農(nóng)田土壤遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、農(nóng)田土壤遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文 1總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)是基于大區(qū)域農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、wcdma終端、上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心等部分組成。系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池供電方式，使用蓄電池存儲(chǔ)電能，通過太陽(yáng)能電源控制模塊為各節(jié)點(diǎn)提供所需電能，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。傳感器組采集土壤溫度、濕度、ph值和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，發(fā)送給以cc2530模塊為核心的zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器;協(xié)調(diào)器通過rs232串口通信與wcdma終端連接，將輪流采集到的各傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送給wcdma終端;wcd-ma終端通過3g無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)

2、程監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示并進(jìn)行web發(fā)布;外網(wǎng)用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問。 2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 終端節(jié)點(diǎn)是組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本單元，用于采集各采集點(diǎn)土壤參數(shù)信息，并將數(shù)據(jù)通過無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。 211傳感器模塊 土壤溫度決定作物生長(zhǎng)環(huán)境，土壤水分是作物水分的主要來源，土壤ph值反映土壤酸堿程度，土壤電導(dǎo)率反映了土壤壓實(shí)度、黏土層深度及水分保持能力等。本設(shè)計(jì)選擇在大區(qū)域農(nóng)田種植中對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響較大的溫度、濕度、ph值及電導(dǎo)率4個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取的傳感器如圖3所示。1)溫度傳感器:選用dallas公司推出的數(shù)字式防水封裝的ds18b20溫度傳感器，采用不

3、銹鋼外殼封裝，防水防潮輸出數(shù)字信號(hào)，無(wú)需進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性;工作電壓3055v，測(cè)量溫度范圍為55+125，在10+85范圍內(nèi)，精度為±05。2)濕度傳感器:選用smtsii50型土壤濕度傳感器，420ma輸出，響應(yīng)速度快，性能可靠，平均電流小于10ma，功耗低;抽真空灌封，密封性極好，耐土壤中酸堿鹽的腐蝕，適用于各種土質(zhì)。3)ph值傳感器:選用上海陸基公司的土壤ph值傳感器，輸出420ma;測(cè)量范圍為014ph，零電位ph值為7±025ph，斜率≥95%;功耗低，抗干擾性能較強(qiáng)，耐腐蝕性好。4)電導(dǎo)率傳感器:選用上海陸基公司e11302t

4、型電導(dǎo)率傳感器，電導(dǎo)范圍102000μs/cm，適合各種土質(zhì);分辨率為1μs/cm，535內(nèi)溫度自動(dòng)補(bǔ)償;耐腐蝕好，適合長(zhǎng)期進(jìn)行土壤測(cè)量。 212cc2530模塊 農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選用ti公司的高性能cc2530芯片作為射頻模塊，采集并傳送土壤數(shù)據(jù)。cc2530應(yīng)用了業(yè)界領(lǐng)先的zstacktm協(xié)議棧，提供了一套解決zigbee網(wǎng)絡(luò)的完整方案。cc2530集成了rf前端、高靈敏度的接收器、8kbram、可編程flash及101db的鏈路質(zhì)量，輸出功率最高可達(dá)45dbm，包括定時(shí)器、5通道的dma、8通道12位adc、aes安全協(xié)處理器、21個(gè)通用i/o引腳和2個(gè)串行通信協(xié)議uart等

5、。cc2530適用于對(duì)功耗要求嚴(yán)格的系統(tǒng)。 22嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì) 嵌入式網(wǎng)關(guān)的主要工作是接收各終端節(jié)點(diǎn)采集到的土壤參數(shù)并通過wcdma發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。嵌入式網(wǎng)關(guān)主要由協(xié)調(diào)器及dtu無(wú)線通信模塊兩部分組成。 221協(xié)調(diào)器模塊 協(xié)調(diào)器部分仍然選用ti公司的cc2530芯片，與終端節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成zigbee網(wǎng)絡(luò)，底板比終端節(jié)點(diǎn)只增加了串口通信部分。 222dtu無(wú)線通信模塊 無(wú)線通信系統(tǒng)主要由dtu組成，是一種可以使用2g/3g/4g網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備。綜合考慮成本和實(shí)用性，本設(shè)計(jì)采用通過第三代移動(dòng)通信wcdma上網(wǎng)方式的dtu，其內(nèi)部集成了高性能armcortexm332risc內(nèi)

6、核stm32f107處理器和wcdma聯(lián)通3g模塊，支持1900m/1800m/900m/850m工作頻段;內(nèi)嵌tcp/ip協(xié)議棧，數(shù)據(jù)無(wú)線透明傳輸;采用低功耗電源監(jiān)控技術(shù)，值守電流小于2ma;采用軟件和電路雙重濾波，穩(wěn)定可靠。 23電源模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池為終端節(jié)點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)供電。電源模塊主要包括:蓄電池、太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)能控制器3個(gè)部分。蓄電池選用12v75ah免維護(hù)鉛酸蓄電池;太陽(yáng)能電池板選用功率20w，工作電壓18v的單晶硅太陽(yáng)能電池板。太陽(yáng)能控制器選用額定充電/負(fù)載電流均為10a，12v/24v充電電壓自動(dòng)識(shí)別的dl12/2410a系列控制器，內(nèi)置充放電智能控制技術(shù)。 3

7、軟件設(shè)計(jì) 31終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)大區(qū)域農(nóng)田土壤參數(shù)的采集與數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離無(wú)線傳輸，終端節(jié)點(diǎn)在zigbee協(xié)議中屬于半功能節(jié)點(diǎn)，不支持路由功能，只能與上層的路由器、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)向上一層節(jié)點(diǎn)傳輸土壤數(shù)據(jù)。 32嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì) 嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成，分別為協(xié)調(diào)器接收土壤參數(shù)和wcdma遠(yuǎn)程發(fā)送土壤數(shù)據(jù)。工作時(shí)，需要先給dtu無(wú)線通信終端設(shè)備安裝聯(lián)通3g手機(jī)卡，并將dtu和pc機(jī)通過rs232相連對(duì)其波特率、中心ip、端口號(hào)及sim卡號(hào)等參數(shù)進(jìn)行配置，配置軟件界面。 33遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理中心界面

8、采用labview圖形化軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要實(shí)現(xiàn)的功能如下:1)多通道農(nóng)田土壤參數(shù)采集功能。設(shè)置了多個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，可實(shí)時(shí)采集大區(qū)域農(nóng)田土壤的溫度、濕度、ph值及電導(dǎo)率4個(gè)參數(shù)。2)報(bào)警功能。設(shè)置土壤參數(shù)上下限，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心會(huì)相應(yīng)的給出報(bào)警信號(hào)。3)通過labview的web發(fā)布功能，外網(wǎng)用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問。 4測(cè)試與結(jié)果分析 考慮到農(nóng)田土壤的特性，為了在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)得到全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的有效數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的布置進(jìn)行了合理的優(yōu)化。選取的試驗(yàn)田為長(zhǎng)寬均為200m的矩形區(qū)域，分成4塊長(zhǎng)寬均為100m的區(qū)域，每塊農(nóng)田4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)值取均值后通過匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，后期可根據(jù)大區(qū)域農(nóng)田實(shí)

9、際需求靈活對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)設(shè)置安裝完成后，給整個(gè)系統(tǒng)上電1min后，觀察協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，看到綠色組網(wǎng)led亮，可以判定系統(tǒng)組網(wǎng)成功。打開位于監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)軟件對(duì)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。上位機(jī)軟件以人性化的方式向用戶顯示采集到的參數(shù)，并具有人員登錄、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，可以通過選項(xiàng)卡切換不同區(qū)域農(nóng)田的土壤參數(shù)。監(jiān)測(cè)界面既可以數(shù)值方式顯示溫度、濕度、ph值和電導(dǎo)率數(shù)值，也可以繪制參數(shù)的變化曲線。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)儀器比較，各參數(shù)誤差均小于3%，滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)精度要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通過labview軟件的web發(fā)布工具，將軟件進(jìn)行web發(fā)布。經(jīng)測(cè)試，外網(wǎng)用戶能通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地進(jìn)行訪問。 5結(jié)論 根據(jù)大區(qū)域農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了一套基于zigbee和wcdma技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，可以對(duì)農(nóng)田土壤溫度、濕度、ph值、電導(dǎo)率4個(gè)參數(shù)進(jìn)行全天候不間斷遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。運(yùn)用labview軟件開發(fā)上位機(jī)界面，能夠直觀顯示各監(jiān)測(cè)區(qū)域參數(shù)，具有人員登錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。通過web發(fā)布監(jiān)測(cè)界面，使得外網(wǎng)用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地進(jìn)行訪問。系統(tǒng)中的傳感器、終端節(jié)點(diǎn)、嵌入式