设施农业中温湿度监测系统的设计与应用
2022-06-09
摘 要：为了实现温室大棚温湿度采集和实时信息查询，开发完成了基于温湿度传感器的设施农业环境监测系统。本系统集成GSM/GPRS模块、无线传感器节点、嵌入式控制器和web服务器等模块；采用ZigBee的无线传送数据方案，避免了传感器布设的受限问题；嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet网，实现数据上传至web服务器。Web服务器提供实时数据在线查询、历史数据的统计分析等，并可以通过手机短信快速获取参数的实时信息。
关键词：温湿度传感器；监测系统；设施农业
中图分类号：TP273 文献标识码： A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013
设施农业是现代农业的显著标志，是转变传统农业发展方式，摆脱自然环境与土地资源束缚，走向现代农业标准化、工厂化生产的必由之路，属于高投入、高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业，可打破农产品的季节性，实现农产品的反季节均衡上市，进一步满足多元化、多层次消费需求，增加农民收入。物联网技术日益成熟，传感器在设施环境数据采集中发挥着重要作用，无线传感器网络新技术的应用为农田环境信息的实时采集、传输、处理、分析提供集成化解决方案。
1 系统设计
温湿度监控系统的总体设计方案如图1所示。整个系统由无线传感器节点、基于ARM的嵌入式控制器、web服务器模块组成。温室大棚现场由无线传感器节点内的单片机驱动温湿度传感器采集空气温湿度、土壤温湿度等数据，通过无线方式发送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet，将数据上传至web终端服务器的数据库中；嵌入式控制器具有多种接口与扩展功能，能够在温湿度异常时，通过GPRS模块给手机发送报警信息。不同权限的用户可以在任何能够上网的地方，通过Internet和web站点的形式随时随地获取监控点环境的数据并进行控制，也可以通过手机短信的形式获取相同的数据信息。因此，本系统既可以日常观测也可以应用在科学研究，通过对温室数据的分析，找到更适合作物生长的途径，用以提高农业生产。
1.1 无线传感器节点
无线传感器节点，采用TI公司CC2430芯片及其外围扩展电路，该芯片集成超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，内置12bit高精度AD，可以直接连接主流的各种数字与模拟传感器，具有良好的扩展性能。
CC2430芯片集成ZigBee协议栈，使得多个传感器节点可以构成星形网络、树形网络（增加中继），各个传感器节点可以按照设置的时间间隔（1～120 s）向嵌入式控制器发送数据。简单、单向的数据传输网络结构进一步降低系统功耗，延长网络寿命，采用两节5号电池供电，可工作3年以上。星形网络节点之间传输视距达700 m，树形网络覆盖距离达2 km。
考虑到温室大棚对温湿度精度要求并非特别高，选用温湿度的集成传感器DHT21，温度范围-20～70 ℃，精度1 ℃，湿度范围0～99%，精度达10%，该芯片通过单总线与CC2430芯片的任意I/O口连接，进行数据通信。
集成的无线传感器节点具有功耗低、成本低、稳定性高、适用性强等特点，能够满足多种应用环境，适合在塑料大棚、联动温室以及小规模日光温室环境中使用，图2为开发的无线传感器节点。
1.2 基于ARM的嵌入式控制器
嵌入式控制器一般是由ARM9处理器、SDRAM、FLASH、电源及复位模块、人机接口LCD触摸屏及相关外围电路组成。笔者选用的S3C2440处理器，是SAMSUNG公司开发的一款基于ARM9内核的微处理器。S3C2440是基于ARM920T内核，0.13 UmComs标准单元和存储单元复合体。它的特点是功耗低、简单、稳定、功能强大、性价比相对高，并且还具有丰富的扩展功能接口，便于构建外围电路，如图3所示。
嵌入式控制器作为数据信息收集处理的主节点，通过SPI总线与ZigBee模块通信，用于和无线传感器节点进行数据传输，该ZigBee模块作为ZigBee网络协调器负责整个网络的组建和给加入节点分配地址；嵌入式控制器通过UART串口与GPRS模块通信，用于接入Internet网络实现数据上传web服务器，同时可以接入GSM网络，实现手机信息收发功能。在传感器节点发来的数据存在温湿度异常时，启动报警信号。
关键词：温湿度传感器；监测系统；设施农业
中图分类号：TP273 文献标识码： A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013
设施农业是现代农业的显著标志，是转变传统农业发展方式，摆脱自然环境与土地资源束缚，走向现代农业标准化、工厂化生产的必由之路，属于高投入、高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业，可打破农产品的季节性，实现农产品的反季节均衡上市，进一步满足多元化、多层次消费需求，增加农民收入。物联网技术日益成熟，传感器在设施环境数据采集中发挥着重要作用，无线传感器网络新技术的应用为农田环境信息的实时采集、传输、处理、分析提供集成化解决方案。
1 系统设计
温湿度监控系统的总体设计方案如图1所示。整个系统由无线传感器节点、基于ARM的嵌入式控制器、web服务器模块组成。温室大棚现场由无线传感器节点内的单片机驱动温湿度传感器采集空气温湿度、土壤温湿度等数据，通过无线方式发送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet，将数据上传至web终端服务器的数据库中；嵌入式控制器具有多种接口与扩展功能，能够在温湿度异常时，通过GPRS模块给手机发送报警信息。不同权限的用户可以在任何能够上网的地方，通过Internet和web站点的形式随时随地获取监控点环境的数据并进行控制，也可以通过手机短信的形式获取相同的数据信息。因此，本系统既可以日常观测也可以应用在科学研究，通过对温室数据的分析，找到更适合作物生长的途径，用以提高农业生产。
1.1 无线传感器节点
无线传感器节点，采用TI公司CC2430芯片及其外围扩展电路，该芯片集成超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，内置12bit高精度AD，可以直接连接主流的各种数字与模拟传感器，具有良好的扩展性能。
CC2430芯片集成ZigBee协议栈，使得多个传感器节点可以构成星形网络、树形网络（增加中继），各个传感器节点可以按照设置的时间间隔（1～120 s）向嵌入式控制器发送数据。简单、单向的数据传输网络结构进一步降低系统功耗，延长网络寿命，采用两节5号电池供电，可工作3年以上。星形网络节点之间传输视距达700 m，树形网络覆盖距离达2 km。
考虑到温室大棚对温湿度精度要求并非特别高，选用温湿度的集成传感器DHT21，温度范围-20～70 ℃，精度1 ℃，湿度范围0～99%，精度达10%，该芯片通过单总线与CC2430芯片的任意I/O口连接，进行数据通信。
集成的无线传感器节点具有功耗低、成本低、稳定性高、适用性强等特点，能够满足多种应用环境，适合在塑料大棚、联动温室以及小规模日光温室环境中使用，图2为开发的无线传感器节点。
1.2 基于ARM的嵌入式控制器
嵌入式控制器一般是由ARM9处理器、SDRAM、FLASH、电源及复位模块、人机接口LCD触摸屏及相关外围电路组成。笔者选用的S3C2440处理器，是SAMSUNG公司开发的一款基于ARM9内核的微处理器。S3C2440是基于ARM920T内核，0.13 UmComs标准单元和存储单元复合体。它的特点是功耗低、简单、稳定、功能强大、性价比相对高，并且还具有丰富的扩展功能接口，便于构建外围电路，如图3所示。
嵌入式控制器作为数据信息收集处理的主节点，通过SPI总线与ZigBee模块通信，用于和无线传感器节点进行数据传输，该ZigBee模块作为ZigBee网络协调器负责整个网络的组建和给加入节点分配地址；嵌入式控制器通过UART串口与GPRS模块通信，用于接入Internet网络实现数据上传web服务器，同时可以接入GSM网络，实现手机信息收发功能。在传感器节点发来的数据存在温湿度异常时，启动报警信号。