智慧農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）journal of wuyi university （ natural science edition）第 26 卷 第 4 期vol.26 no.42012 年11 月nov.2012文章編號(hào)：1006-7302（2012）04-0072-05智慧農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)李世榮，陳永智，廖惜春（五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東江門529020）摘要：為滿足智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)視農(nóng)作物生長(zhǎng)過程、管理農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程的需求，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng). 該系統(tǒng)由無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分組成：無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用以 stc12c5a60s2單片機(jī)為核心的傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)策略，構(gòu)建了

2、基于str-30 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用基于vc+6.0編程設(shè)計(jì)的管理軟件，可實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)和工 作狀態(tài)，報(bào)警，數(shù)據(jù)的保存、查詢，以及對(duì)各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制，能一定程序上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān) 督和控制.關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；實(shí)時(shí)監(jiān)控；微處理器；無線通信模塊中圖分類號(hào)：tp393.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：awisdom agriculture system based on wireless sensor networkli shi-rong, chen yong-zhi, liao xi-chun(school of information engineering, wuy

3、i university, jiangmen 529020, china)abstract: to meet the requirements of crop growth monitoring and agricultural products qualityreal-time remote control, wireless sensor network system is designed. the system has two components: wireless monitor network and remote controlling center. the sensor n

4、ode development strategy, which uses stc12c5a60s2 microcomputer as the core, is used in wireless monitor network. the network is based on str-30 module. the management software, which is developed by vc+6.0 programming, is used in the remote monitoring center. the system can display each sensor data

5、 and working status, warning message, data saving and query, and each node controlling in real-time, which can achieve the remote monitor and control.key words: agricultural iot; wisdom agriculture; remote monitor; real-time monitoring; microcomputer;wireless communication module目前，在農(nóng)田、果園、茶園、森林、水產(chǎn)養(yǎng)殖

6、等大規(guī)模生產(chǎn)過程中，如何監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)小環(huán)境的空氣溫濕度、光照、降雨量，土壤溫濕度、有機(jī)質(zhì)含量、重金屬含量、ph值以及植物生長(zhǎng)特征等 信息，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量保障亟待解決的問題. 利用物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，是目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域最主要的課題之一1 . 將物聯(lián)網(wǎng)收稿日期：2012-06-29基金項(xiàng)目：廣東省大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（校教字201056）作者簡(jiǎn)介：李世榮（1986）男，廣西玉林人，主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用；廖惜春，教授，碩士研究生 導(dǎo)師，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用研究.技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，既能改變粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)

7、管理方式，又能提高農(nóng)作物蟲情、苗情、疫情以及重金屬的監(jiān)控能力，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全2 - 3 .2010年，我國(guó)政府出臺(tái)了一系列關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策，并將其列入國(guó)家“十二五”發(fā)展 規(guī)劃. 隨之，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校相繼開設(shè)了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”專業(yè)；河北博潤(rùn)等多家企業(yè)，陸續(xù)開展 了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究. 這些企業(yè)先后推出了基于gprs的短信平臺(tái)、基于cdma(3g) 平臺(tái)及帶有多路輸入輸出的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)等產(chǎn)品，用于農(nóng)田灌溉管理、水產(chǎn)養(yǎng)殖、森林監(jiān)測(cè)、水文 氣象監(jiān)測(cè)等4- 6 . 但這些產(chǎn)品都依賴于現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行成本較高，且主要是對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)， 未將作物生長(zhǎng)環(huán)境的光照、降雨量，土壤的溫濕

8、度、有機(jī)質(zhì)含量、重金屬含量、ph值等列入其中. 文 獻(xiàn)6介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在土壤信息采集、土壤灌溉控制中的應(yīng)用，但未能全面反映農(nóng)作物生長(zhǎng) 的其他信息. 本文所述系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)對(duì)象是農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的空氣溫濕度、光照、co2 濃度、土壤的 溫濕度，并可擴(kuò)展到對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、重金屬含量、ph值等的監(jiān)測(cè). 系統(tǒng)采用str-307 等通用元 器件，具有通信距離遠(yuǎn)、相對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少、成本低、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn).1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理1.1系統(tǒng)硬件組成本文設(shè)計(jì)的基于 str-30 組成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)如圖 1 所示. 其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路以 stc12c5a60s2 單片機(jī)為控制核心，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成分布式

9、無線傳感器網(wǎng)絡(luò). 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)樞紐是本 系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)(sink). 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其核心是微處理器. 數(shù)據(jù)采集端配有溫度、濕度、光照、co2 、土壤水分以及 ph 值測(cè)量等傳感器組，還配有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、通信接口以及外部存儲(chǔ)器等.另外，系統(tǒng)還預(yù)留了重金屬檢測(cè)等傳感器接口（圖 2 中未標(biāo)出）.節(jié)點(diǎn) 傳感器 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 互聯(lián)網(wǎng) 節(jié)點(diǎn) 節(jié) 點(diǎn)圖 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖圖 2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖每個(gè)節(jié)點(diǎn)的微處理器根據(jù)自帶傳感器模塊提供的數(shù)據(jù)時(shí)序，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理、傳輸和接收遠(yuǎn)程控制信息. 當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)所帶傳感器檢測(cè)到的某參數(shù)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)發(fā)出告 警

10、信號(hào). 匯聚節(jié)點(diǎn)與 pc 機(jī)連接，可接收來自各節(jié)點(diǎn)的信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定發(fā)出信息的節(jié)點(diǎn)所 在的位置，將各傳感器的數(shù)據(jù)按照預(yù)定的協(xié)議發(fā)送到 pc，由 pc 將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和顯示，并根據(jù)接 收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較以判斷被檢測(cè)區(qū)域作物的生長(zhǎng)環(huán)境是否達(dá)標(biāo)，也可根據(jù)需要對(duì)某節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)或參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整.照度傳感 器pc 終端 co 2 傳感器 射頻 模塊 土壤溫濕 度空氣溫濕 度 傳感器 mcu stc12c5 a60s2 射頻模塊 射頻模塊 pc 機(jī)rs232 指示、顯 示告警 2012 年74五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）此外，系統(tǒng)還可根據(jù)實(shí)際情況，自動(dòng)或人工對(duì)全部(或部分)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)指

11、標(biāo)的修改，如夏天和冬天溫度不同. 本系統(tǒng)還可加入自動(dòng)控制模塊，如自動(dòng)灌溉、控溫或排風(fēng)等模塊.1.2無線數(shù)據(jù)通信模塊本系統(tǒng) str-30 型微功耗無線數(shù)據(jù)傳輸模塊工作于 ism 頻段，無需申請(qǐng)頻點(diǎn)，具有多信道、多 速率、傳輸距離遠(yuǎn)、高抗干擾能力和低誤碼率等優(yōu)點(diǎn). str-30 的引腳功能說明如表 1 所示.表 1 str-30 模塊引腳說明表序號(hào)str-30 端說明電平連接到終端備注12345gnd vccrxd/ttl txd/ttlsgnd電源地電源 dc串行數(shù)據(jù)接收端 串行數(shù)據(jù)發(fā)射端信號(hào)地rs-485 的 ars-232 的 tx rs-485 的 brs-232 的 rx休眠控制（輸入）

12、gnd+2.75.5 v ttlttlgnd電源地直流電源輸入串口 1 接收端 串口 1 發(fā)射端可與電源地相連串口 2 發(fā)射/rs485-a串口 2 接收端/rs485-b高電平有效，時(shí)間不低于 15 ms 低電平有效，時(shí)間 不低于 10 mstxd rxd模擬地6a（tx）rs232/rs485a（rx）7b（rx）rs232/rs485b（tx）8sleepttl休眠信號(hào)9reset復(fù)位控制（輸入）ttl復(fù)位信號(hào)101112131415s-8e1_8n1s-com2s-ch_c s-ch_b s-ch_aantenna通信數(shù)據(jù)位的選擇串口 2 類型的選擇 通信信道選擇通信信道選擇通信信道選

13、擇 天線接入見表 2見表 2見表 2連接 50 天線1.3傳感器模塊接口電路各節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖 3 所示. 其中微處理器（stc1）是數(shù)據(jù)處理與 i/o 口的控制核心，外圍主 要接口與各傳感器通過串行通信接口（rs232）與無線通信模塊相連接，該接口也可用于調(diào)試及程 序下載. 本系統(tǒng)還預(yù)留了一定的外圍 i/o 接口，以便擴(kuò)展其他傳感器或自動(dòng)控制模塊.系統(tǒng)中，空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、co2 濃度傳感器等模塊的輸出量均為數(shù)字量，ph 值數(shù)據(jù)為模擬量.co 2圖 3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)總原理圖2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)路由驅(qū)動(dòng)程序以及 pc 通信、數(shù)據(jù)處理

14、等程序組成. 各節(jié)點(diǎn)傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線模塊 str-30 與 pc 控制終端進(jìn)行通信，終端能及時(shí)準(zhǔn)確地處理 并顯示各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)控制操作.本文僅以傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序的軟件設(shè)計(jì)為例，其主程序流程如圖 4 所示.序主要完成數(shù)據(jù)的采集處理以及與 pc 終端進(jìn)行通信、工作狀態(tài)的調(diào)整等功能.傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程開始的初始化y圖 4 傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖系統(tǒng)接收終端（pc）數(shù)據(jù)處理及顯示界面的軟件設(shè)計(jì)是基于 mfc 開發(fā)的.主要功能是通過驅(qū)動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的全雙工無線電通信，接收、存儲(chǔ)、查詢、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，查看各節(jié)點(diǎn)傳感器的工作狀態(tài)，設(shè)定各節(jié)點(diǎn)傳感器

15、參數(shù)指標(biāo)以及當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)觸發(fā)告警等.3系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試主要包括下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試和上位機(jī)控制終端的測(cè)試，其中下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)的測(cè)試可以通過觀察上位機(jī)的數(shù)據(jù)直接知道. 系統(tǒng)的調(diào)試主要是各傳感器模塊的調(diào)試以及上位機(jī)軟件的調(diào)試， 上位機(jī)的測(cè)試主要是各功能模塊的測(cè)試. 經(jīng)實(shí)地測(cè)試，節(jié)點(diǎn)間的通信距離在開闊的視野范圍內(nèi)可達(dá) 到 600 m 左右，且能穩(wěn)定地收發(fā)數(shù)據(jù). 系統(tǒng)上位機(jī)的界面效果圖如圖 5 所示.圖 5 pc 終端主界面ad 采樣中斷服務(wù)程序根據(jù)預(yù)定的格式提取、處理相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)入循環(huán)while各傳感器mcu 以及各傳感器采集、處理接收數(shù)（1）據(jù)完成n數(shù)據(jù)調(diào)整當(dāng)前工作狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)串口接收中斷服務(wù)程序

16、2012 年76五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）設(shè)定各節(jié)點(diǎn)傳感器參數(shù)指標(biāo)、查看歷史記錄以及某一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)的告警信息等實(shí)際測(cè)試結(jié)果圖拼接如圖 6 所示.各類數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)記錄在 sql 數(shù)據(jù)庫(kù)中以便備查.圖 6 上位機(jī)測(cè)試結(jié)果拼接圖4結(jié)論本系統(tǒng)運(yùn)用了單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和農(nóng)用傳感器數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大型農(nóng)場(chǎng)、蔬菜大棚、森林、水產(chǎn)養(yǎng)殖等的智能監(jiān)控. 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其 通信距離可以達(dá)到約 600 m，既能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、co2 濃度等數(shù)據(jù) 的采集，又能實(shí)現(xiàn)與終端的交互式通信、工作狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整、數(shù)據(jù)的保存查詢、各傳感器數(shù)據(jù)和 提示信息的顯示等功能. 本系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代智慧（精準(zhǔn)）農(nóng)業(yè)中所用的傳感器結(jié)合， 用于現(xiàn)代大型農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理過程，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚種植、倉(cāng)庫(kù)管理等的無線遠(yuǎn)程監(jiān) 控，確保了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量可監(jiān)控、可追溯，為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控和生產(chǎn)管理提供了有力的技術(shù)支持.參考文獻(xiàn)1 姚向華. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用m. 北京：高等教育出版社，2011.2 夏華. 無線通信模塊設(shè)計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)m. 北京：電子工業(yè)出版社，2011. 3 張春紅. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用m. 北京：人民郵電出版社，2011.4 李