基于物联网技术的农业智能化培养控制系统的开发.docx

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基于物联网技术的农业智能化培养控制系统的开发

分类号：

学校代码：

11460

学号：

00909331

南京晓庄学院本科生毕业论文

基于物联网技术的农业智能化培养控制系统的开发AgriculturalintelligentcultivatecontrolsystembasedonInternetofThingstechnologydevelopment

所在院（系）：

物理与电子工程学院

学生姓名：

朱健

指导教师：

唐修连

研究起止日期：

二○一二年十月至二○一三年五月

二○一三年五月

摘要

最近几年社会上在农业领域中广泛提出了智能农业的口号，认为智能农业是现代农业的重要标志和高级阶段，在农业产业链的各个关键环节，通过信息、知识和现代高新技术的高度融合，用信息流调控农业生产和经营活动的全过程，由于以上原因，此次毕业设计就研发设计了一套基于ZigBee网络的农业数据采集系统。

这套系统主要采用TI德州仪器公司生产的基于标准协议IEEE802.15.4的2.4GHz的CC2530片上系统，配备有温度、湿度、光照度三种传感器，以网关、协调器、路由器和终端的形式组建网络，外网以SIM900为主的GSM短信实现，此次设计虽然没有涉及上位机软件的开发，但是在协调器上预留了串口转USB接口链接PC机。

这套系统能够自动完成环境监测、数据传输、参数显示以及远程查询等工作。

通过传感器采集、网络传输，将数据汇集到协调器上，以3种方式显示或查询。

第一种方式是在协调器上的LCD显示屏上显示数据；第二种方式是通过串口发送至PC机；第三种方式是将协调器链接到GSM模块，等待用户发送短信验证码查询数据。

关键字：

物联网；无线传感网；智能农业；环境监测；ZigBee网络

Abstract

Recentlyyears,inthefieldofagriculture,thesloganofintelligentagricultureiswidelyproposed,Peoplethinkintelligentagricultureisanimportantsymbolandadvancedstageofmodernagriculture.Intelligentagricultureisthatintheagricultureindustrychainofeachkeylink,throughthefusionofinformation,knowledgeandthemodernnewhigh-tech,usinginformationflowtocontrolagriculturalproductionandoperationactivitiesinthewholeprocess.Thegraduationdesignreserachsasetofagriculturedataacquisitionsystem,whichisbasedontheZigBeenetwork.

ThesystemmainlyusingTIcompanyTexasinstruments’s2.4GHzCC2530chipsystem,whichproductionisbasedonthestandardagreementoftheIEEE802.15.4,andequippedwiththreekindsofsensors,namelytemperature,humidityandlight.TheCC2530chipsystembuildanetworkintheformofgateway,coordinator,routersandtheterminal.Inaddition,theouternet’sGSMmessageimplementationismainlyonSIM900,AlthoughthisdesignisnotinvolvedinthedevelopmentofPCsoftware,onthecoordinatordeviceofturningserialtoUSBinterfaceisreservedtolinkPCS.

Thesystemcanautomaticallycompletetheworkaboutenvironmentalmonitoring,datatransmission,parameterdisplayandremoteinquiry.Throughthesensorscollectingandnetworktransmission,collectingthedatatothecoordinator,withthreewaystodisplayorinquiry.ThefirstwayistodisplaydataontheLCDscreenofcoordinator;ThesecondwayissentthedatatothePCbyserial;AndthefinallywayistolinkthecoordinatortoGSMmodule,waitingfortheusertosendatextmessageverificationcodetoinquirethedata.

Keywords:

TheInternetofthings;wirelesssensornetwork;intelligentagriculture;environmentalmonitoring;ZigBee-basednetwork

目录

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2主要内容3

1.3本章小结4

第2章系统总体设计5

2.1设计目标5

2.2系统架构5

2.2.1物联网层次结构5

2.2.2感知层6

2.2.3网络层7

2.2.4应用层7

2.3本章小结8

第3章系统硬件设计9

3.1硬件结构9

3.2传感器选型和应用10

3.2.1温度传感器10

3.2.2湿度传感器12

3.2.3光照度传感器13

3.2.4传感器集成设计15

3.3ZigBee系统设计16

3.3.1电源16

3.3.2最小系统19

3.4上位机接口22

3.5LCD显示23

3.6本章小结23

第4章系统软件设计25

4.1ZigBee协议栈25

4.1.1Z-Stack协议栈概述25

4.1.2OSAL操作系统简介26

4.2用户程序28

4.2.1用户程序的添加29

4.2.2用户程序流程30

4.3本章小结33

第5章系统集成与测试结果34

5.1硬件测试34

5.1.1电源上电测试34

5.1.2最小系统RF收发能力检验35

5.1.3上位机接口测试36

5.2软件调试37

5.2.1传感器驱动程序时序校准37

5.2.2指针传递数据丢失检错37

5.2.3AT命令调试38

5.3系统整体效果演示39

5.4本章小结41

第6章毕业设计总结42

致谢43

参考文献44

附录45

第1章绪论

现代农业的发展离不开新兴电子行业的推动，传统农业的弊端使得农业产业升级刻不容缓。

物联网，被称之为下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，已经被逐步引入到农业的产业升级过程当中。

1.1课题背景

在现代农业的发展趋势下，传统农业的模式已经不能适应可持续发展的需要，产品质量问题，资源严重不足且普遍浪费，环境污染，产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，而精准农业为现代化的农业提供了一条光明之路，精准农业与传统农业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约。

它是一项综合性很强的系统工程，是农业实现低耗、高效、优质、环保的根本途径，是世界农业发展的新趋势，也是我国农业迈向21世界的最佳选择。

2009年8月7日下午，国务院总理温家宝在无锡考察时指出，物联网是新世纪影响人类发展的重要技术之一，并提出了“感知中国”的发展设想。

实现物理网技术在农业领域中的应用是改善我国农业生产手段、提高农业生产效率和生产水平的有益尝试。

在2011年《江苏省政府关于加强农业科技创新与推广工作的意见》中，提出要“大力发展生物农业、种源农业、设施农业、生态农业、智能农业等农业新兴产业，提升我省现代农业产业技术体系的创新能力”。

智能农业被列入政府主导推动的新兴产业，表明智能农业时代的到来。

智能农业与现代农业同步发展，使现代农业的内涵更加丰富，时代性更加鲜明，先进性更加突出，必将极大地提升农业现代化的发展步伐。

图1-1智能农业系统

智能农业是在现代科学技术革命对农业产业巨大影响下逐步形成的一个新的农业形态，是现代农业发展的必然趋势和高级阶段，其基本特征是高效、集约，在农业产业链的各个关键环节，通过信息、知识和现代高新技术的高度融合，用信息流调控农业生产与经营活动的全过程。

在智能农业环境下，信息和知识成为重要投入主体，并大幅度提高物质流与能量流的投入效率。

在加快传统农业转型升级的过程中，智能农业将成为发展现代农业的重要内容和显著特性，为加快农业产业化进程，促进农业生产方式和经营方式的转变，增强农业综合竞争力发挥革命性作用。

智能农业是一个新兴产业，它是现代信息化技术与人的经验与智慧的结合及其应用所产生的新的农业形态。

在智能农业环境下，现代信息技术得到充分应用，可最大限度地把人的智慧转变为先进生产力，通过知识要素的融入，实现有限的资本要素和劳动要素的投入效应最大化，使得信息、知识成为驱动经济增长的主导因素，使农业增长方式从主要依赖自然资源向主要依赖信息资源和知识资源转变。

因此，智能农业也是低碳经济时代农业发展形态的必然选择，符合人类可持续发展的趋势。

在农业生产环节，利用农业智能传感器实现农业生产环境信息的实时采集和利用自组织智能物联网对采集数据进行远程实时报送。

通过物联网技术监控农业生产环境参数，如土壤湿度、土壤养分、PH值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度等，为农作物大田生产和温室精准调控提供科学依据，优化农作物生长环境，不仅可获得作物生长的最佳条件，提高产量和品质，同时可提高水资源、化肥等农业投入品的利用率和产出率。

图1-2智能农业系统结构

2002年英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。

物联网传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。

研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。

通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。

这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。

我国是农业大国，农作物的优质高产对国家的经济发展意义重大。

在这些方面，物联网有着卓越的技术优势，它可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测。

1.2主要内容

这次的毕业设计课题就是围绕着农业生产的转型升级而展开的。

毕设的内容是要设计一套具有自组网功能，能够自动采集农业生产中的各项环境参数并通过网络将数据实时得报送的系统。

该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现农业生产环境的连续在线监测，提高水、化肥等资源的利用率，为作物生长提供良好的生长环境。

系统内部网络采用短距离、低功率ZigBee无线通信技术，结合农业领域专用系列传感器对农产品生长环境中的温湿度、PH值、光照以及土壤养分等数据进行采集和传输。

系统的主要芯片采用TI公司生产的CC2530，这款芯片是基于标准协议IEEE802.15.4的2.4GHz的片上系统，其内核是增强型的51，其具体功能和参数参见TI官网提供的数据手册和用户指南。

系统按照终端、路由器、协调器最后到网关入网的顺序链接，完成数据采集和传送以及显示的功能。

每个终端上设计安装了3种传感器，具体为温度传感器、湿度传感器和光照传感器，系统板上采用预留接口的方式，方便更换各种传感器以适应各种实际需求。

终端节点采用两节AA电池供电，这是受到了实际开发成本和时间的限制，实际应用时可以为每个节点配备太阳能电池供电，电池电压被随时监控，一旦电压过低，节点可以发出电压过低的报警信号，发送成功后，节点进入睡眠状态直到电量充足。

终端将传感器采集到的数据转换成标准格式后通过无线网络发送至协调器。

路由器在网络中主要完成数据传递的功能。

每个路由器不具有任何的采集数据和显示数据的能力，只负责将终端的数据接力式地传递给协调器。

协调器是整个网络的核心，承担着在网络建立之初的所有初始化网络和建立网络的责任。

协调器还承担着等待用户查询以及向PC机传递数据的任务。

由于PC机上很多都是USB借口，但是独立编写USB协议的工作量又比较大，在短时间内无法完成，因此设计了串口转USB接口，PC机上只要装有CH340T的驱动程序就可以识别了。

CC2530提供两个串口，其中一个串口链接PC机，一个串口由下载调试和GSM共用。

协调器上的LCD可以显示各个终端传送过来的数据。

用户可以通过发送事先设定好的验证码到指定的号码，就可以查询所有终端的数据，验证码可以定期更换以保证数据的安全不外泄。

1.3本章小结

现代化农业的发展，要依靠强大的电子科技，有效的控制资源的利用率，才能达到精准农业、智能农业的标准。

在政府和社会以及市场的推动下，在农业领域中，依托如今物联网的迅猛发展，电子产业的不断更新升级，利用传感器采集数据，并通过无线网络传输，基站与人的互动交流的这种设计开发理念逐渐成为智能农业的主导思想，也必将成为中国未来农业发展的指导思想。

本次毕业设计的目的就是为了验证这一个设计思想的可行性，并检验它的合理性。

第2章系统总体设计

利用自组织智能物联网对采集的数据进行远程实时报送是在农业生产环节实现智能化的重要技术依托。

本章就物理网的基本概念，结合本次设计的农业智能化培育控制系统，简单介绍物联网的层次结构、各层功能以及本次设计的目标、各层实现方案和系统的整体模型。

2.1设计目标

依托现有的相关技术，设计并实现一套能够自动采集农业相关的温度、湿度和光照度数据，通过自组网的方式，组建一个能够提供可靠数据传输的个域网，实现LCD显示、上位机通信和GSM短信查询的较为完整的农业智能化培育控制系统。

由于此次毕业设计时间等方面的限制，只是完成数据采集和处理的相关部分，关于控制部分，没有涉及，但是在GSM短信查询中，包含有验证码的读取和识别，这部分内容可以作为远程控制的基础，在后续的开发和更新过程中，可以加以修改最终完成控制部分。

2.2系统架构

本节将介绍物理网的相关概念，并分层介绍本次设计。

力图以清晰的层次结构，完整的系统框架，全面介绍本次的设计方案。

2.2.1物联网层次结构

物联网是“传感网”在国际上的通称，是传感网在概念上的一次拓展。

物联网应该具备3个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物理实施智能化的控制。

根据物联网的3个特征，一般分为3层。

底层为感知层，包括传感器等数据采集设备，以及数据接入到网关之前的传感器网络。

感知层是物理网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通讯技术是感知层涉及的主要技术。

中间层为网络层，物联网的网络层将建立在现有的移动通讯网和互联网基础上，通过各种接入设备与移动通讯网和互联网相连。

网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物理网的核心技术。

最高层为应用层，利用分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。

应用层是物理网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物理网应用。

物理网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向。

有专家预测10年内物理网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。

如图2-1所示为物联网的基本层次结构图。

图2-1物联网基本层次结构

2.2.2感知层

感知层的设计采用了ZigBee技术。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

ZigBee支持具有自愈功能的网状网络结构，这是一个很类似于互联网的分散式网络拓扑结构。

根据设计目标的要求，终端设备上应该连接三种传感器，分别是温度传感器、湿度传感器和光照度传感器。

传感器采集与农业生产相关的数据后，传送至与其相连的终端设备中。

终端设备通过无线发射的方式，由中间路由器对数据进行传递，最终送达协调器。

由于本设计没有涉及到农业方面的相关控制部件，所以感知层的局域网中只有向上的数据流，即有终端设备到路由器再到协调器，没有向下的数据流。

如图2-2所示为ZigBee网络结构。

图2-2ZigBee网络结构

2.2.3网络层

考虑到多方面因素的限制，本次设计在选择网络层时只使用了GSM网络。

每个终端将数据传送到协调器后，协调器都会将最新数据存储下来，等待用户通过GSM的短信服务向协调器查询，即整个系统对于GSM网络来说是独立而且被动的，它不主动向GSM网络传输数据，只是等待用户的不定期查询后才向查询方传送一次数据，数据传送完成后又会转为被动等待。

实际开发和使用时，可以考虑别的网络服务。

如实时性更好，数据传输速率更快的GPRS网络，通过手机软件连接GPRS网络，进入农业智能化培育控制系统，可以随时随地浏览所有相关传感节点的数据，并对控制部件发出指令调整其工作状态。

也可以将数据上传至Internet，通过PC机上的软件连接互联网，进入系统查询相关数据并控制相关部件。

2.2.4应用层

本次设计中，共体现了三种人机互动的功能。

第一种是通过LCD显示，即协调器将数据输送给LCD，由LCD显示各个节点的相关数据，这种方式是模拟的农业智能化培育控制系统中基站里的大屏显示或分屏显示，它具有直观、方便、实时、连接简单等优点；第二种是通过串口转USB接口将数据传送至PC机，由PC机对数据进行显示，这种方式相比较第一种，有更好地可移动性和灵活性。

第三种是通过GSM短信的方式等待用户查询，是一种被动的互动方式，用户可以通过发送事先设定的验证码给GSM模块，协调器通过验证码验证身份后将每个传感节点的数据以短信的方式发送给用户，这种方式相比较前两种方式，可移动性更强，真正实现了远程网络访问，但是由于GSM本身的技术限制，使得数据的实时性得不到有效的保障。

由于诸多因素的限制，这三种方式的前两种都属于模拟实际情况的实验方案。

在实际开发和使用时都可以根据不同情况进行修改，如编写上位机软件实现PC机与农业智能化培育控制系统的相连，选择更多更好地网络服务等。

如图2-3所示为本课题的基本结构模型。

图2-3农业智能化培育控制系统基本结构模型

2.3本章小结

此次设计是按照标准的物联网结构规划的，分为感知层、网络层和应用层三个层面。

在感知层，采用了短距离、低功耗、低成本、低速率的ZigBee自组网技术，完整体现了一套标准的个域网结构体系，包含了协调器、路由器和终端。

在网络层，采用了难度较低的GSM网络，采取了较为普遍的短信服务被动查询的方式。

在应用层，设计了LCD显示、PC机通信和GSM短信查询三种功能。

基本实现了之前的设计目标和设想，完成了较为完整的物理网系统，较好地体现了农业智能化培育控制系统的应用和发展前景。

第3章系统硬件设计

本章将详细介绍本次设计的农业智能化培育控制系统的硬件结构，并分模块介绍各部分的电路原理图和PCB图，清楚地阐述每个模块的设计思想和实施方案。

3.1硬件结构

为满足系统功能的需求，设计者按照模块划分的方式将系统划分为传感器、ZigBee系统、上位机接口、LCD显示和GSM通信五个部分。

每个部分都与ZigBee系统相连，保证全网联通。

农业智能化培育控制系统中，传感器的设计是至关重要的。

在农业生产过程中，温度、湿度、光照、氧气含量、CO2含量、氮肥含量等物理、化学量的成分是影响农作物生长发育的关键性因素，如何准确实时全面地了解和掌握这些环境变量的变化情况是提高农作物产量，提升农作物生长质量，保证经济效益和环境资源合理利用的前提条件和重要环节。

本系统在设计之初，考虑到成本和实验条件等因素，也考虑到本系统只作为对物联网应用在农业生产过程中的方案验证性设计，仅选用了温度、湿度和光照度三个物理量的传感器来模拟对农作物生长环境的实时监测。

在实际开发和应用中，可添加化学成分检测传感器和控制系统，使得农业智能化培育控制系统真正做到对农作物生长环境的实时监测和控制，甚至可以做到对农作物生产、保鲜、销售一体化控制，真正实现智能农业。

设计者在设计传感器时，考虑到系统集成的稳定性，选用了三种传感器集成芯片，并将这三种传感器设计到一块电路板上，方便了实际机械安装和调试，也提高了在同一地点，同一时间对不同环境变量测试结果关联程度的可靠性。

设计者认为，智能农业的本意是对农业生产乃至保鲜销售等全过程实现智能化一体化的科学管理，但是实际上，针对于农业生产单一环节来讲，是对大面积的土地资源和环境资源实施小范围精确管理，大范围集约化管理。

首先要实施小范围精确管理，做到哪边有事哪边解决，快速、准确是小范围精确管理的要点；然后是集约化管理，将若干已经做到精确管理的小范围土地资源统一调度，统一经营管理，就能实现农业整体的智能化。

因此，小范围的精确管理需要的是对同一时间、同一地点的不同环境变量的连续监测，能够集中反映被监测的小范围环境资源情况。

设计者正是秉持这一观点，提倡将各种传感器集成到一块电路板上，进行统一安装和使用，对小范围情况作出准确的判断。

在人机交互界面上，设计者采用了较为传统的LCD显示、上位机显示和较为流行的GSM通信相结合的方式。

对农作物的生长环境进行实时监测和查询，方便用户使用多种渠道准确了解和掌握农作物生长情况，帮助农业经营者准确快速地处理各种问题。

传感器与ZigBee系统的连接是使用接插件的形式，ZigBee系统板上留有4中不同规格、不同种类的传感器接口，方便日后拓展。

人机交互界面中，LCD是直接接插在ZigBee系统板上，保证了系统硬件的稳定性和整体统一。

GSM通信与ZigBee系统是以串口相连，因为考虑到实验调试的方便，没有设计串口电路，而是以接插线的形式实现连接。

上位机与ZigBee系统是以USB接口的形式相连，考虑到USB协议的复杂程度和时间等实际条件的限制，采用了串口转USB接口的办法避开了复杂协议的编写和设计，减轻软成本的开销。

如图3-1是本系统的硬件结构图。

图3-1系统硬件结构图

3.2传感器选型和应用

传感器是农业智能化培育控制系统对农作物