智慧农业无线传感器网络系统设计

1、五邑大学学报（自然科学版）journal of wuyi university （ natural science edition）第 26 卷 第 4 期vol.26 no.42012 年11 月nov.2012文章编号：1006-7302（2012）04-0072-05智慧农业无线传感器网络系统设计李世荣，陈永智，廖惜春（五邑大学信息工程学院，广东江门529020）摘要：为满足智慧农业监视农作物生长过程、管理农产品质量实时远程的需求，设计了无线传感器网络系统. 该系统由无线监测网络和远程监控中心两部分组成：无线监测网络采用以 stc12c5a60s2单片机为核心的传感器节点开发策略，构建了

2、基于str-30 的无线传感网络； 远程监控中心采用基于vc+6.0编程设计的管理软件，可实时显示各节点传感器的数据和工 作状态，报警，数据的保存、查询，以及对各节点的实时控制，能一定程序上实现远程的监 督和控制.关键词：农业物联网；智慧农业；远程监控；实时监控；微处理器；无线通信模块中图分类号：tp393.1文献标志码：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，在农田、果园、茶园、森林、水产养殖

6、等大规模生产过程中，如何监控农业生产小环境的空气温湿度、光照、降雨量，土壤温湿度、有机质含量、重金属含量、ph值以及植物生长特征等 信息，是农业生产质量保障亟待解决的问题. 利用物联网的关键技术无线传感器网络，对农业 生产的过程进行实时数据采集与监控，是目前农业物联网研究领域最主要的课题之一1 . 将物联网收稿日期：2012-06-29基金项目：广东省大学生创新实验项目（校教字201056）作者简介：李世荣（1986）男，广西玉林人，主要研究物联网技术及其应用；廖惜春，教授，硕士研究生 导师，主要从事无线传感器网络及应用、物联网技术及应用研究.技术应用到农业生产的过程中，既能改变粗放的农业经营

7、管理方式，又能提高农作物虫情、苗情、疫情以及重金属的监控能力，确保农产品质量安全2 - 3 .2010年，我国政府出台了一系列关于物联网发展的产业政策，并将其列入国家“十二五”发展 规划. 随之，华中农业大学等高校相继开设了“精准农业”专业；河北博润等多家企业，陆续开展 了物联网技术应用于精准农业的研究. 这些企业先后推出了基于gprs的短信平台、基于cdma(3g) 平台及带有多路输入输出的远程测控系统等产品，用于农田灌溉管理、水产养殖、森林监测、水文 气象监测等4- 6 . 但这些产品都依赖于现有移动通信网络，运行成本较高，且主要是对环境的监测， 未将作物生长环境的光照、降雨量，土壤的温湿

8、度、有机质含量、重金属含量、ph值等列入其中. 文 献6介绍了无线传感器网络在土壤信息采集、土壤灌溉控制中的应用，但未能全面反映农作物生长 的其他信息. 本文所述系统主要监测对象是农作物生长环境的空气温湿度、光照、co2 浓度、土壤的 温湿度，并可扩展到对土壤有机质含量、重金属含量、ph值等的监测. 系统采用str-307 等通用元 器件，具有通信距离远、相对节点数较少、成本低、组网灵活等优点.1 系统的结构及工作原理1.1系统硬件组成本文设计的基于 str-30 组成的实时监控系统如图 1 所示. 其中无线传感器网络节点电路以 stc12c5a60s2 单片机为控制核心，由多个节点组成分布式

9、无线传感器网络. 网络的数据枢纽是本 系统的汇聚节点(sink). 无线传感器节点硬件电路结构如图 2 所示，其核心是微处理器. 数据采集端配有温度、湿度、光照、co2 、土壤水分以及 ph 值测量等传感器组，还配有无线数据传输模块、通信接口以及外部存储器等.另外，系统还预留了重金属检测等传感器接口（图 2 中未标出）.节点 传感器 节点 节点 互联网 节点 节 点图 1 系统总体设计框图图 2 无线传感器节点硬件结构框图每个节点的微处理器根据自带传感器模块提供的数据时序，实时进行数据采集、分析处理、传输和接收远程控制信息. 当某一节点所带传感器检测到的某参数指标超标时，该节点将自动发出告 警

10、信号. 汇聚节点与 pc 机连接，可接收来自各节点的信息，能及时发现并确定发出信息的节点所 在的位置，将各传感器的数据按照预定的协议发送到 pc，由 pc 将数据实时存储和显示，并根据接 收到的实时数据与预置参数进行比较以判断被检测区域作物的生长环境是否达标，也可根据需要对某节点的工作状态或参数作相应调整.照度传感 器pc 终端 co 2 传感器 射频 模块 土壤温湿 度空气温湿 度 传感器 mcu stc12c5 a60s2 射频模块 射频模块 pc 机rs232 指示、显 示告警 2012 年74五邑大学学报（自然科学版）此外，系统还可根据实际情况，自动或人工对全部(或部分)节点进行参数指

11、标的修改，如夏天和冬天温度不同. 本系统还可加入自动控制模块，如自动灌溉、控温或排风等模块.1.2无线数据通信模块本系统 str-30 型微功耗无线数据传输模块工作于 ism 频段，无需申请频点，具有多信道、多 速率、传输距离远、高抗干扰能力和低误码率等优点. str-30 的引脚功能说明如表 1 所示.表 1 str-30 模块引脚说明表序号str-30 端说明电平连接到终端备注12345gnd vccrxd/ttl txd/ttlsgnd电源地电源 dc串行数据接收端 串行数据发射端信号地rs-485 的 ars-232 的 tx rs-485 的 brs-232 的 rx休眠控制（输入）

12、gnd+2.75.5 v ttlttlgnd电源地直流电源输入串口 1 接收端 串口 1 发射端可与电源地相连串口 2 发射/rs485-a串口 2 接收端/rs485-b高电平有效，时间不低于 15 ms 低电平有效，时间 不低于 10 mstxd rxd模拟地6a（tx）rs232/rs485a（rx）7b（rx）rs232/rs485b（tx）8sleepttl休眠信号9reset复位控制（输入）ttl复位信号101112131415s-8e1_8n1s-com2s-ch_c s-ch_b s-ch_aantenna通信数据位的选择串口 2 类型的选择 通信信道选择通信信道选择通信信道选

13、择 天线接入见表 2见表 2见表 2连接 50 天线1.3传感器模块接口电路各节点硬件电路如图 3 所示. 其中微处理器（stc1）是数据处理与 i/o 口的控制核心，外围主 要接口与各传感器通过串行通信接口（rs232）与无线通信模块相连接，该接口也可用于调试及程 序下载. 本系统还预留了一定的外围 i/o 接口，以便扩展其他传感器或自动控制模块.系统中，空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器、co2 浓度传感器等模块的输出量均为数字量，ph 值数据为模拟量.co 2图 3 节点硬件设计总原理图2系统软件设计系统软件由传感器节点驱动程序、网络路由驱动程序以及 pc 通信、数据处理

14、等程序组成. 各节点传感器采集的相关数据通过无线模块 str-30 与 pc 控制终端进行通信，终端能及时准确地处理 并显示各节点的数据，同时也能对各节点进行相关控制操作.本文仅以传感器节点驱动程序的软件设计为例，其主程序流程如图 4 所示.序主要完成数据的采集处理以及与 pc 终端进行通信、工作状态的调整等功能.传感器节点驱动程开始的初始化y图 4 传感器节点驱动程序设计流程图系统接收终端（pc）数据处理及显示界面的软件设计是基于 mfc 开发的.主要功能是通过驱动汇聚节点，实现与各传感器节点之间的全双工无线电通信，接收、存储、查询、实时显示数据，查看各节点传感器的工作状态，设定各节点传感器

15、参数指标以及当某一节点数据超标时触发告警等.3系统测试系统测试主要包括下位机节点的测试和上位机控制终端的测试，其中下位机各节点的测试可以通过观察上位机的数据直接知道. 系统的调试主要是各传感器模块的调试以及上位机软件的调试， 上位机的测试主要是各功能模块的测试. 经实地测试，节点间的通信距离在开阔的视野范围内可达 到 600 m 左右，且能稳定地收发数据. 系统上位机的界面效果图如图 5 所示.图 5 pc 终端主界面ad 采样中断服务程序根据预定的格式提取、处理相关数据进入循环while各传感器mcu 以及各传感器采集、处理接收数（1）据完成n数据调整当前工作状态发送数据串口接收中断服务程序

16、2012 年76五邑大学学报（自然科学版）设定各节点传感器参数指标、查看历史记录以及某一节点数据超标时的告警信息等实际测试结果图拼接如图 6 所示.各类数据都可以实时记录在 sql 数据库中以便备查.图 6 上位机测试结果拼接图4结论本系统运用了单片机控制技术、传感器网络技术、无线数据传输技术和农用传感器数据分析处理技术等，可实现对大型农场、蔬菜大棚、森林、水产养殖等的智能监控. 系统实验结果表明，其 通信距离可以达到约 600 m，既能准确实现空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、co2 浓度等数据 的采集，又能实现与终端的交互式通信、工作状态的自动调整、数据的保存查询、各传感器数据和 提示信息的显示等功能. 本系统将无线传感器网络与现代智慧（精准）农业中所用的传感器结合， 用于现代大型农业的生产管理过程，在一定程度上实现了农业大棚种植、仓库管理等的无线远程监 控，确保了农产品质量可监控、可追溯，为农产品质量监控和生产管理提供了有力的技术支持.参考文献1 姚向华. 无线传感器网络原理与应用m. 北京：高等教育出版社，2011.2 夏华. 无线通信模块设计与物联网应用开发m. 北京：电子工业出版社，2011. 3 张春红. 物联网技术与应用m. 北京：人民邮电出版社，2011.4 李