關于傳感器在農(nóng)業(yè)方面的應用和設計

關于傳感器在農(nóng)業(yè)方面的應用和設計作者姓名：指導教師：專業(yè)：濟南工程職業(yè)技術學院摘要物聯(lián)網(wǎng)可以利用先進的數(shù)據(jù)收集技術，數(shù)據(jù)傳輸技術和大數(shù)據(jù)技術來快速，清晰，高效地交付人們擔心的信息。作為一項新技術，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術仍處于起步階段。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)通常使用相對落后的農(nóng)業(yè)工具進行耕作和澆水，并且大多數(shù)加工時間都是基于經(jīng)驗的，這不利于農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展。利用物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可以利用各種傳感器和通信設備來測量植物生長環(huán)境參數(shù)，做出有關植物需求的準確決策，然后控制環(huán)境中的植物生長，從而最好地指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本文研究并設計了一種用于多傳感器農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的物理模型?；诂F(xiàn)場測試，設備性能滿足通用系統(tǒng)要求，系統(tǒng)可以獲得用戶云數(shù)據(jù)的采集，上傳和審計功能。該系統(tǒng)有望用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運營，以監(jiān)測農(nóng)業(yè)溫室植物的生長環(huán)境，并指導作物生產(chǎn)的管理。它具有一定的理論和實踐意義。關鍵詞：溫室大棚；傳感器；數(shù)據(jù)采集目錄TOC\o"1-3"\h\u31178摘要 2192831緒論 4278791、1研究背景和意義 420651、1、1研究背景 4121751、1、2研究意義 492312多傳感農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系框架與關鍵技術 5173622、1多傳感農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎體系架構 6292332、1、1感知層 6281082、1、2傳輸層 760852、1、3應用層 7288443多傳感農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設計 866383、2傳感器的選型 863913、2、1二氧化碳溫濕度傳感器 8100803、2、2光照傳感器 996713、2、3水位傳感器 923373、3執(zhí)行器選擇 10289473、3、1溫度補償 10148893、3、2濕度補償 11305443、3、3C02濃度補償 13258733、3、4光照補償 1384163、4硬件電路設計 14164353、4、1電源模塊 1410633、4、2RS232串口調(diào)試電路 15173933、4、3I/O口設計 16197913、5數(shù)據(jù)網(wǎng)關設計 178430致謝 2031658參考文獻 211緒論1、1研究背景和意義1、1、1研究背景農(nóng)業(yè)是社會發(fā)展和進步的基礎的任何地方。然而，近年來，由于土壤侵蝕，荒漠化和任意占用耕地，中國的耕地面積一直在下降。據(jù)統(tǒng)計，中國人均耕地不到1.35畝，僅占世界平均水平的40％。中國超過13億的人口也給農(nóng)業(yè)部門帶來了巨大壓力。與大型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟體和海外產(chǎn)業(yè)相比，中國的大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍是小農(nóng)經(jīng)濟，每個經(jīng)營者的土地都很少。這是土地使用率低的商業(yè)模式。由于技術落后，許多農(nóng)民仍在使用簡單的耕作工具，生產(chǎn)率非常低，人力資源被浪費。不僅泛濫，使用農(nóng)藥和焚燒秸稈但只有更少的利潤但這也對環(huán)境構成威脅。因此，迫切需要提高中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。為了改善這種現(xiàn)象，必須創(chuàng)建綠色和綠色的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。這就需要先進的制造理念和科學技術作為支撐。通過采用物聯(lián)網(wǎng)的概念，全球范圍內(nèi)對信息收集和與信息交互的需求增加了。作為實現(xiàn)萬物互聯(lián)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在不斷發(fā)展。中國的農(nóng)業(yè)工人正在逐步建立一個環(huán)境友好的智能農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)，改變了以前廣泛的種植理念，重塑了產(chǎn)業(yè)，并在確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)量的同時大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。1、1、2研究意義作為一種先進的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設備，溫室能夠根據(jù)植物的有效生長參數(shù)并使用提出的相關設備，為植物的生長創(chuàng)造最佳的氣候和環(huán)境條件。7.隨著農(nóng)業(yè)技術的不斷進步，農(nóng)業(yè)溫室的數(shù)量不斷增加，對溫室的管理和監(jiān)測的要求也越來越高。結構簡單，缺乏配套設施??，需要大量的勞動力參與生產(chǎn)過程，并依靠管理經(jīng)驗和缺乏遠程監(jiān)控系統(tǒng)。這是耗時且費力的事情，并且難以確保正確地及時進行調(diào)整和控制。必須專業(yè)技術人員一直在監(jiān)視和觀察，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高。在過去的幾年中，我國的溫室環(huán)境監(jiān)測技術取得了一些成果。但是，也存在一些缺點，例如溫室環(huán)境的重組程度低和網(wǎng)絡連接不足[3.國際溫室環(huán)境監(jiān)測技術具有很強的智能性，并且自動化程度很高。但是，入門成本很高，并且安裝和維護很復雜。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術被應用于溫室環(huán)境監(jiān)測研究以及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)，其成本合理，能夠實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測與控制。提高我國農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)測水平的原則。在實踐中的意義。2多傳感農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系框架與關鍵技術物聯(lián)網(wǎng)是信息時代的產(chǎn)物。出現(xiàn)是實現(xiàn)萬物之間聯(lián)系的絕佳機會。借助物聯(lián)網(wǎng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和工業(yè)化得到了突飛猛進的發(fā)展。但是，與其他領域相比，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的復雜性和農(nóng)作物的多變性，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對這項技術提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要建立完整的“種植－種植－運輸－銷售”監(jiān)控網(wǎng)絡，以便能夠真正控制產(chǎn)品的質(zhì)量。但是，在我們國家“生活經(jīng)驗和感受”仍然是農(nóng)業(yè)的主要手段，因此，必須建立符合我國國情的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以促進我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特殊性和復雜性方面，本章將深入分析農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本需求和技術，并定義多傳感器農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體框架。2、1多傳感農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎體系架構農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以通過網(wǎng)絡連接各種傳感器，將傳感器收集的數(shù)據(jù)上傳到云中，并在經(jīng)過相應處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送回農(nóng)業(yè)用戶，以便農(nóng)民可以檢測到它們。田間農(nóng)作物無需離開屋子另外，通過在檢測到不方便的植物生長環(huán)境時放置一些反饋裝置，農(nóng)民可以通過自動控制系統(tǒng)進行遠程控制或采取相關措施，從而大大降低了農(nóng)業(yè)工人的勞動成本，提高了生產(chǎn)率。與物聯(lián)網(wǎng)的結構一樣，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也分為三個層次：意識層，傳輸層和應用層。圖中顯示了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本系統(tǒng)架構。2、1、1感知層感知層負責類似于物聯(lián)網(wǎng)的“皮膚”和“五官”，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息和傳輸信息的最關鍵部分，也是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術瓶頸所在。目前，采集信息的主要工具是各種各樣的傳感器和攝像頭等工具，然后通過藍牙，Zigbee無線網(wǎng)絡，3G網(wǎng)絡，Wif等短距離無線傳輸技術、有線傳輸工具將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關[50.感知層通過裝置實現(xiàn)了將物理信息轉換為網(wǎng)絡上的數(shù)字信息，為網(wǎng)絡控制提供了基礎。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要采集的農(nóng)業(yè)信息主要有：①環(huán)境狀況信息：溫度、濕度、cO2濃度等；②地理位置信息：GPS，北斗等定位信息等；③產(chǎn)品識別信息：RFD射頻識別等；④設備運行信息：水流流量計等。2、1、2傳輸層傳輸層作為物聯(lián)網(wǎng)體系中的“大腦”，主要負責信息的傳輸與處理。作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三層體系的中間層，它是溝通信息感知層與應用層的“橋梁”。傳輸層的信息傳輸分為有線傳輸和無線傳輸，信息處理的平臺一般為局域網(wǎng)，移動互聯(lián)網(wǎng)，信息處理中心，網(wǎng)絡管理中心等。該層的主要任務是通過移動通信網(wǎng)絡、無線傳感網(wǎng)絡、衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡等網(wǎng)絡基礎設施，確保信息感知層采集到的信息可靠傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。因此，可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸技術是目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要提高的領域。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境多變，氣候變化較大，對數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大影響，普通無線信號會受很大干擾：此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對實時性要求較低。這些特點意味著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要采用獨特的傳感網(wǎng)絡才能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。2、1、3應用層應用層是物聯(lián)網(wǎng)體系的最上層，起到處理信息與決策的作用。應用層將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動緊密聯(lián)系起來，通過對來自傳輸層的信息的分析處理，然后通過對各種設備的控制，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)的智能化管理。農(nóng)作物種類繁多，氣候變化復雜，這些將會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。應用層需要根據(jù)用戶需求和特點，運用物聯(lián)網(wǎng)技術，開發(fā)出能夠解決農(nóng)業(yè)問題的方案。對于采集到的信息，應用層需要對其進行分析處理，搭建出相應的網(wǎng)絡云平臺。云平臺需要向用戶提供一些基礎應用和軟硬件環(huán)境，實現(xiàn)信息搜索，信息展示，決策管理等功能。3多傳感農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設計3、2傳感器的選型傳感器作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感官系統(tǒng)，起著搜集周圍環(huán)境信息，探測環(huán)境變化的重要作用，各國也越來越重視在傳感器領域的發(fā)展。但傳感器種類繁多，功能和性能不一，正確選擇合適的一款傳感器對實驗研究至關重要。3、2、1二氧化碳溫濕度傳感器在農(nóng)業(yè)大棚中，二氧化碳濃度、溫度、濕度是必須要檢測的重要參數(shù)。它們的變化直接影響著大棚內(nèi)作物生長情況。傳感器種類繁多，應用廣泛。而這三個參數(shù)都為空氣環(huán)境參數(shù)，因此要選用非接觸式傳感器。同時，傳感器也應該注意對潮濕環(huán)境一定的耐受性。因此，在本次實驗中，本文采用建大仁科的二氧化碳溫濕度一體變送器，型號為RS-CO2WS-N01-2，該產(chǎn)品采用三合一的設計，體積小，功耗低。該傳感器采用新型紅外檢定技術對濃度進行測量，反應靈敏，解決了傳統(tǒng)電化學傳感器壽命低及靈敏度低的缺陷，在農(nóng)業(yè)大棚等需要對Co2和溫濕度進行監(jiān)測的場合極為適合。此外，傳感器采用485串口通信，符合標準ModBus-RTU通信協(xié)議，傳輸距離遠；安全等級高，能適應各種惡劣環(huán)境，實物圖如圖3、2、2光照傳感器顧名思義，光照傳感器是測量光照強度的儀器。光照是綠色植物進行光合作用的基礎。過于強烈或太弱的光照都不利于植物生長。因此，對光照也需要進行一定的控制。本文選用的是建大仁科的光照度傳感器，型號為RS-GZ-120-2，該傳感器是一款光精度變送器，輸出數(shù)值計量單位為Lux，采用防水外殼，安全等級高。4-20mA模擬量輸出，10-30V直流電壓供電。具體技術指標如表，實物圖如圖3、2、3水位傳感器水位傳感器是基于液體靜壓和水位高度成正比的原理，采用陶瓷敏感材料的壓阻效應，將靜壓轉換為電信號，在本系統(tǒng)中，水位傳感器在閘門前和后各放置一個，可以測出在水位穩(wěn)定后兩側的水位高度，進而通過閥孔出流模型計算出閘門的流量。水位傳感器為兩線制，穩(wěn)定性好，精度高。具體規(guī)格參數(shù)如表：3、3執(zhí)行器選擇3、3、1溫度補償溫度對作物生長起著至關重要的作用，只有在適合的溫度下，農(nóng)作物才能獲得良好的產(chǎn)出。因此，在大棚農(nóng)業(yè)中，嚴格控制大棚內(nèi)溫度變化是非常有必要的。溫度過低，作物容易枯死，萎縮；溫度過高，作物易腐爛。同時，不同的植物對溫度需求也不一樣，要根據(jù)種植作物不同，及時調(diào)整溫度補償策略（如圖）。溫度傳感器負責檢測大棚內(nèi)溫度變化，每隔10秒上報一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)點獲取到數(shù)據(jù)后進行分析，與設定的標準溫度范圍進行對比。通過設計算法，判斷出此時大棚內(nèi)溫度是否合適。溫度較高時，系統(tǒng)主要采用通風降溫的方法。大棚薄膜設置有專門通風窗口，上有卷簾覆蓋，通風時，卷簾會自動卷起，為大棚提供通風條件。溫度較低時，需要采用人工增加熱量的方式。大棚內(nèi)設置有專用熱風機，熱風機工作吹出熱風并促進空氣流動，達到升溫的目的。3、3、2濕度補償水是生命的源泉，是植物的主要組成成分。農(nóng)業(yè)蔬菜含水量大多在60%90%?？梢哉f，農(nóng)作物生長環(huán)境濕度直接決定作物生長狀況。因此，嚴格監(jiān)控空氣濕度和土壤濕度對建立良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)極為重要。不同作物在不同生長階段對濕度的要求都有不同，有必要設置濕度補償裝置，對濕度進行嚴格控制。依照農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境和己有的設備，制定了如圖濕度補償策略：空氣濕度的處理主要是空氣噴霧器加濕和通風去濕，控制較為簡單。土壤濕度控制需要用到水閥進行灌溉，涉及到復雜的水力學知識。在澆水時，需要把握的原則是：不早不澆，澆則澆透。也就是說，只有在檢測到大棚內(nèi)土壤干燥時，才能夠進行澆水，否則是不能澆水的。同時，澆水的多少需要嚴格控制，因此，對水閥進行了一下要求：①通過控制器控制步進電機的正反轉（閘門的提落），并能精準的控制提落高度（單位以米為單位，例如閘門在全閉狀態(tài)，輸入0.50米，即提升50公分）；②閘前、閘后安裝水位計（水位計必須安裝于穩(wěn)流管內(nèi)）；通過閘前、閘后水位差，閘門開度（提升高度），堰流公式，實時顯示流量，并根據(jù)閘門開啟時間計算總流量。根據(jù)要求，系統(tǒng)要求可以通過控制閘門高度控制水流量。結合相關水力學知識，該系統(tǒng)需要符合閘孔出流模型，如圖3、3、3C02濃度補償Co2在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中擔任重要角色，是綠色植物進行光合作用合成有機物的重要原料。目前，大氣中的CO2濃度遠遠低于植物所需要的最合適濃度。因此，在大棚中，經(jīng)常需要對農(nóng)產(chǎn)品進行CO2濃度補償。傳感器檢測大棚內(nèi)CO2濃度變化，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)點數(shù)據(jù)處理后若發(fā)現(xiàn)濃度偏低，則會下發(fā)命令，打開cO2濃度補償器，提高大棚內(nèi)的cO2濃度。補償策略如圖.3、3、4光照補償光照強度對植物生長會產(chǎn)生很大影響。一切綠色植物必須在光照下才能進行光合作用，進而合成有機物，促進自身的生長。然而，光照不是越強越好；光照過強會燒傷植物：光照過弱會減緩光合作用，不利于生長。因此，在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，需要合理控制大棚內(nèi)部的光照強度，是作物生長在適宜的環(huán)境中。光照傳感器測量大棚內(nèi)的光照強度；光照過強時，放下卷簾，減少進光量：光照過弱，打開燈光，進行補光，補償策略如圖3、4硬件電路設計多傳感農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集節(jié)點的硬件主要是以STM32F103C8T6芯片為核心，周圍分布有電源模塊，接口模塊，調(diào)試編程模塊以及MESH無線模塊。模塊式電路便于設計和大批量加工，同時也為后期編程調(diào)試提供了便利，提高了開發(fā)效率。3、4、1電源模塊信息采集節(jié)點分布在各個大棚中，和其他與之相連的傳感器一起接受24V電源直供的電線連接方式。大棚內(nèi)布線方便，能夠保證設備的持續(xù)工作。在電源模塊內(nèi)設有LMR16030降壓器和TLV62568DBVR穩(wěn)壓器，可以將提供的24V直流電源轉換為5v和3.3V電源，以供不同電氣元件使用。電源轉換模塊原理圖如圖3、4、2RS232串口調(diào)試電路RS232是一種主流的串口通信接口，由美國電子工業(yè)聯(lián)盟制定相關標準。RS232總線標準共設有25條信號線，在標準中規(guī)定了每條線的電平和輸出信號類型。在工業(yè)應用中，一般只用到數(shù)據(jù)接收線（RXD），數(shù)據(jù)發(fā)送線（TXD）和一根地線（GND），RS232串口的數(shù)據(jù)傳輸速率有一定標準，主要是50、75、100、150、300、600，1200，2400，9600，19200，38400波特率等。此處，實驗中用到的是19200波特傳輸速率。在本實驗中，主要利用RS232串口對實驗程序進行調(diào)試。通過編程對接口進行定義，從而實現(xiàn)程序運行過程，通過RS232串口調(diào)試工具實時打印輸出想要的數(shù)據(jù)。調(diào)試界面如圖，從中可以得到調(diào)試過程中傳感器所采集到的信息。3、4、3I/O口設計I/O接口是設備之間數(shù)據(jù)交換的通道，可以通過編程控制其工作方式。對于大多數(shù)傳感器設備而言，其檢測的信號為數(shù)字量或者模擬量。數(shù)字量只有兩種狀態(tài)，0和1。數(shù)字信號的抗干擾能力較強，傳輸距離遠。模擬量一般輸出為電流信號或者電壓信號，容易受外界環(huán)境干擾。同時，由于計算機采用"0""1"二進制編碼，在對模擬量進行控制時，需要對模擬量進行數(shù)字轉換，即A/D轉換。在STM32F103C8T6中，一共有8個DIO和3個A10，每個接口都需要在程序對其進行定義才能夠正常使用，讀取其數(shù)據(jù)。在本實驗中，因為所選用的光照傳感器和土壤傳感器的輸出信號為模擬量型信號，因此只有AIO口被使用。輸入信號為4-20mA電壓信號。圖為DIN2和DIN3接口電路。3、5數(shù)據(jù)網(wǎng)關設計網(wǎng)關是連接云端和底層信息采集節(jié)點的重要設備，在整個農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中極為重要的一部分。在此次實驗中，網(wǎng)關選用的是G-BLC1000型號控制器，實物如圖所示。網(wǎng)關獲取節(jié)點的上傳數(shù)據(jù)，再將信息數(shù)據(jù)打包、分割處理，最后通過網(wǎng)線上傳得到云端服務器。云端服務器在通過數(shù)據(jù)分析和決策之后，新的命令通過網(wǎng)關下傳到節(jié)點，由節(jié)點控制相應執(zhí)行裝置運作。數(shù)據(jù)網(wǎng)關采用T1（德州儀器）公司的ARM335芯片，其內(nèi)核為ARM-Cortex-A8處理器。該處理器基于ARMv7架構，支持雙核技術，性能高，價格低廉。該芯片具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)運算和處理性能，能夠實現(xiàn)高效運行。其主要性能如下：采用ARMCortexA8內(nèi)核，最高主頻可達720MHZ帶24位LCD控制器和觸摸屏控制器帶有2個具有PHY的USB2.0高速OTG最多支持6個UART3多達2個控制器局域網(wǎng)集成2個PRU模塊數(shù)據(jù)網(wǎng)關上搭載有MESH模塊，同樣采用美國凌力爾特公司的LTPS902-P芯片，負責和數(shù)據(jù)網(wǎng)點進行連結，進行數(shù)據(jù)的傳輸。致謝在畢業(yè)后期，我對老師和同學說的話太多了，所以我在論文中寫了這些話。首先，我要感謝我的老師。從開學到現(xiàn)在，每次遇到困難我的老師都會出來?，F(xiàn)在我要非常感謝我們的老師！謝謝！陪我度過大學難關。感謝我的論文指導老師。當我寫論文時，您為我的論文投入了大量的時間和精力。我會永遠記住的。謝謝您提供指導。老師總是認真地指導我們。您的豐富知識，扎實的學術能力和嚴格的工作作風深深地打動了我。在此，我表示衷心的感謝。在寫論文的同時，我也得到了許多同學的寶貴意見。由于論文寫作水平有限，可能存在許多遺漏和不足之處，還懇請老師進行指導和糾正。參考文獻[1]Barcelo-Ordinas」M，ChanetJP，Hou