城市綠化系統的建設是生態文明建設的重要組成部分^[1]，它能夠明顯改善城市空氣質量，顯著提升城市環境質量。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。環衛工人手工灌溉、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。本系統利用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術，將與城市綠化有關的各種子系統有機地結合在一起，通過統籌管理對整個城市綠化進行智能化控制，讓環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，提高城市的空氣質量和降低污染，為廣大市民提供一個優良的休閑環境。

1 系統結構

        城市智能綠化監控系統主要由無線傳感器網絡、主控器、中央服務器管理平臺以及用戶終端構成。體系結構圖如圖1所示。

        無線傳感器網絡將傳感器收集到植物周圍的環境溫濕度、光照度等參數傳遞給主控器中心，由嵌入式ARM11構成的主控制器中心進行處理，并通過GPRS/3G上傳給中央服務中心。主控器將無線接收模塊發送過來的數據和攝像頭采集到定的數據進行解析顯示在監控中心，然后將數據傳到PC終端，實時顯示植物周圍的環境參數和遠程視頻監控，以便在一定的溫濕度和土壤酸堿度下對植物進行智能澆水。同時，主控器中心將IP攝像頭傳送的幀數據發送給中央服務器管理平臺，實現遠程攝像頭監控。當有火災情況發生時，監控中心通過GPRS/3G發送火災信息給相關人員，相關人員啟動火災預警系統，估計火災蔓延的范圍和到達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度離火災中心最近的滅火車進行滅火。如果有病蟲害發生或綠化植物營養不良，智能綠化管理系統將信息與專家系統比對，并把專家診斷信息發送給環衛工人，以便環衛工人根據專家建議及時噴曬農藥或施肥，從而有效防止病蟲害發生，提高綠化植物成活率。

2 硬件設計

2.1 監控終端節點設計

        終端節點包含傳感器陣列、ZigBee功能模塊和無線通信模塊^[2]。監控終端節點結構圖如圖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轉化為電平信號^[3]，傳送給CC2530微處理器進行處理。煙霧傳感器采用MQ-2，通過周邊煙霧與其內置的化學物質進行反應，轉化為電平信號傳送給CC2530進行處理。

        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標準芯片。它集 8051處理器和射頻收發模塊于一體，同時還具有豐富的GPIO以及7路12位A/D，使得系統可在最少外圍、最低成本的條件下進行設計^[5]。

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

2.2 主控中心硬件電路設計

        網關由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。硬件結構如圖4所示。采用Tiny6410作為連接現場與服務器的節點，其作用非常重要。Tiny6410必須連接到網絡中，以保持與服務器之間的通信。單片機通過RS232將數據傳輸到ARM6410微處理器。ARM6410將采集的環境參數數據和視頻幀數據打包成數據包，通過RJ-45型的網絡接口上傳給云服務器，并且將緊急數據通過GSM短信模塊發送到環保人員的手機終端上。手機終端用戶也可以發送短信查詢無線監控終端實時采集的數據。

        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，方便更換并可根據不同使用場合得到不同清晰度。圖像壓縮方式使用JPEG靜態圖像壓縮方式，利用流媒體技術傳送視頻數據。攝像頭實時捕獲現場的畫面，而后通過USB接口將畫面數據傳輸給網關處理。用戶既可以在LCD看到現場的實時畫面，又可以通過PC遠程訪問的方式來觀看現場的實時畫面。

2.3 多功能車設計

        澆水車主要由微處理器、步進電機、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，其結構圖如圖5所示。紅外接收模塊采用1838作為接收頭，當其接收到遠程發過來的紅外信號時，其中的D/A對其進行轉化和解碼，將編碼值傳送給AT89C52進行處理，AT89C52根據收到的編碼值執行相應的操作。當按下遙控器鍵值1時，小車開始啟動并且前進；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 軟件設計

3.1 數據采集節點/控制節點程序設計

        各傳感器節點/控制節點加入網絡后，路由節點進入信道偵聽模式，而數據采集節點和控制節點進入休眠模式^[5]。當數據采集節點收到采集命令時，傳感器開啟采集的工作模式，延時等待發送命令，并根據相關命令把采集到的數據發送給父節點，發送數據結束后，傳感器節點再次進入休眠模式。如果延時結束仍未收到發送命令，則說明通信出現了故障^[6]。而控制節點程序設計與傳感器節點類似，只是它收到父節點發送過來的控制命令后，去控制執行機構而已。

3.2 嵌入式Linux 操作系統

        城市智能綠化系統采用嵌入式Linux操作系統進行開發，包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、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（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）下載調試：[/mnt/nfs] cd onlie；[/mnt/online].onlie。

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

        （7）開發圖形用戶界面(GUI)。

        （8）選擇上層應用程序(applieation)。

3.3 SQLite移植

        SQLite是一款輕型、免費級數據庫^[8]。其移植步驟如下：

        （1）從官網（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，準備進行編譯SQLite。

        （5）運行make install命令。

3.4 Web服務器應用程序

        前臺Web頁面作為用戶訪問網關以及進行相應控制、設置的唯一途徑，人性化的頁面設計與實現將會大大提升用戶的體驗。

        Web服務器的主程序實際是一個HTTP的套接字服務器。服務器在TCP的80端口(也可以自行定義，這里定義為80)進行監聽。當客戶端(Web瀏覽器)有請求時，建立連接進行通信，處理用戶請求，并將結果返回給用戶。

3.5 PC遠程監控中心及火災預警系統設計 

        上位機界面是基于視覺開源庫Opencv結合Qt4.7開發出來的一個監控界面^[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，可以實現遠程控制智能澆灌的功能并實時監控，同時可以實現定時記錄澆水和日志的設置等功能。

PC接收通過監控中心傳送過來的環境參數和視頻幀數據，將環境參數動態顯示在用C++編譯的圖形化界面上面，環保人員可以通過該界面遠程監控整個城市的植物生長狀況。同時接收遠程傳送的經H264視頻編碼的視頻幀數據，顯示在事先設置好的界面中，通過調節界面的放大、縮小、左轉和右轉可以動態調節攝像頭的轉向和遠近監視。界面可以保存環保人員想要保存的數據，將其儲存起來備用。

        火災預警系統通過C++編寫圖像化界面，一旦接收到主控制器傳送的火災預警信息，該系統即對該數據進行處理，不僅可以顯示當前火勢的范圍，同時也可以以動態圖像的方式顯示在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，以便環保人員作出相應的處理。

4 系統測試

        本系統在研制成功后進行了一系列試驗（在廣東省大學生嵌入式與物聯網設計大賽中榮獲特等獎），表1～表4是結果分析。

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

        從表2中看出復雜的環境中障礙物會對信號傳輸產生一定的阻礙，在設置節點與其父節點之間的距離 為15 m之內時，能保證傳感器節點采集的數據可靠地傳送至協調器節點。

        從表3中數據比對來看，測量數據具有很高的精確度。

        從表4中的數據可以看出，在各種模式下的水泵運行及狀態指示燈都處于正常狀態。

        城市智能綠化系統利用樹形無線網絡實現了對環境參數數據的實時、高效采集和傳輸；監測區域的環境信息會自動發送到相關人員的手機，便于管理人員了解環境信息；利用ARM11采集攝像頭的數據實現實時監控，并通過無線網絡將信息傳輸到計算機中，同時計算機將接收到的數據進行處理后顯示在上位機系統界面上，實現遠程實時監控和病蟲害診治；火災預警系統可以預測火勢的蔓延范圍和所需要的時間，以便環保人員遠程選擇最近的滅火車進行滅火；城市智能化綠化系統改變間歇灌溉概念，提高了灌溉精準和自動化程度，同時也可以使水資源得到高效利用。

參考文獻

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[3] 倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫溫度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統，2010(6)：60-62.

[4] 劉軍，張金榜，于湘珍,等.基于CC2530的脈搏感知節點設計[J].電子技術應用，2013，39（1）：34-36.

[5] 張水保，徐守志，李豐杰.智能溫室遠程監控系統設計[J].三峽大學學報，2012，34（2）：76-79.

[6] 張青春.基于CC2530農作物生長參數監測無線傳感器節點的設計[J].制造業自動化，2013，35（1）：44-47.

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[9] 劉東.基于Qt4和OpenCV的嵌入式視頻監控系統[J].現代電子技術，2013(8)：104-108.