基于物联网的智慧农业演示系统.docx

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基于物联网的智慧农业演示系统

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2014年春季学期

物联网综合应用实践课程设计

题目：

基于物联网的智慧农业演示系统

专业班级：

姓名：

学号：

指导教师：

成绩：

摘要

农业生产过程中,温度、湿度、光照强度、C02浓度、水分以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物的生长,传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准,只能算是粗放式管理,在这种管理方式下,通过人的感知能力管理上述环境参数,无法达到准确性要求,要实现现代农业的智能化管理,建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。

本次课程设计介绍了一种基于CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统。

该系统采用Zigbee无线通信技术结合传感器，通过运用Zigbee协议架构组建无线传感网络,实现主从节点的数据采集和传输,以及一点对多点，两点之间的通信。

并详细阐述了基于Zigbee协议栈的中心节点和终端节点的协议传输。

关键字:

温湿度数据采集;CC2530;Zigbee协议栈;无线传感网络

前言

物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。

物联网以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。

在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网路交互传递，从而实现对世界的感知。

物联网在农业上的应用将会使农业生产方式产生重大变革，会急速促进我国农业生产问题上面临的种种问题。

一概述

农业是当今世界农业发展的趋势，中国作为一个农业大国，对于精准农业的需求更为迫切，怎样合理经济地以少投入获得多回报，这不仅是可持续发展的要求，更是社会进步的体现。

农田的环境监测是支撑精准农业技术的关键，实时、方便、有效地采集农业环境参数是实现精准农业的重要基础。

传统的农业监测系统多采用有线组网的方式或者直接采用人工实地检测获得环境数据，这两者都具有局限性。

有线组网方式缺乏灵潘陛，受地理环境的限制，线路资源损耗较大，难以实现远距离监测；人工实地检测更耗费人力、物力，且获取的数据量有限，此外受主观因素限制，测量结果难免出现误差。

新兴的物联网技术为农田信息获取提供了一个崭新的思路。

本文基于物联网技术构建了精准农业环境监测系统，研究人员在总控制室就能对农田进行远程实时监控，根据空气温湿度、光照强度、土壤湿度和土壤pH值等农情信息做出正确决策，满足精准农业自动化、经济化、准确化的要求。

随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特别是国家2012农业国家一号文件颁发后。

国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代农业监测系统。

由于条件所限，本次课设只对数据采集做详细介绍，本次课设将使用CC2530读取温湿度传感器TDR一3A的温度和湿度数据，并通过CC2530内部的ADC得到光照传感器的数据。

最后将采样到的数据转换然后在LCD上显示。

其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模拟一个类IIC的过程。

对光照的采集使用内部的AIN0通道。

1.1TDR一3A型土壤温湿度传感器介绍

TDR-3A型土壤水分温度（一体）传感器是将温度和湿度集于一体，具有密封，防水，精度高等特点，是测量土壤温度和湿度的理想仪器。

性能指标

湿度：

测量参数：

土壤容积含水量

单位：

%（m3/m3）

量程：

0～100%（m3/m3）

精度：

0～50%（m3/m3）范围内为±2%（m3/m3）

测量区域：

90%的影响在围绕中央探针的直径3cm、长为6cm的圆柱体内

稳定时间：

通电后约1秒

响应时间：

响应在1秒内进入稳态过程

工作电压：

12V—24VDC

工作电流：

50～70mA，典型值50mA

输出信号：

4～20mA标准电流环

密封材料：

ABS工程塑料＋环氧树脂

探针材料：

不锈钢

电缆长度：

标准长度5m

遥测距离：

小于1000米

温度：

量程：

－４０―――８０℃

精度：

±0.2℃

信号输出：

标准铂电阻（四线制连接）

1.2CC2530介绍

CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。

它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其它强大的功能。

CC2530有四种不同的闪存版本：

CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。

CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。

运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-Stack™），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的ZigBeeRF4CE远程控制解决方案。

CC2530包括了1个高性能的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1个8051控制器，它具有32/64/128kB可选择的编程闪存和8kB的RAM，还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚，这样很容易实现通信模块的小型化。

CC2530是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3下电流消耗仅0.2μA，在32k晶体时钟下运行，电流消耗小于1μA。

CC2530芯片使用直接正交上变频发送数据。

基带信号的同相分量和正交分量由DAC转换成模拟信号，经过低通滤波，变频到所设定的信道上。

当需要发送数据时，先将要发送的数据写入128B的发送缓存中，包头是通过硬件产生的。

最后经过低通滤波器和上变频的混频后，将射频信号被调制到2.4GHz，后经天线发送出去。

CC2530有两个端口分别为TX/RX，RF端口不需要外部的收发开关，芯片内部已集成了收发开关。

CC2530的存储器ST-M25PE16是4线的SPI通信模式的FLASH，可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。

工作电压为2.7v到3.6v。

CC2530温度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天线设计。

天线的最大增益为＋3.3dB，天线面积为25.7×7.5mm。

该天线完全能够满足CC2530工作频段的要求（CC2530工作频段为2.400GHz～2.480GHz）。

图1.CC2530芯片引脚

CC2530芯片引脚功能

AVDD128电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接

AVDD227电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接

AVDD324电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接

AVDD429电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接

AVDD521电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接

AVDD631电源（模拟）2-V–3.6-V模拟电源连接

DCOUPL40电源（数字）1.8V数字电源去耦。

不使用外部电路供应。

DVDD139电源（数字）2-V–3.6-V数字电源连接

DVDD210电源（数字）2-V–3.6-V数字电源连接

GND-接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。

GND1，2，3，4未使用的连接到GND

P0_019数字I/O端口0.0

P0_118数字I/O端口0.1

P0_217数字I/O端口0.2

P0_316数字I/O端口0.3

P0_415数字I/O端口0.4

P0_514数字I/O端口0.5

P0_613数字I/O端口0.6

P0_712数字I/O端口0.7

P1_011数字I/O端口1.0-20-mA驱动能力

P1_19数字I/O端口1.1-20-mA驱动能力

P1_28数字I/O端口1.2

P1_37数字I/O端口1.3

P1_46数字I/O端口1.4

P1_55数字I/O端口1.5

P1_638数字I/O端口1.6

P1_737数字I/O端口1.7

P2_036数字I/O端口2.0

P2_135数字I/O端口2.1

P2_234数字I/O端口2.2

P2_333数字I/O模拟端口2.3/32.768kHzXOSC

P2_432数字I/O模拟端口2.4/32.768kHzXOSC

RBIAS30模拟I/O参考电流的外部精密偏置电阻

RESET_N20数字输入复位，活动到低电平

RF_N26RFI/ORX期间负RF输入信号到LNA

RF_P25RFI/ORX期间正RF输入信号到LNA

XOSC_Q122模拟I/O32-MHz晶振引脚1或外部时钟输入

XOSC_Q223模拟I/O32-MHz晶振引脚2

1.3物联网整体架构图

图2基于物联网的智能农业整体架构图

二、传感层

2.1传感层设计

基于物联网技术的精准农业环境监测系统的硬件设计节点是组成基于物联网技术的精准农业环境监测系统的基本单位，包括传感节点和网关节点。

传感节点是监测系统传感层的基本组成单元，网关节点则是网络层的硬件基础，它们的硬件设计对整个系统的功能、性能都至关重要。

本文分别对传感节点和网关节点进行了硬件设计。

2.2传感节点设计

传感节点通过传感器部分采集农情信息，经由处理单元进行简单转换、处理，由无线收发模块传给上级节点。

结合其功能特点．传感节点的结构框如图2示。

传感节点的微处理器单元和无线传输单元采用CHIPCON公司的CC2530芯片，它是一款基于ZigBee协议，集成了80C51内核处理器的芯片和zigBee无线收发模块，是一种比较成熟的无线传感器节点解决方案。

图3传感器节点结构示意图

本系统中湿度、温度测量采用TDR一3A型土壤温湿度传感器，该传感器集温度和湿度测量于一体，具有密封、防水、精度高的特征，是测量土壤温湿度的理想仪器。

光强测量采用推出的第二代光强数字转换芯片TSL2561，它可直接通过12C总线协议由微控制器访问，微控制器则通过对其内部的16个寄存器的读写来实现对TSL2561的控制。

光纤pH值传感器用于测量土壤pH值，基于pH值的变化将导致光纤传感探头中光频谱特性变化这一原理，经放大电路秭A／D转换器能得到数字输出，然而这种方法的缺点是在土壤干燥时误差较大。

此外，外部时钟电路用于控制整个系统的运行频率；串行通信接口作为程序调试和下载接口；复位电路用来恢复系统死机或程序跑飞等意外情况；电源模块负责整个节点的能量供应。

2.3网关节点设计

网关节点兼具汇聚节点和网关的功能，一方面收集无线传感器网络发来的农情信息，另一方面将这些信息经过初步的处理，通过无线收发模块（如GPRS模块、3G模块等）以及3G网和GPRS网与互联网进行数据的交换，通过互联网，网关可以发送农情信息到远程监测中心并且接收远程监测中心发来的命令。

具体结构框如图4所示。

图4网关节点结构示意图

因网关节点的数据处理工作任务繁重，对资源需求较高，而且要求成熟的网络协议支持，故采用三星公司的ARM9处理器$3C2410。

该处理器采用0．18nm制造工艺的32位微控制器，拥有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFr的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，TouchScreen接口，IIC—BUS接口，IIS—BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，sD主机和MMC接口，2路SPI，最高可运行在203MHz。

网关节点通过CC2530接收传感节点采集到的农情信息，并发送控制信息。

通过GPRS网络并入互联网，实现与远程监测中心的通信。

本系统中GPRS模块采用SIM5218，它支持下行速率达7．2Mbps和上行速率为5。

76Mbps的数据传输服务，同时还具有丰富的接口包括UART、USB2．0、GPIO、12C、GPIO、GPS、摄像头传感器和内嵌SIM卡等。

如需传输图像，音频等信息，则采用3G模块传输，选用芯讯通无线科技（上海）有限公司研发的3G无线传输芯片：

TD—SCDMAModule系列中的SIM4200。

此外，RS485总线接口用于必要时与本地监测端的通信。

JrI'AG调试接口和串行调试接口主要负责程序的烧写、调试，FLASH用于掉电下的程序数据存储，SRAM主要用于在线的仿真，电源单元负责整个过程的能量供应。

三、传输层

3.1传输层系统设计

农业传感器网络的建立有几种模式或模式组合，可以通过射频技术自组网络，中国移动电信网（GPRS，GSM，3G）和互联网，实现信息的短距和长距离的传输。

模式一、无线传感网络（WSN）是以无线通信方式形成的一个自组织多跳的网络系统，有部署在检测区域内大量的传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发给观察者。

在短距离无线通信技术中，蓝牙、Wi-Fi、超宽带及ZigBee技术均能应用WSN，其中，ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的关于无线组网、安全和应用等方面的技术标准，被广泛应用在无线传感网络的组件中。

模式二、农业移动互联网是指移动终端（如手机、笔记本及农业物联网专用设备）通过移动通信网络访问互联网，并使用农业互联网业务。

由于农村的移动通信普及率要远远超过计算机的普及率，移动通信和互联网二者的深度完美融合，是农业信息传输的重要发展方向。

农业移动通信技术主要包括GSM，GPRS，3G技术以及未来的4G通信技术。

3.2目标设计

物联网农业系统在传输上采取不同的网络方式。

近距离通讯采用RS485传输方式和Zigbee传输模式,远距离传输采用3G无线网络传输方式。

无线传感网络WSN（WirelessSensorNetwork）是融合了分布式信息处理技术,传感器技术,嵌入式计算机技术和无线传输技术,它能够互相协作的实事感知,监测环境和对象的信息,并对信息进行计算和分析,在运送到需要这些信息的用户。

WSN（无线传感网络）由许多传感器节点组成。

每一个传感器由数据处理装置,数据采集装置（A/D转换器,传感器）和控制模块（存储器,MCU）,通信装置（无线收发器）和供电装置等组成,如下图1所示。

每个节点在网络中可以充当数据中转点或类头节点（ClusterHeadNode）的节点应用。

作为数据采集装置,数据采集装置采集周围环境的数据信息（光照强度和湿度等）。

传感器网络节点框图通过路由协议将数据传给远方的基站（Basestation）;作为数据中转,节点除了完成数据采集,还要收发力矩节点的数据,然后再将其发送到更近的节点或基站;类头节点负责采集该范围内所有节点的数据,经过汇合发送到汇节点或基站。

四、应用层

4.1系统设计

目标设计内容主要包含：

ZigBee协议栈，GPRs，3G协议栈的程序编写以及传感节点和网关节点的软件设计。

基于ZigBee技术GPRS／3G技术已较为成熟，本系统采用现成的协议栈程序，而主要工作重心放在传感节点和网关节点的软件设计上。

又由于传感节点和网关节点的功能特点，工作任务有所差异，因此分开讨论。

4.2传感节点的主程序设计

传感节点相当于网关节点的子节点，自组织式联网，是物联网传感层中的基层环节，直接与物联网的目标测量相关联，将农情信息转换为有效的开关量进行传递，主要工作有：

等待网关节点唤醒、采集农情信息、发送数据、进入休眠等，具体工作流程如图5所示。

传感节点通常情况下处于休眠模式，当接收到上级节点的命令被唤醒后，便马上发送请求加入网络，等待网关节点的应答成功加入网络后，开始进行农情信息如土壤温湿度、光强、pH值等的采集并传输给命令发送端节点，上级节点发送应答位，确定接收成功后，传感节点又转入休眠状态，这样循环往复。

图5传感器节点工作流程

4.3网关节点的主程序设计

网关节点主要负责建立并管理网络，允许或拒绝任何一个传感节点入网，并将各传感节点的数据收集发送至互联网，监控端通过互联网进行数据的读取、记录。

网关节点一直在T作状态，不会休眠。

它的工作过程一般分为：

等待监测命令，建立网络，加入节点，等待数据信息，发送数据。

网关节点的具体工作流程如图6所示。

图6网关节点工作流程

在建立网络时，网关节点会不断地搜索空的信道，如果搜索到某一信道，被另一网关节点占用，则重新搜索，直到搜到空信道，其立即做相应标识，准备建立自己的网络。

当一个传感节点要求加入网络时，它会发送请求，网关节点根据自己的资源需求决定是否加入传感节点，如果选择加入此节点，则给它分配一个网络地址，构成新网络。

同时传达监测命令给下级节点，等待接收数据，接收成功后发送至远程检测端和本地监测站。

温湿度探头直接使用IIC接口进行控制。

其电路原理图如下所示：

图7数据采集模块电路图

本实验将使用CC2530读取温湿度传感器TDR-3A型的温度和湿度数据，并将采样到的数据转换然后再LCD显示。

其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模拟一个类IIC得过程。

五、硬件模块设计

温湿度探头直接使用IIC接口进行控制。

其电路原理图如下所示：

图7数据采集模块电路图

本实验将使用CC2530读取温湿度传感器TDR-3A型土壤水分温度（一体）传感器的温度和湿度数据，并将采样到的数据转换然后再LCD显示。

其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模拟一个类IIC得过程。

传感器节点由数据处理发送模块，温度传感器，湿度传感器和供电板构成。

数据处理模块是由CC2530构成，温湿度采集采用温湿度传感器TDR-3A型。

其结构图如下

图8硬件结构图

六、编码

voidmain（）

{

intwendu;

intshidu;

chars[16];

UINT8adc0_value[2];

floatshuzi=0;

SET_MAIN_CLOCK_SOURCE（CRYSTAL）;//设置系统时钟源为32MHz晶体振荡器

GUI_Init（）;//GUI初始化

GUI_SetColor（1,0）;//显示色为亮点，背景色为暗点

GUI_PutString5_7（25,6,"OURS-CC2530"）;//显示OURS-CC2530

GUI_PutString5_7（10,22,"Temp:

"）;

GUI_PutString5_7（10,35,"Humi:

"）;

GUI_PutString5_7（10,48,"Light:

"）;

LCM_Refresh（）;

while

（1）

{

th_read（&tem,&hum）;//从采集模块读取温度和湿度的数据

sprintf（s,（char*）"%d%dC",（（INT16）（（int）tempera/10））,

（（INT16）（（int）tempera%10）））;//将采集的温度结果转换为字符串格式

GUI_PutString5_7（48,22,（char*）s）;//显示采集的温湿度的结果

LCM_Refresh（）;

sprintf（s,（char*）"%d%d%%",（（INT16）（（int）humidity/10））,

（（INT16）（（int）humidity%10）））;//将采集的湿度结果转换为字符串的格式

GUI_PutString5_7（48,35,（char*）s）;//显示采集结果

LCM_Refresh（）;

总结

本次为期两周的课程设计中，主要目的是设计一个基于CC2530的数据采集系统。

而精准农业是当今世界农业发展的潮流，现代农业监测系统是支撑精准农业技术的关键，相比于传统的农田环境监测方式的局限性，基于物联网技术的环境监测则满足了精准农业快速、精确、连续测量的要求。

本文基于物联网技术，提出了精准现代农业监测系统，简述了该系统的体系结构，研究了系统传感层的基本单元——基于CC2530的传感节点，和系统网络层的基础——基于S3C2410的网关节点，对它们的硬件设计及软件设计进行了详细阐述。

然而，物联网技术在精准农业中的应用还存在很多有待解决的问题。

比如：

数据传输实时性、数据传输安全性等问题还有待进一步的优化。

致谢

这次课程设计，给我留下了很深的印象。

虽然只是短暂的两周，但在这期间，却让我受益匪浅。

最要感谢的是我的同学和老师，在这次的课程设计当中我又学到了很多知识，同时也发现了自身很多的不足，感谢这次指导与帮助我的马老师。

在我做课程设计当中，他总是会悉心给与我知道和帮助，指出我的不足之处，从而让我能发现并能及时改正。

由于在马老师的细心的指导之下，我才能顺利地完成我的课程设计。

还有就是我要感谢和我一起做的同学，在课程设计期间大家细心收集资料，帮我检查设计中的不足，即使给我意见，让我少走了很多的弯路，非常感谢他们。

最后感谢每一位给与我帮助的人，感谢大家的关心与支持。

参考文献

[1]孙利民《无线传感器网络》.清华大学出版社.2005.

[2]张拓.无线多点温度采集系统的设计.武汉：

武汉理工大学，2009.

[3]陈旭.基于zigbee的可移动温度采集系统.武汉：

武汉科技大学，2009

[4]雷纯《基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现》.自动化技术与应用.2010，29

（2）43～47.

[5]王翠茹《基于ZigBee技术的温度采集传输系统》.仪表技术与传感器.2008.No.7.103～105.

[6]景军锋《基于ZigBee技术的无线温度采集系统》.微型机与应用.2009.No.23.

33～35.

[7]《Zigbee协议栈中文说明》.

[8]《IAR使用指南》.周立功单片机有限公司.

[9]《Zigbee技术实用手册》.西安达泰电子.

[10]《IAR安装与使用》.成都无线龙通讯科技有限公司.

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[12]马斌强，刘美琪，季宝杰，等．ZigBee技术在精准农业中的应用叨．江西农业学报，2008，20（10）：

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[13]北京奥尔斯电子科技有限公司.物联网创新实验套件实验指导书2012.11

[14]李文仲，段朝玉著.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践.北京航空航天大学出版社,2009.3