基于Zigbee和NB-I...林景观监测系统的设计与实现_杨亚南.pdf

21网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering园林景观监测系统是一个集成了传感器、数据采集、通信与监测分析等技术的系统，对于园林景观的监测、员工巡查以及现场作业等都需要进行更加高效的管理与监测。本文旨在设计和实现一个基于 Zigbee 和 NB-IoT技术的园林景观监测系统。这个系统利用传感器收集环境信息，监控设备的运行情况，并使用 Zigbee 和 NB-IoT 技术进行数据传输。为园林管理部门提供实时、精确的决策依据和数据支持。1 基于Zigbee和NB-IoT的园林景观监测系统的总体设计1.1 系统总体设计如图 1 所示，系统总体设计包括系统的整体架构设计和功能模块划分。通过对系统整体结构的设计和功能模块的划分，可以更好地实现系统的监测、分析和控制。（1）系统的整体结构设计。这个系统由四个部分组成：传感器、处理器、通信和数据平台。其中，传感器模块采集园林景观的相关数据，包括气象环境监测、土壤湿度监测、花卉植物监测等；处理器模块对采集到的数据进行处理和分析，提取有用信息并进行存储；通信模块主要负责将处理后的数据发送到云端数据平台上；数据平台则对数据进行管理、存储、分析和呈现等1。（2）功能模块划分设计。系统功能模块包括环境监测、园林管理、数据存储和远程控制等四个模块。在环境监测模块中，包含气象环境监测和土壤湿度监测两个子模块，主要负责收集园林环境的相关数据。园林管理模块主要负责对园林景观进行监测和分析，帮助园林工作者实现对园林景观的管理和维护。数据存储模块则负责对系统采集到的数据进行存储和管理。远程控制模块则为用户提供远程监控、分析和控制的功能。1.2 系统硬件平台设计系统硬件平台是基于Zigbee和NB-IoT技术实现的，其核心是由单片机、传感器等硬件装置构成。针对系统对传感器的要求，选用了温度、湿度、光照、二氧化碳等传感器，以实现对园林景观的监测。在选择单片机时，选择了具有较高频率、功耗小、通信速率快的型号，以满足系统高效、稳定运行的需求。在硬件平台的设计中，采用了相应的封装和接口，以满足各硬件模块的通信和协同运行。针对传感器的数据采集和传输，采用了各模块相互协作的方式，来实现数据的实时监控和记录。同时，为了实现数据的有效管理和平台化呈现，还进行了软件平台的设计，以实现数据分析、处理和展示等功能。在硬件平台的实现中，根据系统要求针对各个硬件模块进行了精细的调试，以确保系统的高效稳定运行。基于 Zigbee 和 NB-IoT 的园林景观监测系统的设计与实现杨亚南（吉林工程技术师范学院 吉林省长春市 130000）摘要：本文完成的主要工作：（1）设计了一种新的方法，它将 Zigbee 和 NB-IoT 结合在一起。该无线传感网络采用 Zigbee 技术组网，并使用 Cortex-M3 位处理器来实现与其他网络的通信。这种技术可以有效地收集和传输数据，并且可以在不同的网络中使用。NB-IoT 基站将最终的数据传输至用户的云端应用程序。（2）完成环境监测系统的软硬件设计并进行了实施。研发出能够连接数字量传感器与模拟量传感器的电路，以及一个用于收集数据的节点模块。（3）将 NB-IoT 设备连接到云端，并调整其连接方式、数据传输模式以及特性。通过云端技术，可以实时收集和呈现环境信息。（4）通过使用软件开发平台，可以对 WSM 进行优化。通过对该实验区域的环境数据进行模拟分析以获得结果。关键词：Zigbee；NB-IoT；传感器；监测系统设计【课题项目】吉林省高教学会高教科研课题乡村振兴背景下景观设计课程产教融合研究（编号：JGJX 2022D309）。22网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering在实现过程中，还采用了相应的滤波、校准等技术手段，以优化系统的性能。1.3 系统软件平台设计本系统的软件平台设计主要包括三个方面的工作：系统软件架构设计、软件模块设计和软件界面设计2。（1）系统软件架构采用了分层架构模式进行设计，具体包括应用层、服务层、驱动层和底层四个层次。应用层负责与用户进行交互，包括用户界面的呈现以及用户请求的处理；服务层负责提供各种系统服务，包括数据处理、计算、通信等服务；驱动层则是各种硬件设备的驱动程序，主要负责与硬件设备的通讯和控制；底层是操作系统和通讯协议栈。采用分层架构能够有效地减少各个层次的相互关联，从而大大增强系统的稳定性、灵活性和可扩展性。（2）软件模块设计遵循了功能独立、模块化的原则，每个模块的功能单一，便于维护和修改。该系统主要由数据采集、处理和通信组成。数据采集模块是用来收集各种传感器数据的重要部分，其中包括室内的温度、湿度和气压等信息；通过数据处理模块，可以有效地收集和整合来自各个来源的信息，并将其进行分析和存储；通过通信模块，可以实现与云端服务器的连接，从而获取所需的数据，并将其发送至服务器。（3）软件界面设计主要采用了图形化界面的设计方法，以提高用户的体验和交互性。该 AP 主要提供实时数据展示、历史数据查询和报警信息功能。通过实时数据展示界面，用户能够快速获取传感器收集的所有数据；而历史数据查询界面，则能够轻松获取过去的数据。1.4 系统工作流程在系统工作流程方面，本设计通过对整个园林景观监测系统的流程进行分析和设计，对系统工作流程进行了详细的阐述。系统工作流程包括传感器采集数据、传输数据到网关、与云平台进行交互、云平台处理数据并分析、通过移动端展示数据等。传感器收集到信息，就会使用 Zigbee 协议将其发送到网络中，然后由网络中的设备对其进行处理，最终将处理后的信息发送到云端，由云端对其进行存储和分析，最终将结果呈现在用户面前。整个工作流程的设计遵循着“先采集数据，再传输和处理数据，最后展示数据”的流程，保证了整个系统的稳定性和可靠性。1.5 系统开发环境图 1：园林景观监测系统的总体设计23网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering开发环境对于整个系统的开发过程和效率具有非常重要的作用。本系统的硬件和软件平台是基于 Zigbee 和NB-IoT 技术实现的，所以在开发环境的选择上，需要满足这两种技术的开发要求。在硬件方面，选择了国内知名的物联网开发板WIO LTE Cat M1/NB-IoT。这个开发板支持 GPRS/3G/LTE/NB-IoT 通信模块，同时还内置了各种传感器模块，如光照度传感器、温湿度传感器等。这些传感器模块可以采集到系统需要的各种环境数据，如温度、湿度、光照等数据，为系统的监测功能提供了有力的支持。在软件方面，选择了 C 语言作为系统的开发语言。C 语言是一种高效、可靠的编程语言，这正好符合对系统性能和稳定性的要求。采用了 Keil MDK 开发工具作为系统的开发环境，它具有强大的调试和编译功能，可以极大地提高开发效率。此外，使用了 IAR 嵌入式开发环境进行了部分功能的开发，这样可以更好地发挥系统的性能优势。2 基于Zigbee和NB-IoT的园林景观监测系统的硬件设计2.1 系统总体设计方案Zigbee 和 NB-IoT 是用于连接传感器的两种无线技术，它们可以帮助进行远程监控。此外，数据采集模块则专注于收集和处理数据，而数据传输模块则负责将采集的数据发送至服务器。在设计时，应该考虑系统的稳定性和可靠性，在物理结构设计时应该避免信号干扰和电子元件松动等问题。2.2 Zigbee无线通信模块在园林景观监测系统中，Zigbee 无线通信模块起着重要的作用，它作为系统中的一种传输方式，主要用来传输温度、湿度、光照等传感器数据，实现数据传输与监测。采用Zigbee无线通信模块CC2530，在硬件设计上，它不仅拥有出色的数据传输速率和极长的传输距离，而且还拥有极低的功耗。在实现过程中，将 Zigbee 无线通信模块与单片机进行了连接，通过串口通信实时获取传感器实时数据，然后进行数据整理和处理，并通过 Zigbee 无线通信模块发送到基站接收端，实现数据的监测和传输。同时，还为 Zigbee 无线通信模块设计了多重保护功能，包括超时重传、CRC 校验等，保证传输的数据有效性和稳定性，从而保证了系统的稳定性和可靠性3。2.3 NB-IoT无线通信模块NB-IoT 具有显著的优势，它的能量消耗极少，覆盖面积极大，可以满足对遥远地区的高精度监控需求，这一点在 Zigbee 中无可比拟。在系统设计之初，通过对 NB-IoT 技术的深入研究和比较，选择了红旗基站进行通信。在数据发送方面，采用了基于 AT 指令的方式进行信息的传输，而在接收方面，使用了异步收发模式，实现了用户发起数据请求后，系统能够及时响应并返回请求结果。2.4 数据采集模块数据采集模块的任务是收集来自园林景观中不同位置的数据，如温度、湿度、土壤水分和光照等。为了实现这一目标，需要使用传感器和模拟电路来采集和转换数据。各个传感器的输出信号需要进行模拟到数字的转换，以便于下一步的存储和处理。选择使用模数转换器（ADC）来完成这一任务。为了使得数据采集模块更加灵活，选择使用单片机作为主控制器。采用了基于MCU 的数据处理和存储方案。数据存储器使用的是高速闪存芯片，这样可以快速、可靠地存储大量数据。数据处理也由 MCU 完成，各个传感器的数据可以实时处理。2.5 数据传输模块据传输模块采用 NB-IoT 无线通信技术进行数据传输，以保证数据的稳定和高效传输。在开发过程中，首先考虑模块的稳定性和可靠性，因此在硬件选型和软件开发上均充分考虑了这一点。选择了质量稳定、具有良好兼容性和可靠性的芯片进行设计。在数据压缩方面，采用了 LZ77 算法进行数据的压缩，使得传输数据量减小，提高了传输效率。3 基于Zigbee和NB-IoT的园林景观监测系统的软件设计3.1 系统总体结构设计系统总体结构的设计主要由传感器节点、无线通信24网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering网络、数据采集网关、云平台以及终端用户组成。传感器节点作为系统的基本组成单元，通过吸取外部环境信息来采集园林景观的相关数据信息。无线通信网络则通过 Zigbee 和 NB-IoT 两种不同的无线通信方式进行数据传输，使得数据能够在不同距离和不同环境下进行传输，提高了监测系统的覆盖范围和监测能力4。3.2 系统各功能模块的设计园林景观监测系统功能模块主要包括物联网节点、无线传输网、数据处理和分析等多个方面。在物联网节点方面，采用了 ATmega128 单片机和CC2530 无线模块，实现了对各种传感器数据的采集和传输。同时，为了能够提高系统的可靠性和可扩展性，还使用了多个无线传感器节点，实现了对大面积园林景观的全方位监测和数据的实时传输。通过结合 Zigbee 与 NB-IoT 的混合网络架构，可以实现远距离、高效率的无线传输，从而更好地进行实时的监测。其中，基于 Zigbee 的传感器网络用于对园林景观细节数据的采集和传输，而 NB-IoT 网络则用于对整个系统的状态及时传输至远程的云端服务器，从而实现了全面的数据监测和远程控制功能。在数据处理和分析方面，采用了 MySQL 数据库，实现了对采集的数据进行存储、排序、查询和分析等多个方面的处理。同时，还采用了 MATLAB 和 Python 编程语言，实现了复杂的数据分析、可视化和监测统计等各种功能。3.3 系统测试（1）进行单元测试，即对系统的每个模块进行测试。单元测试有利于检测模块是否符合需求以及模块之间的依赖关系是否正确。在本系统中，将软件模块拆分为无线传感器模块