圖解3D環(huán)境監(jiān)測及評估系統(tǒng)的原理和設(shè)計實現(xiàn)

　　1.概述

　　1.1文檔說明

　　本設(shè)計文檔作為“基于AVR32及Labview的3D環(huán)境監(jiān)測及評估系統(tǒng)”的計劃書，為項目開展的依據(jù)。也作為項目的說明。

　　1.2項目背景

　　本項目希望以AVR微控制器作為基礎(chǔ)，配合Atmel公司所公開Zigbee協(xié)議棧，對現(xiàn)有的綠地進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)采集工作，摒棄原先陳舊且缺乏合理性的綠化覆蓋面積標(biāo)準(zhǔn)，而是采用3維立體坐標(biāo)的方式，測量出每一小塊區(qū)域各環(huán)境參數(shù)值的具體數(shù)值，繪出3D圖像，以立體的環(huán)境改善狀況作為分析綠地使用價值的有效指標(biāo)，并通過測試所得的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)根據(jù)不同區(qū)域的環(huán)境特征建立最為合適并具積極效果的綠化設(shè)施。

　　本項目也將能夠?qū)崿F(xiàn)對于各項復(fù)雜的環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集工作，例如對溫濕度、可吸入顆粒物、臭氧含量等指標(biāo)的實時測量，最終建立三維坐標(biāo)模型，立體反應(yīng)綠地內(nèi)各類環(huán)境指標(biāo)，再與植物模型相互結(jié)合，建立三維綠化效率模型，達(dá)到合理有效監(jiān)測城市綠地中不同植物對于改善人類居住條件的具體作用，實現(xiàn)城市綠地建設(shè)效率的最優(yōu)化。

　　從上面兩幅圖片可以看出，同樣的一片綠地，由于各處種植的植物不用，其氧氣含量也可能有著巨大的區(qū)別，因此盲目追求綠地面積是不合理的，只有從三維的視野來看待綠地的效益，才是有效綠地評估方法。

　　1.3項目整體計劃

　　1.熟悉AVR以及Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境與編程語言 。

　　2.對于課題進(jìn)行進(jìn)一步探討，分析總結(jié)出完成課題目標(biāo)所需要采集以及推算得出的相關(guān)數(shù)據(jù) 。

　　3.在明確目的以及大致方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由理論上得出詳細(xì)可行的系統(tǒng)框圖。

　　4.首先進(jìn)行Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的程序攻關(guān)，即設(shè)計出理論上具備數(shù)據(jù)采集能力的無線傳感網(wǎng)絡(luò)程序，通過計算得出合理的傳感分布點。

　　5.配合Zigbee的研發(fā)進(jìn)而開始AVR處理器的程序研發(fā)，作為匯總Zigbee數(shù)據(jù)的終端，完善AVR處理器的作用 。

　　6.實際應(yīng)用，完成通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)由AVR微處理器匯總顯示的功能，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)制 。

　　7.進(jìn)一步完善微處理器的數(shù)據(jù)處理功能，使其具備以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行繪圖、分析的高階能力 。

　　1.4項目特色說明

　　過去，一個城市的環(huán)保水平常常都會以這樣一個指標(biāo)——“綠化覆蓋率”來衡量，于是，我們見到了身邊迅速崛起的綠地公園、人造湖泊，然而，是否這樣簡單的堆砌“綠色”就是真正的環(huán)保健康呢?答案顯然是否定的。眾所周知，大量種植綠色植物的初衷在于通過綠色植物的光和效應(yīng)吸收空氣中的二氧化碳以凈化空氣質(zhì)量，然而隨之而來的問題就是——是否所有的綠色植物都具有相同的環(huán)保功能呢?顯然并非如此。因此，與其盲目地建造綠地，不如合理、有效地針對不同區(qū)域的環(huán)境情況有目的性地搭配植物種類，因此如何對綠化環(huán)境中不同區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行感知與數(shù)據(jù)采集就顯得尤為重要，這就是本項目的立題背景。

　　1.5項目創(chuàng)新點

　　該項目最大的創(chuàng)新之處在與顛覆了人們長期以往對于綠地建設(shè)效率的陳舊認(rèn)識，即“唯覆蓋率”論，錯誤、盲目地建造綠地，單純地以高覆蓋率為目標(biāo)，如今憑借該項目，我們希望將原先二維的數(shù)據(jù)分布圖轉(zhuǎn)換成三維結(jié)構(gòu)的立題數(shù)據(jù)，即將不同區(qū)域的環(huán)境特性考慮在內(nèi)，并且針對不同的綠化種類綜合評價其綠化效果，其中也將包括對空氣質(zhì)量、可吸入顆粒物等多種數(shù)據(jù)的采集與評價工作。簡而言之，即將“綠化覆蓋率”這一指標(biāo)轉(zhuǎn)化成“單位面積環(huán)境改善率”，立體地對各項環(huán)境指標(biāo)作出檢測。

　　該項目的另一大創(chuàng)新點在于利用無線網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)完成對一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的收集采樣工作。不同于傳統(tǒng)的通過人工觀察的數(shù)據(jù)收集工作，本項目旨在通過以Zigbee與AVR為基礎(chǔ)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對于綠地的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測工作，通過在區(qū)域內(nèi)合理放置的監(jiān)測節(jié)點，配合相關(guān)的節(jié)點互聯(lián)程序，對環(huán)境狀況實施實施監(jiān)控，完整地統(tǒng)計出一段時間內(nèi)詳實、全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過此類手段進(jìn)行環(huán)保方面的探索與創(chuàng)新，在該領(lǐng)域?qū)崒偈状巍?/p>

　　2.工具

　　2.1AVR32

　　AVR32 UC3閃存微控制器擁有內(nèi)置的DSP指令集，并使用三級管線型Harvard架構(gòu)。該架構(gòu)經(jīng)專門設(shè)計，可優(yōu)化從片上閃存的取指過程。該微控制是業(yè)內(nèi)首個將單周期讀/寫SRAM 與一個直接的CPU接口集成在一起的內(nèi)核，該接口跳過系統(tǒng)總線，以獲得更快的執(zhí)行速度、周期決斷和更低的功耗。

　　UC3系列微控制器具有 高達(dá)512KB閃存和64KB片上RAM，能夠以業(yè)界最佳的性能/功耗比提供80 Dhrystone MIPS (DMIPS) 的處理性能。例如，新的AVR32 UC3B器件能夠以 60MHz 的速率提供 72 Dhrystone MIPS (DMIPS) 的性能，包括真正的單周期MAC和DSP算法，且在電壓 3.3V下, 電流只有40 mA。UC3B系列MCU的功耗僅低至 1mW/DMIPS，較具有相同功能的其它架構(gòu)低3倍。使用3.3V單電源時，待機(jī)電流僅為30uA;使用雙電源時 (1.8V/3.3V)，待機(jī)電流低于15uA。

　　可用的外設(shè)包括以太網(wǎng) MAC、全速 USB 器件和On-the-Go(OTG)，以及一個外設(shè)DMA 控制器、多層高速總線架構(gòu)、10位ADC、SPI、SSC、雙線接口 (I2C兼容)、UART、通用定時器、脈寬調(diào)制器(PWM)，以及一整套監(jiān)控功能。

　　2.2Labview

　　LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。

　　圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。