城市綠化系統(tǒng)的建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分^[1]，它能夠明顯改善城市空氣質(zhì)量，顯著提升城市環(huán)境質(zhì)量。但是，由于各地城市綠化面積大以及粗放的管理模式，使得綠化植物死亡率居高不下。環(huán)衛(wèi)工人手工灌溉、取水車灌溉都存在浪費水資源和人力資源的現(xiàn)象。另外，城市綠化灌溉與管理各自獨立，存在信息孤島。本系統(tǒng)利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與城市綠化有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理對整個城市綠化進(jìn)行智能化控制，讓環(huán)保人員更高效率地管理和維護整個城市的綠化植物，降低環(huán)保人員維護城市綠化的難度，同時提高植物的成活率和水資源的利用率，大大降低城市在維護綠化方面的成本，提高城市的空氣質(zhì)量和降低污染，為廣大市民提供一個優(yōu)良的休閑環(huán)境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        城市智能綠化監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、主控器、中央服務(wù)器管理平臺以及用戶終端構(gòu)成。體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳感器收集到植物周圍的環(huán)境溫濕度、光照度等參數(shù)傳遞給主控器中心，由嵌入式ARM11構(gòu)成的主控制器中心進(jìn)行處理，并通過GPRS/3G上傳給中央服務(wù)中心。主控器將無線接收模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)和攝像頭采集到定的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析顯示在監(jiān)控中心，然后將數(shù)據(jù)傳到PC終端，實時顯示植物周圍的環(huán)境參數(shù)和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，以便在一定的溫濕度和土壤酸堿度下對植物進(jìn)行智能澆水。同時，主控器中心將IP攝像頭傳送的幀數(shù)據(jù)發(fā)送給中央服務(wù)器管理平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程攝像頭監(jiān)控。當(dāng)有火災(zāi)情況發(fā)生時，監(jiān)控中心通過GPRS/3G發(fā)送火災(zāi)信息給相關(guān)人員，相關(guān)人員啟動火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，估計火災(zāi)蔓延的范圍和到達(dá)一個特定地點所需要的時間，這樣消防人員就可以通過紅外遙控調(diào)度離火災(zāi)中心最近的滅火車進(jìn)行滅火。如果有病蟲害發(fā)生或綠化植物營養(yǎng)不良，智能綠化管理系統(tǒng)將信息與專家系統(tǒng)比對，并把專家診斷信息發(fā)送給環(huán)衛(wèi)工人，以便環(huán)衛(wèi)工人根據(jù)專家建議及時噴曬農(nóng)藥或施肥，從而有效防止病蟲害發(fā)生，提高綠化植物成活率。

2 硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)控終端節(jié)點設(shè)計

        終端節(jié)點包含傳感器陣列、ZigBee功能模塊和無線通信模塊^[2]。監(jiān)控終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        溫濕度傳感器采用DTH11，通過將其獲取到的溫濕度參數(shù)轉(zhuǎn)化為電平信號^[3]，傳送給CC2530微處理器進(jìn)行處理。煙霧傳感器采用MQ-2，通過周邊煙霧與其內(nèi)置的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電平信號傳送給CC2530進(jìn)行處理。

        CC2530集成了微處理器存儲器和射頻模塊，是一個SoC片上解決方案^[4]，是 TI公司推出的最新一代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片。它集 8051處理器和射頻收發(fā)模塊于一體，同時還具有豐富的GPIO以及7路12位A/D，使得系統(tǒng)可在最少外圍、最低成本的條件下進(jìn)行設(shè)計^[5]。

        由于系統(tǒng)采用7.4 V的鋰電池供電，而單片機和ARM板的工作電壓是5 V，所以要進(jìn)行降壓。采用AMS1117-5.0 V的穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)降壓，并用兩個電容C1和C2實現(xiàn)濾波。電源模塊電路圖如圖3所示。

2.2 主控中心硬件電路設(shè)計

        網(wǎng)關(guān)由ARM6410微處理器、LCD模塊、GSM模塊、多功能車的控制模塊和視頻采集模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用Tiny6410作為連接現(xiàn)場與服務(wù)器的節(jié)點，其作用非常重要。Tiny6410必須連接到網(wǎng)絡(luò)中，以保持與服務(wù)器之間的通信。單片機通過RS232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM6410微處理器。ARM6410將采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和視頻幀數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)包，通過RJ-45型的網(wǎng)絡(luò)接口上傳給云服務(wù)器，并且將緊急數(shù)據(jù)通過GSM短信模塊發(fā)送到環(huán)保人員的手機終端上。手機終端用戶也可以發(fā)送短信查詢無線監(jiān)控終端實時采集的數(shù)據(jù)。

        多功能車控制模塊控制紅外遙控多功能車。視頻采集模塊采用通用的USB攝像頭，方便更換并可根據(jù)不同使用場合得到不同清晰度。圖像壓縮方式使用JPEG靜態(tài)圖像壓縮方式，利用流媒體技術(shù)傳送視頻數(shù)據(jù)。攝像頭實時捕獲現(xiàn)場的畫面，而后通過USB接口將畫面數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)處理。用戶既可以在LCD看到現(xiàn)場的實時畫面，又可以通過PC遠(yuǎn)程訪問的方式來觀看現(xiàn)場的實時畫面。

2.3 多功能車設(shè)計

        澆水車主要由微處理器、步進(jìn)電機、紅外接收模塊和直流電機以及紅外接收頭、澆水管、澆水箱組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。紅外接收模塊采用1838作為接收頭，當(dāng)其接收到遠(yuǎn)程發(fā)過來的紅外信號時，其中的D/A對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化和解碼，將編碼值傳送給AT89C52進(jìn)行處理，AT89C52根據(jù)收到的編碼值執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)按下遙控器鍵值1時，小車開始啟動并且前進(jìn)；按下鍵值2時，小車停止；按下鍵值3時，小車開始滅火；按下鍵值4時，小車后退。

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點/控制節(jié)點程序設(shè)計

        各傳感器節(jié)點/控制節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點進(jìn)入信道偵聽模式，而數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制節(jié)點進(jìn)入休眠模式^[5]。當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點收到采集命令時，傳感器開啟采集的工作模式，延時等待發(fā)送命令，并根據(jù)相關(guān)命令把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給父節(jié)點，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，傳感器節(jié)點再次進(jìn)入休眠模式。如果延時結(jié)束仍未收到發(fā)送命令，則說明通信出現(xiàn)了故障^[6]。而控制節(jié)點程序設(shè)計與傳感器節(jié)點類似，只是它收到父節(jié)點發(fā)送過來的控制命令后，去控制執(zhí)行機構(gòu)而已。

3.2 嵌入式Linux 操作系統(tǒng)

        城市智能綠化系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面等^[7]。具體步驟如下：

        （1）在Windows下安裝虛擬機后，再在虛擬機中安裝Linux操作系統(tǒng)（選用RedHatLinux9.0）。

        （2）用vi編輯器編輯online.c 文件:[root@6410s/Online]#vi Online.c。

        （3）在vi中編輯Makefile文件∷[root@zxt Online]# vi Makefile。

        （4）在Online目錄下運行＂make＂來編譯程序。

        （5）下載調(diào)試：[/mnt/nfs] cd onlie；[/mnt/online].onlie。

        （6）程序調(diào)試通過后，可以把可執(zhí)行文件拖放到usr/bin目錄下，然后使用mkcramfs制作工具生成新的文件系統(tǒng)。

        （7）開發(fā)圖形用戶界面(GUI)。

        （8）選擇上層應(yīng)用程序(applieation)。

3.3 SQLite移植

        SQLite是一款輕型、免費級數(shù)據(jù)庫^[8]。其移植步驟如下：

        （1）從官網(wǎng)（http://www.sqlite.org）上下載壓縮包sqlite-2.8.17-6410.tar.bz2。

        （2）解壓在文件系統(tǒng)根目錄下/arm6410s/sqlite。

        （3）運行configure命令./configure --host=armv4l-unknown-linux.--prefix=/sqlite-arm --disable-tcl，生成Makefile文件。

        （4）運行make命令，準(zhǔn)備進(jìn)行編譯SQLite。

        （5）運行make install命令。

3.4 Web服務(wù)器應(yīng)用程序

        前臺Web頁面作為用戶訪問網(wǎng)關(guān)以及進(jìn)行相應(yīng)控制、設(shè)置的唯一途徑，人性化的頁面設(shè)計與實現(xiàn)將會大大提升用戶的體驗。

        Web服務(wù)器的主程序?qū)嶋H是一個HTTP的套接字服務(wù)器。服務(wù)器在TCP的80端口(也可以自行定義，這里定義為80)進(jìn)行監(jiān)聽。當(dāng)客戶端(Web瀏覽器)有請求時，建立連接進(jìn)行通信，處理用戶請求，并將結(jié)果返回給用戶。

3.5 PC遠(yuǎn)程監(jiān)控中心及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計 

        上位機界面是基于視覺開源庫Opencv結(jié)合Qt4.7開發(fā)出來的一個監(jiān)控界面^[9]。其中包括溫濕度的顯示、攝像頭的顯示窗口和手動控制水泵的觸摸按鍵。攝像頭圖像顯示界面采用opencv+Qt4.7編寫的桌面控制平臺，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制智能澆灌的功能并實時監(jiān)控，同時可以實現(xiàn)定時記錄澆水和日志的設(shè)置等功能。

PC接收通過監(jiān)控中心傳送過來的環(huán)境參數(shù)和視頻幀數(shù)據(jù)，將環(huán)境參數(shù)動態(tài)顯示在用C++編譯的圖形化界面上面，環(huán)保人員可以通過該界面遠(yuǎn)程監(jiān)控整個城市的植物生長狀況。同時接收遠(yuǎn)程傳送的經(jīng)H264視頻編碼的視頻幀數(shù)據(jù)，顯示在事先設(shè)置好的界面中，通過調(diào)節(jié)界面的放大、縮小、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)可以動態(tài)調(diào)節(jié)攝像頭的轉(zhuǎn)向和遠(yuǎn)近監(jiān)視。界面可以保存環(huán)保人員想要保存的數(shù)據(jù)，將其儲存起來備用。

        火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)通過C++編寫圖像化界面，一旦接收到主控制器傳送的火災(zāi)預(yù)警信息，該系統(tǒng)即對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅可以顯示當(dāng)前火勢的范圍，同時也可以以動態(tài)圖像的方式顯示在PC上并且計算大火蔓延到一個特定的地點所需要的時間和范圍，以便環(huán)保人員作出相應(yīng)的處理。

4 系統(tǒng)測試

        本系統(tǒng)在研制成功后進(jìn)行了一系列試驗（在廣東省大學(xué)生嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計大賽中榮獲特等獎），表1～表4是結(jié)果分析。

        從表1中可以看出，在空曠無障礙場所，WSN節(jié)點的可靠通信距離為 80 m。

        從表2中看出復(fù)雜的環(huán)境中障礙物會對信號傳輸產(chǎn)生一定的阻礙，在設(shè)置節(jié)點與其父節(jié)點之間的距離 為15 m之內(nèi)時，能保證傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)可靠地傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。

        從表3中數(shù)據(jù)比對來看，測量數(shù)據(jù)具有很高的精確度。

        從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，在各種模式下的水泵運行及狀態(tài)指示燈都處于正常狀態(tài)。

        城市智能綠化系統(tǒng)利用樹形無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的實時、高效采集和傳輸；監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境信息會自動發(fā)送到相關(guān)人員的手機，便于管理人員了解環(huán)境信息；利用ARM11采集攝像頭的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時監(jiān)控，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)接嬎銠C中，同時計算機將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在上位機系統(tǒng)界面上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控和病蟲害診治；火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)可以預(yù)測火勢的蔓延范圍和所需要的時間，以便環(huán)保人員遠(yuǎn)程選擇最近的滅火車進(jìn)行滅火；城市智能化綠化系統(tǒng)改變間歇灌溉概念，提高了灌溉精準(zhǔn)和自動化程度，同時也可以使水資源得到高效利用。

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