基于AVR单片机和无线传感网络为基础的3D环境监测系统设计_技术

1.概述

1.1文档说明

本设计文档作为“基于AVR32及Labview的3D环境监测及评估系统”的计划书，为项目开展的依据。也作为项目的说明。

1.2项目背景

本项目希望以AVR微控制器作为基础，配合Atmel公司所公开Zigbee协议栈，对现有的绿地进行全方位的数据采集工作，摒弃原先陈旧且缺乏合理性的绿化覆盖面积标准，而是采用3维立体坐标的方式，测量出每一小块区域各环境参数值的具体数值，绘出3D图像，以立体的环境改善状况作为分析绿地使用价值的有效指标，并通过测试所得的数据，指导根据不同区域的环境特征建立最为合适并具积极效果的绿化设施。

本项目也将能够实现对于各项复杂的环境数据的统一数据采集工作，例如对温湿度、可吸入颗粒物、臭氧含量等指标的实时测量，最终建立三维坐标模型，立体反应绿地内各类环境指标，再与植物模型相互结合，建立三维绿化效率模型，达到合理有效监测城市绿地中不同植物对于改善人类居住条件的具体作用，实现城市绿地建设效率的最优化。

从上面两幅图片可以看出，同样的一片绿地，由于各处种植的植物不用，其氧气含量也可能有着巨大的区别，因此盲目追求绿地面积是不合理的，只有从三维的视野来看待绿地的效益，才是有效绿地评估方法。

1.3项目整体计划

1.熟悉AVR以及Zigbee无线传感网络的应用环境与编程语言。

2.对于课题进行进一步探讨，分析总结出完成课题目标所需要采集以及推算得出的相关数据。

3.在明确目的以及大致方式的基础上进一步规划系统结构，由理论上得出详细可行的系统框图。

4.首先进行Zigbee无线传感网络的程序攻关，即设计出理论上具备数据采集能力的无线传感网络程序，通过计算得出合理的传感分布点。

5.配合Zigbee的研发进而开始AVR处理器的程序研发，作为汇总Zigbee数据的终端，完善AVR处理器的作用。

6.实际应用，完成通过Zigbee无线传感器网络接收的数据由AVR微处理器汇总显示的功能，并以此为基础进行系统调制。

7.进一步完善微处理器的数据处理功能，使其具备以数据为基础进行绘图、分析的高阶能力。

1.4项目特色说明

过去，一个城市的环保水平常常都会以这样一个指标——“绿化覆盖率”来衡量，于是，我们见到了身边迅速崛起的绿地公园、人造湖泊，然而，是否这样简单的堆砌“绿色”就是真正的环保健康呢？答案显然是否定的。众所周知，大量种植绿色植物的初衷在于通过绿色植物的光和效应吸收空气中的二氧化碳以净化空气质量，然而随之而来的问题就是——是否所有的绿色植物都具有相同的环保功能呢？显然并非如此。因此，与其盲目地建造绿地，不如合理、有效地针对不同区域的环境情况有目的性地搭配植物种类，因此如何对绿化环境中不同区域的环境参数进行感知与数据采集就显得尤为重要，这就是本项目的立题背景。

1.5项目创新点

该项目最大的创新之处在与颠覆了人们长期以往对于绿地建设效率的陈旧认识，即“唯覆盖率”论，错误、盲目地建造绿地，单纯地以高覆盖率为目标，如今凭借该项目，我们希望将原先二维的数据分布图转换成三维结构的立题数据，即将不同区域的环境特性考虑在内，并且针对不同的绿化种类综合评价其绿化效果，其中也将包括对空气质量、可吸入颗粒物等多种数据的采集与评价工作。简而言之，即将“绿化覆盖率”这一指标转化成“单位面积环境改善率”，立体地对各项环境指标作出检测。

该项目的另一大创新点在于利用无线网络感知技术完成对一定范围内数据的收集采样工作。不同于传统的通过人工观察的数据收集工作，本项目旨在通过以Zigbee与AVR为基础的无线传感网络来实现对于绿地的环境数据监测工作，通过在区域内合理放置的监测节点，配合相关的节点互联程序，对环境状况实施实施监控，完整地统计出一段时间内详实、全面的监测数据。通过此类手段进行环保方面的探索与创新，在该领域实属首次。

2.工具

2.1AVR32

AVR32 UC3闪存微控制器拥有内置的DSP指令集，并使用三级管线型Harvard架构。该架构经专门设计，可优化从片上闪存的取指过程。该微控制是业内首个将单周期读/写SRAM 与一个直接的CPU接口集成在一起的内核，该接口跳过系统总线，以获得更快的执行速度、周期决断和更低的功耗。

UC3系列微控制器具有高达512KB闪存和64KB片上RAM，能够以业界最佳的性能/功耗比提供80 Dhrystone MIPS （DMIPS）的处理性能。例如，新的AVR32 UC3B器件能够以 60MHz 的速率提供 72 Dhrystone MIPS （DMIPS）的性能，包括真正的单周期MAC和DSP算法，且在电压 3.3V下，电流只有40 mA。UC3B系列MCU的功耗仅低至 1mW/DMIPS，较具有相同功能的其它架构低3倍。使用3.3V单电源时，待机电流仅为30uA；使用双电源时（1.8V/3.3V），待机电流低于15uA。

可用的外设包括以太网 MAC、全速 USB 器件和On-the-Go（OTG），以及一个外设DMA 控制器、多层高速总线架构、10位ADC、SPI、SSC、双线接口（I2C兼容）、UART、通用定时器、脉宽调制器（PWM），以及一整套监控功能。

2.2Labview

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、AcTIveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

3.系统及软件框图