基于無線傳感器網絡的農業信息采集系統設計

陳 誠，李必軍，張永博

(武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430079)

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基于無線傳感器網絡的農業信息采集系統設計

陳 誠，李必軍，張永博

(武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430079)

摘要設計了一種基于無線傳感器網絡和智能網關的農業信息采集系統。系統采用PIC18F87K90微控制器作為采集控制中心，結合溫濕度、照度、二氧化碳等環境信息采集模塊及無線數據收發模塊組成整套系統，實現了對農業信息的采集、存儲、顯示及監測等功能，適用于農田、冷鏈車和冷庫等典型環境。

關鍵詞無線傳感器網絡；農業信息；數據采集；實時監測

農業現代化、信息化是全世界農業發展的大趨勢，是科技發展的必然結果。我國的農業問題非常嚴峻，隨著城市化的發展，環境污染加劇，可耕地面積不斷減少，可用勞動力也在不斷減少，如何利用有限的土地和有限的人力保證食品安全和食品供應是一個亟待解決的問題。一直以來，政府非常重視“三農”問題，多次強調農業現代化的重要性，提出農業現代化是解決“三農”問題的重要途徑，其中農業物聯網為實現農業現代化、信息化提供了可能。我國“十三五”規劃中提出“推薦農業標準化和信息化。健全從農田到餐桌的農產品質量安全全過程監管體系、現代農業科技創新推廣體系、農業社會化服務體系”，這為農業現代化、信息化給予了堅實的政策支持。農業信息化的關鍵環節是農業信息數據的采集，一方面是“源”——農田信息的數據，另一方面是“途”——農產品在運輸和存儲中的數據，做好這兩方面數據的采集，才能完成農產品全過程的監控和管理。現有的信息數據采集方法大多基于無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)。無線傳感器網絡是由部署在觀測環境內的微型傳感器以無線通信方式形成的網絡系統，憑借其低功耗、低成本、可靠性高等特點，規避了傳統的有源采集技術所帶來的成本高、布局困難、不靈活、維護困難等弊端，將逐步滲透到農產品冷鏈環境信息監測及農業生產等相關領域[1-4]。無線傳感器網絡中的每個節點都可以采集所在空間的環境信息，傳輸給相應的主節點或網關，再上傳到服務器，整個架構是可擴展、可快速移植、自我修復能力強。無線傳感器網絡的核心在于其組網技術，如WiFi、藍牙、RFID、ZigBee。齊林等[5]設計了基于無線傳感器網絡的水產品冷鏈物流實時監測系統，用于降低水產品物流損耗、提高水產品冷鏈物流信息化程度。賈科進等[6]設計了一種基于無線傳感器網絡的冷鏈運輸遠程監控系統中的無線采集節點，系統具有功耗低、組網迅速等特點。李莉等[7]設計了基于藍牙的溫室環境監測系統，整個系統由無線傳感器、采集模塊和監控模塊組成。謝潔銳等[8]設計了基于無線傳感器和FRID的農產品全程監控平臺，將無線傳感器與FRID結合在一起，完成了對農產品的有效監控，確保農產品的質量安全。郭家等[9]設計了一套基于ZigBee的農田信息采集系統，整個系統由ARM、Linux模塊、ZigBee無線傳感器組成。王翥等[10]基于ZigBee和GPRS設計了一套遠程水質監測系統方案，可以實時檢測水質參數，為養殖方案提供依據。筆者設計并開發了一種新型農業環境監測系統，設備能實時采集當前環境溫濕度、二氧化碳和光照數據，通過網絡傳輸到服務器，用戶可以通過網絡實時查看現場環境信息和預警信息。

1系統總體設計

系統由服務器、網關、集成了溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器的標簽組成。PIC18F87K90微控制器是標簽的控制中心，負責把各個傳感器模塊的數據按照自定義的數據幀格式打包，通過無線串口數據模塊發送給網關，網關通過WiFi或者GPRS將數據上傳到服務器。系統總體架構見圖1。

圖1　基于無線傳感器網絡的農業信息采集系統總體架構Fig.1　The overall structure of agricultural information collection system based on wireless sensor network

2硬件系統設計

2.1無線傳感器標簽一般的環境傳感器功能較為單一，通常只能采集某一種類型的環境信息，無線傳感器標簽同時能采集溫度、濕度、光照以及二氧化碳數據，滿足了多樣化采集的需求，同時在功耗和體積上做到很好的控制，標簽外觀如圖2所示，標簽內部架構如圖3所示。

圖2　無線傳感器標簽Fig.2　Label of wireless sensor network

圖3　無線傳感器標簽內部構造Fig.3　Inner structure of label of wireless sensor network

2.1.1微控制器。 標簽的微控制器采用美國微芯科技公司的PIC18F87K90單片機。該單片機帶LCD驅動器并采用nanoWattXLP技術，保證了穩定性和低功耗，滿足硬件系統的要求。在參數上，PIC18F87K90的最高速度可以達到64 MHz，同時有高達128 kb的片上閃存程序存儲器、1 024字節的數據EEPROM、4K的通用寄存器、最多24路通道的12位A/D轉換器和2個增強型可尋址USART模塊。該微控制器作為傳感器標簽的核心，負責各個傳感器模塊和數據傳輸模塊的采集、處理和通信。

2.1.2無線串口數據收發模塊。該系統標簽的數據模塊采用POP2038作為無線串口數據收發模塊，模塊與系統的連接方式如表1所示。該模塊采用抗干擾性強的GFSK的調制解調方式，視距可靠傳輸距離300～1 600 m，支持多種速率包括1 200/2 400/4 800/9 600/19 200/38 400/57 600 bps，載頻433 MHZ，提供8個信道，另外收發一體，數據收發轉換自動完成，轉換時間短，平常處于接收狀態，只要往模塊發送數據，立刻轉入發送狀態發送數據，數據發送完成后自動轉入接收狀態。

2.1.3溫濕度傳感器。 標簽的溫濕度傳感器采用業界比較知名的SHT10，其結構如圖4所示。該傳感器由瑞士公司Sensirion生產，含有經過校準數字信號輸出的溫濕度混合傳感器，即輸出溫度信息也輸出濕度信息，在制作工藝上采用CMOsens，保證了傳感器的可靠性和穩定性。SHIT10溫濕度傳感器包括1個電容性聚合體測濕元件、1個測溫元件，并與1個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。兩線制串行接口和內部基準電壓，使系統集成變得簡易快捷。這樣的設計保證數字信號輸出接口簡單，方便開發。該傳感器在25 ℃時的測溫精度為±0.5 ℃，測濕精度為±4.5%RH。總之，該傳感器具有響應快、抗干擾強、性價比高等優點，滿足硬件系統設計要求。

圖4　溫濕度傳感器Fig.4　Sensor of temperature and humidity

2.1.4光照度傳感器。標簽的光照度傳感器采ROHM公司的BH1710FVC照度傳感器，其結構見圖5。該傳感器為16為串行數字輸出型環境光傳感器，采用總線接口，支持1.8 V邏輯輸入接口，這種設計使得與單片機系統的通信非常便捷。該照度傳感器的測量范圍很廣，達到1～65 535 lx，靈敏度已經與人類視覺相差無幾。另外支持低功耗工作狀態，保證標簽的續航。

圖5　光照度傳感器Fig.5　Sensor of light illumination

2.1.5二氧化碳傳感器。 標簽的二氧化碳傳感器采用IRM202(圖6)。該傳感器采用NDIR 紅外吸收檢測原理，將專利光路、精密電路與智能化軟件相結合，形成一款通用型紅外二氧化碳傳感器模組。IRM202 采用單光源、雙通道探測器，實現了空間上雙光路參比補償，微處理器進行信號采集、處理和輸出，實現環境溫度補償，修正了原理上非線性關系，并具有多種輸出形式。同時本產品具有NDIR特有的良好選擇性，高靈敏度，無氧氣依賴性，壽命長等特點之外，還具有結構尺寸小、輸出功能豐富等特點。該傳感器的測量精度為50 μL/L+5%FSO，滿足該硬件系統的設計要求。

圖6　二氧化碳傳感器外觀Fig.6　Appearance of carbon dioxide sensor

2.2網關該系統的網關以全工業級產品設計為標準，配備低功耗好性能微控制器，以及GPRS和WiFi 2種上傳接口，可接收無線傳感器標簽上傳的檢測數據，并將遠程控制數據實時發送至無線傳感器標簽，從而實現該系統中監控終端與服務平臺之間的可靠實時雙向數據交換。同時網關還配置了電源，在斷電的情況下還可以正常工作，保證系統的穩定運行。網關采用的GPRS模塊來自于宏電公司開發的H7710 GPRS DTU，具備RS232/422/485或TTL電平接口，具有高性能、高穩定性、工業級和外置式等特點，滿足該系統的要求。網關外觀如圖7所示。

圖7　DTU和網關Fig.7　DTU and gateway

3軟件系統設計

3.1下位機軟件設計 系統下位機主要程序包括溫濕度轉換子程序、光照度轉換子程序、二氧化碳轉換子程序，數據處理子程序，串口發送子程序，網絡傳輸子程序。發送數據的時間間隔可以通過指令設置，采用自定義數據幀格式，每幀以0x23開始，以校驗和結束。數據幀格式見表1。

整套系統的主程序流程見圖8。在標簽通電啟動后，傳感器、串口、EEPROM和電池電量檢測AD初始化，之后傳感器按照設定的采樣頻率采集數據并通過串口發送給微控制器，然后微控制器按照自定義的數據幀格式進行打包，再把數據幀通過無線串口數據模塊廣播出去。網關通電啟動后，各個模塊自檢，默認GPRS模式，檢查SIM卡是否存在，注冊網絡，如果切換到WiFi模式則加入配置的網絡，同時通過無線傳感器模塊接收廣播的數據，再通過WiFi或者GPRS傳輸給服務器。

表1基于無線傳感器網絡的農業信息采集系統數據幀格式

Table 1Data frame format of agricultural information collection system based on wireless sensor network

數據幀Dataframe內容Content字段Field字段解釋Fieldinterpretation0包頭HEAD數據幀長度,固定為0x231包長LEN數據幀長度,包括WID+BID+CMD+Parameter,Len≥12網關WID網關ID3～4標簽BID標簽ID,低字節在前高字節在后,從“01”開始定義5命令CMD命令號6～N-1參數PAR命令參數,包含傳感器類型和傳感器數值N檢校CS包含網關、標簽、命令和參數的校驗和CheckSum=0x100-((Byte2+Byte3+…BYTEn-1)&0x00FF)以標簽數據上傳指令為例:23LenWIDBIDLBIDH01TypedataLdataHCS

圖8　基于無線傳感器的農業信息采集系統主程序流程Fig.8　Main program flow of agricultural information collection system based on wireless sensor network

3.2上位機軟件設計 上位機接收存儲軟件是以C#編寫的控制臺程序，數據存儲在MySQL數據庫中，在Web網站上通過圖表展示。通過控制器將采集上來的傳感器數據按照自定義的數據幀格式進行打包，經過無線串口發送給網關，網關以透傳的方式經DTU或者WiFi上傳給服務器，服務器上的控制臺程序接收數據、解碼并存儲在數據庫中，Web網站從數據庫里獲取傳感器數據并通過圖表的形式展示出數據的變化。上位機的顯示主界面見圖9。

4系統性能測試

為了測定系統的性能，將無線傳感器標簽放在常溫冷庫里，標簽采集溫度、濕度、二氧化碳和光照數據后，每1 min發送一次，連續監測3 h。網關距離無線傳感器標簽30 m，將接收到的數據通過WiFi傳送到服務器中。此次試驗繪制的溫度、濕度、二氧化碳和光亮度數據曲線見圖10。

試驗數據表明，系統在監測的3 h內，無線傳感器標簽發送溫度、濕度、二氧化碳和光亮度數據各180組，服務器均已經收到，說明系統的穩定性較好。同時從圖中可以看出，傳感器采集的數據在精度允許范圍內波動，且波動小，穩定性好。

圖9　傳感器數據Web端展示界面Fig.9　Sensor data Web display interface

圖10　系統穩定性測試Fig.10　System stability test

5結論

該研究介紹了由服務器、網關、無線傳感器標簽組成的基于無線傳感器網絡的農業信息采集系統，該系統可采集溫濕度、二氧化碳、光照度，并可遠程控制采集頻率、查看標簽及網關電量狀況，在斷電情況下可以保證一段時間的穩定運行，用戶可以通過網絡查看到相關的傳感器數據和預警信息。同時，對系統的穩定性和可靠性進行了驗證，結果表明，整個系統可靠性較高，采集精度高，可擴展性好，有較大的實用價值和推廣價值。

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The Design of Agricultural Information Data Acquisition System Based on Wireless Sensor Network

CHEN Cheng, LI Bi-jun, ZHANG Yong-bo

(State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430079)

AbstractAn agricultural information collection system based on wireless sensor network and intelligent gateway was designed. This system utilizes PIC18F87K90 microcontroller as the collection control center and achieves functions like agricultural information collection, storage, display and monitor through an integral system such as environment information collection module regarding temperature, illumination, carbon dioxide, etc., and wireless data transceiver module. This system is suitable for farmland, cold chain car, refrigeration house and other relevant environments.

Key wordsWireless sensor network; Agricultural information; Data acquisition; Real-time monitoring

基金項目國家“863”計劃資助項目(2012AA101701)。

作者簡介陳誠(1991- )，男，湖北公安人，碩士研究生，研究方向：冷鏈物流和3S技術。

收稿日期2016-03-02

中圖分類號S 126

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-242-04