【农业物联网信息采集节点设计12000字（论文）】

.1数据采集模块在温室里各类数据的采集应该具有能耗低、使用方便、成本低等特点，温室数据采集传感器节点往往通常需要长时间运行，从而具有节能功能，这样能使传感器才可以长时间工作。农业专用大棚的数据采集模块主要功能包括大棚内的温度、湿度、光照强度等几个部分环境信息的收集。因为这些生态环境信息有的是数字信号有的却是模拟信号，所以在环境信息收集处理模块中主要设备应该用到包括各种环境传感器节点、A/D转换器、单片机处理模块、电源电路模块等几个部分组成。因为在本采集系统中各类传感器有很多，这就对单片机的功耗要求非常高，经过各个方面的考虑、分析，最终决定采用单片机AT89C52来实施对各类传感器节点的控制和管理。另外选择DHT11温湿度传感器可用来直接完成对整个大棚内部温度和湿度的实时收集，选取TSL251RD光照传感器来完成对大棚内部光照强度信息的收集。本设计经由单片机控制温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、土壤湿度传感器来收集大棚里的各类环境情况信息。2.1.1单片机最小系统设计本设计采集模块中将使用AT最新一代中的高速度、能耗低，抗干扰能力强的型号为AT89C52单片机，指令代码完整兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。它具有如下特性：字节FLASH闪速存储器，256字节内部RAM,32个I/O口线，3个16位定时／计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89c52可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器．串行数据通信口及并行中断口系统设备继续正常工作。掉电复位方式虽然保存RAM其中的所有内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个掉电硬件自动复位。AT89C52单片机原理图如REF_Ref71788310\h图21所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11AT89C52单片机原理图2.1.2温湿度传感器模块设计温湿度传感器通常采用一个内置探头作为测温元件，检测转换为电流或电压信号输出的温湿度信号，经电路处理后，温湿度信号与温度呈线性关系。经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流保护、逆变保护等功能也可通过主控芯片直接输出485或232接口。温湿度传感器是一种带有温湿度敏感元件的传感器，可用于测量温湿度。温湿度传感器因其体积小、性能稳定等特点，在不同的生产和生活领域得到了广泛的应用。本控制系统采取的温湿度传感器是DHT11，它是一款对所有目前已知并已经校准好的温湿度数字信号一并进行量程输出的新型自动温湿度量程测量数字传感器，其精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程湿度20-90%RH，温度0~50℃，它的供电电压是3.3V到5.5V。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它能够充分利用目前行业内所专用的校准温度数字控制处理模块和对信号进行采集的微处理控制技术和温度数字新型温湿度模拟复合测量传感器的控制处理技术,确保被检待测液体产物温度质量高并具备极高的数字测量精度可靠性和出色的测量持久性和测量稳定性。传感器控制元件系统包含一个微型直流电阻式感湿元件和一个基于NTC随机测温元件，并与一个同时具有高性能8位单片机相连接。因此该产品同时兼备具有可靠稳定、品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT电路图如REF_Ref71788365\h图22所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12温湿度传感器原理图2.1.3光照强度传感器模块设计光照传感器用于检测光照强度，光照强度可以用来表示物体表面被照明的程度。单位为勒克斯(1ux)，11ux=1lm/m2。该传感器使用对低光照有高反应的传感器元件。在这些冷热感官感应元件中,这些冷热感应感官元件内部包含有一个绕线电镀式多导体接点式的热电势节堆,表面带有黑色涂层覆盖物的热吸收率高,热感应节点一般位于感应传感器壳体表面,在冷感应节点和热感应节点之间还会产生一定热电势。如果可见光辐射传感器，电压信号将根据光强输出，并可根据此效果测量光强。本设计采用TSL251RD光照传感器，工作电源电压为5V，工作电源电流为1.1mA。光照强度传感器主要用于自动检测电源光照强度数值大小,它的主要工作基本原理主要是将作为光照强度的数值大小转换成作为光源电压强度值，以便人们察看转变。光照传感器原理图如REF_Ref71788446\h图23所示图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13光照强度传感器原理图2.1.4电源管理模块主要电源控制电路、各种电压传感器控制电路、通信信号传输控制模块电路等等电路均离不开稳定的电源，本电路设计中所有的相关元器件均必须支持+3.3V电压供电，而常见的可充电蓄电池组的标称电压一般为+3.7V，充满电时电压可达+4.2V，并且电池还会随着电能的消耗逐渐降低，变化的电压会影响传感器的检测精度。因此为了使传感器工作在+3.3V标准电压下，应该设计合适的电源稳压电路。稳压电源使用电路一般来说可再细分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源设计使其进入输出电路具有输入电压高和输出电压纹波小，但是输出的功率比较低，而开关稳压电源设计使其进入输出电路具有输入电压低和输出功率大，但是输出电压纹波大。又因为该课题设计中的所有器件均是低功耗器件，所以选择线性稳压电源。全部的电路都离不开稳定的电源，为了使各类传感器都能工作在其恰当的工作电压范围内，应当设计适宜的电源稳压电路。本系统设计需要采用到的线性稳压电源为LM1117，它主要是一款常用的线性低压差电压调节器。根据电路输出的有源电压不同，LM1117又可以分为+1.8V，+2.5V，+3.3V，+5V共四个，该设计我选择使用+5V。电源电路图如REF_Ref71788502\h图24所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14电源电路原理图2.2数据传输模块ZigBee它的技术特点是一种低工程复杂度、近距离、低能源功耗、低运行速度、低成本的双向射频无线通讯传输技术。主要广泛应用于各类大型电子设备之间的数据信息在线传输，传输数据间隔短、公费低、传输速度低、典型具有周期性、间歇性、低功率响应时间和长时间的电子数据传输技术应用。本模块我计划设计2个ZigBee监测终端分别用于采集温湿度、光照强度的信息，并将收集到的信息发送给2个ZigBee协调器，协调器上除了有cc2530芯片另有Wi-Fi芯片，实现与采集模块的通讯。终端节点和ZigBee通讯模块我都打算使用cc2530作为控制芯片，CC2530联合了领先的RF收发器的优良机能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和大量别的强大的用处。CC2530拥有四种不同的闪存版本:CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超能耗低要求的系统。运行模式之间的转换时间非常短，因此进一步保证了低能源消耗。以cc2530芯片为控制核心的收发模块如REF_Ref71788572\h图25所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15ZigBee传输模块原理图2.3大棚控制模块大棚控制模块即为数据处理模块，是农业温室智能监控服务系统的重要部分，主要完成对收集到的各类环境信息请求报文的解析、计算、处理等操作。经过数据处理管理模块分析出的请求信息中用户的IP地址以及请求的具体内容等信息，并根据这些请求中的信息来完成相对应的一系列应对措施。再根据相对应的操作，将环境信息读入数据库，并对相关设备进行控制。在这个模块中，主要是按照传输模块传输的信息来完成对相应装备的驱动和控制。主要有：遮光板、大风机、大棚卷帘等相关设备。2.4本章小结本章对大棚网络监控系统的硬件进行了设计，主要介绍了该系统中的单片机电路设计、电源电路设计、温湿度采集电路设计、光照强度、采集电路设计、数据传输模块、大棚控制模块。

农业物联网信息采集节点软件设计3.1软件开发平台的搭建本设计中环境信息采集端和大棚控制端软件开发平台均使用Keiluvision4，该软件的作用是使开发人员能够使用多台监测器。keiluv4是由美国keilSoftware公司公司出品的一个兼容51系列小型单片机的一个采用c编程语言汇编集成程序开发软件环境,对于用各种c语言或其它汇编语言进行编写的任何单片式主机或开源程序,它几乎可以集语言编辑、编译、仿真于身为一身,因此它可以是一款开发功效十分强大的语言集成开发软件。keiluv4旨在大大提高程序开发人员的技术生产力,实现更快、更有用的移动程序设计开发。它首次引入了灵活的窗口移动办理功能体系,可以拖放窗口到一个视图内的所有任何地方,包括一个支持移动多屏的显示器窗口。相比较前的keiluvision3,keiluv4增加了一个更多样和大众化的调试功能,多样的显示器和灵活的窗口视图管理操作系统,系统支持浏览器窗口的动态显示支持设备配置外设和可寄存服务器配置信息,调试系统还原窗口视图和可创建并同时保存多个系统调试窗口视图布局,多样的项目管理工作区域等简化与众多的调试项目。3.2信息采集软件总体设计温室大棚的数据采集模块主要包括大棚温度、湿度、光照强度等几个部分环境信息的收集。大棚内各种环境信息采集的软件包括初始化硬件，通过单片机驱动各类传感器将采集到的数据经过IC接口发送到cc2530模块上，cc2530结合了目前业界技术领先的全球黄金网络单元模块ZigBee网络协议栈(Z-Stack)，提供了一个强大和完整的单元ZigBee协议解决问题方案,实现数据的采集和发送功能。信息采集总体软件设计流程图如REF_Ref71788614\h图31所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11信息采集总体软件设计流程图3.2.1大棚温湿度采集软件设计本设计采用的是温湿度传感器DHT11，它是一款对所有目前已知并已经校准好的温湿度数字信号一并进行量程输出的新型自动温湿度量程测量数字传感器，它的供电电压是3.3V到5.5V，它充分利用专用的控制元件模块数字信号数据采集技术和专用的一种温湿度自动复合测温传感器技术，确保产物具备极高的测量可靠性和出色的测量持久稳定性，传感器控制元件系统包含一个微型直流电阻式感湿元件和一个基于NTC随机测温元件，并与一个主要采用一种高性能8位单片机相连接。它与单片机通信，只有在收到单片机的发送的开始信号后，传感器才会进入工作状态，数据传输结束后传感器自动进入休眠状态等待下一次被唤醒。DHT11传感器驱动软件设计流程图如REF_Ref71788645\h图32所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12温湿度采集软件设计流程图3.2.2土壤湿度、光照强度参数采集软件设计本设计采用的本设计所采用的单片机型号为AT89C52只能处理数字信号，它的工作原理是将光照强度值转换为电压值，感应电路元件内部安装有多层绕线电镀式多功能接点激光热电反应堆，表面具有黑色涂层覆盖物对光吸收率高，热节点位于传感器表面，在冷节点和热节点之间产生热电势。如果可见光辐射传感器，电压信号将根据光强输出，并可根据此效果测量光强，以便人们察看转变。因为不能直接处理模拟信号，因而土壤湿度、光照强度传感器需要经过数模转换后才能被单片机处理，土壤湿度、光照强度参数采集软件设计流程图如REF_Ref71788687\h图33所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s13土壤湿度、光照强度采集软件设计流程图3.2.3ZigBee技术无线通信模块软件设计终端节点和ZigBee通讯模块我都打算使用cc2530作为控制芯片，

较cc2430相比，cc2530在发射功率、链路控制预算、射频噪声干扰抑制能力、低发射功耗以及ESD防护能力等方便都有较大幅度的提升，cc2530联合了业界世界领先的RF收发器的优良控制机能，业界认为标准的射频增强型8051CPU，体系内还可编程射频闪存，8-KBRAM和很多别的强大的技术用处。本设计使用ZigBee终端分别用于采集温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤湿度的信息，并将采集到的信息发送给ZigBee协调器，协调器上除了有cc2530芯片还有Wi-Fi芯片，实现与收集模块的通讯。ZigBee无线通信模块软件设计流程图如REF_Ref71788726\h图34所示。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s14无线通信模块软件设计流程图3.3本章小结本章主要介绍了大棚联网系统的软件部分设计，描述了软件开发平台的搭建、温湿度采集软件设计、土壤湿度采集软件设计、光照强度采集软件设计、ZigBee无线通信模块软件设计的各个流程图。

总结与展望4.1全文总结随着现代计算机信息技术的不断进步发展以及现代物联网相关技术的不断成熟，愈来愈多的智能农业系统中开始涉及和应用现代物联网相关技术。其中大棚是农业发展史上人类智慧的结晶，然而以前传统的大棚还停留人工管理层面上，非常耗时费力，管理繁琐，不利于管理，这就迫切需要一套智能大棚监控系统来取代传统的农业模式。本文在计算机技术和物联网技术飞速发展的背景下，通过系统理论分析结合实际的理论研究工作方法，仔细的研究分析了我国农业大棚物联网在农业大棚监控管理系统里的实际应用，提高了信息采集的准确性、及时性，省时省力，有效的提高了产量。本文的主要研究内容包括以下几个方面：一、深入的分析研究了农业计算机信息技术和现代农业大棚物联网应用技术的发展背景，分析了物联网应用于农业大棚的意义及价值，通过物联网技术，人们可以精确掌握和控制大棚里的环境信息，保证农产品一直处在最适宜的生长环境中，最终提升产量。二、剖析了目前农业物联网国内外发展近况，国外如美国、法国等发达国家初期对农业大棚、温室大棚投入了大量的财力物力，如今已经实现了计算机对大棚里各类环境信息的及时监控；国内物联网的钻研稍稍慢于国外，1999年，我国中国科学院开启了传感网的研究，取得了一些成效，并成立了一些合适的基于感知技术的传感网。三、探讨了在发展农业物联网过程中的遇到的一些问题：成本问题和行业标准问题。四、针对农业物联网技术的应用，确定了本设计的研究方案：使用嵌入式设备搭建一个物联网平台，使大棚内的生长环境信息以及设备工作状态保存至数据库并传输给控制端。五、具体的设计研究了基于中国农业物联网技术的大棚监控系统的信息采集节点的硬件控制部分设计，分为3个系统模块：数据采集系统模块、数据信息传输系统模块、大棚自动控制系统模块。六、详细的设计研究了基于现代农业物联网技术的大棚监控系统的软件组成部分系统设计，设计了总的信息采集部分、温湿度采集部分、光照强度和土壤湿度采集部分、ZigBee通信模块的流程图。4.2展望随着物联网的发展，物联网在现代农业中的应用将越来越普及和舒适。或许此后人们可以在世界各地同时经营管理本身的农场，使得农业生产向产业自动化一样，正如电脑的快速发展一样，从一个房间般大的电脑开始成长后再到现在的智能笔记本电脑，再向未来智能手机这个方向不断延伸，物联网所能够触及的智能硬件和移动终端将一定会向更小、更便捷的目标发展。当今物联网应用的发展正处在如火如荼的阶段，怎样将现代物联网信息技术应用到智能新型农业生产模式中，是现在世界上所有物联网专家和农业专家共同关注的重点。因为这将会直接影响当代农业发展的伟大前景，将会直接影响未来世界农业的发展。物联网的硬件微型化不但能节流空间，并且还有智能便捷的数据转换和软件搬运，更加的有利于它的推行。软件“傻瓜化”，一方面可以让广大农人不用再需要特定的知识学习和技术培训就可以轻松操控，为其快速成长铺路，减小道路拦阻；另一方面它还可以更快为广大农民用户提供土地信息共享服务和多维无缝连接。由于GPS与信息的紧密结合，现代计算机技术和建立物理网络的相关技术不断发展，通过知识农业装备、土地调查、土壤配方处理等信息手段获取的信息，耕地将实现包括人机智能知识农业、智能生物化肥、智能林业灌溉和其它智能林业收获。另外，田间监测自动化可以监测农田病虫害、监测粮油产品生产价格行情，可以为粮食监管部门有效保护农民粮食安全生产提供有用监测数据。本文针对物联网在智能农业中的运用进行了深入分析研究，并以大棚为例，进行了详细的阐述和研究，但是由于技术和时间的限制，本文研究内容还有些地方需要加以改进，具体如下：一、由于实验环境的限制，本文所设计研究的农业大棚监控管理系统的数据采集模块中仅包括了温湿度、土壤湿度、光照强度的采集，采集传感器的节点有限，在后续的研究中可以根据实际情况进一步补充，如添加PH值的监测。二、本文重点是针对电脑终端的监控系统的研究，通过电脑对大棚内部的环境信息的采集、传输、分析并控制大棚内部的设备来调节农作物的生长环境。在后续的研究中，在条件允许的情况下，可以扩大控制终端的类别，使监控系统具有更加普遍的适用性。三、本文主要是以农业大棚为例，研究了大棚内部的物联网监控系统，而实际生活中现代物联网信息技术早已深入到了智慧农业的方方面面，因此在后续的研究中需要关注物联网在智慧农业中其他方面的研究，分析具体的应用情况。四、本研究中硬件部分的大棚控制模块，仅仅使用了遮光板、大风机、大棚卷帘，在后续的研究中可以加上更多的控制设备，让大棚里的生长环境更加适宜。五、在本研究中，通过ZigBee通信模块把采集到的信息发送给控制端，在后续的研究中也可以设计一个网页，并给这个网页添加远程专家功能，这样就可以将采集到的信息实时传送给专家，专家就不同情况提出不同的建议。六、本文中的自动控制系统较为简单，为了实现更为智能化的控制，在后续的研究中，应该设计更为高效的控制策略。七、本研究中的采集模块中，如果部分节点发生故障，则缺少响应的应答办法，如何在其中一部分节点发生故障时及时恢复网络，在后续的探索中应该考虑。

参考文献覃梦甜.基于物联网的智能农业系统运用[D].武汉轻工大学,2014.管继刚.物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术,2010(03):24-27+42.尹来武.农业物联网信息采集与识别关键技术研究[D].哈尔滨理工大学,2014.董亚超.基于ZigBee技术的无线环境监测网络的开发[D].大连理工大学,2008.陈卓.基于树莓派的大棚联网监控系统的研究与设计[D].西安工业大学,2018.张洲.基于物联网的智慧农业系统设计及实现[D].电子科技大学,2019.张露,张志宏.基于Zigbee技术的信息采集与控制系统设计[J].齐齐哈尔大