農業大棚無線環境監測系統設計

邊玉亮，余世干，劉 輝

（阜陽師范大學，安徽 阜陽 236041）

0 引言

農業溫室大棚環境的溫度、濕度、光照強度等環境因子對作物的生長有很大影響，由于大棚數量集中、面積較大，人工采集環境數據費時費力，極大地增加了人工成本。［1，2］目前，大多數大棚環境監測采用有線數據采集傳輸方式，該方式存在功耗高、物理布線復雜、成本高、擴展性差等缺點。［3-5］針對以上問題，本文設計了一種基于無線自組網絡的農業大棚環境監測系統，該系統使用多種傳感器組合對大棚內關鍵的環境參數如溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照強度進行采集，并通過無線自組網絡將采集到的數據上傳到控制中心。系統各節點安裝方便、成本低，能夠實現對農業大棚多種環境參數進行實時監測的目的。

1 系統總體設計

1.1 無線自組織網絡搭建

由于農業大棚占地面積大、地勢平坦且缺少網絡通信設施，［6-7］因此本系統采用無線自組織網絡搭建。該無線系統采用主從結構，在每個需要進行環境監測的地點都安裝一個子節點模塊，所有模塊通過自組網絡上傳監測數據到中心節點。根據系統功能要求最終選擇DL-LN33P無線數據收發模塊，通過合適的網絡配置，系統一上電就能夠將模塊加入到無線網絡中，單個模塊之間數據傳輸距離能夠達到300米。正常工作時，所有網絡參數設置相同的模塊能夠自動創建無線網絡。子模塊節點的微控制器在發送數據時，只要將中心節點的網絡地址和待發送的監測數據通過固定的幀格式進行發送即可，DL-LN33P會通過無線網絡選擇最優的路徑，將信息發送給中心節點。與此同時，中心節點的DL-LN33P能通過UART接收發送數據的子節點地址和數據，所有模塊之間都可以進行通信。實際應用時，可以根據實際需要增加或刪除節點，同一網絡可容納190個結點，但要求需要通信的節點之間要處于相同的網絡和信道，該無線自組網絡完全能夠滿足系統設計需求。

1.2 系統結構設計

本系統基于無線自組織網絡對農業大棚中多個探測點進行多參數數據監測，并將監測數據發送到中心節點進行數據匯總處理并顯示。該系統設計主要由硬件電路設計和應用程序設計兩部分組成，其中主要包括傳感器的選型、數據采集、無線網絡設計、無線數據傳輸和數據解析處理等。整個系統由中心節點模塊和各個數據采集子節點模塊組成，中心節點可以在網絡中隨意移動，方便對數據進行監測和隨時隨地查看。中心節點的功能主要是接受并顯示子模塊節點上傳的監測數據，由于多個節點同時向中心節點發送數據，因此中心節點要采取合適的數據解析策略防止數據發生干擾和混亂。數據采集子節點主要由各種傳感器和無線發送模塊組成，主要功能是對環境中的溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照等參數進行采集，并將采集的數據進行顯示和打包上傳。整個系統結構框圖如圖1所示。

圖1 監測系統整體結構框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 節點控制器選型

結合系統成本和功能要求，最終選取STC12C5A 60S2作為各節點模塊的微控制器。該控制器速度比同時鐘的單片機快6倍以上，具有空閑和掉電模式，非常符合無線傳感器網絡中節點模塊的低功耗設計需求。該控制器擁有8個AD通道可以將模擬信號轉換成10位數字量輸出，非常適合常見模擬量輸出的傳感器信號轉換。其內部還集成了兩個UART接口，方便和其他模塊之間進行串口通信。系統設計時，選擇微控制器的UART2即RXD2和TXD2兩個引腳和DL-LN33P進行串口通信，發送以及接收子模塊節點的監測數據。STC12C5A60S2微控制器的最小系統原理圖如圖2所示。

圖2 STC12C5A60S2控制器的最小系統原理圖

2.2 無線數據收發模塊

結合實際無線通信距離和數據傳輸的需求，本系統選擇DL-LN33P模塊搭建無線自組織網絡。該模塊具有上電自動組網的特點，實際通信時，節點控制器將目標模塊的地址和待發送的數據以一定的格式數據幀進行發送即可。該模塊能夠自主選擇最優的數據傳輸路徑，將數據發送給同一網絡中的目標節點。該無線收發模塊通過UART和節點控制器通信，輸出接收到的數據幀包括源地址和監測數據等內容，DL-LN33P無線收發模塊實物圖和電路設計圖如圖3所示。

圖3 DL-LN33P無線模塊實物圖及電路圖

系統中每個子節點模塊都可以實時實現對環境參數的監測并將監測數據上傳至中心節點，各個節點通過無線收發模塊將自己加入到無線自組網絡之中。所有無線模塊在使用之前都要通過串口調試助手將模塊的網絡參數設置為同樣的IP地址和信道，并設置特有的模塊地址。本系統設計的各節點無線網絡參數配置信息如表1所示。

表1 系統各節點模塊的基本信息

2.3 節點顯示電路設計

考慮到每個節點的體積和成本，每個節點的顯示屏采用0.96寸OLED顯示屏。OLED顯示技術具有顯示效果好、對比度高、視角大和功耗低等特點，采用I2C接口，指令豐富，操作方便，可以顯示漢字、ASCII和圖案等內容。0.96寸OLED顯示屏的外觀及接口電路設計如圖4所示。

圖4 顯示器的外觀及電路圖

2.4 傳感器選型

2.4.1溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器輸出的是數字信號，采用單總線串行接口，線路簡單、操作方便。并且每個溫濕度傳感器在出廠之前都經過嚴格校準，校準系數以程序的形式保存在OTP內存中，傳感器信號檢測和處理的過程中直接使用已經保存好的數據，測試結果精度高、穩定性好。該傳感器體積超小、功耗極低，非常適合用于環境溫濕度監測。DHT11的外觀及電路設計如圖5所示。

圖5 DHT11的外觀及電路圖

2.4.2光照傳感器

光照傳感器用于檢測農業大棚環境的光照強度，工作原理是將光照強度值轉為電壓值，主要應用于農業林業溫室大棚培育等環境。本設計采用BH1750數字式光照傳感器監測環境中的光照強度，該傳感器具有高速、低功耗和寬量程等特點。該傳感器擁有I2C接口可以直接輸出光照強度數字量，輸出光強度范圍為0-65535lux，內置高精度16位數模轉換器，無需計算和數據標定，使用方便、精度高，廣泛應用于溫室大棚環境。BH1750數字式光照傳感器的外觀及應用電路圖如圖6所示。

圖6 BH1750光照傳感器的外觀及電路圖

2.4.3土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器采用電容式土壤濕度傳感器模塊，該模塊的PCB電路板表面噴涂一層絕緣漆，當模塊插入土壤中能保護電路板不容易被腐蝕，相比電阻式土壤傳感器壽命更久，輸出更穩定。模塊內置穩壓芯片，支持3.3V~5V寬電壓供電，模擬信號輸出，輸出直接接到控制器的AD轉換引腳。電容式土壤濕度傳感器模塊的外觀及電路設計如圖7所示。

圖7 電容式土壤濕度傳感器模塊的外觀及電路圖

3 軟件設計

根據系統設計要求，整個監測系統應用程序由兩部分組成，一是各個子模塊節點中控制器的應用程序，二是中心節點中控制器的應用程序。兩部分應用程序的功能不同，需要分別設計。子節點控制器的應用程序流程圖如圖8左側所示，中心節點控制器的應用程序如圖8右側所示。從圖中可以看出，子節點的主要功能是采集采樣點的溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照強度數據，并將數據按照數據幀格式進行打包并發送。中心節點的主要功能是接收子節點上傳的數據，解析數據包，判斷出當前接受的數據是哪個子節點上傳，并分析出其中的環境參數數據。

圖8 應用程序流程圖

4 實驗驗證

為了驗證監測系統的功能，根據設計要求搭建相應的監測系統進行實驗驗證。模擬監測系統中包含一個中心節點和兩個子節點，每個節點相距50米左右，所有節點處于同一網段，各節點的網絡參數配置如表1所示。系統模擬實物運行圖如圖9所示。由于OLED顯示器的屏幕大小限制，在顯示不同節點上傳數據時通過按鍵進行切換。經過按鍵切換，中心節點接受到兩個子節點上傳的數據如圖中所示，包含了兩個子節點的溫度、空氣濕度、光照強度和土壤濕度數據，從而驗證了監測系統的可行性和準確性。

圖9 模擬測試系統實物圖

5 結論

本文設計了一個基于無線自組網絡的農業大棚無線環境監測系統，該系統使用多種傳感器組合對大棚內環境參數進行采集，并通過無線自組網絡將各個模塊采集到的數據上傳到中心節點，實現對整個農業大棚的全方位環境監測。系統具有安裝和移動方便、成本低等特點，能夠有效實現對大棚多種環境參數進行實時監測的目的，對農業大棚的智能化改造和提高產品質量具有重要價值。