農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計出了一套可對農(nóng)作物的生長環(huán)境進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗ZigBee技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)兩者相結(jié)合的方式，利用區(qū)域內(nèi)布置傳感節(jié)點對農(nóng)田環(huán)境因子進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)通過wifi網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)測終端，用戶可以根據(jù)檢測數(shù)據(jù)采取相應(yīng)治理措施，以保證農(nóng)作物生長環(huán)境的平衡，實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測及科學(xué)管理。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測；wifi

1 概述

中國是世界上的人口大國，也是農(nóng)業(yè)大國，隨著時代的進步，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式已經(jīng)無法跟上時代發(fā)展的腳步，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，已成為必須解決的問題。面對這樣的問題各國都已做了相應(yīng)的研究，科學(xué)種田和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)就是大家所研究的重點。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于缺乏有效的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測手段，農(nóng)民無法對農(nóng)作物生長做出及時的調(diào)整，僅憑經(jīng)驗，生產(chǎn)效率低下。獲取農(nóng)作物生長環(huán)境信息，是實施精準(zhǔn)施肥、精確灌溉等的重要依據(jù)，也是提高農(nóng)田生產(chǎn)效率的重要條件[1]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示及控制系統(tǒng)等組成。利用一些傳感器對農(nóng)田環(huán)境中的土壤溫濕度、空氣溫濕度、土壤PH值、作物生長實時畫面等環(huán)境因子進行檢測，數(shù)據(jù)被處理之后由上位機通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給下位機，在電腦和手機終端上進行顯示和報警，實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的遠程監(jiān)測。

3 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

3.1 wifi傳輸?shù)脑O(shè)計

無線數(shù)據(jù)的傳輸是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)中各個傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)主要由wifi模塊來向終端傳輸[2][3]。各個節(jié)點的傳感器將環(huán)境因子采集后首先傳入到ZigBee節(jié)點模塊，然后ZigBee節(jié)點模塊再通過串口將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與wifi模塊串口相連將數(shù)據(jù)包通過wifi模塊以相應(yīng)的地址傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)，最終由終端接收，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 報警器的設(shè)計

報警器件為蜂鳴器，報警模塊主要用于當(dāng)農(nóng)田環(huán)境（如空氣溫濕度、土壤濕度等）出現(xiàn)異常情況時，即達到所設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會給報警電路一個觸發(fā)，使蜂鳴器發(fā)聲。并將信號傳回到上位機，提示用戶及時采取措施。

3.3 溫濕度采集的設(shè)計

空氣溫濕度和土壤溫濕度是農(nóng)作物生長的重要條件，它直接影響作物的呼吸作用。系統(tǒng)選用DHT11溫濕度傳感器對空氣溫濕度進行檢測[4]，采用YL-69土壤濕度傳感器模塊，對土壤的溫濕度進行檢測。兩者都可直接測量溫度和濕度，并且每個傳感器設(shè)備都進行了精準(zhǔn)的溫、濕度校準(zhǔn)檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的監(jiān)測。

3.4 灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)主要用于定量的對農(nóng)田實施灌溉，這里主要涉及灌溉水量的控制，本系統(tǒng)采用HX711與稱重傳感器組合實施。HX711是24位AD，稱重傳感器檢測水量的實時變化，并將輸出的模擬信號通過HX711AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將數(shù)字信號通過串行方式發(fā)送給51單片機，由此單片機對水量進行控制，輔助灌溉系統(tǒng)的液晶界面上會顯示出水量的當(dāng)前值和已用水量值。從而，精確的計算出用戶的用水量。

4 系統(tǒng)軟件和顯示終端

本系統(tǒng)中采用IAR EW8051作為本系統(tǒng)的主要軟件開發(fā)平臺[5]。終端分為兩個部分：PC終端和移動手持終端。采用C++語言編寫APP作為手持終端和PC終端的監(jiān)測平臺，只要終端連入Internet網(wǎng)絡(luò)并輸入相應(yīng)的地址，監(jiān)測平臺上便可顯示出農(nóng)田環(huán)境的各個參數(shù)，做到監(jiān)控數(shù)字化。終端監(jiān)測界面如圖2。

5 系統(tǒng)測試

5.1 溫、濕度采集測試結(jié)果

測試時通過將DHT11測試與高精度的傳感器測試結(jié)果對比，比較數(shù)據(jù)，溫度誤差在0.1度之內(nèi)，濕度誤差最大在1.7%左右，數(shù)值完全符合測試要求。

5.2 系統(tǒng)總體測試結(jié)果

本系統(tǒng)的多個傳感器測試結(jié)果相對精確，反饋速度快，當(dāng)有環(huán)境因素發(fā)生變化時，報警系統(tǒng)檢測及時，同時，當(dāng)農(nóng)田出現(xiàn)區(qū)域性的干旱時，灌溉系統(tǒng)能及時的定量的進行灌溉，實現(xiàn)了自動灌溉的效果。對于攝像頭圖像采集部分，攝像頭底座可360度旋轉(zhuǎn)，攝像頭可對周圍環(huán)境全方位監(jiān)測，整體效果良好。

6 結(jié)束語

本設(shè)計針對當(dāng)前熱門的ZigBee技術(shù)進行了研究，從農(nóng)田種植環(huán)境實際出發(fā)，設(shè)計了以CC2530作為主控制器，51單片機作為輔助控制芯片的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田環(huán)境檢測系統(tǒng)，經(jīng)檢測，本系統(tǒng)達到了對農(nóng)田環(huán)境的實時監(jiān)測，可向用戶實時反饋當(dāng)前的環(huán)境情況并可根據(jù)環(huán)境的改變而做出相應(yīng)的舉措。

參考文獻

[1]劉洋，楊維.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（8）：265-270.

[2]余成波，張一萌，張進，等.基于ZigBee的糧庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，5（2）：23-26.

[3]章偉聰，俞新武.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，3（6）：19-23.

[4]敖誠博.基于ZigBee技術(shù)的溫度數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D].長春：吉林大學(xué)，2010.

[5]戰(zhàn)美玲.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].濟南：山東師范大學(xué)，2012.