精细农业多参数无线传感网监测系统的设计.doc

工学硕士学位论文精细农业多参数无线传感网监测系统的设计王艺潼哈尔滨理工大学2015 年 3 月国内图书分类号: TP212.9，TN98工学硕士学位论文精细农业多参数无线传感网监测系统的设计硕士研究生：王艺潼导师：施云波申请学位级别：工学硕士学科、专业：信号与信息处理所 在 单 位：测控技术与通信工程学院答 辩 日 期：2015 年 3 月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index: TP212.9，TN98Dissertation for the Master Degree in EngineeringDesign of Multi-parameter WirelessSensor Network Monitoring System inPrecision AgricultureCandidate：Wang YitongSupervisor：Shi YunboAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpecialty：Signal and information procesingDate of Oral Examination：March, 2015University：Harbin University of Science andTechnology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文精细农业多参数无线传感网监测系统的设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分之外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 王艺潼日期：2015 年 3 月 15 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书精细农业多参数无线传感网监测系统的设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密 ，在 5 年解密后适用授权书。不保密(请在以上相应方框内打)作者签名：王艺潼日期：2015年 3月 15日导师签名：施云波日期：2015年 3月 15日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文精细农业多参数无线传感网监测系统的设计摘要精细农业是现代农业的发展趋势，通过将传感器及其检测系统、计算机控制器及变量执行设备、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)等信息技术集于一体以实现对农作物生长环境的实时监控，目的是提高农作物的产量和生长质量，并且也可保护生态环境，保证农业的可持续发展。以往农业的发展是靠大量使用化肥、农药等粗放式农业发展方式，造成了严重的环境污染，如：水体富营养化，资源极度浪费，全球气候的变暖现象日益突出。如何保护生态环境，成为人类生存面临的最大挑战，如何准确、及时、连续、详尽地监测农作物生长环境，保证农作物高质量、高效的成长，又不会破坏生态环境，是当前国家转变经济发展方式以及创新驱动的重点，也是当下的热点问题。鉴于以上原因，监测农作物生长各项参数的系统应运而生。本文研究和总结了传统的农作物监测系统的监测参数单一、监测步骤繁琐等缺点，本系统兼顾监测农作物生长环境空气中和土壤中的各项参数，尤其是可监测土壤有机质的含量，因为有机质含量代表土壤的肥力，为农作物的生长提供养分，对农作物的生长至关重要。本系统微处理主控芯片器采用的是 STM32F107，采集环境数据，利用短距离无线通信技术把采集的数据传送给上位机，上位机和液晶显示器同时显示当前环境的各项参数，并可以把监测得来的各项数据与适合农作物生长的最佳参数进行比较，如不在其范围内，便发出警报，提示监测人员调节农作物的生长环境，并且测量的参数均保存成为数据表格，可以随时查看任意一个月任意一个时间点的各项参数的历史数据，观察环境参数变化的大致趋势。对系统采集的环境数据与标准值进行了比较和实验分析，实验结果表明：温度精度可达到 0.2，湿度精度可达到 4.5% RH，照度精度可达到4%，CO2 浓度精度可达到 0.3%，O2 浓度精度可达 0.3%，有机质精度可达0.2gkg-1。环境参数的指标可满足精细农业多参数监测系统的精度要求，而且系统能够克服复杂地理环境的限制，准确、高效、实时的对农作物生长环境进行监测。关键词精细农业；无线传感网；有机质标定；监测系统-I-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文Design of Multi-parameter Wireless SensorNetwork Monitoring System in PrecisionAgricultureAbstractPrecision agriculture is the development direction of modern agriculture, it uses the information technology of global positioning system (GPS), geographic information system (GIS), sensor and detection system, the computer controller and variable equipment to monitor crop growth environment to improve the quality and the output of crops and maximize the protection of ecological environment, guarantee the sustainable development of agriculture. The develop-ment of agriculture relied on extensive use of chemical fertilizers, pesticides and other extensive agriculture development situation prompted the improvement of crop yields in the past. It led to the serious damage of environment, eutrophica-tion, extreme waste of resources, global climate warming has become increa-singly prominent problem. How to protect the ecological environment has be-come one of the biggest challenges that human beings should face, how to acc-urately and timely, continuous, detailed monitor crop growth environment, gua-rantee the healthy growth of crops, and does not destroy the natural environment. It is the focus of the transformation of economic development and innovation drive mode, which becomes a hot issue. In view of the above reasons, monitoring of crop growth parameters system arises at the historic moment .This paper studies and summarizes the problems of the traditional crop monitoring system such as monitoring the parameters of a single, monitoring steps complicated. This system gives consideration to two aspects, the moni-toring of crop growth environment in the air and soil parameters, especially to monitor the content of soil organic matter. The representatives of the organic matter content of soil fertility, and organic matter provides nutrients for crops. This system adopts the STM32F107 master control chip to collect environmental-II-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文data, using the short distance wireless communication technology sends the data to PC, PC and LCD monitor show the current environment of various parameters at the same time , and can compare the monitoring of the data with parameters of best parameters. If it is not in its scope, it will be sounded the alarm, It can pro-mpt monitoring personnel to adjust crop growth environment and the measured parameters are saved as data table, you can always see any month of any point in time history data of various parameters, observe the approximate trend of the change of environmental parameters.Finally, comparative and analysis the standard value with meteorological data collected by the system. Experimental results show that: Temperature accu - racy is up to 0.2 , humidity accuracy achieves 4.5% RH, Intensity of illumi-nation accuracy can reach 4%, accuracy of CO2 concentration is up to 0.3%, accuracy of O2 concentration is up to 0.3%. Accuracy of organic matter is up to 0.2gkg-1. The indicators of environment parameters meet the accuracy require-ments of precision agriculture multi-parameter monitoring system and the system can overcome the limitations of the complicated geographic environment and accurately and efficiently monitor the environmental data.Keywords precision agriculture, wireless sensor network, organic matter calibration, observation system-III-哈尔滨理工大学工学硕士学位论文目 录摘要.IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1研究的目的和意义 .11.2国内外研究现状及分析 .21.2.1国内研究现状分析 .21.2.2国外研究现状分析 .31.3农业监测系统的发展趋势 .51.4课题来源及研究的主要内容 .51.4.1课题来源 .51.4.2主要研究内容 .5第 2 章 无线传感网监测系统的设计 .72.1系统构成与原理 .72.2器件选择 .82.2.1系统功能参数 .82.2.2传感器的选择 .82.2.3微处理芯片及其他模块的选择 .102.3系统通信模式的技术分析 .112.3.1 ZigBee 通信设备的分类 .112.3.2 ZigBee 的拓扑结构 .122.3.3 ZigBee 的通信组网模式分析 .122.3.4 ZigBee 的系统方案设计 .122.3.5 ZigBee 传输距离测试 .142.4本章小结 .15第 3 章 系统硬件电路设计 .163.1温湿度采集电路设计 .163.2光照采集电路设计 .183.3 CO2 采集电路设计 .183.4 O2 采集电路设计 .19哈尔滨理工大学工学硕士学位论文3.5土壤有机质采集电路设计 .203.6通信模块电路设计 .213.7电源电路设计 .223.8本章小结 .22第 4 章 系统软件设计 .234.1软件总体设计思想 .234.2数据采集及处理子程序 .244.2.1空气温湿度数据采集及数据处理子程序 .244.2.2光照数据采集及数据处理子程序 .254.2.3 CO2 数据采集及数据处理子程序 .264.2.4 O2 数据采集及数据处理子程序 .274.2.5土壤温湿度数据采集及数据处理子程序 .274.2.6土壤有机质数据采集及数据处理子程序 .284.3 ZigBee 处理子程序 .294.3.1协调器主节点软件设计 .314.3.2终端子节点软件设计 .314.4上位机设计 .334.5本章小结 .37第 5 章 系统测试及数据分析 .385.1土壤有机质传感模块测试 .385.2系统整体搭建及测试 .435.3实验数据结果分析 .455.4本章小结 .48结论 .49参考文献.50攻读硕士学位期间发表的学术论文 .54致谢 .55哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第1章 绪论1.1 研究的目的和意义我国作为世界农业大国，农业的发展一直备受人们关注，18 亿亩土地是耕地红线，无论再怎样发展经济，征用土地，这 18 亿亩土地是保证中国人民能够自给自足，保证农业正常发展的最小值，所以扎好篱笆，不能破坏，并且要用好这 18 亿亩的土地至关重要，因此保证用地质量以及如何提高农业的产量，保障农业的可持续发展是科学家们一直不断在探索的问题1。20 世纪初我国是靠不合理施肥，施药来提高农作物产量，但随之而来的是环境污染，水体富营养化，资源浪费等问题日益严重，当今中国正在进行经济转型，保护生态环境，故需要寻找更加科学有效的方法来提高农业产量。创新驱动，科技水平是影响农业产量的重要因素，我国已成功的从传统农业发展转型为现代农业，为世界农业装备技术以及农业现代化的发展做出了很大的贡献2。科研水平不断的提高，也正是因为我国农业装备技术的高速发展才减小了我国和发达国家之间的差距，几十年可以追赶上国外一百多年的发展，在这种发展形势下，建立适合我国国情的农业发展的精细农业技术，很大程度上提高了我国的农业发展水平，所以全面发展、振兴精细农业装备技术在我国农业走向现代化发展的道路上具有重要的意义3。精细农业(Precision Agriculture or Precision Farming)，简称 PA 或 PF 是现代农业，它是在信息和知识的基础上建立起来的，主要是通过获取农作物生长环境的各项参数指标，其中农作物生长环境中的温湿度、光照、CO2、O2 、土壤有机质等指标决定了粮食的产量和质量，精细农业便是针对以上信息具有时间和空间差异性的特点，分出区域，区别对待，按其所需不同，进行定位调控4。土壤的肥力很大程度上与土壤有机质的含量高低密切相关的，土壤有机质有很多方面的作用，例如：植物营养的主要来源之一就是土壤有机质，植物生长发育很大程度由有机质含量决定，有机质能够改善土壤的物理性质，并且对土壤中的微生物和有机动物的活动具有促进作用，有机质可以提高土壤的保肥性和缓冲性，具有活化磷的作用5。由此可见，土壤有机质对土壤来说具有重要的意义，作用非同小可，准确的测定土壤有机质含量，有利于哈尔滨理工大学工学硕士学位论文更好、更全面了解农作物生长环境的各项指标，从而促进农作物生长6。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是物联网技术的重要组成部分之一，它是一种无线自组网系统7。近年来无线传感器网络发展十分迅速，并且已成为当前国内外的一个研究热点，无线传感器网络是将传感器技术、网络信息技术和通信技术有机结合为一体的产物，可以实时监测环境中的各项参数，并对这些数据进行比较和处理，最后传给监测人员，因此无线传感器网络可以为精细农业等领域提供很好的帮助，从而实现数字化的农业管理8。本文是基于监测精细农业环境中各个参数和有机质的含量来间接了解作物的生长环境。空气中的温湿度、CO2、O2、光照影响着农作物的生长、光合作用。而土壤表层的温湿度及各种有机质的成分组成和含量是土壤养分的主要指标。所以提高农作物产量须全方位实时地监测影响农作物生长的土壤参数指标。以往在实验室中对农作物生长环境的分析中存在着测试过程复杂，分析所需的设备也非常昂贵等问题，而且以往的设计都是采用有线方式采集农作物生长环境的温湿度、有机质等信号，虽然满足了监测的要求，但是存在许多问题，比如线路多，布线复杂，使用范围有限等。本文研制的精细农业多参数无线传感网监测系统，解决了以上问题。1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 国内研究现状分析精细农业中可以获取高密度、高速度、高准确度农田信息，然而获取远程信息在精细农业中是目前的主要难题，获取农田信息，大概经历了人工进行获取、实验室获取、传感器网络、有线传感器网络四个阶段，随着传感器网络的发展，目前我国主要的发展趋势是遥感获取和无线传感器网络9。与世界上一些国家的先进发展水平例如在利用无线传感网获取农田的各项环境参数方面存在一定差距，除此之外数据采集速度慢和监测手段精度低，技术支撑体系也比较落后。已开发研究的产品需要加大科研力度，并且存在较多问题，也不成熟，为了解决以上问题必须使相应技术体系得到应有的发展10 。精细农业其实是面向大面积农作物生产的一种智能农业管理技术，而我国农田类型及分布情况复杂多样，可耕作土地相对比较分散，我国农业经济在相当长的一段时期内还是以小农经济为主 11。上世纪 70 年代末，我国- 2 -哈尔滨理工大学工学硕士学位论文创造性地利用地球资源技术和卫星遥感技术对土壤和水文进行深入调查，80年代初，我国率先在山西、内蒙古两省（区）利用卫星遥感资料进行土壤调查和农作物种植区划分工作，其中 1984-1986 年，我国进行了大规模的冬小麦产量预报卫星遥感试验12 ，由此可见，我国精细农业技术的发展还停留在卫星遥感、地理信息系统这个层面，且主要用于农作物的产量预测。上世纪 90 年代，我国开始研究无线传感器网络，起初是利用 MEMS 工艺技术设计微型化的节点设备，后来逐渐扩展形成了网络，并成为了国内外学者的一个新的研究热点。无线传感网根据各类传感器节点采集所需的参数，根据嵌入式计算技术处理采集的信息，最终将处理好的信息传送给用户，并且是通过无线通信技术和信息处理技术传送。而现在的发展状态是中国农业大学的李民赞教授为了获取土壤信息从而利用近红外技术分析土壤成分含量，在这一方面取得了很大的成就，并利用人工神经网络的预测方法分析模型进行预测、拟合预计，并且预测精度较高，结果显示土壤有机质含量的拟合精度高达 0.999，其中全氮含量的预测精度是 0.808，并且在 2007-2014 年期间发表过多篇该研究领域的学术论文，影响很大13。中国农业机械科学研究院的李颉对采集的土样进行过全钾、全氮，有机质含量以及土壤PH 值的分析，并通过偏最小二乘法进行了建模，预测得出的结果和真实值很接近，决定系数接近 0.95514。浙江大学的何勇等人研究了不同颗粒直径和不同建模方法下，土壤有机质含量在近红外光谱分析的影响，结果显示当颗粒直径在 0.169mm2mm 时，预测相关系数大于 0.84，预测均方根误差小于 0.20；而当颗粒直径小于 0.169mm 时，预测相关系数小于 0.71，而预测均方根误差大于 0.23，并且实验表明偏最小二乘法的预测效果要比其他两种建模方法好15 。以上是我国学者关于土壤成分的一些研究，取得了很好的成果，对精细农业的发展有很大的促进作用，但在精细农业技术领域还需做出更大的努力和研究，从而使我国早日实现农业信息化和现代化，探索出适合我国国情的发展道路。1.2.2 国外研究现状分析纵观世界农业的发展历程，主要有三个主要阶段：原始农业、传统农业和现代农业阶段16。1. 原始农业 在自然条件下，人类利用极其简陋的生产工具从事简单的农事劳动，近似于自然状态下的农业，属世界农业发展的最初阶段，根据个人经验，依据树木的长势和种类而不是土壤的质地，对土壤的知识相当贫- 3 -哈尔滨理工大学工学硕士学位论文乏，对土地，不施肥也不中耕，种植两三年后就另觅新地重新种植17。2. 传统农业 在自然经济时期下，因为在当时自给自足的经济才能满足人们的发展方式，传统农业由粗放型发展逐步转向精耕细作，农业高速发展的同时，也带来了严重的环境问题18 。因此，人们提出了替代性农业的发展模式，比如：有机型农业、综合型农业、生态型农业、回归型农业等。3. 现代农业 由美国、加拿大的一些农业科研部门在 20 世纪 80 年代末提出的精细农业19 。精细农业从那时起便得到了很快的发展并且应用到实际当中，如美国现已建成世界最大的应用精细农业技术的农业生产管理系统，此系统主要集成了一种现代综合技术3S 技术，即 GIS(地理信息系统)技术，GPS(全球定位系统)技术和 RS(遥感技术)技术，以及计算机自动控制系统在内的综合应用技术20。精细农业的核心是“处方农作”，其实施过程主要包括采集获取每一块小耕地上的农作物生长环境的信息，分析其存在差异的原因尤其在空间上的产量和它的生长情况，并依照每一小块农田做出决策，准确地进行灌溉、施肥、施药给每一块农田，从而最大限度地提高水、肥、药的使用效率，目的是提高产量，减少环境污染21。在国际上围绕着精细农业农田信息的采集、分析处理，以及最后的决策作业技术开展了广泛的研究，由于 3S 技术的应用发展，提高了设备的使用数量和精度，也提高了农情监测的效率，在产量预测方面也有了长足进步22。目前，全球已投入超过 20000 台用于农业生产使用的产量监测设备，有的就装在收获机械上，有些国家“可变比率洒施机”的试用引起了人们极大兴趣，该机器的设计思路是借助于 3S 技术来获取农作物主要的生长信息，同时该机器可以对施入的农药、化肥和种子的施入量进行自动控制，所以可以做到优化施肥，农场主可以从中获得巨大的经济效益23 ；另一种名为“实时闭循环系统洒施机”，其设计思路是尽可能不利用 3S 技术，农作物生长的各项环境参数直接由安装在洒施机上的探测设备来获取，通过对设备所获取的数据进行分析，使其自动控制农药、化肥和种子的施入量，此方法能够保证所测信息和采取措施地点一致性24。Wireless System 公司开发的无线监测控制系统内含远距离洒水无线控制设施、温室内的通风和温度系统、储藏室的降温无线警报设备等25 。日本北海道的农业研究所研制的可以大面积采集信息的系统也是利用无线网络通信技术。其中试验范围内可以将数据接收端、手机、控制设备等相连，有利于信息的采集，弥补了传统系统的扩展范围小、不灵活等缺点。到目前为止，最常用的解决方法是将农业温室环境监测系统与通信技术相结合。国外学者利用嵌入式技术同 3S 技术- 4 -哈尔滨理工大学工学硕士学位论文一起作用，已取得了一定的成绩，此技术的出现使农业领域实现了远程监控、农业环境参数科学的监测等26。1.3 农业监测系统的发展趋势在农业发展过程中，农作物的生长阶段会受到许多因素的影响，例如温度、湿度、光照等。针对这些信息大区域大量的采集，采集数据后利用网络通信手段可以实现远程传输。然而，现在很多系统使用的是有线传输方式，如在监测现场设有复杂的有线网络，不仅成本高而且让现场的耕作困难。为了解决这一问题，利用无线传感网与农业环境监测相结合的新思路受到广大研究者的亲睐27。现阶段如何广泛的应用无线传感网技术，高效的监测农作物生长环境是农业领域的研究重点，通信技术与传感器技术的出现为农业信息化奠定了重要的理论基础，很多关键性的问题相继被解决，无线通信技术将会广泛的应用在农业中。但是随着对农作物生长环境各项参数采集的更高要求，传感器网络也应进一步完善。当今社会主流的传感网络对农业的贡献能力还差很远，需要科研人员进行深入的研究，创建能满足更高要求的监测系统28。为加快现代化农业科技的发展，除了要考虑外在条件的限制下，还要自主创新适应环境能力强、成本低、功耗低的系统，所以深入研究利用无线传感网监测农作物生长环境有重要的意义29 。无线传感网络与农业领域结合技术的还不成熟、成果较少，必须在原有技术基础上，结合过去经验进行深层次的研究，在无线传感器未来的发展道路上，着重的去