U3的正极(BAT_IN)相连，LP2981稳压器芯片(IC2)的5脚(OUT)输出3.3V电源(VCC33)。
Claims (5)
1.森林环境因子远程监测系统包含多个数据采集节点和一个网关节点两个部分，其中数据采集节点由太阳能充电板U1，充电管理电路U2，锂电池U3，电压变换电路U4，CC2530芯片电路U5，空气温湿度传感器电路U6，土壤温湿度传感器电路U7，信号调理电路U8，光强度传感器U9构成；网关节点由太阳能充电板U1，充电管理电路U2，锂电池U3，电压变换电路U4，CC2530芯片电路U5，MSP430F149单片机电路U6，GPRS模块电路U7构成。其特征是：对数据采集节点，CC2530芯片电路U5的第一输入端接空气温湿度传感器电路U6的输出端，CC2530芯片电路U5的第二输入端接土壤温湿度传感器电路U7的输出端，CC2530芯片电路U5的第三输入端接信号调理电路U8的输出端，信号调理电路U8的输入端接光强度传感器电路U9的输出端，太阳能充电板U1的输出端接充电管理电路U2的输入端，充电管理电路U2的输出端接锂电池U3的输入端，锂电池U3的输出端接电压变换电路U4的输入端，电压变换电路U4的输出端接CC2530芯片电路U5的第四输入端；对网关节点，太阳能充电板U1的输出端接充电管理电路U2的输入端，充电管理电路U2的输出端接锂电池U3的输入端，锂电池U3的输出端接电压变换电路U4的输入端，电压变换电路U4的输出端接MSP430F149单片机电路U6的第一输入端，MSP430F149单片机电路U6的第二输入端接CC2530芯片电路U5的输出端，MSP430F149单片机电路U6的输入输出端接GPRS模块电路U7的输入输出端。
2.根据权利要求1所述的森林环境因子远程监测系统，其特征是所有模块均采用太阳能与锂电池双供电，其中太阳能充电板采用太阳能光伏电池。根据太阳能充电板输出电压和电流的大小，充电管理电路自动调整充电电流，这样可以极大限度地利用采集模块的电流输出能力。
3.根据权利要求1所述的森林环境因子远程监测系统，其特征是各数据采集节点包含空气温湿度传感器、光强度传感器及土壤温湿度传感器，其中空气温湿度传感器通过I2C口与CC2530芯片相连接，光强度传感器通过A／D转换接口与CC2530芯片相连接，土壤温湿度传感器通过UART口与CC2530芯片相连接。
4.根据权利要求1所述的森林环境因子远程监测系统，其特征是各数据采集节点间的通讯基于Zigbee短距离无线通讯协议，工作频率2.4GHz，在保证通讯质量和安全的前提下，在无遮挡情况，其通讯距离达到250米。
5.根据权利要求1所述的森林环境因子远程监测系统，其特征是网关节点包含CC2530芯片电路、MSP430F149单片机电路及GPRS模块电路，其中CC2530芯片通过UART口与MSP430F149单片机相连接，MSP430F149单片机的另一个UART口与GPRS模块相连接。CC2530芯片电路负责接收所有数据采集节点的数据，并通过UART接口将采集节点的数据传输给MSP430F149单片机处理模块。MSP430F149单片机提取需要发送的数据，并通过另一UART接口控制GPRS模块，将需要的数据发送给远程的数据服务器。
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