一種智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐州工程學(xué)院信電工程學(xué)院 孫 超 計(jì)宗佑 楊孟婧 吳小同 黃為勇

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一種智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐州工程學(xué)院信電工程學(xué)院 孫 超 計(jì)宗佑 楊孟婧 吳小同 黃為勇

【摘要】為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理與監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，研究智慧農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)中信息處理的關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多種傳感器組成傳感器網(wǎng)，各傳感器端完成數(shù)據(jù)采集工作后將數(shù)據(jù)傳送至STC89C52單片機(jī)中，在單片機(jī)的控制下，借助GPRS/GSM無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，進(jìn)而在上位機(jī)端實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及有效處理。性能試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】智慧農(nóng)業(yè)；傳感器網(wǎng)；信息處理；LabWindows/CVI；GPRS/GSM

0　引言

隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日漸成熟，我國(guó)正在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而智慧農(nóng)業(yè)則是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。目前利用傳感器網(wǎng)實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境相關(guān)參數(shù)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但由于受天氣、地域、信號(hào)等多種因素的約束，數(shù)據(jù)的傳輸及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面還略顯不足。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，GPRS/GSM通信技術(shù)以其合理的組網(wǎng)方式以及可靠的傳輸機(jī)制，目前已成為國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要技術(shù)手段。

在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)NI公司推出的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI，以ANSIC為核心，將用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具與C語(yǔ)言平臺(tái)結(jié)合，采用功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言進(jìn)行交互式編程，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的可視性和即時(shí)分析處理。

本文將傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM通信技術(shù)與LabWindows/CVI平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，性能測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感網(wǎng)模塊和遠(yuǎn)程終端兩大部分所組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，傳感網(wǎng)模塊由多種傳感器組成的環(huán)境參數(shù)采集終端所構(gòu)成，遠(yuǎn)程終端由GPRS/GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和基于LabWindows/CVI虛擬儀器技術(shù)平臺(tái)的上位機(jī)所組成，系統(tǒng)在STC89C52單片機(jī)的核心控制下運(yùn)行。

下位機(jī)采集環(huán)境參數(shù)并通過(guò)SIM900A無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)利用RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器將無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，上位機(jī)CVI平臺(tái)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在界面上。其中SIM900A無(wú)線收發(fā)模塊傳輸接口為串行TTL接口，可方便的與單片機(jī)和RS232進(jìn)行串口通信。

圖1　智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2　傳感器網(wǎng)模塊

2.1空氣溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采用單線制串行接口，采用4針單排引腳封裝，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)用戶MCU發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出數(shù)據(jù)并觸發(fā)一次信號(hào)采集。

2.2土壤溫濕度傳感器SHT10

SHT10自身集溫度和濕度傳感器于一體，且芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)須再次添加A/D轉(zhuǎn)換電路，能將檢測(cè)的溫度、濕度值直接傳送入單片機(jī)，然后經(jīng)由單片機(jī)控制將溫濕度值顯示出來(lái)，然后每次將讀入的數(shù)據(jù)與上、下限進(jìn)行判斷，以決定是否調(diào)用報(bào)警和啟動(dòng)調(diào)溫、調(diào)濕裝置。因此本系統(tǒng)中采用SHT10進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有測(cè)量精度高、接口簡(jiǎn)單、體積小、構(gòu)成系統(tǒng)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2.3光照強(qiáng)度傳感器GY-30

光電傳感器是主要是由光電元件和光電轉(zhuǎn)換電路組成，利用先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一系列電路補(bǔ)償，最終輸出數(shù)字量光照強(qiáng)度。

3　遠(yuǎn)程終端

3.1GPRS/GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）是在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)而形成的邏輯實(shí)體，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。

本系統(tǒng)中，GPRS/GSM通信模塊采用尺寸緊湊的SIM900A模塊，SIM900A采用SMT封裝，具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，可以提供語(yǔ)音或數(shù)據(jù)通訊業(yè)務(wù)。在STC89C52單片機(jī)通過(guò)RS232串口通信與GSM模塊通信的前提下，用戶通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，與GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸任務(wù)。

圖2　智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面

3.2上位機(jī)模塊

本系統(tǒng)的上位機(jī)模塊使用安裝LabWindows/CVI平臺(tái)的PC機(jī)。GPRS/GSM通信模塊通過(guò)USB-TTL模塊與PC機(jī)的USB接口連接。上位機(jī)經(jīng)過(guò)串口讀取GPRS/GSM模塊接收到的短信從而獲取傳感器端發(fā)來(lái)的

測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。上位機(jī)采用LabWindows/ CVI開(kāi)發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用，具有實(shí)時(shí)顯示傳感器端的環(huán)境參數(shù)、存儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)、繪制歷史環(huán)境參數(shù)曲線的功能，當(dāng)傳感器端的參數(shù)值達(dá)到設(shè)定的警戒值，上位機(jī)界面會(huì)顯示警告。上位機(jī)界面如圖2所示。

4　結(jié)論

本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理與監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了智慧農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)中信息處理的關(guān)鍵技術(shù)。

經(jīng)測(cè)試，上位機(jī)端能完成實(shí)時(shí)顯示傳感器端的環(huán)境參數(shù)、存儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)、繪制歷史環(huán)境參數(shù)曲線的功能，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。下一步擬在增加傳感器種類(lèi)、增加環(huán)境控制功能方面加以研究，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能。

參考文獻(xiàn)

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孫超（1995—），男，江蘇揚(yáng)州人，大學(xué)本科，主要研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。

基金項(xiàng)目：徐州工程學(xué)院2015大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目（xcx2015058）。

作者簡(jiǎn)介：