精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1、匯報人： 何 棟日 期： 2016年4月13日精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和原理的構(gòu)成和原理2系統(tǒng)主要硬件組成部分系統(tǒng)主要硬件組成部分3精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)軟件組成部分系統(tǒng)軟件組成部分41相關(guān)概念及主要內(nèi)容相關(guān)概念及主要內(nèi)容精細農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture or Precision Farming)，簡稱PA 或PF：是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，它是在信息和知識的基礎(chǔ)上建立起來的，主要是通過獲取農(nóng)作物生長環(huán)境的各項參數(shù)指標，其中農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫濕度、光照、CO2、O2、土壤有機質(zhì)等指標決定了糧食的產(chǎn)量和質(zhì)量，精細

2、農(nóng)業(yè)便是針對以上信息具有時間和空間差異性的特點，分出區(qū)域，區(qū)別對待，按其所需不同，進行定位調(diào)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)，簡稱 WSN：是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分之一，它是一種無線自組網(wǎng)系統(tǒng)是將傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和通信技術(shù)有機結(jié)合為一體的產(chǎn)物，可以實時監(jiān)測環(huán)境中的各項參數(shù)，并對這些數(shù)據(jù)進行比較和處理，最后傳給監(jiān)測人員，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為精細農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域提供很好的幫助，從而實現(xiàn)數(shù)字化的農(nóng)業(yè)管理。監(jiān)測系統(tǒng)：通過將傳感器及其檢測系統(tǒng)、計算機控制器及變量執(zhí)行設(shè)備、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)等信息技術(shù)集于一體以實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的

3、實時監(jiān)控的系統(tǒng)。2 設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分3 設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的硬軟件部分1 設(shè)計精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng) 論文主要內(nèi)容4 系統(tǒng)的整體調(diào)試，和系統(tǒng)的優(yōu)化課題研究內(nèi)容和可行性分析課題研究內(nèi)容和可行性分析32無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和原理無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和原理精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計相關(guān)概念及主要內(nèi)容相關(guān)概念及主要內(nèi)容1系統(tǒng)軟件組成部分系統(tǒng)軟件組成部分4 無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)由上位機及各個采集單元組成，每個采集單元分別包括了采集地表以上各項參數(shù)的溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2 傳感器、O2 傳感器以及地表以下采集土壤溫度、含水量的傳感器和有機質(zhì)含量的測量模塊及處理器Cor

4、tex-M3 和SZ05-ZigBee 無線數(shù)傳模塊等，系統(tǒng)硬件框圖如下所示：系統(tǒng)功能參數(shù)本系統(tǒng)目的是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)中對農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，利用嵌入操作系統(tǒng)來管理整個監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)各項功能參數(shù)如下：1. 工作溫度：-4050之間。2. 工作濕度：0100%RH。3. 工作光照強度：0300000lx。根據(jù)系統(tǒng)的功能參數(shù)來選擇微處理器，無線數(shù)傳模塊以及各個傳感器。現(xiàn)場環(huán)境中采集各個傳感器數(shù)據(jù)的中心點是STMF107 微處理器，微處理器不僅控制前端各個傳感器部分，同時控制后端ZigBee 短距離無線數(shù)傳模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)主要分為兩大部分，第一部分是地表以上空氣中的二氧化碳、氧氣、光照、溫濕度，第二

5、部分時地表以下的土壤溫度、含水量，以及土壤有機質(zhì)，ZigBee 模塊采用的是上海順舟科技的無線數(shù)傳模塊，微處理器接收到各個傳感器采集來的數(shù)據(jù)，通過STM32F107 自帶的A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號數(shù)字化，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后通過ZigBee 無線通信模塊把數(shù)據(jù)傳送給上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)控，為監(jiān)測人員提供詳細的各項環(huán)境因子。本文設(shè)計的精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采用的ZigBee 模塊，由一個中心節(jié)點和一個終端節(jié)點構(gòu)成。組網(wǎng)成功后，通過傳感器終端節(jié)點采集農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫濕度、光照、CO2、O2、土壤有機質(zhì)等參數(shù)的信息，采集到的信息可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點，并且也通過液晶屏顯示由串口傳送到監(jiān)測中心，通過

6、上位機軟件，將傳來的數(shù)據(jù)顯示出來。本文用到的兩塊ZigBee，一塊ZigBee 模塊與上位機相連，它的接口為232，節(jié)點類型是終端節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)類型采用星形網(wǎng)，地址編碼是ASCII，發(fā)送方式采用主從方式，波特率是9600Hz。另一塊ZigBee 模塊與微處理器STM32 相連，接口是485，節(jié)點類型是中心節(jié)點，發(fā)送方式是廣播，通過兩個ZigBee 模塊分別與微處理器和上位機的通信，可以把由微處理器采集、處理的數(shù)據(jù)安全可靠的傳送給上位機，達到實時測試、比較的目的。上位機采用的美國國家儀器有限公司的LabVIEW 編寫，該界面編寫簡單，界面形象，此程序有組網(wǎng)、遠程控制、接收數(shù)據(jù)、進行參數(shù)對比、利用曲線

7、進行對環(huán)境因子的分析等實時監(jiān)測各項環(huán)境參數(shù)的功能。當采集的數(shù)據(jù)與設(shè)置好參數(shù)的上下限進行比較時，環(huán)境因子超過科學設(shè)定時便會報警，與此同時，上位機也提供了現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的歷史曲線圖，方面隨時掌握監(jiān)測現(xiàn)場的情況，以及數(shù)據(jù)的比較和分析。系統(tǒng)軟件組成部分系統(tǒng)軟件組成部分4研究背景和意義研究背景和意義13系統(tǒng)主要硬件組成部分系統(tǒng)主要硬件組成部分精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和原理的構(gòu)成和原理2傳感器：傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制

8、等要求。傳感器的特點包括:微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。 傳感器的主要特性傳感器的主要特性動態(tài)特性分辨率靈敏度是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應(yīng)來表示。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，因此傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。是指傳感

9、器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況傳感器下輸出量變化y對輸入量變化x的比值。它是輸出-輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。運算放大器：運算放大器（Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合差模（差動模

10、式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運算電路中，因而得名。一個理想的運算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運算放大器如下圖所示：一個運算放大器模組一般包括：一個正輸入端(OP_P)、一個負輸入端(OP_N)、一個輸出端(OP_O)。運算放大器的分類： 開環(huán)回路放大器 反相負反饋 閉環(huán)負反饋 反相正反饋 閉環(huán)正反饋輸出與輸入電壓的關(guān)系式下Vout = ( V+ -V-) * Aog 其中Aog代表運算放大器的開環(huán)回路差動增益Vout = -(Rf / Rin) *

11、VinVout = (R2 / R1) + 1) * Vin開環(huán)回回路運算路運算放大器放大器反相閉環(huán)閉環(huán)放大器放大器非反相閉閉環(huán)放大器環(huán)放大器名稱名稱特點及應(yīng)用特點及應(yīng)用通用型運算放大器價格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運算放大器。高阻型運算放大器具有差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點。低溫漂型運算放大器具有失調(diào)電壓小且不隨溫度的變化而變化的特點，應(yīng)用于精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中。高速型運算放大器具有轉(zhuǎn)換速率SR高,單位增益帶寬BWG大的特點，應(yīng)用于快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中。低功耗型運算放大器

12、具有低電源電壓供電、低功率消耗的特點，應(yīng)用于電子電路集成化中。高壓大功率型運算 放大器不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流的特點，運算放大器的輸出電壓不受供電電源的限制?？删幊炭刂七\算 放大器只需改變運算放大器得放大倍數(shù)，就可得到固定電壓得輸出,解決儀器儀表的使用過程中所涉及到量程得問題。按照集成運算放大器的參數(shù)來分,集成運算放大器可分為如下七類：因為理想運放的電壓放大倍數(shù)很大，而運放工作在線性區(qū)是一個線性放大電路，輸出電壓不超出線性范圍（即有限值），所以，運算放大器同相輸入端與反相輸入端的電位十分接近相等。在運放供電電壓為15V時，輸出的最大值一般在1013。所以運放兩輸入端的電壓差，在

13、1mV以下，近似兩輸入端短路。這一特性稱為虛短，顯然這不是真正的短路，只是分析電路時在允許誤差范圍之內(nèi)的合理近似。由于運放的輸入電阻一般都在幾百千歐以上，流入運放同相輸入端和反相輸入端中的電流十分微小，比外電路中的電流小幾個數(shù)量級，流入運放的電流往往可以忽略，這相當運放的輸入端開路，這一特性稱為虛斷。顯然，運放的輸入端不能真正開路。 虛 短 虛 斷運用“虛短”、“虛斷”這兩個概念，在分析運放線性應(yīng)用電路時，可以簡化應(yīng)用電路的分析過程。運算放大器構(gòu)成的運算電路均要求輸入與輸出之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系，因此均可應(yīng)用這兩條結(jié)論。如果運放不在線性區(qū)工作，也就沒有“虛短”、“虛斷”的特性。如果測量運放兩輸

14、入端的電位，達到幾毫伏以上，往往該運放不在線性區(qū)工作，或者已經(jīng)損壞。空氣溫濕度采集電路設(shè)計空氣中采集溫濕度的傳感器采用的傳感器AM2301，該傳感器輸出信號是數(shù)字信號。因為溫度對濕度有很大的影響，所以需要對濕度值進行溫度補償，該傳感器與微處理器之間的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式，測量分辨率為16bit，傳感器的采樣周期不低于2s，在連接硬件電路時，信號線接3k 的上拉電阻，目的是提高信號的質(zhì)量，空氣溫濕度采集原理圖如圖3-1 所示。土壤溫度含水量采集電路設(shè)計土壤中采集溫度、含水量的傳感器是NHSF48 土壤水分傳感器，NHSF48 土壤水分傳感器是通過測量體積百分比來得出土壤水分含量的，模擬輸出，電

15、壓輸出范圍為02V，工作電壓是524V，適用于多種土質(zhì)，具備電源反接保護功能。土壤溫度含水量采集電路如圖3-2 所示。其中OUT1 輸出土壤溫度，OUT2 輸出土壤含水量，溫度換算關(guān)系： T = 60U 40 式中：T為當前輸出溫度值，單位是；U為測量電壓，單位是V；60、40常數(shù)。含水量換算關(guān)系： RH = 0.5U 式中：RH為土壤當前的含水量，單位是%；U為測量電壓，單位是V；0.5為常數(shù)CO2 采集電路設(shè)計CO2 采集部分使用了TGS4161 傳感器，測量范圍35010000ppm，靈敏度4472mV，測量精確度在10000ppm 下CO2 約20%，檢測前需預(yù)熱大約12h，因為它根據(jù)

16、電解質(zhì)原理設(shè)計的傳感器，所以為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，預(yù)熱時間越久越好，CO2 采集電路原理圖如圖3-4 所示。O2 采集電路設(shè)計O2 采集部分采用了7ox-v 傳感器，該傳感器測量范圍為025%，響應(yīng)時間小于15s，輸出信號范圍為0.1950.25mA 的電流信號。其特點是響應(yīng)快，通信距離遠，安裝使用方便，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境監(jiān)測方面。O2 采集的原理圖如圖3-5 所示。 op07的功能介紹：Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏

17、置電流低（OP07A為2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。土壤有機質(zhì)采集電路設(shè)計 土壤有機質(zhì)采集電路采用的是光電傳感器PC10-6T05，工作原理是通過波長850nm 的發(fā)光二極管照射到被測土壤，由于不同有機質(zhì)含量的土壤反射光強不同，導(dǎo)致最后光電二極管輸出電壓不同，不同的電壓對應(yīng)不同的有機質(zhì)含量。檢測土壤有機質(zhì)的紅外波長應(yīng)是850nm，由于市面上沒有波長精度是850nm 的發(fā)光二極管， 本系統(tǒng)采用的光電二極管峰值波長為900nm，二者值比較近，所以在850nm 處響應(yīng)也比較

18、高，該硅制光電傳感器的特點是響應(yīng)度高，體積小，重量輕，便于集成，工作穩(wěn)定可靠，而電路中放大器采用的是一種低噪聲，原理是非斬波穩(wěn)零的雙極性(雙電源供電)運算放大器集成電路的OP07 芯片。輸入失調(diào)電壓較低(最大為25V)，輸入偏置電流較低(2nA)，不需額外的調(diào)零措施，開環(huán)增益高(300V/mV)，適用于放大傳感器的微弱信號和高增益的測量設(shè)備等方面是芯片OP07 的特點。故選擇OP07，土壤有機質(zhì)采集電路原理圖如圖3-6 所示。研究背景和意義研究背景和意義1系統(tǒng)主要硬件組成部分系統(tǒng)主要硬件組成部分34系統(tǒng)軟件組成部分系統(tǒng)軟件組成部分精細農(nóng)業(yè)多參數(shù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感

19、網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和原理的構(gòu)成和原理2下面是對整個系統(tǒng)軟件設(shè)計過程的具體描述。本系統(tǒng)主要采用的是C 語言對ARM 編程，內(nèi)部有很多寄存器，具體軟件工作流程如下：1. 程序開始后，首先要初始化微處理模塊的系統(tǒng)時鐘以及各個模塊的時鐘、定時器、A/D 等，2. 讀取各個傳感器采集空氣及土壤中的參數(shù)，并把各項參數(shù)發(fā)送給ZigBee 數(shù)傳模塊，3. ZigBee 模塊接收，并完成數(shù)據(jù)通信。4. 液晶顯示器也可實時的顯示空氣溫濕度、光照、CO2、O2 以及土壤中溫濕度、有機質(zhì)參數(shù)的動態(tài)變化。軟件設(shè)計總體流程圖如下圖所示：成功建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是ZigBee 短距離無線通信技術(shù)及其自組網(wǎng)技術(shù)。ZigBe

20、e 是一種基于IEEE 802.0.4 技術(shù)標準與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它比其他的無線通信技術(shù)有更低的功耗和低成本等優(yōu)勢。綜合以上各方面的因素，所以采用ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過本文設(shè)計的農(nóng)作物生長環(huán)境多參數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點和路由節(jié)點采集溫濕度、光照強度、CO2，O2，土壤有機質(zhì)等參數(shù)的信息，采集到的信息通過協(xié)調(diào)器節(jié)點經(jīng)串口 RS232 傳送到監(jiān)測中心，最后由上位機顯示傳送來的數(shù)據(jù)。并且所組網(wǎng)絡(luò)具有靈活可靠的特性。上位機的監(jiān)測中心系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：1. 數(shù)據(jù)顯示2. 保存和查看歷史數(shù)據(jù)3. 顯示歷史數(shù)據(jù)的圖像為了便于用戶使用系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用LabVIEW 8.20 編寫上位機軟件，設(shè)計了功能齊全、操作方便、界面友好的上位機操作界面。該款軟件是美國國家儀器推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，它自帶例如Web 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、數(shù)據(jù)釆集、數(shù)據(jù)分析顯示及數(shù)據(jù)存儲、串口通信等