智慧农业无线传感器网络系统设计

李世荣，陈永智，廖惜春

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

智慧农业无线传感器网络系统设计

李世荣，陈永智，廖惜春

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

为满足智慧农业监视农作物生长过程、管理农产品质量实时远程的需求，设计了无线传感器网络系统. 该系统由无线监测网络和远程监控中心两部分组成：无线监测网络采用以STC12C5A60S2单片机为核心的传感器节点开发策略，构建了基于STR-30的无线传感网络；远程监控中心采用基于VC++6.0编程设计的管理软件，可实时显示各节点传感器的数据和工作状态，报警，数据的保存、查询，以及对各节点的实时控制，能一定程序上实现远程的监督和控制.

农业物联网；智慧农业；远程监控；实时监控；微处理器；无线通信模块

目前，在农田、果园、茶园、森林、水产养殖等大规模生产过程中，如何监控农业生产小环境的空气温湿度、光照、降雨量，土壤温湿度、有机质含量、重金属含量、pH值以及植物生长特征等信息，是农业生产质量保障亟待解决的问题. 利用物联网的关键技术——无线传感器网络，对农业生产的过程进行实时数据采集与监控，是目前农业物联网研究领域最主要的课题之一[1]. 将物联网技术应用到农业生产的过程中，既能改变粗放的农业经营管理方式，又能提高农作物虫情、苗情、疫情以及重金属的监控能力，确保农产品质量安全[2-3].

2010年，我国政府出台了一系列关于物联网发展的产业政策，并将其列入国家“十二五”发展规划. 随之，华中农业大学等高校相继开设了“精准农业”专业；河北博润等多家企业，陆续开展了物联网技术应用于精准农业的研究. 这些企业先后推出了基于GPRS的短信平台、基于CDMA(3G)平台及带有多路输入输出的远程测控系统等产品，用于农田灌溉管理、水产养殖、森林监测、水文气象监测等[4-6]. 但这些产品都依赖于现有移动通信网络，运行成本较高，且主要是对环境的监测，未将作物生长环境的光照、降雨量，土壤的温湿度、有机质含量、重金属含量、pH值等列入其中. 文献[6]介绍了无线传感器网络在土壤信息采集、土壤灌溉控制中的应用，但未能全面反映农作物生长的其他信息. 本文所述系统主要监测对象是农作物生长环境的空气温湿度、光照、CO2浓度、土壤的温湿度，并可扩展到对土壤有机质含量、重金属含量、pH值等的监测. 系统采用STR-30[7]等通用元器件，具有通信距离远、相对节点数较少、成本低、组网灵活等优点.

1 系统的结构及工作原理

1.1 系统硬件组成

本文设计的基于 STR-30组成的实时监控系统如图 1所示. 其中无线传感器网络节点电路以STC12C5A60S2单片机为控制核心，由多个节点组成分布式无线传感器网络. 网络的数据枢纽是本系统的汇聚节点(sink). 无线传感器节点硬件电路结构如图2所示，其核心是微处理器. 数据采集端配有温度、湿度、光照、CO2、土壤水分以及pH值测量等传感器组，还配有无线数据传输模块、通信接口以及外部存储器等. 另外，系统还预留了重金属检测等传感器接口（图2中未标出）.

图1 系统总体设计框图

图2 无线传感器节点硬件结构框图

每个节点的微处理器根据自带传感器模块提供的数据时序，实时进行数据采集、分析处理、传输和接收远程控制信息. 当某一节点所带传感器检测到的某参数指标超标时，该节点将自动发出告警信号. 汇聚节点与 PC机连接，可接收来自各节点的信息，能及时发现并确定发出信息的节点所在的位置，将各传感器的数据按照预定的协议发送到PC，由PC将数据实时存储和显示，并根据接收到的实时数据与预置参数进行比较以判断被检测区域作物的生长环境是否达标，也可根据需要对某节点的工作状态或参数作相应调整.

此外，系统还可根据实际情况，自动或人工对全部(或部分)节点进行参数指标的修改，如夏天和冬天温度不同. 本系统还可加入自动控制模块，如自动灌溉、控温或排风等模块.

1.2 无线数据通信模块

本系统STR-30型微功耗无线数据传输模块工作于ISM频段，无需申请频点，具有多信道、多速率、传输距离远、高抗干扰能力和低误码率等优点. STR-30的引脚功能说明如表1所示.

表1 STR-30模块引脚说明表

1.3 传感器模块接口电路

各节点硬件电路如图3所示. 其中微处理器（STC1）是数据处理与I/O口的控制核心，外围主要接口与各传感器通过串行通信接口（RS232）与无线通信模块相连接，该接口也可用于调试及程序下载. 本系统还预留了一定的外围I/O接口，以便扩展其他传感器或自动控制模块.系统中，空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器等模块的输出量均为数字量，pH值数据为模拟量.

图3 节点硬件设计总原理图

2 系统软件设计

系统软件由传感器节点驱动程序、网络路由驱动程序以及 PC通信、数据处理等程序组成. 各节点传感器采集的相关数据通过无线模块STR-30与PC控制终端进行通信，终端能及时准确地处理并显示各节点的数据，同时也能对各节点进行相关控制操作.

本文仅以传感器节点驱动程序的软件设计为例，其主程序流程如图4所示. 传感器节点驱动程序主要完成数据的采集处理以及与PC终端进行通信、工作状态的调整等功能.

图4 传感器节点驱动程序设计流程图

系统接收终端（PC）数据处理及显示界面的软件设计是基于 MFC开发的. 主要功能是通过驱动汇聚节点，实现与各传感器节点之间的全双工无线电通信，接收、存储、查询、实时显示数据，查看各节点传感器的工作状态，设定各节点传感器参数指标以及当某一节点数据超标时触发告警等.

3 系统测试

系统测试主要包括下位机节点的测试和上位机控制终端的测试，其中下位机各节点的测试可以通过观察上位机的数据直接知道. 系统的调试主要是各传感器模块的调试以及上位机软件的调试，上位机的测试主要是各功能模块的测试. 经实地测试，节点间的通信距离在开阔的视野范围内可达到600 m左右，且能稳定地收发数据. 系统上位机的界面效果图如图5所示.

图5 PC终端主界面

设定各节点传感器参数指标、查看历史记录以及某一节点数据超标时的告警信息等实际测试结果图拼接如图6所示. 各类数据都可以实时记录在SQL数据库中以便备查.

图6 上位机测试结果拼接图

4 结论

本系统运用了单片机控制技术、传感器网络技术、无线数据传输技术和农用传感器数据分析处理技术等，可实现对大型农场、蔬菜大棚、森林、水产养殖等的智能监控. 系统实验结果表明，其通信距离可以达到约 600 m，既能准确实现空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等数据的采集，又能实现与终端的交互式通信、工作状态的自动调整、数据的保存查询、各传感器数据和提示信息的显示等功能. 本系统将无线传感器网络与现代智慧（精准）农业中所用的传感器结合，用于现代大型农业的生产管理过程，在一定程度上实现了农业大棚种植、仓库管理等的无线远程监控，确保了农产品质量可监控、可追溯，为农产品质量监控和生产管理提供了有力的技术支持.

[1] 姚向华. 无线传感器网络原理与应用[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[2] 夏华. 无线通信模块设计与物联网应用开发[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[3] 张春红. 物联网技术与应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2011.

[4] 李静，王福豹，段渭军. 基于无线传感器网络的河流自动监测站设计[J]. 现代电子技术，2011, 24(3)：134-136.

[5] 程明传，王平，施文灶. 有害气体监测中无线传感网络节点的设计与实现[J]. 电子测量技术，2009, 32(1)：154-157.

[6] 张增林，郁晓庆. 基于无线传感器网络的土壤信息采集系统[J]. 节水灌溉，2011, 10(12)： 41-43.

[7] 温明峰，郭洪威，潘育锦，等. 基于STR-30的无线静脉注射监控仪设计[J]. 五邑大学学报：自然科学版，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

李世荣（1986—）男，广西玉林人，主要研究物联网技术及其应用；廖惜春，教授，硕士研究生导师，主要从事无线传感器网络及应用、物联网技术及应用研究.

1006-7302（2012）04-0072-05

TP393.1

A

2012-06-29

广东省大学生创新实验项目（校教字〔2010〕56）