关于传感器在农业方面的应用和设计

关于传感器在农业方面的应用和设计作者姓名：指导教师：专业：济南工程职业技术学院摘要物联网可以利用先进的数据收集技术，数据传输技术和大数据技术来快速，清晰，高效地交付人们担心的信息。作为一项新技术，农业物联网技术仍处于起步阶段。传统农业通常使用相对落后的农业工具进行耕作和浇水，并且大多数加工时间都是基于经验的，这不利于农业的进一步发展。利用物联网的现代农业可以利用各种传感器和通信设备来测量植物生长环境参数，做出有关植物需求的准确决策，然后控制环境中的植物生长，从而最好地指导农业生产。本文研究并设计了一种用于多传感器农业的物联网系统的物理模型。基于现场测试，设备性能满足通用系统要求，系统可以获得用户云数据的采集，上传和审计功能。该系统有望用于农业生产运营，以监测农业温室植物的生长环境，并指导作物生产的管理。它具有一定的理论和实践意义。关键词：温室大棚；传感器；数据采集目录TOC\o"1-3"\h\u31178摘要 2192831绪论 4278791、1研究背景和意义 420651、1、1研究背景 4121751、1、2研究意义 492312多传感农业物联网体系框架与关键技术 5173622、1多传感农业物联网基础体系架构 6292332、1、1感知层 6281082、1、2传输层 760852、1、3应用层 7288443多传感农业物联网系统的硬件设计 866383、2传感器的选型 863913、2、1二氧化碳温湿度传感器 8100803、2、2光照传感器 996713、2、3水位传感器 923373、3执行器选择 10289473、3、1温度补偿 10148893、3、2湿度补偿 11305443、3、3C02浓度补偿 13258733、3、4光照补偿 1384163、4硬件电路设计 14164353、4、1电源模块 1410633、4、2RS232串口调试电路 15173933、4、3I/O口设计 16197913、5数据网关设计 178430致谢 2031658参考文献 211绪论1、1研究背景和意义1、1、1研究背景农业是社会发展和进步的基础的任何地方。然而，近年来，由于土壤侵蚀，荒漠化和任意占用耕地，中国的耕地面积一直在下降。据统计，中国人均耕地不到1.35亩，仅占世界平均水平的40％。中国超过13亿的人口也给农业部门带来了巨大压力。与大型农业经济体和海外产业相比，中国的大部分农业生产仍是小农经济，每个经营者的土地都很少。这是土地使用率低的商业模式。由于技术落后，许多农民仍在使用简单的耕作工具，生产率非常低，人力资源被浪费。不仅泛滥，使用农药和焚烧秸秆但只有更少的利润但这也对环境构成威胁。因此，迫切需要提高中国农业生产的效率。为了改善这种现象，必须创建绿色和绿色的农业系统。这就需要先进的制造理念和科学技术作为支撑。通过采用物联网的概念，全球范围内对信息收集和与信息交互的需求增加了。作为实现万物互联的重要组成部分，农业物联网在不断发展。中国的农业工人正在逐步建立一个环境友好的智能农业种植系统，改变了以前广泛的种植理念，重塑了产业，并在确保农业生产数量的同时大大提高了农业生产质量。1、1、2研究意义作为一种先进的农业生产设备，温室能够根据植物的有效生长参数并使用提出的相关设备，为植物的生长创造最佳的气候和环境条件。7.随着农业技术的不断进步，农业温室的数量不断增加，对温室的管理和监测的要求也越来越高。结构简单，缺乏配套设施​​，需要大量的劳动力参与生产过程，并依靠管理经验和缺乏远程监控系统。这是耗时且费力的事情，并且难以确保正确地及时进行调整和控制。必须专业技术人员一直在监视和观察，生产效率低，生产成本高。在过去的几年中，我国的温室环境监测技术取得了一些成果。但是，也存在一些缺点，例如温室环境的重组程度低和网络连接不足[3.国际温室环境监测技术具有很强的智能性，并且自动化程度很高。但是，入门成本很高，并且安装和维护很复杂。因此，物联网技术被应用于温室环境监测研究以及物联网监测系统的设计与开发，其成本合理，能够实现对环境参数的监测与控制。提高我国农业温室环境监测水平的原则。在实践中的意义。2多传感农业物联网体系框架与关键技术物联网是信息时代的产物。出现是实现万物之间联系的绝佳机会。借助物联网，农业生产数据和工业化得到了突飞猛进的发展。但是，与其他领域相比，由于农业生产条件的复杂性和农作物的多变性，农业物联网对这项技术提出了更高的要求。农业生产需要建立完整的“种植－种植－运输－销售”监控网络，以便能够真正控制产品的质量。但是，在我们国家“生活经验和感受”仍然是农业的主要手段，因此，必须建立符合我国国情的农业物联网系统，以促进我国农业的快速发展。在农业生产的特殊性和复杂性方面，本章将深入分析农业物联网的基本需求和技术，并定义多传感器农业物联网系统的总体框架。2、1多传感农业物联网基础体系架构农业物联网可以通过网络连接各种传感器，将传感器收集的数据上传到云中，并在经过相应处理后将数据发送回农业用户，以便农民可以检测到它们。田间农作物无需离开屋子另外，通过在检测到不方便的植物生长环境时放置一些反馈装置，农民可以通过自动控制系统进行远程控制或采取相关措施，从而大大降低了农业工人的劳动成本，提高了生产率。与物联网的结构一样，农业物联网也分为三个层次：意识层，传输层和应用层。图中显示了农业物联网的基本系统架构。2、1、1感知层感知层负责类似于物联网的“皮肤”和“五官”，是农业物联网获取农业生产信息和传输信息的最关键部分，也是现有农业物联网技术瓶颈所在。目前，采集信息的主要工具是各种各样的传感器和摄像头等工具，然后通过蓝牙，Zigbee无线网络，3G网络，Wif等短距离无线传输技术、有线传输工具将信息传输到网关[50.感知层通过装置实现了将物理信息转换为网络上的数字信息，为网络控制提供了基础。在农业生产中，需要采集的农业信息主要有：①环境状况信息：温度、湿度、cO2浓度等；②地理位置信息：GPS，北斗等定位信息等；③产品识别信息：RFD射频识别等；④设备运行信息：水流流量计等。2、1、2传输层传输层作为物联网体系中的“大脑”，主要负责信息的传输与处理。作为农业物联网三层体系的中间层，它是沟通信息感知层与应用层的“桥梁”。传输层的信息传输分为有线传输和无线传输，信息处理的平台一般为局域网，移动互联网，信息处理中心，网络管理中心等。该层的主要任务是通过移动通信网络、无线传感网络、卫星通讯网络等网络基础设施，确保信息感知层采集到的信息可靠传输到互联网。因此，可靠稳定的数据传输技术是目前农业物联网需要提高的领域。由于农业生产环境多变，气候变化较大，对数据传输稳定性会产生很大影响，普通无线信号会受很大干扰：此外，农业生产对实时性要求较低。这些特点意味着农业物联网需要采用独特的传感网络才能满足农业生产的要求。2、1、3应用层应用层是物联网体系的最上层，起到处理信息与决策的作用。应用层将农业物联网技术与农业生产活动紧密联系起来，通过对来自传输层的信息的分析处理，然后通过对各种设备的控制，实现对农业的智能化管理。农作物种类繁多，气候变化复杂，这些将会产生海量的数据。应用层需要根据用户需求和特点，运用物联网技术，开发出能够解决农业问题的方案。对于采集到的信息，应用层需要对其进行分析处理，搭建出相应的网络云平台。云平台需要向用户提供一些基础应用和软硬件环境，实现信息搜索，信息展示，决策管理等功能。3多传感农业物联网系统的硬件设计3、2传感器的选型传感器作为农业物联网系统的感官系统，起着搜集周围环境信息，探测环境变化的重要作用，各国也越来越重视在传感器领域的发展。但传感器种类繁多，功能和性能不一，正确选择合适的一款传感器对实验研究至关重要。3、2、1二氧化碳温湿度传感器在农业大棚中，二氧化碳浓度、温度、湿度是必须要检测的重要参数。它们的变化直接影响着大棚内作物生长情况。传感器种类繁多，应用广泛。而这三个参数都为空气环境参数，因此要选用非接触式传感器。同时，传感器也应该注意对潮湿环境一定的耐受性。因此，在本次实验中，本文采用建大仁科的二氧化碳温湿度一体变送器，型号为RS-CO2WS-N01-2，该产品采用三合一的设计，体积小，功耗低。该传感器采用新型红外检定技术对浓度进行测量，反应灵敏，解决了传统电化学传感器寿命低及灵敏度低的缺陷，在农业大棚等需要对Co2和温湿度进行监测的场合极为适合。此外，传感器采用485串口通信，符合标准ModBus-RTU通信协议，传输距离远；安全等级高，能适应各种恶劣环境，实物图如图3、2、2光照传感器顾名思义，光照传感器是测量光照强度的仪器。光照是绿色植物进行光合作用的基础。过于强烈或太弱的光照都不利于植物生长。因此，对光照也需要进行一定的控制。本文选用的是建大仁科的光照度传感器，型号为RS-GZ-120-2，该传感器是一款光精度变送器，输出数值计量单位为Lux，采用防水外壳，安全等级高。4-20mA模拟量输出，10-30V直流电压供电。具体技术指标如表，实物图如图3、2、3水位传感器水位传感器是基于液体静压和水位高度成正比的原理，采用陶瓷敏感材料的压阻效应，将静压转换为电信号，在本系统中，水位传感器在闸门前和后各放置一个，可以测出在水位稳定后两侧的水位高度，进而通过阀孔出流模型计算出闸门的流量。水位传感器为两线制，稳定性好，精度高。具体规格参数如表：3、3执行器选择3、3、1温度补偿温度对作物生长起着至关重要的作用，只有在适合的温度下，农作物才能获得良好的产出。因此，在大棚农业中，严格控制大棚内温度变化是非常有必要的。温度过低，作物容易枯死，萎缩；温度过高，作物易腐烂。同时，不同的植物对温度需求也不一样，要根据种植作物不同，及时调整温度补偿策略（如图）。温度传感器负责检测大棚内温度变化，每隔10秒上报一次数据。数据采集网点获取到数据后进行分析，与设定的标准温度范围进行对比。通过设计算法，判断出此时大棚内温度是否合适。温度较高时，系统主要采用通风降温的方法。大棚薄膜设置有专门通风窗口，上有卷帘覆盖，通风时，卷帘会自动卷起，为大棚提供通风条件。温度较低时，需要采用人工增加热量的方式。大棚内设置有专用热风机，热风机工作吹出热风并促进空气流动，达到升温的目的。3、3、2湿度补偿水是生命的源泉，是植物的主要组成成分。农业蔬菜含水量大多在60%90%。可以说，农作物生长环境湿度直接决定作物生长状况。因此，严格监控空气湿度和土壤湿度对建立良好的农业生态系统极为重要。不同作物在不同生长阶段对湿度的要求都有不同，有必要设置湿度补偿装置，对湿度进行严格控制。依照农业大棚内的环境和己有的设备，制定了如图湿度补偿策略：空气湿度的处理主要是空气喷雾器加湿和通风去湿，控制较为简单。土壤湿度控制需要用到水阀进行灌溉，涉及到复杂的水力学知识。在浇水时，需要把握的原则是：不早不浇，浇则浇透。也就是说，只有在检测到大棚内土壤干燥时，才能够进行浇水，否则是不能浇水的。同时，浇水的多少需要严格控制，因此，对水阀进行了一下要求：①通过控制器控制步进电机的正反转（闸门的提落），并能精准的控制提落高度（单位以米为单位，例如闸门在全闭状态，输入0.50米，即提升50公分）；②闸前、闸后安装水位计（水位计必须安装于稳流管内）；通过闸前、闸后水位差，闸门开度（提升高度），堰流公式，实时显示流量，并根据闸门开启时间计算总流量。根据要求，系统要求可以通过控制闸门高度控制水流量。结合相关水力学知识，该系统需要符合闸孔出流模型，如图3、3、3C02浓度补偿Co2在农业生产中担任重要角色，是绿色植物进行光合作用合成有机物的重要原料。目前，大气中的CO2浓度远远低于植物所需要的最合适浓度。因此，在大棚中，经常需要对农产品进行CO2浓度补偿。传感器检测大棚内CO2浓度变化，数据采集网点数据处理后若发现浓度偏低，则会下发命令，打开cO2浓度补偿器，提高大棚内的cO2浓度。补偿策略如图.3、3、4光照补偿光照强度对植物生长会产生很大影响。一切绿色植物必须在光照下才能进行光合作用，进而合成有机物，促进自身的生长。然而，光照不是越强越好；光照过强会烧伤植物：光照过弱会减缓光合作用，不利于生长。因此，在农业大棚内，需要合理控制大棚内部的光照强度，是作物生长在适宜的环境中。光照传感器测量大棚内的光照强度；光照过强时，放下卷帘，减少进光量：光照过弱，打开灯光，进行补光，补偿策略如图3、4硬件电路设计多传感农业物联网信息采集节点的硬件主要是以STM32F103C8T6芯片为核心，周围分布有电源模块，接口模块，调试编程模块以及MESH无线模块。模块式电路便于设计和大批量加工，同时也为后期编程调试提供了便利，提高了开发效率。3、4、1电源模块信息采集节点分布在各个大棚中，和其他与之相连的传感器一起接受24V电源直供的电线连接方式。大棚内布线方便，能够保证设备的持续工作。在电源模块内设有LMR16030降压器和TLV62568DBVR稳压器，可以将提供的24V直流电源转换为5v和3.3V电源，以供不同电气元件使用。电源转换模块原理图如图3、4、2RS232串口调试电路RS232是一种主流的串口通信接口，由美国电子工业联盟制定相关标准。RS232总线标准共设有25条信号线，在标准中规定了每条线的电平和输出信号类型。在工业应用中，一般只用到数据接收线（RXD），数据发送线（TXD）和一根地线（GND），RS232串口的数据传输速率有一定标准，主要是50、75、100、150、300、600，1200，2400，9600，19200，38400波特率等。此处，实验中用到的是19200波特传输速率。在本实验中，主要利用RS232串口对实验程序进行调试。通过编程对接口进行定义，从而实现程序运行过程，通过RS232串口调试工具实时打印输出想要的数据。调试界面如图，从中可以得到调试过程中传感器所采集到的信息。3、4、3I/O口设计I/O接口是设备之间数据交换的通道，可以通过编程控制其工作方式。对于大多数传感器设备而言，其检测的信号为数字量或者模拟量。数字量只有两种状态，0和1。数字信号的抗干扰能力较强，传输距离远。模拟量一般输出为电流信号或者电压信号，容易受外界环境干扰。同时，由于计算机采用"0""1"二进制编码，在对模拟量进行控制时，需要对模拟量进行数字转换，即A/D转换。在STM32F103C8T6中，一共有8个DIO和3个A10，每个接口都需要在程序对其进行定义才能够正常使用，读取其数据。在本实验中，因为所选用的光照传感器和土壤传感器的输出信号为模拟量型信号，因此只有AIO口被使用。输入信号为4-20mA电压信号。图为DIN2和DIN3接口电路。3、5数据网关设计网关是连接云端和底层信息采集节点的重要设备，在整个农业物联网系统中极为重要的一部分。在此次实验中，网关选用的是G-BLC1000型号控制器，实物如图所示。网关获取节点的上传数据，再将信息数据打包、分割处理，最后通过网线上传得到云端服务器。云端服务器在通过数据分析和决策之后，新的命令通过网关下传到节点，由节点控制相应执行装置运作。数据网关采用T1（德州仪器）公司的ARM335芯片，其内核为ARM-Cortex-A8处理器。该处理器基于ARMv7架构，支持双核技术，性能高，价格低廉。该芯片具有优异的数据运算和处理性能，能够实现高效运行。其主要性能如下：采用ARMCortexA8内核，最高主频可达720MHZ带24位LCD控制器和触摸屏控制器带有2个具有PHY的USB2.0高速OTG最多支持6个UART3多达2个控制器局域网集成2个PRU模块数据网关上搭载有MESH模块，同样采用美国凌力尔特公司的LTPS902-P芯片，负责和数据网点进行连结，进行数据的传输。致谢在毕业后期，我对老师和同学说的话太多了，所以我在论文中写了这些话。首先，我要感谢我的老师。从开学到现在，每次遇到困难我的老师都会出来。现在我要非常感谢我们的老师！谢谢！陪我度过大学难关。感谢我的论文指导老师。当我写论文时，您为我的论文投入了大量的时间和精力。我会永远记住的。谢谢您提供指导。老师总是认真地指导我们。您的丰富知识，扎实的学术能力和严格的工作作风深深地打动了我。在此，我表示衷心的感谢。在写论文的同时，我也得到了许多同学的宝贵意见。由于论文写作水平有限，可能存在许多遗漏和不足之处，还恳请老师进行指导和纠正。参考文献[1]Barcelo-Ordinas」M，ChanetJP，Hou