智慧农业物联网系统设计

1、X 11i n it禽手工程参业学供学生：夏培元X 11i n it禽手工程参业学供学生：夏培元系部：物联网学院班级：物联网1404班学号：07CHONGQING COLLEGE OF ELECTRONIC ENGINEERING业设计（报告）课题:智慧农业物联网系统设计装订交卷日期：2017年01月 日摘要随着经济社会的发展，农业已经越发智能化智慧农业是农业生产的高 级阶段是集新兴的互联网、移动互联、云计算和物联网技术为一体，依托 部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、 图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能 决策、智能分析、专家在线指导

2、，为农业生产提供精准化种植、可视化管 理、智能化决策。基于ZigBee技术的智慧农业解决方案，成本低廉，是一般人都能负担 的价格；控制更简单，让每一位刚接触的人都能轻松使用；功耗更低、组 网更方便、网络更健壮，给您带来高科技的全新感受。您的温室大棚规模 越大，基于ZigBee技术的智慧农业解决方案在使用中，要准确及时地操控 所有设备，最值得关注的应该就是网络信号的稳定性。鉴于温室大棚的网 络覆盖区域比较广泛，我们贴心为您呈现物联无线组网！智慧农业能有效 连接物联Internet通信网关和超出物联Internet通信网关有效控制区域 的其它ZigBee网络设备，实现中继组网，扩大覆盖区域，并传输

3、网关的控 制命令到相关网络设备，达到预期传输和控制的效果。基于先进的ZigBee 技术，物联无线中继器无需接入网线，就可自行中继组网，扩散网络信号， 让网络灵活顺畅运行，保障您的所有设备正常运行。主要采集温湿度，从 而控制农植物的水分和光照。关键词:物联网；智慧农业；云计算；物联网架构；ZigBeeAbstractWith the development of economy and society, agriculture has more intelligent wisdom agriculture is the advanced stage of agricultural product

4、ion is a set of emerging Internet, mobile Internet, cloud computing and networking technology as a whole, relying on the sensor nodes deployed in various agricultural production field (environment temperature and humidity, soil moisture, carbon dioxide, intelligent sensing, image) intelligent warnin

5、g, intelligent decision-making, intelligent analysis, expert online guide agricultural production environment and wireless communication network, to provide accurate planting, visual management, intelligent decision for agricultural production.The wisdom of agricultural solutions, based on ZigBee te

6、chnology has the advantages of low cost, is that ordinary people can afford the price control; more simple, let every just contact people can easily use; lower power consumption and the network more convenient and more robust network, to bring you a new feeling of high-tech. The larger the size of y

7、our greenhouse, intelligent agriculture solutions based on ZigBee technology in use, to accurately and timely control of all equipment, the most noteworthy is the stability of the network signal. In view of the greenhouse network coverage area is relatively wide, we are intimate for you to show the

8、combination of wireless networking! Wisdom agriculture can effectively connected IOT Internet communication gateway and beyond Internet communication gateway control regions of other ZigBee network equipment, implementation of relay network, expand the coverage area, and control command transmission

9、 gateway to the network equipment, to achieve the desired effect of transmission and control. Based on the advanced ZigBee technology, the physical wireless repeaters do not need access to the network cable, you can relay network, the proliferation of network signals, so that the network flexible an

10、d smooth operation, to ensure the normal operation of all your equipment. The main collection of temperature and humidity, so as to control the water and light of agricultural plants.Key word： Internet of things; intelligent agriculture; cloud computing; Internet of things architecture; ZigBee目录第一章绪

11、论1.1智慧农业产生背景农业信息技术是我国现代农业科技的重要内容，大力推进“信息化与农 业现代化融合”是我国现代农业发展方向。“农业物联网”即利用物联网 技术，即通过相应的智能传感器设备实时监控农业种植环境，并将各个相 应的数据通过数据采集设备，经过无线网络系统传送到信息控制中心，进 而对农业种植环境进行调节，智能控制农作物健康生长所需环境如温度、 湿度以及光照、土壤温度、含水量，及时灌溉系统。实现农业种植综合生 态信息的自动检测，对环境进行自动监控。1.2物联网技术智能化管理农业是关系着国计民生的基础产业，我国传统农业在向现代农业发展中 面临着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质

12、和质量，改 善生产效益低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应 农业持续发展的需要。因此，关于农业物联网技术的研究势在必行。物联 网是以感知为目的的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。物 联网可以很好地应用到诸多领域，农业即是其中之一。通过在农业种植系统中安装相应的只能控制系统，实现对整农作物种植 环境中各个参数的实时监控，及时掌握农作物生长环境的一些参数，并根 据参数变化适时调控来掌控农作物最佳的生长环境，将生物信息获取方法 应用于无线传感器节点，为温室精准调控提供科学依据。1.3系统简介基于物联网技术的农业种植监控系统核心包括以下几部分：1）感知层：顾名思义，感知层相

13、对于物联网而言，类似于人类的感觉 器官，主要是用于识别物体并进行信息米集。信息感知层通过米用先进的 传感技术，即利用温度、湿度、光照、风速等各种传感器，得到农业生产 过程中的精细化信息，如设施内温度、湿度、光照情况、CO2浓度、土壤湿 度、营养液浓度等信息，是对植物生长状况进行判定的基础。数据感知与 采集，实现种植环境中的土壤湿度、空气温度湿度、光照及自动灌溉系统 的实时感知的试纸传送到ZigBee协调器节点上；2）应用层：信息应用层通过对数据进行科学处理而制定相应的管理决 策，从而实现对农业生产过程的控制。例如利用无线传感器网络获取作物 生长环境的温湿度、光照强度等信息，并对各类信息进行分析

14、，依据制定 的管理策略，与传动机构进行通讯，控制传动机构，进行自动灌溉、施肥、 加温、控光等，同时对异常信息自动报警。该系统负责对采集的数据进行 存储、信息处理和控制指令的下达，为用户提供分析 决策依据，用户可随 时随地提供电脑灯终端进行查询。物联网技术的农业种植环境监控管理系统功能结构框图如图所示。图系统功能结构图第二章总体方案可行性分析由于农村地区村民想摆脱农耕生活，中国东部、南部及中部地区数百 万公顷的农田冬季遭弃耕。农业部的统计资料显示，中国南部16省2150 万公顷农田冬季无人耕种，占16省总耕地面积的以上。中国农业科学院 研究员卢布表示，这一现象可能是因为“农民不愿意把时间花在种地

15、上， 而是想要去城里工作赚更多的钱。”现在新一代的打工潮中不断出现年轻 的90后面孔，但农田里劳作的人们可谓真是书本上读到的“农民伯伯”， 年轻一代的劳动力在农村流失巨大，日出而作日落而息的生活对他们似乎 毫无吸引力。农业作为一个古老的行业，在历朝历代的中国都是立国之本。 中国是一个农业大国，却不是农业强国。土地分散、生产效率低、技术落 后等导致的竞争力不强一直都是阻碍我国农业发展的重要因素。中国农业 大部分还处于靠天吃饭的局面，随着科学技术的发展，农业的工业化、信 息化是趋势所在 目前农业信息化技术在农业中的应用已经从零散的点的 应用发展到全面应用，信息的有效沟通和高效利用使得农业生产系统、

16、农 业管理系统、农业市场系统、农村生活系统等农业系统的运转更加有效、 智慧，物联网技术的发展将真正促成智慧农业的诞生。农业的可持续发展、 和谐农村、农业资源的有效利用和环境保护，这些被不断提及和关注的问 题会得到更优化的解决方法。风险分析区域经济侧重风险分析我国是世界上的农业大国，但乂是耕地严重不足的国家，目前我国人 均耕地面积排名世界第126位，仅占有世界人均耕地面积的40%。因此，发 展智慧农业具有长远和现实意义。我国幅员辽阔，农业自然条件复杂，农业机械化综合水平较低，在农 业生产领域，电子、计算机和信息等技术的应用还较少，因此全面推广智 慧农业尚有一定困难，但可以在规模化和机械化程度较高

17、的地区，如新疆、 黑龙江等地区的大型农场率先开展智慧农业技术应用。对于经济发达、城 市化程度高的地方，要建立合理的土地流转机制，引导农户发展适度规模 经营，进行智慧农业试验，逐步推广智慧农业技术。此外，应广泛建立适 合于家庭联产承包分散经营的智慧农业技术体系，以提高农业生产效益。尤其要提及的是，我国西部地广人稀，有较好的规模经营基础，从自 然条件来说，比较适于开展智慧农业；西部地区占主导的是第一产业，第 三产业并未得到充分发展，但如果发展基于知识之上的新技术，西部的产 业结构可以得到进一步优化；另外西北地区现阶段水资源开发利用方式不 合理，管理落后，灌溉方式不当引起土壤沙化、草场退化和土地次生

18、盐碱 化，目前全国水土流失面积约80%发生在西部，每年新增的荒漠化土地也大 多分布在西部地区。智慧农业系统中在自动监测控制条件下的精准灌溉工 程技术，如喷灌、滴灌、微灌和渗灌等，可大大节约西部水资源利用率。作为长远策略，我国可以县或乡为单位，研究建立区域性土壤养分信 息系统，分区指导当地的养分管理和肥料合理施用，逐步建立起适合小规 模分散经营体制下的智慧农业信息化管理模式。面对我国农业发展相对落后的现状和国际市场的挑战，我国应不失时机地大力发展智慧农业， 使之成为我国农业普及现代信息技术、实现农业现代化的突破口。长期以 来的实践证实，现代农业离不开现代信息技术，后者打造的智慧农业无疑将 改造世

19、界农业，并孕育世界农业未来的新希望。国际经济风险分析分析2016年世界范围内智能农业市场发展状况、智能农业行业特 点和智能农业市场需求。先不谈市场状况如何，单是先前几大国际巨头 的行动就已经让我们预先看到了2016年智能农业行业稳定的发展前景。先来看一组数据：美国农业部最近的调查报告指出，由于国内智慧 农业发展迅速，正在为推动美国农业出口创造更大的盈余。前年发布的 美国2015年贸易数据证实了美国在农作物种植方面的杰出才能。虽然从总体上 看，美国2015年商品和服务贸易逆差进一步扩大，再次下滑近5000亿 美元，但农业出口同比增长了几乎1/3,创造了近400亿美元的贸易盈 余。在2015年，美

20、国农业出口额为1158亿美元，创历史新高。美国农业部长汤姆表示：“如今的数据显示，全球对美国食品和农 产品的需求正在飙升。”他指出，智慧农业每年可为美国农民节约数百 万美元，并避免了使用不必要的化肥和杀虫剂，从而显着降低了规模化 农业对环境的冲击。去年美国农业出口打破纪录，比2013年创造的上 个纪录1148亿美元多出了近10亿美元。第三章系统设计智慧农业物联网技术分析射频识别技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，该 技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内的物品跟踪与信息 共享。射频识别技术在食品行业中主要应用于食品的跟踪和溯源。应用射 频识别技术系统可确保食品供应链的高

21、质量数据交流，可确保食品源的清 晰，实现产品追踪，从而实现质量监控和追溯。同时，射频识别技术与传 感器技术相结合，可以感知食品加工和储藏过程中环境的状态信息，因为 环境因素对食品品质影响很大，记录分析这些因素就显得十分重要。利用 无线通信技术可以方便地把这些状态信息及其变化传递出来。条码技术：条形码是由美国的在1949年首先提出的。它算得上是最古 老最成熟的一种识别技术它也是自动识别技术中应用最广泛和最成功的技 术。由于条形码成本较低有完善的标准体系已在全球散播，所以已经被普遍 接受。条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空按照一定的编码规则（码 制）编制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图

22、形标识符，即条形码 是一组粗细不同，按照一定的规则安排间距的平行线条图形。它的基本工作 原理为，由光源发出的光线经过光学系统照射到条码符号上面，被反射回来 的光经过光学系统成像在光电转换器上，使之产生电信号，信号经过电路放 大后产生模拟电压，它与照射到条码符号上被反射回来的光成正比再经过 滤波、整形形成与模拟信号对应的方波信号，经译码器解释为计算机可以直 接接受的数字信号。磁卡识别技术:我们常用的磁卡是通过磁条记录信息的。磁条技术应用 了物理学和磁力学的基本原理。磁卡技术的优点是数据可读写，即具有现场 改变数据的能力数据的存储一般能满足需要，使用方便、成本低廉。这些优 点使得磁卡技术的应用领域

23、十分广泛，如信用卡、银行ATM卡、现金卡（如电话磁卡）、机票、公共汽车票、自动售货卡等。磁卡技术的缺点是数据存 储的时间长短受磁性粒子极性的耐久性限制使用寿命短、信息容量小，常常 依赖于外界的数据库，另外，磁卡存储数据的安全性一般较低，如磁卡不小 心接触磁性物质就可能造成数据的丢失或混乱，要提高磁卡存储数据的安 全性能，就必须采用另外的相关技术。农业传感器技术是农业物联网的核心，主要用于采集各类农业信息， 包括空气温度、湿度等环境指标参数，畜禽养殖业中的有害气体含量，种 植业中的光、温、水、肥、气等参数，以及水产养殖业中的酸碱度、氨氮、 溶解氧、浊度、电导率等参数。？遥感技术从不同高度的平台上

24、，使用不同的传感器，对地球表层各类 地物的电磁波谱信息进行收集，并进行分析处理。遥感技术利用地面目标 反射或辐射电磁波的固有特性，通过观察目标的电磁波信息以达到获取目 标的几何信息和物理属性的目的。在智慧农业采集地面空间分布的地物光 谱反射或辐射信息，实施全面监测，同时根据光谱信息，进行空间的定性 与定位分析，从而提供大量的田间时空变化信息。？农业信息感知技术在智慧农业中运用最广泛的是无线传感网络。无线 传感网络采用无线通信方式，由部署在监测区域内大量的传感器节点组成， 负责感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息。蓝牙是一种短 距离无线通信技术规范，能够实现数据和语音通信，蓝牙通信带宽

25、为 1Mb/s，一个“蓝牙”主设备最多同时与7个其他的“蓝牙”设备通信，支 持点对点和点对多的连接，使用灵活的无基站组网方式。目前主要的应用 场景有数码相机图像传输，计算机、手机等的交互会议，耳机、游戏机等 的电子娱乐产品等，汽车产品等。Wi-Fi是IEEE定义的无线网络通信的工 业标准，主要特点是可靠性高、速度快，在开放的环境通信距离达到300 m 以上，在相对封闭的环境里通信距离在100 m。组网灵活、成本低、可移动 性好，与现有的有线以太网络非常容易整合。但是其明显的缺点是信号强度影响其稳定性，抗干扰性不好，且设备的功耗非常高。目前，Wi-Fi应用 在如手机、PAD等的便携式电子产品中，

26、有效解决校园网或办公室无线局域 网的无线接入问题。总体设计智能农业控制系统智能农业控制系统的架构如图所示，本模块主要由控制中心、传感中心、 工作中心构成。控制中心由STC90C51芯片作为中枢负责控制传感器与工 作器的工作。 传感中心由温度传感器、湿度传感器、光强传感器、二氧 化碳浓度传感器构成，与控制中心相连，主要负责向控制中心传输数据。工作中心主要由滴灌设备、智能灯和排气扇组成，负责调节大棚的湿度、 光照、温度与二氧化碳浓度。 工作过程：传感中心获取大棚内的模拟信 息传递给控制中心，控制中心根据用户设定的数据的阈值控制工作中心进 而调控大棚内部的环境趋近于用户设定的值。麟据收集I反最控制!

27、 |智慝农业管理平台作用效果图总体功能架构图收费车道的设备主要包括智能控制器、显示器、收费键盘、专用操作 台、电动栏杆、环形线圈、RFID读写天线及辅助设施等，实现数据采集、 外设控制、数据上传及收费等功能。后台服务管理系统设备主要由监控中 心系统服务器、管理工作站等设备组基于物联网的智能停车场管理系统的 设计与实现成，实现对车辆出入场数据、财务管理、各类数据查询、统计 以及报表管理、人员管理和稽核管理等功能。收费车道通过计算机网络与 后台服务管理系统相联。云计算系统云计算指将计算任务分布在资源池上，使应用系统实现根据需要获取 存储空间及软件服务。面对智慧农业中的大量数据，云计算可以实现信息

28、存储资源和计算能力的分布式共享，超级强大的信息处理能力同时也为大 量信息提供支撑。？我国近年来开展云计算对于农业生产的应用，在农业相关领域的 应用都有研究。目前农业云体验平台包括农业信息智能搜索与服务平台和 绿云格平台，通过这2个平台能够实现农业市场信息和实用技术的准确获 取与分析，为农业主管部门、企业及农户个人提供个性化检索，同时提供 全方位的农业生产环境远程管理服务。？数据储存与访问设计系统控制中心（安卓系统）连入以太网，实时的将每个大棚中的环境 信息传递到远程服务器并保存，远程服务器端根据不同的数据来源将数据 存储到数据库中。客户端将设置大棚内部环境参数信息存储到远端的服务器 数据库中，

29、 大棚控制系统读取服务器中的设置参数并通过蓝牙技术反馈到单片机控制 系统中。客户端读取服务器数据库中大棚内部环境近期（每日，每周）的 参数信息并通过折线图显示。系统功能架构智慧农业按照功能细分应用层，管理层，基础功能层与数据层，把整个 复杂的系统从功能逻辑上进行模块化，明确体现了模块内功能点与不同模 块之间的数据交互，调用关系，为后面的数据库设计与详细实现提供了清 晰的思路。系统部署架构云端与智慧农业是web应用，运用需要web服务器。云端部署在云服 务器中，具有公网IP，从外界可以通过网络进行访问，app是访问云端服务器进行数据请求与交换。农场端运行在车场中，与农场内的硬件设备；摄 像头、传

30、感器等组成一个内网系统，通过统一接口，跟云端进行数据交互 与同步。主要硬件设备 介绍CC2530是基于、ZigBee和RF4CE上的一个片上系统解决方案。其 特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530芯片结合了 RF收发器，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他 模块的强大的功能。如今CC2530主要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。其具有多种 运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间 的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。CC253

31、0包括了 1个高性能的GHz DSSS （直接序列扩频）射频收发器 核心和1个8051控制器，它具有32/64/128 kB可选择的编程闪存和8 kB 的RAM，还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测 电路和21个可编程I/O引脚，这样很容易实现通信模块的小型化。CC2530 是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3下电流消耗仅PA，在32 k晶体 时钟下运行，电流消耗小于1 u A。 CC2530芯片使用直接正交上变频发送 数据。基带信号的同相分量和正交分量由DAC转换成模拟信号，经过低通 滤波，变频到所设定的信道上。当需要发送数据时，先将要发送的数据写 入128B的发送缓

32、存中，包头是通过硬件产生的。最后经过低通滤波器和上变频的混频后，将射频信号被调制到，后经 天线发送出去。CC2530有两个端口分别为TX/RX，RF端口不需要外部的收 发开关，芯片内部已集成了收发开关。CC2530的存储器ST-M25PE16是4 线的SPI通信模式的FLASH，可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。工 作电压为到。CC2530温度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的倒 F型天线设计。天线的最大增益为+，天线面积为X。该天线完全能够满足 CC2530工作频段的要求（CC2530 工作频段为）。芯片引脚功能6naRBtASAVDD4即DD1RBtASAVDD4即DD1WDD2

33、RF NRF PAVDD3XQ$C 02XOSC QIAVDD5DVDD2GNDGND GND GNDP1 .5 P1 4P1_3 P1_2AVDD1 28电源（模拟）AVDD2 27电源（模拟）AVDD3 24电源（模拟）图引脚图2-V-模拟电源连接2-V-模拟电源连接2-V-模拟电源连接AVDD4 29电源（模拟）2-V-模拟电源连接AVDD5 21电源（模拟）2-V-模拟电源连接AVDD6 31电源（模拟）2-V-模拟电源连接DCOUPL 40电源（数字）数字电源去耦。不使用外部电路供应。DVDD1 39电源（数字）2-V-数字电源连接DVDD2 10电源（数字）2-V-数字电源连接GN

34、D -接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。GND 1, 2, 3, 4未使用的连接到GNDP0_0 19 数字 I/O 端口P0_1 18 数字 I/O 端口P0_2 17 数字 I/O 端口P0_3 16 数字 I/O 端口P0_4 15 数字 I/O 端口P0_5 14 数字 I/O 端口P0_6 13 数字 I/O 端口P0_7 12 数字 I/O 端口P1_0 11数字I/O端口驱动能力P1_1 9数字I/O端口驱动能力P1_2 8数字I/O端口P1_3 7数字I/O端口P1_4 6数字I/O端口P1_5 5数字I/O端口P1_6 38数字 I/O端口P1_7 37数字 I/O端口

35、P2_0 36数字 I/O端口P2_1 35数字 I/O端口P2_2 34数字 I/O端口P2_3 33数字 I/O模拟端口kHzXOSCP2_4 32数字 I/O模拟端口kHzXOSCRBIAS 30模拟I/O参考电流的外部精密偏置电阻RESET_N 20数字输入复位，活动到低电平RF_N 26 RF I/O RX期间负RF输入信号到LNARF_P 25 RF I/O RX期间正RF输入信号到LNAXOSC_Q1 22模拟I/O 32-MHz晶振引脚1或外部时钟输入XOSC_Q2 23 模拟 I/O 32-MHz 晶振引脚 2第四章总结农业物联网技术的推广应用，也是农业现代化水平的一个重要标志。 在未来的农业生产中，农业物联网系统的应用将更加广泛，农民看到了运 用先进技术带来的效益，将主动选择适合自己农业生产的智能化系统，以 提高农产品产量，增加收益。数据处理系统更加精准化、