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基于农业物联网的农田土壤环境监测系统的研究与设计

更新时间：2019-12-24 08:59:50 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

农业物联网是利用各种仪器仪表与传感器参与到农业各种控制自动化的物联网.利用物联网(IoT)相关技术开发出一套农田土壤环境监测实时系统,内容包括系统的技术路线、系统设计、开发实现.在系统的实现过程中,通过WSN与4G网络相结合,实现农田土壤温湿度、盐碱度、pH值等土壤环境信息的自动化采集与存储.

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中国难学通报

Chinese

2018，34(23)：145-150

ScienceBulletin

Agricultural

基于农业物联网的农田土壤环境监测系统的研究与设计

徐识溥啦3，刘勇L2，李双喜4，郑宪清4，吕卫光4，王运圣啦

(1上海市农业科学院农业科技信息研究所，上海201403；2上海数字农业工程技术研究中心，上海201403；

’同济大学软件学院，上海201804；4上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海201403)

摘要：农业物联网是利用各种仪器仪表与传感器参与到农业各种控制自动化的物联网。利用物联网

(10T)相关技术开发出一套农田土壤环境监测实时系统，内容包括系统的技术路线、系统设计、开发实

现。在系统的实现过程中，通过WSN与4G网络相结合，实现农田土壤温湿度、盐碱度、pH值等土壤环

境信息的自动化采集与存储。

关键词：物联网；土壤环境监测；wSN；4G网络

7080095

中图分类号：S24

文献标志码：A

论文编号：casbl

Research

of FarmlandSon

Based on_Agricultural10T

MonitoringSystem

and

Environmental

Design

Shipu啪，Liu Yongu，Li Shuangxi4，Zheng Xianqin94，LvWeiguan94，WangYunshen91。

and 201403；

Sciences，Shanghai

lmtitute

('Agricultural

ofScience

oflnformation TechnologyⁱⁿAgriculture Shanghai，Shanghai

School

201804；

Information

2Center

Technology,Shanghai AcademyofAgricultural

201403；

3Software Engineering

"Eco-environmental Protection Institute

ofTongji University，Shanghai

Science，Shanghai 201403)

ofShanghaiAcademyofAgricultural

of instruments and sensors to realize

Abstract：The internet of

USeS a

things(IOT)of agriculture

variety

based on IOT

the

automation．The authors

field environmental

and

agricultural

developed

technical

monitoring system

the

included

technology，which

route，system design

application development．Through

collection and_storageof soil environmental

couldrealize the automate

combination of WSNand

4G，the system

and SO on．

value

information，such

temperature，humidity，salinity，pH

environment

network

Key^{words：internet}

things(IOT)；soil

monitoring；WSN；4G

0引言

生物管理系统。北京农林科学院开发了远程视频咨询

诊断系统。由于作物的生长离不开土壤的养分供给，土

壤的环境参数信息尤其重要，但是上述所有系统都没有

一套完整的基于4G传输的土壤环境监测方面的叫】。基

于农业物联网的农田土壤环境监测系统可以有效地远

程实时监测作物的土壤环境，从而对作物的下一步科

学管理提供实质帮助，最终改善农业精细管理水平。

本研究开发的系统主要应用大田的土壤环境信息

随着信息技术的发展，越来越多基于物联网的智

能系统已经应用农业生产。生活在美国加利福利亚的

Norcal，在草莓的种植环境里，开发出一套基于物联网

的农田环境监测系统，该系统可以实时监测草莓的生

长环境和作物生长状况n】。江苏大学的科研人员开发

了一套基于GPRS的无线通信的物联网系统，该系统

可以远程收集和监测水产研制环境因素数据[21。潘正

一、胡娟娟开发出一个可远程诊断和监控的园艺有害

采集，利用数据对后续的作物管理提供技术支持。该

基金项目：上海市农业科学院卓越团队建设项目“智慧农业创新团队建设”【农科创2017(13．09)】；上海市农委基础研究项目“近红外光谱桃果实糖度反演模型研

究与传感器研制”【沪农科攻字(2015)第抖I号1。

第一作者简介：徐识溥，男，1986年出生，研究实习员，硕士，研究方向：农业信息化和软件开发。通信地址：201403上海市奉贤区金齐路1000号上海市农业科

学院3号楼601室，Tel：02I．37195729．608。E．mail：x啦hiptl39706879@163．com。

通讯作者：王运圣。男，1971年出生，副研究员。博士后，研究方向：生物信息采集、专家系统和作物生产信息化平台。通信地址：201403上海市奉贤区金齐路

1000号上海市农业科学院3号楼5楼，Tel：021．37195729，E-mail：w蛐gyunsh髓g@sa孤sh．cn。

收稿日期：2017-08-22，修回日期：2017．11-02。

万方数据

· 146·

中田恭掌通报http：llwww．casb．org．cn

系统的组成是通过自组网、低功耗的网络节点，实现在

线与连续监测土壤环境，每5 min采一次。

1传感器节点设计

(1)微型化：由于农田的特殊性，传感器节点要在

监测区域大量部署，由于要对目标系统本身的特性没

有影响并且方便部署，故传感器节点的体积要非常小。

(2)低成本：由于传感器节点的量大，单个节点的

成本能够很大影响整个系统的成本。故在保证节点性

能的前提下，需要尽可能地降低单个节点的费用来有

效降低整个系统的成本。

基于农业物联网的农田土壤环境监测系统的组成

包括基于WSN的数据采集网络和智能监测处理中心。

体系结构如图l所示。基于WSN的数据采集网络包

括实现网络的组建和采集感知数据，在相关硬件的基

(3)低功耗：由于传感器节点通过电池供电，电量

有限，等电脑耗尽后，传感器节点会停止工作，整个系

统的传感器网络的拓扑结构也会相应变化。所以，减

少节点本身的功耗，延长节点使用寿命。对于整个系

统稳定、运行高效是非常重要的。

础上，传感器节点通过Zigbee协议组建网络is～。在本

系统中，传感器节点分终端节点、路由器节点和协调器

节点3种。其中终端节点每五分钟采集土壤温湿度、

光照强度与二氧化碳浓度等环境参数，最后经由路由

器节点，通过多跳中继的方式数据传达到协调器节点，

协调器节点再由RS．232串口，将数据发送到上位机管

理系统IS]。

(4)优良射频性：由于农田环境的特殊性，无线信

息的传播与通信距离指数相关并衰减，节点之间的通

信距离直接影响到发射功率的消耗，最后会引发功耗

相关问题。因此，节点间通信距离也是限制无线传感

器网络应用的重要原因，所以提高射频性能可以改善

系统的工作能力。

本系统的智能监测处理中心组成包括数据库服

务器和中央处理部分。在系统中，智能监测处理中心

的功能首先是负责本系统的用户管理，实现本系统用

户的增加、删除、修改与查询操作；其次是对接收到的

数据进行存储于显示，并将数据绘制成动态曲线分析，

设置环境参数的阈值，从而达到对农作物生长的土壤

环境的智能监测。

(5)可扩展性：在系统的后期应用中，可能会有新

的需求，所以一个具有可扩展性的系统可以根据需求

增加不同的功能器件。

1．1传感器节点硬件设计

根据以上的要求，网络的传感器节点硬件设计图

如图2所示。

根据农田的特性，本系统中的传感器节点的硬件

设计，主要遵循以下几点睁11l。

如图2所示，CPU部分是节点的处理器部分，称作

上位机监控平坦

L—

网线

无线连接

L一

协调器

路由器

终端设各

万方数据

· 147·

徐识溥等：基于农业物联网的农田土壤环境监测系统的研究与设计

按键I

—o。4t星囔

横块

j嫒囊

外

部

传

感

器

!堡竺1坚堡!矍

无线通信模块

CPU

A／D

转

换

MsP430F5438

MAX3232

模

块

串行通信模块

供电模块

图2节点硬件示意图

1．3 Intemet接入模块的设计

是DCP模块，它是节点的核心模块，其中数据处理的

算法、节点的通信算法和节点多任务处理都是在这模

块实现的。外部传感器模块包括各类传感器，这些传

本系统采用电信4G网络和Zigbee网络相结合形

式实现数据的传输，在接受数据终端上的嵌入式系统

实现web服务器功能。通过协调器几点与服务器连

接，协调器上实现ZigBee协议，网络接入模块上实现

TCP／IP协议，具体连接方式如图4。

感器可以实现对农作物各种环境参数的感知[12-t3]。

JTAG接口提供对各种芯片的测试和程序的下载。按

键模块和LED模块协同工作，可以实现操作控制相关

节点和节点的工作状态显示。无线通信模块的功能是

完成各种控制指令的交互与传输各种相关数据。

MAX3232串行通信模块直接通过串口链接计算机，把

数据传给上位机。供电模块负责整个无线网络以及节

点的能量供应041。

2智能监测处理中心的设计与实现

2．1智能监测处理中心总体设计

基于农业物联网的农田土壤环境智能监测处理中

心的信息采集系统中，我们应该综合各种技术来收集

数据。分层(簇)拓扑用于将传感器放置在农田中，网

络中有3种类型的节点：信息采集节点、协调节点和网

关节点。在系统中，网关节点主要用于与服务器的信

息交互，协调节点在网关和信息采集节点之间起到链

路的作用。该系统用于采集作物生长环境数据，如土

1．2传感器节点软件设计

Embedded

本系统节点选了IAR

Workbench(L讯

EW)作为软件开发环境，IAREW的C／C++交叉编译器

和调试器是当今包容性最强、代码继承能力最大且效

率非常高的代码开发框架，它的功能非常强大，在

Windows环境下，不仅可以支持C／C++代码的开发，同

时可以实现各种应用项目的管理。

壤pH值，温度和湿度，光照强度等。基于农业物联网

的农田土壤环境智能监测处理中心的架构是C／S

(Client／Server)架构与B／S(Browser／Server)架构结合，

使用HTML、C撑等语言设计开发。本监测系统的核心

是智能监测处理中心，其功能模块图如图5所示。

2．2智能监测处理中心实现

本系统的传感器网络是基于无线Mesh网络

(zigBee．WMNs)与电信4G网络相结合的网络，该网络

中有3种类型的设备，基于Zigbee的路由器、协调器和

终端设型”以71。其中路由器负责发现路径与维护路由

智能监测处理中心的界面是基于C／S(Browser／

Server)模式开发完成的，该模式适用于固定用户在固

定客户端上登录，安全性也比较高。根据不同用户的

不同需求，登录成功后服务器会显示不同的结果。登

录界面、主页和其他界面如图6~8。

设备可以采集数据，同时完成路由的工作，网状网络和

树形网络可以有多个路由器，星型网络不支持路由器；

协调器的作用是启动和配置网络，还可以与系统之外

的设备通信，达到网关的作用，在本系统只能有一个协

调器；终端设备负责数据的采集和简单的控制，系统中

3总结与展望

网络的终端节点只是完成数据采集和返回工作，本系

统中可以有多个终端设备[18-19]。网络组建流程如图3

所示。

本系统设计与实现的工作包括：基于WSN节点组

成的无线Mesh网络对感知数据的获取；利用RS232把

获取到的感知数据发送到上位机的智能监测处理中心

万方数据

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