智能农业实验报告

徐州工业学院学校名：徐州工业学院学校名：徐州工业学院学院：信电系物联网专业学号：姓名：智能农业实验报告目录智能农业实验报告 1传感器模块设计 31传感器模块的现实情况 32传感器模块硬件系统结构 33传感器系统硬件详细设计 4控制模块设计 6智能农业控制系统的主要内容 61.智能农业控制系统的主要特点 72.智能农业控制系统的设计方案 73.智能农业控制系统的测试数据 10安卓程序设计 10设计摘要 10系统集成设计 17调查分析 17设计目标 17设计原则 17传感器模块设计1传感器模块的现实情况随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，特别是Internet的不断普及和Intranet在企业中日益增多，为此，将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有必要和可能。智能传感器网络概念由此而产生。智能传感器网络化技术致力于研究智能传感器的网络通信功能，将传感器技术，通信技术和计算机技术融合，实现信息的采集、传输和处理真正统一和协同。本文研制了一种基于片上系统芯片的传感器模块软硬件设计。2传感器模块硬件系统结构传感器模块(STIM)原理框图如图1所示，主要包括：变送器阵列模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、TEDS模块及TII智能接口等部分。为了增强系统的集成度，设计采用了集成式的片上数据采集系统ADuC812。传感器的输出信号经调理模块放大调理，输入至ADuC812片内的多通道ADC，ADC对相应通道模数转换后，存储于RAM中，然后通过TII智能接口将数据读入NCAP。为了方便TEDS内容的升级与更新，系统采用异步串行口来下载电子数据表格至ADuC812的片内Flash。此外，异步串行口还可用来下载和调试用户程序，方便系统开发。3传感器系统硬件详细设计3.1STIM传感器前端信号采集电路设计温度传感器采用AD公司的AD590芯片实现的，它是单片集成两端感温电流源。其电路原理图如图2所示，其中R1=5.1KΩ，R2=R3=10KΩ，R4=2KΩ，R5和R6分别选10KΩ的电位器。AD590受温度变化产生电流信号时，在电阻R1两端产生电势差，从而在运放输入端产生电压信号，由加法电路进行调节零点漂移；由运放OP07进行比例放大，放大倍数由电位器R6调节，使测试温度范围在0~65℃，输出电压相应为0~2.5V。3.2复位电路设计ADuC812需要外接POR(Power-onreset，上电复位)电路。上电复位电路在电源电压低于2.5V时，要使RESET引脚保持高电平；而且，在电源电压高于2.5V时，RESET引脚保持低电平至少10ms。在本模块中采用专门的POR芯片ADM810设计的POR电路。ADM810是CMOS监控电路芯片，能够监控电源电压、电源故障和微处理器的工作状态。复位信号RESET用于启动或重新启动CPU，在上电期间只要电源电压VCC大于1.0V，就能保证输出高电平电压。在VCC上升期间RESET保持高电平直到电源电压升至复位门(4.65V)以上，在超过此门限后，内部定时器大约再维持200ms后释放RESET，使其返回低电平。无论何时，只要电源电压降低到复位门限以下(即电源跌落)，RESET引脚就会变高，如果在已经开始的复位脉冲期间出现电源跌落，复位脉冲至少再维持140ms。在掉电期间，一旦电源电压VCC降到复位门限以下，只要VCC不比1.0V还低，就能使RESET维持高电平。3.3TII接口模块TII接口是硬件设计的重点，该接口不是一种额外的网络协议，而是连接NCAP和STIM的接口，主要定义二者之间的点对点连接，同步时钟的短距离接口。TII是基于SPI协议的串口通信接口，其中DIN，DOUT，DCLK和NIOE完成通讯功能，NTRIG和NACK实现与STIM有关的通道读写、触发和应答，STIM使用NINT信号要求从NCAP得到服务，NCAP使用NSDET信号检测STIM模块，实现STIM的即插即用。系统采用ADuC812的SPI总线和其它的I/O资源来模拟实现TII十线接口。连接示意图如图3所示。为了实现STIM模块的热插拔，需对TII接口的供电电源进行处理，可以在STIM方面加入热插拔保护电路，当然也可以在NCAP方面加入保护电路。本系统在NCAP方面加入了保护电路。随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，特别是Internet的不断普及和Intranet在企业中日益增多，为此，将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有必要和可能。智能传感器网络概念由此而产生。智能传感器网络化技术致力于研究智能传感器的网络通信功能，将传感器技术，通信技术和计算机技术融合，实现信息的采集、传输和处理真正统一和协同。本文研制了一种基于片上系统芯片的传感器模块软硬件设计。控制模块设计智能农业控制系统的主要内容随着科技的发展，农业生产的现代化程度越来越高。采用科学的方法对农业生产进行智能化管理，准确地对设施农业中的各种环境参数进行监控、获取、控制和调整，能使农作物处于最佳的生长环境，使农作物优质高产[1]。

目前，基于无线传感器网络的农业监测系统的研究比较多[2]，但对于智能农业的研究相对较少，并且很多研究成果都不具有实际可操作性。设计一种基于ZigBee无线传感器网络的智能农业管理系统，将ZigBee技术用于农业系统中对温度、湿度、CO2浓度、光照度等环境因子进行监测，并通过网络将数据传送给管理者，管理者通过计算机或智能手机的系统软件对数据进行分析和处理，实时地了解环境参数值。当系统对数据进行分析后，如果发现某一环境参数超出预设范围，则会发出报警信号和信息来提示管理者，管理者可以直接通过计算机或手机发出控制命令，进而控制加热器、鼓风机、水泵和遮阳网等设备工作，同时采集环境参数，使环境参数达到适当的范围，从而提高农业生产效率，降低人工劳动量，实现农业的智能化管理。

1.智能农业控制系统的主要特点短距离、低复杂度、低成本、低功耗、双向无线通信技术，可在2.4GHz、868MHz和915MHz等3个免费频段上工作，并且最高传输速率分别可达250、20和40kb/s，其各自信道的带宽也不同，分别设有16、1和10个信道，可靠传输距离为10～75m，一般在30m左右。耗电量在休眠状态下仅为1μW。在短距离通信的情况下，其工作状态的耗电量为30mW[4]。为了避免发送数据时的竞争与冲突，联盟在ZigBee的网络层（NWK）制定了星型、树型和网状网3种网络拓扑结构[5]。每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。2.智能农业控制系统的设计方案2.1系统总体结构

智能农业管理系统由ZigBee无线传感器网络、管理中心、终端控制设备3部分组成。系统总体结构图如图1。

ZigBee无线传感器网络通常由网关、路由节点和终端节点构成，网络中通常只有一个节点作为网关，它是网络的核心，负责建立无线网络；路由节点是无线网络中的无线收发器，它负责维护网络内路径和转发通信，并可以对传感器进行配置使其具有数据采集功能；终端节点与路由节点或网关建立连接，配置传感器使其采集数据并配置控制设备。为了降低能量损耗和数据丢失，设计采用了树型网络结构。网络中路由节点和终端节点都配备了传感器，对环境参数进行数据采集。部分终端节点配备了继电器，对鼓风机、水泵、加热器和遮阳网等设备进行控制。

管理中心的PC机或智能手机通过设计的系统软件对传送来的数据进行分析、处理、存储、显示并判断是否超过预警值，如果超过预警值报警并启动继电器，使控制设备开始工作，调整环境参数。

终端控制设备主要是鼓风机、水泵、加热器和遮阳网等设备。通过配备在部分终端节点的继电器对其进行控制，使其对环境参数进行适当调整。

2.2系统硬件设计

2.2.1无线传感器节点硬件设计无线传感器节点主要由供电模块、无线通信模块、串口模块和终端节点模块组成。

供电模块主要负责给各个传感器节点提供电源。由于ZigBee具有低功耗的优点，系统采用太阳能电池和5V锂电池供电。阳光充足时采用太阳能电池供电，阳光不足时采用5V锂电池供电，锂电池供电可以持续使用6个月到两年。通过AMS1117_3.3芯片可为系统提供3.3V的直流电压；通过LM2585芯片可为传感器提供5～24V的工作电压。

无线通信模块主要以CC2430芯片为核心[6]，负责信息和数据的收发，并与其他节点进行无线通信。CC2430是TI公司生产的一种包含了一颗小巧高效的8051控制器和一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心的芯片，它能满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM频段应用。它使用一个8位低功耗、高性能的MCU（8051），具有32/64/128kB可编程闪存和8kB的RAM，还包含4个定时器、模/数转换器、32kHz晶振的休眠模式定时器、掉电检测电路、上电复位电路以及21个可编程I/O引脚等。CC2430芯片的外围电路非常简单，只需少量的外围元器件就能实现对数据的收发和处理，进行无线通信。

串口模块主要是网关，负责无线通信模块和与PC机之间的通信。

终端节点模块主要是终端节点上配置的空气温度传感器、土壤温湿度传感器、CO2浓度传感器和光照度传感器以及部分终端节点上配置的继电器，负责采集环境参数数据和控制加热器、水泵、鼓风机和遮阳网等设备。

2.2.2CC2430与传感器的连接方式结合CC2430芯片自身强大的功能特性[7]和系统对低功耗、高精度、高可靠性和低成本的要求，温度传感器选用DS18B20、温湿度传感器选用SHT11、CO2浓度传感器选用B-530、光照度传感器选用TBQ-6。CC2430芯片与传感器的连接电路如图3。2.2.3继电器的驱动电路加热器、水泵、鼓风机和遮阳网等设备的工作状态都是通过继电器进行控制的。由于CC2430输出的电平值较低，在CC2430和继电器之间要加驱动电路。CC2430输出的控制信号给驱动电路发送控制命令，通过驱动电路来控制继电器中电磁线圈的断开与闭合，从而控制加热器、水泵、鼓风机和遮阳网等设备的工作状态。继电器的驱动电路如图4。当CC2430输出高电平时，三极管处于导通状态，继电器线圈闭合，电路导通，控制设备开始工作。当CC2430输出低电平时，三极管处于截止状态，继电器线圈断开，电路断开，控制设备停止工作。

2.3系统软件设计

2.3.1管理中心软件设计管理中心系统软件是采用微软公司开发的VisualBasic.NET开发工具进行设计的，对节点采集来的实时数据建立数据库进行统一管理。在管理中心可通过设计的软件界面查询到任何一个传感器节点的位置以及实时环境参数值和历史数据，并且软件会自动对传来的实时数据与预设的环境参数值进行比较，如果超过预设的环境参数值，则会报警并发送消息提醒管理者，同时发出信号对终端设备进行控制，自动调节环境参数值。

2.3.2无线传感器节点软件设计无线传感器节点的主要功能是数据采集、网络连接、保持与邻近节点间的通信、检测链路状态和担当部分路由功能。为了降低系统功耗，可采用定时采集数据的方式。在传感器节点设置断点，间歇性采集和发送数据，每完成一次数据采集和发送后进入一段休眠状态，直到下次中断到来唤醒休眠状态，进入工作状态。

3.智能农业控制系统的测试数据启动后显示各节点的实时数据，并对历史数据进行储存，以便分析研究。通过设置按键可对系统各环境参数初始值进行修改、设定。当环境参数值超过预设范围，界面进行显示，报警装置开始工作，提醒工作人员做出相应的处理，并启动终端控制设备对环境参数进行自动调节安卓程序设计设计摘要基于STM32以及Android智能手机APP，实现了简易农业物联网大棚的设计。设计中通过STM32和无线传感器网络的应用，提出并设计了一种通过对大棚内农作物生长的环境信息进行实时监测和调控的系统，在控制设备的干预下，为农作物的生长创造最适宜其生长的环境的设计。1系统功能设计设计分为硬件设计和软件设计两大部分。硬件部分包括STM32单片机与各传感器模块的硬件电路设计;软件设计包括STM32单片机的程序开发，以及Android智能手机上的APP的开发。设计的总体框图如图1所示。1.1硬件的选型和设计物联网大棚的环境节点设计采用性价比较高的STM32F103系列单片机做为微控制器，环境监测传感器和控制设备通过GPIO口、I2C引脚等接口与STM32单片机相连;同时，STM32单片机通过串行口和WiFi模块相连，并通过TCP/IP协议与智能手机进行数据交换，从而实现对大棚内传感器信息的采集和对大棚内各设备状态的控制。1.1.1设计中采用的传感器

1、DHT22一体化温湿度传感器DHT22湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该产品具有超低能耗、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。

2、光照强度模块电路该设计中采用的是较为常用的BH1750FVI光照强度检测模块。其工作温度范围也较广，为-45℃至+85℃，能够满足一般工业生产的条件。同时也具有较高的灵敏的和精确度。此模块采用I²C协议与单片机之间进行数据交互。其可以检测到的光照强度范围为1~65535Lux。

3、土壤湿度传感器土壤湿度传感器又名土壤水分传感器，土壤含水量传感器。土壤湿度传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的工具测量土壤容积含水量，主要用于土壤墒情检测以及农业灌溉和林业防护。以上三种传感器是本设计中将要用到的传感器，他们主要采集周围环境中实时变化的温湿度、光照强和土壤的湿度等农作物生长的环境信息。1.1.2通信相关电路为了解决硬件与软件的通信以及摄像头采集数据的传输，设计中选用了ESP8266WiFi模块。该模块是一款串口转WiFi模块，他能够将单片机的串口通信协议转换成TCP/IP协议，为单片机接入网络提供了可能。又因为其成本低、使用简便、组网方便、易于实现远程数据交互，因此在物联网应用设计中，被广泛采纳使用。1.1.3农业物联网大棚简易模型图在本设计中STM32F103用作核心控制器，用来对DHT22、BH1750FVI和土壤湿度传感器的信息采集与处理，并控制WiFi模块收发工作有序的进行。在设计中起到至关重要的作用。农业物联网大棚简易模型如图2所示。1.2Android客户端APP程序设计Android客户端应用程序作为本农业物联网大棚系统所使用的手机客户端。Android终端程序初步设计总共有1个主页面和3个子界面。3个子界面包括环境信息控制界面、光照强度控制界面和监控摄像头选择界面。现对此APP的子界面及其部分代码进行简要介绍。

1、主页面打开应用程序即可进入到主页面，如图3所示。在主界面上设置有3个触摸按键，当点击这三个不同的触摸按钮时，会触发不同的监听事件，从而调用相关函数，转入对应的子页面当中去。2、“环境信息”子页面设备控制子面如图5所示。界面环境搭建主要通过在lightcontrol.xml文件中，用代码对文件进行布局。使用LinearLayout对界面进行整体布局，其中使用ImageButton对界面中的图片按钮进行基本定义。具体对主界面按钮的控制则由LightControl类完成，该类继承自Activity，通过重载父类的onCreate()方法实现对lightcontrol.xml中各控件的操作，然后分别对其中的ImageButton按钮注册监听事件，即可触发相对应的监听事件，实现手机上两张灯的开关状态的转换，并通过蓝牙发出对应信号，用来对远程的电灯进行开关操作4、视频监控页面点击主页面中的“视频监控”按钮，将进入图6监控点选择页面。5、选择其中某一监控点，系统将跳转至图7监控点界面。电子产品世界6、在监控点界面单击手机菜单键，将出现图8所示Menu菜单栏。在该菜单栏中，支持拍照、3连拍、查看温湿度信息和清除温湿度信息功能，其中拍照后的照片以“xxxx年xx月xx日xx时xx分xx秒.jpg”的格式命名，以方便用户查找，照片存储在SD卡根目录下,当用户单击拍照或3连拍选项时，将在SD根目录下生成图片文件。经PC端和手机端客户测试可知，在单摄像头情况下，系统已基本实现预期设计的功能;在多摄像头情况下，图像数据仍需进一步的压缩处理后才能达到预期传送的目的。2结论本文中的农业物联网大棚的软硬件开发，主要是以AndroidJAVA编程、C语言为主要开发语言，以STM32F103单片机、各种传感器模块、PC机、Android智能手机为硬件平台，实现了HYPERLINK"/news/listbylab