李世榮，陳永智，廖惜春

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

智慧農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李世榮，陳永智，廖惜春

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

為滿足智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)視農(nóng)作物生長過程、管理農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程的需求，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng). 該系統(tǒng)由無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分組成：無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)策略，構(gòu)建了基于STR-30的無線傳感網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用基于VC++6.0編程設(shè)計(jì)的管理軟件，可實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，報(bào)警，數(shù)據(jù)的保存、查詢，以及對各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制，能一定程序上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)督和控制.

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；實(shí)時(shí)監(jiān)控；微處理器；無線通信模塊

目前，在農(nóng)田、果園、茶園、森林、水產(chǎn)養(yǎng)殖等大規(guī)模生產(chǎn)過程中，如何監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)小環(huán)境的空氣溫濕度、光照、降雨量，土壤溫濕度、有機(jī)質(zhì)含量、重金屬含量、pH值以及植物生長特征等信息，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量保障亟待解決的問題. 利用物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，是目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域最主要的課題之一[1]. 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，既能改變粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理方式，又能提高農(nóng)作物蟲情、苗情、疫情以及重金屬的監(jiān)控能力，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[2-3].

2010年，我國政府出臺了一系列關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策，并將其列入國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃. 隨之，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等高校相繼開設(shè)了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”專業(yè)；河北博潤等多家企業(yè)，陸續(xù)開展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究. 這些企業(yè)先后推出了基于GPRS的短信平臺、基于CDMA(3G)平臺及帶有多路輸入輸出的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)等產(chǎn)品，用于農(nóng)田灌溉管理、水產(chǎn)養(yǎng)殖、森林監(jiān)測、水文氣象監(jiān)測等[4-6]. 但這些產(chǎn)品都依賴于現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行成本較高，且主要是對環(huán)境的監(jiān)測，未將作物生長環(huán)境的光照、降雨量，土壤的溫濕度、有機(jī)質(zhì)含量、重金屬含量、pH值等列入其中. 文獻(xiàn)[6]介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在土壤信息采集、土壤灌溉控制中的應(yīng)用，但未能全面反映農(nóng)作物生長的其他信息. 本文所述系統(tǒng)主要監(jiān)測對象是農(nóng)作物生長環(huán)境的空氣溫濕度、光照、CO2濃度、土壤的溫濕度，并可擴(kuò)展到對土壤有機(jī)質(zhì)含量、重金屬含量、pH值等的監(jiān)測. 系統(tǒng)采用STR-30[7]等通用元器件，具有通信距離遠(yuǎn)、相對節(jié)點(diǎn)數(shù)較少、成本低、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn).

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本文設(shè)計(jì)的基于 STR-30組成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)如圖 1所示. 其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò). 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)樞紐是本系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)(sink). 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其核心是微處理器. 數(shù)據(jù)采集端配有溫度、濕度、光照、CO2、土壤水分以及pH值測量等傳感器組，還配有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、通信接口以及外部存儲器等. 另外，系統(tǒng)還預(yù)留了重金屬檢測等傳感器接口（圖2中未標(biāo)出）.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的微處理器根據(jù)自帶傳感器模塊提供的數(shù)據(jù)時(shí)序，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理、傳輸和接收遠(yuǎn)程控制信息. 當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)所帶傳感器檢測到的某參數(shù)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將自動發(fā)出告警信號. 匯聚節(jié)點(diǎn)與 PC機(jī)連接，可接收來自各節(jié)點(diǎn)的信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定發(fā)出信息的節(jié)點(diǎn)所在的位置，將各傳感器的數(shù)據(jù)按照預(yù)定的協(xié)議發(fā)送到PC，由PC將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲和顯示，并根據(jù)接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較以判斷被檢測區(qū)域作物的生長環(huán)境是否達(dá)標(biāo)，也可根據(jù)需要對某節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)或參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整.

此外，系統(tǒng)還可根據(jù)實(shí)際情況，自動或人工對全部(或部分)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)指標(biāo)的修改，如夏天和冬天溫度不同. 本系統(tǒng)還可加入自動控制模塊，如自動灌溉、控溫或排風(fēng)等模塊.

1.2 無線數(shù)據(jù)通信模塊

本系統(tǒng)STR-30型微功耗無線數(shù)據(jù)傳輸模塊工作于ISM頻段，無需申請頻點(diǎn)，具有多信道、多速率、傳輸距離遠(yuǎn)、高抗干擾能力和低誤碼率等優(yōu)點(diǎn). STR-30的引腳功能說明如表1所示.

表1 STR-30模塊引腳說明表

1.3 傳感器模塊接口電路

各節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖3所示. 其中微處理器（STC1）是數(shù)據(jù)處理與I/O口的控制核心，外圍主要接口與各傳感器通過串行通信接口（RS232）與無線通信模塊相連接，該接口也可用于調(diào)試及程序下載. 本系統(tǒng)還預(yù)留了一定的外圍I/O接口，以便擴(kuò)展其他傳感器或自動控制模塊.系統(tǒng)中，空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2濃度傳感器等模塊的輸出量均為數(shù)字量，pH值數(shù)據(jù)為模擬量.

圖3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)總原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)路由驅(qū)動程序以及 PC通信、數(shù)據(jù)處理等程序組成. 各節(jié)點(diǎn)傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線模塊STR-30與PC控制終端進(jìn)行通信，終端能及時(shí)準(zhǔn)確地處理并顯示各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)控制操作.

本文僅以傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動程序的軟件設(shè)計(jì)為例，其主程序流程如圖4所示. 傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動程序主要完成數(shù)據(jù)的采集處理以及與PC終端進(jìn)行通信、工作狀態(tài)的調(diào)整等功能.

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動程序設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)接收終端（PC）數(shù)據(jù)處理及顯示界面的軟件設(shè)計(jì)是基于 MFC開發(fā)的. 主要功能是通過驅(qū)動匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的全雙工無線電通信，接收、存儲、查詢、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，查看各節(jié)點(diǎn)傳感器的工作狀態(tài)，設(shè)定各節(jié)點(diǎn)傳感器參數(shù)指標(biāo)以及當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)觸發(fā)告警等.

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要包括下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的測試和上位機(jī)控制終端的測試，其中下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)的測試可以通過觀察上位機(jī)的數(shù)據(jù)直接知道. 系統(tǒng)的調(diào)試主要是各傳感器模塊的調(diào)試以及上位機(jī)軟件的調(diào)試，上位機(jī)的測試主要是各功能模塊的測試. 經(jīng)實(shí)地測試，節(jié)點(diǎn)間的通信距離在開闊的視野范圍內(nèi)可達(dá)到600 m左右，且能穩(wěn)定地收發(fā)數(shù)據(jù). 系統(tǒng)上位機(jī)的界面效果圖如圖5所示.

圖5 PC終端主界面

設(shè)定各節(jié)點(diǎn)傳感器參數(shù)指標(biāo)、查看歷史記錄以及某一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)的告警信息等實(shí)際測試結(jié)果圖拼接如圖6所示. 各類數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)記錄在SQL數(shù)據(jù)庫中以便備查.

圖6 上位機(jī)測試結(jié)果拼接圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)運(yùn)用了單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和農(nóng)用傳感器數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)對大型農(nóng)場、蔬菜大棚、森林、水產(chǎn)養(yǎng)殖等的智能監(jiān)控. 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其通信距離可以達(dá)到約 600 m，既能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等數(shù)據(jù)的采集，又能實(shí)現(xiàn)與終端的交互式通信、工作狀態(tài)的自動調(diào)整、數(shù)據(jù)的保存查詢、各傳感器數(shù)據(jù)和提示信息的顯示等功能. 本系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代智慧（精準(zhǔn)）農(nóng)業(yè)中所用的傳感器結(jié)合，用于現(xiàn)代大型農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理過程，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚種植、倉庫管理等的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量可監(jiān)控、可追溯，為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控和生產(chǎn)管理提供了有力的技術(shù)支持.

[1] 姚向華. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[2] 夏華. 無線通信模塊設(shè)計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 張春紅. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.

[4] 李靜，王福豹，段渭軍. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的河流自動監(jiān)測站設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011, 24(3)：134-136.

[5] 程明傳，王平，施文灶. 有害氣體監(jiān)測中無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù)，2009, 32(1)：154-157.

[6] 張?jiān)隽?，郁曉慶. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤信息采集系統(tǒng)[J]. 節(jié)水灌溉，2011, 10(12)： 41-43.

[7] 溫明峰，郭洪威，潘育錦，等. 基于STR-30的無線靜脈注射監(jiān)控儀設(shè)計(jì)[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010, 24(2)： 29-34.

Wisdom Agriculture System Based on Wireless Sensor Network

LI Shi-rong, CHEN Yong-zhi, LIAO Xi-chun

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

To meet the requirements of crop growth monitoring and agricultural products quality real-time remote control, wireless sensor network system is designed. The system has two components: wireless monitor network and remote controlling center. The sensor node development strategy, which uses STC12C5A60S2 microcomputer as the core, is used in wireless monitor network. The network is based on STR-30 module. The management software, which is developed by VC++6.0 programming, is used in the remote monitoring center. The System can display each sensor data and working status, warning message, data saving and query, and each node controlling in real-time, which can achieve the remote monitor and control.

agricultural IOT; wisdom agriculture; remote monitor; real-time monitoring; microcomputer; wireless communication module

李世榮（1986—）男，廣西玉林人，主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用；廖惜春，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用研究.

1006-7302（2012）04-0072-05

TP393.1

A

2012-06-29

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（校教字〔2010〕56）