【《基于物联网技术的果园监测上位机系统设计》8600字】

基于物联网技术的果园监测上位机系统设计摘要在现代化的社会,科学技术不断进步,物联网、大数据等新兴技术在实际场景中得到了应用,现代化的农业也已经开始朝着智能化方向迈进。基于物联网的智慧果园，与传统果园相比，在成本上、测量方式上、便捷性以及实时性上都有很大的进步与优势,因此研究果园物联网在果园实际生产中有着重要的价值。本文针对了如今果园中各种农作物生长因素监测困难的现状，设计出了一个智能化、简洁化的果园物联网上位机系统，并对其进行了论证设计与实现，主要研究成果如下：采用新型STM12C5A60S2单片机作为本系统的微控制器，进行系统各项操作；通过新型土壤湿度传感器测量土壤湿度，湿度低于额定值时进行补水加湿；采用DS18B20温度传感器获取环境温度，温度高于额定值时进行喷水降温；使用GY-30(BH-1750)光强度感知传感器感知光照强度，光照强度低于额定值时利用LED灯为作物进行补光；利用SMC1602ALCD液晶显示器作为上位机显示屏，可在上面设置额定温度湿度光照强度。关键词：物联网；果园；上位机；温湿度；光照强度；传感器目录摘要 绪论1.1研究背景及意义我国是世界第一人口大国，农业是我国发展的重要产业，其中水果产业的发展越来越迅速，并且产量已居世界第一。果园管理的好坏，关系着数千万果农的利益。近些年来随着新型科技的发展，智慧果园的建设已经逐渐成为主流。通过各种物联网高新科技打造新型智能果园，以传感器监测、信息化网络化智能调控与数据传输等物联网技术作为载体，通过在果园中构建监测网络，实现了果园生产过程中完全自动化的生态环境监测，省去了繁杂的人工操作以及高昂的人工维护费，并且更加符合国家所提倡的生态文明建设的政策[1]。果园中各种农作物的生长状态受环境温度湿度、土壤湿度和光照强度的影响。在不破换生态环境的前提下，如何进行环境温湿度和土壤湿度的监测与调控，光照强度的采集比较与补强，是目前果园最值得关注的问题。通过物联网相关工具组件的果园物联网系统，对于智慧果园的管理与发展有着重大的意义。本文通过STC12C5A60S2单片机芯片作为载体，利用各类传感器包括：DS18B20温度传感器、GY-30光照强度传感器、土壤湿度传感器和HC-12无线通讯模块以及SMC1602ALCD液晶显示器等各种硬件，可以准确的采集温度、湿度，土壤含水量，光照强度等果物生长所需要的外部因素参数，通过数据分析比较处理后进行智能化控制，可使其达到最佳状态，可有效的节约人工，水资源以及肥料等相关资源，使得果园整体的资源消耗显著降低[2]。1.2国内外研究现状1.2.1国外现状国外的物联网智能化果园技术相对成熟，全世界第一个智能监测葡萄园坐落在Oregon州，于2000年左右由intel公司创建，主要利用传感器，将节点分布在各个角落，来进行土壤温湿度和土壤有害物数量的实时监测。Antonio-Javier和Garcia-Sanchez在2011年将远程可视化监控系统与传感器融合，设计出了一个可同时测量土壤和环境温度湿度以及全方位自动监控的物联网系统。A.Matese等研究人员在2010年在意大利的葡萄园中建立了葡萄园实时传感网络监测系统，该系统由两部分组成，分为父节点和子节点，子节点采集葡萄生长中的参数，通过传感器传给父节点，父节点再通过WIFI将数据上传到控制中心，最后以曲线图绘制出收到的信息。M.Nesa在2010年前后设计了可检测果园环境质量的智能灌溉系统，使用了TDMA（时分多址技术）来采集环境和土壤湿度，因为果园中网络节点的能源消耗很大，成本太高，而时分多址能更准确的感知和分配时段，并控制观测节点的打开和关闭，可以大幅度节省能源和降低成本[3]。J.A.LópezRiquelme等在2009年结合无线感知技术，在Murcia地区部署了大量传感器节点的生态园艺传感网络，不仅可以监测空温湿度，还能够监控土壤含水导电率以及位体积含水量和盐度。1.2.2国内现状国内许多高校和科研院所为实现农业信息化、数字化和现代化以及环境的可持续发展，对果园环境智能监测进行了大量的系统化研究，并取得了显著的成果。国家农业研究中心的钱建平等学士在2012年利用山东省苹果园的苹果果实及其地理信息，分析推导了果园地图空间与果实产量两者的数据关系，建立了信息化果园管理系统。河北工程大学刘增环等在2009年运用LabVIEW虚拟仪器仿真技术设计了果园远程自动化监控管理平台，平台可进行环境温湿度、光照度和雨量的远程监控，以及果园数据采集显示与存储等功能，为果园种植栽培以及除虫除害等做出了重大贡献。陕西科技大学张俊涛等在2014年引进了无线传感网络来实现果树的精准灌溉，通过数据分析融合算法来分析计算果树的需水量和土壤的土质结构，解决了农业高效节水灌溉的技术难题。西北农林科技大学彭燕等在2009年运用ZigBee系统构建了一个星型网络，可以实时监测果树营养状况以及果园环境因子，为果园培植和科学管理夯实了基础。2系统整体方案设计及相关技术2.1系统需求分析本文设计的是一个基于51系列单片机的果园物联网上位机系统，利用51系列STC12C5A60S2单片机作为微控制器，配合各个传感器与其他模块共同协调运作。通过上位机先预设一个额定数值，再通过传感器检测各类对农作物生长影响较大的外界环境因素，最后与预设的额定数值进行对比分析，若不符合设定额定数值，报警系统开始报警。通过各系统先各司其职再协调合作，设计出一个完善的果园智能物联网上位机管理系统，功能设计任务共以下4点：(1)首先进行单片机微处理器模块的选择，此模块应该具备控制各个原件协调合作的功能；(2)数据采集模块应实现采集当前土壤的湿度，环境的温度和光照强度的功能；(3)参数显示模块需实现准确无误的显示当前检测的各个参数的功能；(4)报警模块应能及时响应，实现无延迟报警的功能；2.2系统总体方案设计本设计利用单片机与智能传感器相结合进行数据检测，利用无线WIFI模块进行上位机与各模块的通讯，利用电机驱动水泵进行加湿与降温功能，最后利用报警蜂鸣器进行报警。果园物联网上位机系统主要包括以下几个部分：首先是单片机微控制器部分，这部分是本设计的基础；然后是外界因素检测部分，这部分包括土壤湿度、环境温度以及光照强度的检测，这部分是果园智能化最重要的部分；之后是显示器部分、加湿降温部分、报警部分以及补光部分。系统整体设计的框架图如图2.1所示：图2.1-系统整体设计框架图单片机部分选用新型STC12C5A60S2单片机，它的性能远远强于普通的51单片机。它的运行速度为传统8051单片机的数10倍，对开发设备的要求比较低，并且它的存储器容量也是传统8051单片机的几十倍甚至几百倍。外界因素检测部分传感器数量较多，下面是具体各个传感器的介绍：(1)温度采集部分使用的为DS18B20传感器，最大可实现12位温度的检测，可利用总线直接获得数值，测量精度很高，最小可测量0.001℃。[5](2)土壤湿度采集部分采用的是新型的4线土壤湿度传感器，此传感器可一起输出TTL信号量和模拟的信号量。(3)光照强度检测部分传感器选用的是GY-30光照强度传感器,GY-30是一款基于ROHM-BH1750FVI芯片的输出数码信号传感器,光谱的范围和距离比较接近,具有低电流自动关机的功能,而且无需外部元件,并且对光源的可靠性依赖程度不大,且红外线对其稳定性的影响很小。显示器部分使用SMC1602ALCD液晶显示器，它是结合了电子设备和信息处理等多种技术的数据显示器，比大多数采用单独芯片设计的显示器显示地更加清晰。它价格低廉，适用范围广泛，是当前最受欢迎的显示设备。加湿与降温部分都是利用水泵进行实现，两个水泵一个进行喷水降温，一个进行浇水加湿。报警部分采用有源蜂鸣器进行报警，补光部分采取LED灯进行补光。3系统硬件设计3.1单片机模块选择3.1.1微控制器选择微控制器采用的是STC12C5A60S2芯片，它属于改进版的8051单片机，具有超高速和低功耗的特点。它具有一个附加的通信端口，比51单片机的常规版本快约10倍。它拥有8个信道，自带10位的A/D数模转换功能，并且拥有大容量存储器。图3.1是其引脚图：图3.1-微控制器引脚图表3.1为其引脚功能表：表3.1：STC12C5A60S2引脚功能表引脚号名称功能1电源引脚VCC:+5VGND：接地2INT0/INT1引脚外部中断引脚，0/13P10-P17引脚数模转换引脚口4串号通信口引脚RXD:输入引脚TXD:输出引脚5复位引脚RST：高于2机器周期复位6ALE/PROG引脚访问程序引脚和访问数据存储器引脚7PSEN引脚选通信号8时钟模块引脚XTAL1：输入引脚XTAL2：输出引脚3.1.2单片机供电电源选择电源是单片机能否正常工作的第一道关卡，若电源不能正常工作其他的一切功能都无法实现。本果园物联网上位机系统所采用的电源电压为恒压+5V，图3.2是电源电路图：图3.2-电源电路图当电源开启时，自动锁键进行连接，即3和6落下连接到2和5，电源指示灯开启，表示电路开始供电。3.2环境温度获取模块选择环境温度对于果园中农作物生长的影响巨大，本系统采用DS18B20温度传感器来获取果园当前的环境温度，其获取温度的原理图如图3.3所示：图3.3-DS18B20传感器温度获取原理图温度传感器主要由4部分组成，即晶振（高温系数晶振、低温系数晶振）、温度寄存器、计数器（计时器1和2）还有斜率累加器。两个晶振在温度获取数值过程中占主要作用，低温晶振对环境温度感知不敏感，高温晶振反之，因此可以低温晶振工作时产生的基本脉冲基数作为温度的基本参考值，而高温晶振产生的脉冲时可作为温度获取的停止信号，再通过计数器1和2以及斜率累加器进行数据的比较分析与计算，得出具体的温度数值。3.3土壤湿度采集模块选择3.3.1土壤湿度采集原理除温度外土壤湿度对于农作物的生根发芽以及开花结果也扮演重要的角色，本设计利用土壤湿度传感器来采集当前土壤的湿度参数，图3.4为土壤湿度传感器的实物图：图3.4-土壤湿度传感器实物图图3.5是湿度传感器的具体内部电路设计图，我们采用4线制的土壤湿度传感器。图3.5-土壤湿度传感器内部电路图图3.6是土壤湿度传感器的具体引脚功能图： 图3.6-土壤湿度传感器引脚功能图3.3.2土壤湿度传感器引脚连接设计由于我们获取的土壤湿度是数值百分比的形式，因此需要先输出模拟信号最后转换为数字信号。将A0引脚作为输出口，输出模拟信号，再把输出口连接到微处理器的P10口，然后采集传感器的输出电压，最后把输出电压和土壤湿度进行数量关系的转换，获得土壤湿度数值的具体百分比。图3.7是其引脚连接图：图3.7-土壤湿度传感器引脚连接图3.4光照强度数值获取模块选择3.5.1光照强度采集原理光合作用是农作物果实能否丰收的另一大影响因素。光照强度传感器采用的是GY-30光强度模块传感器，它是一款基于BH1750光感应芯片的高精度传感器，其芯片内部结构图如图3.8所示：图3.8-BH1750组成结构图从组成结构图中科看出BH1750芯片主要由5部分组成，分别是：PD、AMP、ADC、OSC、logic和IICinterfac。它们分别对应光感应芯片、信号放大器、模数转换器、振荡器、逻辑处理器和IIC通信接口。功能分别为：(1)光感应芯片用来感知外部光强。(2)信号放大器用来放大外部光强。(3)模数转换器把光强信号转换为模拟信号。(4)振荡器和逻辑处理器处理这个模拟信号。(5)IIC通信接口连接外部单片机，单片微处理器来读取具体的温度数值。3.5.2光照强度采集引脚连接设计图3.9是BH1750的实物图，它有5个引脚，5个引脚的功能如下：(1)VCC：电源，电源电压+5V。(2)SCL：数据通信控制引脚，是时钟线。(3)SDA：数据通信控制引脚，是数据线。(4)ADDR：ICC地址引脚。(5)GND：接地引脚。图3.9-BH1750实物图图3.10-光照传感器与微控制器连接引脚图引脚的连接图如图3.10所示，将SCL连接到微控制器的P00口，SDA连接到其P01口。若采集的光照强度小于设置的额定数值时，LED补光灯开启。补光灯的电源电压为+5V，由于电路电流过大，可能会烧坏小灯，所以负极连接一个限流电阻来降压，再连接到微控制器的P15口进行控制。3.5显示器模块选择显示器显示模块选择的是价格低廉的LCD1602数字LCD型显示器，实物图如下图3.11所示：图3.11-LCD1602实物图 图3.12-LCD1602时序图图3.12为LCD1602的时序图，其引脚功能如表3.2所示：表3.2：LCD1602引脚功能表引脚号名称功能1RS引脚高时数据口写入的显示数据2RW引脚高时写入时的控制指令3EN引脚从高电平变为低电平时内部数据读取3.6报警模块选择报警模块本系统选择的是蜂鸣器报警，蜂鸣器报警设计简单省时，并价格较低，且声音较大，能及时的检测出数值的错误，实物图3.13，引脚连接图如图3.14：图3.13-蜂鸣器实物图图3.13-蜂鸣器实物图图3.14-蜂鸣器引脚连接图蜂鸣器选用是有源蜂鸣器。它有两个引脚，一个正极一个负极。蜂鸣器触发的条件是大电流，电源提供的电流不足以让蜂鸣器报警，需加装一个放大电路。采用9012PNP三极管来做放大电路。基极连接微控制器的P36口，发射极连到5V电源，集电极连蜂鸣器正极，负极接地。当数值触发报警时，P36口自动赋值0。此时P36输出为低电平，将三极管基极极压降低，这样就会有一个电压差产生在发射极和基极之间，三极管此时开始导通。导通后电流从正极流过，然后经蜂鸣器，蜂鸣器开始报警。4系统软件设计4.1系统主程序设计主程序采选用C语言在KEIL4平台上进行编程。主程序包括四个部分，分别是土壤湿度采集程序、环境温度检测程序、光照强度获取程序以及显示程序。图4.1为系统主程序流程图。图4.1-系统主程序流程图4.2土壤湿度采集程序设计由于土壤湿度采集最终显示的是数值，而传感器本身采集的是电压值，所以需要进行一个模数转换程序设计，这个模数转换就是土壤湿度采集程序。本设计微处理器自带模数转换功能，它可以直接采集电压值进行自动计算获取数值。此过程需要有两个重要的调用函数，其中一个是电压值获取函数ADConvert()，另一个是把获取后的电压值排序滤波并取中间值的函数DigitalFiltering（）。先通过ADC电压获取函数获取10次电压值，然后再把ADC寄存器中存的10组电压数据按大小顺序进行排列。最后取中位数，将中位电压值和器件本身自带的电压和数值转换关系和曲线图，分析计算出湿度具体数值。图4.2是数模转换程序流程图：图4.2-湿度采集模数转换程序流程图4.3温度获取程序设计温度获取程序包含以下几部分：温度读取函数，温度写数据函数，温度匹配函数，这几部分编写完成后可直接调用，统称为温度获取函数。程序流程图如图4.3所示：图4.3-温度采集程序流程图开始测量温度后，先进行总线复位，若复位返回值为0，进行发送跳过ROM操作指令，若否则回到总线复位。下一步进行读数据指令，读数据指令先读取低字节再读取高字节，最后两个字节合成为16位的整形数值，按位取反后分理处温度的整数和小数，温度读取程序就完成了。4.4光照采集程序设计光照强度采集函数的读取光照程序流程图如图4.4所示：图4.4-读取光照程序流程图读取光照强度数值的具体的流程如下：先发送起始信号，此时表明数据开始采集，然后发送两个设备地址加读信号的命令，然后利用循环对数据读取并将数据存储到对于地址中的BUF[i]中，读取完毕后返回ACK=1，若没读取完毕返回ACK=0。数据全部保存到BUF数组中之后，又通过一定的时序发送停止读取数据的信号，接着延时5ms并退出该函数返回到主函数来执行代码。4.5液晶屏显示程序设计从LCD1602的时序图可以得出LCD1602显示的具体控制代码，需理解时序图的内容来编写读写数据的函数以及设置坐标的函数。图4.5是LCD1602显示器显示数值的程序流程图：图4.5-LCD1602显示程序流程图第一步应先设置好字符的初始坐标值，等待液晶屏幕准备好以后进行写数据，若液晶返回值为0说明液晶屏幕以及准备好，返回值若为1则说明没准备好，需要重新进行准备，知道返回值为0。写完数据之后进行指针str写入数据，写入完成后数据就会一个一个显示到液晶屏幕上，此时返回程序执行其他代码。5系统实现及调试5.1硬件实现及调试硬件焊接之前先准备好电路板，焊接仪，欧姆表以及导线若干，另外应多准备一些材料以防止焊接过程中出现意外。准备工作做好之后，使用电路板制图工具先绘画出整体电路板的结构方针电路图，根据电路图一步一步进行焊接。开始焊接后应该一个器件一个器件的进行焊接，焊接完一个器件之后应抓紧与电路图比较，仔细检查，看是否有错焊和漏焊的发生。如果某个零件焊接不正确，可及时进行更换，不影响整体的效果。当整块板子焊接完毕后发现不通电或者某个器件不可用，可能是出现了线路短路或者断路的情况，这时利用欧姆表来检查各个线头焊口。如果欧姆表发出警报，证明此线路正负极接反出现短路，及时更换电线；若欧姆表没发出警报但不通电，则证明此段线路发生了断路，仔细检查是原件焊接没到位还是线头出现断裂。当焊接工作完成且检查各原件正常工作时，则证明硬件焊接完成，再从头检查一遍焊口和线头是否有破损，原件焊接是否到位，要保证硬件的质量，不能是一次性产品。图5.1是焊接后的上位机硬件图：图5.1-上位机硬件焊接图5.2软件实现及调试软件程序设计利用C语言进行编程，上位机（即控制机）主程序代码如下图5.2所示：图5.2-上位机主程序代码图程序代码运行无误之后，利用单片机上的P30和P31串口将程序烧制进电路板中，若电路板可正常启动，再利用串口调试助手生成HEX文件下载到开发版中，进行程序的运行。图5.3口调试助手的运行图：图5.3-串口调试助手运行图5.3系统运行效果通过这几天的原件焊接与调试以及程序代码编写与烧制，最终做出了果园物联网上位机。图5.4为其整体实物图，左边为下位机即测试机，它进行各种参数的测量；右边为上位机即控制机它进行额定参数设定和比较以及报警，数值分别为温度，土壤湿度，光照强度。下位机与上位机通过WIFI模块通信。图5.4-系统整体实物图图5.5为上位机额定参数设置图，通过三个按键实现加减确认和取消功能。图5.5-额定参数设置图图5.6为控制机补光图，当光度低于额定参数时LED灯会自动补光。图5.6-控制机补光图图5.7为电机控制水泵降温与加湿图，两个水泵一个进行喷水降温，一个进行土壤补水。图5.7-降温与加湿水泵工作图实物的各个模块均可按照设计目标正常运行，果园物联网上位机系统可直接进行使用。6总结 本文利用物联网与传感器以及通信相关技术设计出了一个物联网果园上位机系统，实现了相关的监测与自动控制和报警功能。硬件部分具体设计如下：利用STM12C5A60S2系列单片机作为微控制器，通过各类传感器例如土壤湿度传感器、DS18B20温度传感器以及GY-30光照强度传感器进行外界环境因素的检测，通过上位机设置额定数值并自动进行比较，若实时数值与额定数值不符时进行蜂鸣器报警并自动进行调控，温度过高时使用水泵喷水降温，湿度过低时使用水泵喷洒加湿，光强不足时利用LED补光灯进行补光。软件部分利用C语言在KEIL4软件平台进行编写，利用主函数对各个部分子函数进行调用与控制。硬件软件相结合做出了一个果园物联网上位机系统的实物，各部分原件可正常运行。此系统可解决目前果园系统管理难、耗时大、废人工等问题，对于节省成本以及环境的可持续发展有着重大作用。参考文献[1]张兴宇.物联网在果园监测与报警方面的应用[D].邯郸：河北工程大学,2020[2]赵文星.果园环境智能监测系统及模型研究[D].南昌:华东交通大学,2015.[3]韩贝.基于物联网气象探测无人机研究[J].物联网技术,2021,11(03):18-21.[4]叶仕聪.移动蜂窝物联网无线网络规划的探讨[J].电子测试,2021(05):83-84.[5]王云飞.DS18B20温度传感器的应用设计[J].电子世界,2014(12):355.[6]ZuliangWang,HongtaoYu,ChuanglueCao,TingZhang.ApplicationofInternetofThingsTechnologyinIntelligentOrchard[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2020,1533(4).[7]YuGuoxiong,WangWeixing,MoHaofan.Informationacquisitionandexpertdecisionsysteminlitchiorchardbasedoninternetofthings[J].EditorialOfficeofTransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2016,32(20).[8]XiangSun,HuaruiWu,QingxueLi,PengHao.ResearchontheAgro-techniqueInformationServiceCloudPlatformofOrchardBasedontheInternetofThings(IOT)[P].Proceedingsofthe6thInternationalConferenceonInformationEngineeringforMechanicsandMaterials,2016.[9]任朝阳,张平川,王梦冉，等.基于LoRa技术的果园物联网系统[J].物联网技术,2021,11(03):74-75+77.[10]韩彪,陈泰儒,刘欢,等.基于农业物联网的柑橘种植果园[J].农业开发与装备,2021(02):100-101.[11]李垚,杨彬,赵国钰.火龙果基地物联网系统及数据管理[J].上海农村经济,2020(11):33-34.[12]曾镜源,洪添胜,杨洲,等.南方果园灌溉物联网实时监控系统的研制与试验[J/OL].华南农业大学学报,2020(06):1-10.[13]关杰文,刘鹏,黄晓丹,等.基于物联网的多功能果园施肥机[J].电子世界,2020(19):152-153.[14]施盛华.基于物联网与图像识别的太阳能果园虫害监测系统研