精细农业多参数无线传感网监测系统的设计

1、汇报人： 何 栋日 期： 2016年4月13日精细农业多参数无线传感网监测系统的设计无线传感网监测系统无线传感网监测系统的构成和原理的构成和原理2系统主要硬件组成部分系统主要硬件组成部分3精细农业多参数无线传感网监测系统的设计系统软件组成部分系统软件组成部分41相关概念及主要内容相关概念及主要内容精细农业(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

2、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。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)，简称 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。监测系统：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

3、实时监控的系统。2 设计监测系统的硬件部分3 设计监测系统的硬软件部分1 设计精细农业多参数无线传感网监测系统 论文主要内容4 系统的整体调试，和系统的优化课题研究内容和可行性分析课题研究内容和可行性分析32无线传感网监测系统的构成和原理无线传感网监测系统的构成和原理精细农业多参数无线传感网监测系统的设计相关概念及主要内容相关概念及主要内容1系统软件组成部分系统软件组成部分4 无线传感网监测系统由上位机及各个采集单元组成，每个采集单元分别包括了采集地表以上各项参数的温湿度传感器、光照传感器、CO2 传感器、O2 传感器以及地表以下采集土壤温度、含水量的传感器和有机质含量的测量模块及处理器Cor

4、tex-M3 和SZ05-ZigBee 无线数传模块等，系统硬件框图如下所示：系统功能参数本系统目的是实现精细农业中对农作物生长环境参数的监测，利用嵌入操作系统来管理整个监测系统，系统各项功能参数如下：1. 工作温度：-4050之间。2. 工作湿度：0100%RH。3. 工作光照强度：0300000lx。根据系统的功能参数来选择微处理器，无线数传模块以及各个传感器。现场环境中采集各个传感器数据的中心点是STMF107 微处理器，微处理器不仅控制前端各个传感器部分，同时控制后端ZigBee 短距离无线数传模块，监测数据主要分为两大部分，第一部分是地表以上空气中的二氧化碳、氧气、光照、温湿度，第二

5、部分时地表以下的土壤温度、含水量，以及土壤有机质，ZigBee 模块采用的是上海顺舟科技的无线数传模块，微处理器接收到各个传感器采集来的数据，通过STM32F107 自带的A/D 转换模块将模拟信号数字化，经过数据处理后通过ZigBee 无线通信模块把数据传送给上位机实现远程监控，为监测人员提供详细的各项环境因子。本文设计的精细农业多参数无线传感网监测系统采用的ZigBee 模块，由一个中心节点和一个终端节点构成。组网成功后，通过传感器终端节点采集农作物生长环境中的温湿度、光照、CO2、O2、土壤有机质等参数的信息，采集到的信息可以通过协调器节点，并且也通过液晶屏显示由串口传送到监测中心，通过

6、上位机软件，将传来的数据显示出来。本文用到的两块ZigBee，一块ZigBee 模块与上位机相连，它的接口为232，节点类型是终端节点，网络类型采用星形网，地址编码是ASCII，发送方式采用主从方式，波特率是9600Hz。另一块ZigBee 模块与微处理器STM32 相连，接口是485，节点类型是中心节点，发送方式是广播，通过两个ZigBee 模块分别与微处理器和上位机的通信，可以把由微处理器采集、处理的数据安全可靠的传送给上位机，达到实时测试、比较的目的。上位机采用的美国国家仪器有限公司的LabVIEW 编写，该界面编写简单，界面形象，此程序有组网、远程控制、接收数据、进行参数对比、利用曲线

7、进行对环境因子的分析等实时监测各项环境参数的功能。当采集的数据与设置好参数的上下限进行比较时，环境因子超过科学设定时便会报警，与此同时，上位机也提供了现场环境参数的历史曲线图，方面随时掌握监测现场的情况，以及数据的比较和分析。系统软件组成部分系统软件组成部分4研究背景和意义研究背景和意义13系统主要硬件组成部分系统主要硬件组成部分精细农业多参数无线传感网监测系统的设计无线传感网监测系统无线传感网监测系统的构成和原理的构成和原理2传感器：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制

8、等要求。传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。 传感器的主要特性传感器的主要特性动态特性分辨率灵敏度是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，因此传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。是指传感

9、器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。是指传感器在稳态工作情况传感器下输出量变化y对输入量变化x的比值。它是输出-输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。运算放大器：运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合差模（差动模

10、式）输入、通常为单端输出的高增益电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如下图所示：一个运算放大器模组一般包括：一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)、一个输出端(OP_O)。运算放大器的分类： 开环回路放大器 反相负反馈 闭环负反馈 反相正反馈 闭环正反馈输出与输入电压的关系式下Vout = ( V+ -V-) * Aog 其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益Vout = -(Rf / Rin) *

11、VinVout = (R2 / R1) + 1) * Vin开环回回路运算路运算放大器放大器反相闭环闭环放大器放大器非反相闭闭环放大器环放大器名称名称特点及应用特点及应用通用型运算放大器价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。是目前应用最为广泛的集成运算放大器。高阻型运算放大器具有差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,具有高速、宽带和低噪声等优点。低温漂型运算放大器具有失调电压小且不随温度的变化而变化的特点，应用于精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中。高速型运算放大器具有转换速率SR高,单位增益带宽BWG大的特点，应用于快速A/D和D/A转换器、视频放大器中。低功耗型运算放大器

12、具有低电源电压供电、低功率消耗的特点，应用于电子电路集成化中。高压大功率型运算 放大器不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流的特点，运算放大器的输出电压不受供电电源的限制。可编程控制运算 放大器只需改变运算放大器得放大倍数，就可得到固定电压得输出,解决仪器仪表的使用过程中所涉及到量程得问题。按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下七类：因为理想运放的电压放大倍数很大，而运放工作在线性区是一个线性放大电路，输出电压不超出线性范围（即有限值），所以，运算放大器同相输入端与反相输入端的电位十分接近相等。在运放供电电压为15V时，输出的最大值一般在1013。所以运放两输入端的电压差，在

13、1mV以下，近似两输入端短路。这一特性称为虚短，显然这不是真正的短路，只是分析电路时在允许误差范围之内的合理近似。由于运放的输入电阻一般都在几百千欧以上，流入运放同相输入端和反相输入端中的电流十分微小，比外电路中的电流小几个数量级，流入运放的电流往往可以忽略，这相当运放的输入端开路，这一特性称为虚断。显然，运放的输入端不能真正开路。 虚 短 虚 断运用“虚短”、“虚断”这两个概念，在分析运放线性应用电路时，可以简化应用电路的分析过程。运算放大器构成的运算电路均要求输入与输出之间满足一定的函数关系，因此均可应用这两条结论。如果运放不在线性区工作，也就没有“虚短”、“虚断”的特性。如果测量运放两输

14、入端的电位，达到几毫伏以上，往往该运放不在线性区工作，或者已经损坏。空气温湿度采集电路设计空气中采集温湿度的传感器采用的传感器AM2301，该传感器输出信号是数字信号。因为温度对湿度有很大的影响，所以需要对湿度值进行温度补偿，该传感器与微处理器之间的通信采用单总线数据格式，测量分辨率为16bit，传感器的采样周期不低于2s，在连接硬件电路时，信号线接3k 的上拉电阻，目的是提高信号的质量，空气温湿度采集原理图如图3-1 所示。土壤温度含水量采集电路设计土壤中采集温度、含水量的传感器是NHSF48 土壤水分传感器，NHSF48 土壤水分传感器是通过测量体积百分比来得出土壤水分含量的，模拟输出，电

15、压输出范围为02V，工作电压是524V，适用于多种土质，具备电源反接保护功能。土壤温度含水量采集电路如图3-2 所示。其中OUT1 输出土壤温度，OUT2 输出土壤含水量，温度换算关系： T = 60U 40 式中：T为当前输出温度值，单位是；U为测量电压，单位是V；60、40常数。含水量换算关系： RH = 0.5U 式中：RH为土壤当前的含水量，单位是%；U为测量电压，单位是V；0.5为常数CO2 采集电路设计CO2 采集部分使用了TGS4161 传感器，测量范围35010000ppm，灵敏度4472mV，测量精确度在10000ppm 下CO2 约20%，检测前需预热大约12h，因为它根据

16、电解质原理设计的传感器，所以为了保证监测数据的准确性，预热时间越久越好，CO2 采集电路原理图如图3-4 所示。O2 采集电路设计O2 采集部分采用了7ox-v 传感器，该传感器测量范围为025%，响应时间小于15s，输出信号范围为0.1950.25mA 的电流信号。其特点是响应快，通信距离远，安装使用方便，适用于农业生产的环境监测方面。O2 采集的原理图如图3-5 所示。 op07的功能介绍：Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏

17、置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。土壤有机质采集电路设计 土壤有机质采集电路采用的是光电传感器PC10-6T05，工作原理是通过波长850nm 的发光二极管照射到被测土壤，由于不同有机质含量的土壤反射光强不同，导致最后光电二极管输出电压不同，不同的电压对应不同的有机质含量。检测土壤有机质的红外波长应是850nm，由于市面上没有波长精度是850nm 的发光二极管， 本系统采用的光电二极管峰值波长为900nm，二者值比较近，所以在850nm 处响应也比较

18、高，该硅制光电传感器的特点是响应度高，体积小，重量轻，便于集成，工作稳定可靠，而电路中放大器采用的是一种低噪声，原理是非斩波稳零的双极性(双电源供电)运算放大器集成电路的OP07 芯片。输入失调电压较低(最大为25V)，输入偏置电流较低(2nA)，不需额外的调零措施，开环增益高(300V/mV)，适用于放大传感器的微弱信号和高增益的测量设备等方面是芯片OP07 的特点。故选择OP07，土壤有机质采集电路原理图如图3-6 所示。研究背景和意义研究背景和意义1系统主要硬件组成部分系统主要硬件组成部分34系统软件组成部分系统软件组成部分精细农业多参数无线传感网监测系统的设计无线传感网监测系统无线传感

19、网监测系统的构成和原理的构成和原理2下面是对整个系统软件设计过程的具体描述。本系统主要采用的是C 语言对ARM 编程，内部有很多寄存器，具体软件工作流程如下：1. 程序开始后，首先要初始化微处理模块的系统时钟以及各个模块的时钟、定时器、A/D 等，2. 读取各个传感器采集空气及土壤中的参数，并把各项参数发送给ZigBee 数传模块，3. ZigBee 模块接收，并完成数据通信。4. 液晶显示器也可实时的显示空气温湿度、光照、CO2、O2 以及土壤中温湿度、有机质参数的动态变化。软件设计总体流程图如下图所示：成功建立无线传感器网络的关键是ZigBee 短距离无线通信技术及其自组网技术。ZigBe

20、e 是一种基于IEEE 802.0.4 技术标准与网络协议而设计的无线数据传输的无线传感器网络，它比其他的无线通信技术有更低的功耗和低成本等优势。综合以上各方面的因素，所以采用ZigBee 技术实现本系统设计的无线传感器网络。通过本文设计的农作物生长环境多参数无线传感器网络的传感器节点和路由节点采集温湿度、光照强度、CO2，O2，土壤有机质等参数的信息，采集到的信息通过协调器节点经串口 RS232 传送到监测中心，最后由上位机显示传送来的数据。并且所组网络具有灵活可靠的特性。上位机的监测中心系统主要实现以下功能：1. 数据显示2. 保存和查看历史数据3. 显示历史数据的图像为了便于用户使用系统，该系统利用LabVIEW 8.20 编写上位机软件，设计了功能齐全、操作方便、界面友好的上位机操作界面。该款软件是美国国家仪器推出的虚拟仪器开发平台，它自带例如Web 网络发布、数据釆集、数据分析显示及数据存储、串口通信等