基于無線傳感器網絡的智慧農業(yè)農田環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計_潘曉貝.pdf

2025年第21期 基于無線傳感器網絡的 智慧農業(yè)農田環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計 潘曉貝1 2 郭志冬1 2 1 河南省高校節(jié)能照明工程技術研究中心 河南三門峽 472000 2 三門峽職業(yè)技術學院 河南三門峽 472000 摘 要 隨著科技的進步和人們對美好生活的向往 粗放式的傳統(tǒng)農業(yè)已經無法適應當今社會的需求 文章 基于無線傳感器網絡技術設計了一套農田環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng) 利用ZigBee模塊CC2530搭載多種傳感器實現(xiàn)對農 田環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集 傳輸和監(jiān)控 測試結果表明ZigBee網絡通信正常 系統(tǒng)具有功耗低 維護方便 易于擴展 等優(yōu)點 在提高農業(yè)生產效率 降低人力成本等方面有重要意義 關鍵詞 WSN ZigBee 智慧農業(yè) 農田環(huán)境監(jiān)測 CC2530 中圖分類號 TP212 6 文獻標識碼 A 文章編號 1674 957X 2025 21 0104 03 DesignofanIntelligentMonitoringSystemforFarmlandEnvironmentin SmartAgriculturebasedonWirelessSensorNetwork PanXiao bei1 2 GuoZhi dong1 2 1 HenanProvinceUniversityEnergy savingLightingEngineering TechnologyResearchCenter HenanSanmenxia472000 2 SanmenxiaPolytechnic HenanSanmenxia472000 Abstract Withtheadvancementoftechnologyandpeople saspirationforabetterlife extensivetraditional agriculturehasbecomeunabletomeetthedemandsofcontemporarysociety Thisarticledesignsanintelligent farmlandenvironmentmonitoringsystembasedonwirelesssensornetworktechnology ItusestheZigBee moduleCC2530equippedwithvarioussensorstoachievereal timecollection transmission andmonitoringof farmlandenvironmentaldata ThetestresultsindicatethattheZigBeenetworkcommunicationfunctions properly andthesystemhasadvantagessuchaslowpowerconsumption convenientmaintenance andeasy scalability Itplaysasignificantroleinimprovingagriculturalproductionefficiencyandreducinglaborcosts Keywords WSN ZigBee Smartagriculture Farmlandenvironmentmonitoring CC2530 基金項目 2023年度三門峽市科技發(fā)展計劃項目 基于無線傳感器網絡的智慧農業(yè)農田環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計及關鍵技術研 究 2023L02002 2022年度三門峽市科技發(fā)展計劃項目 基于物聯(lián)網的黃河流域三門峽段生態(tài)保護智能監(jiān)測系統(tǒng)研 發(fā)設計 2022002011 2021年度三門峽職業(yè)技術學院高層次人才基金項目 基于物聯(lián)網的黃河流域生態(tài)保護智能監(jiān) 測系統(tǒng)設計及關鍵技術研究 SZYGCCRC 2021 002 作者簡介 潘曉貝 1982 女 河南靈寶人 副教授 碩士 研究方向 物聯(lián)網傳感技術 自動化控制 0 引言 在時代發(fā)展的進程中 隨著全球人口增長和人們對農 產品質量需求的提升 傳統(tǒng)農業(yè)生產方式面臨著資源浪 費 環(huán)境污染 生產效率低下等諸多問題 農業(yè)正經歷著一 場由科技引領的深刻變革 智慧農業(yè)應運而生 成為推動 農業(yè)現(xiàn)代化的關鍵力量 1 智慧農業(yè)是一種將物聯(lián)網技 術 大數(shù)據(jù)與云計算 人工智能與機器學習 衛(wèi)星遙感與地 理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術與農業(yè)生產 經營 管理和服 務深度融合的新型農業(yè)發(fā)展模式 在農業(yè)現(xiàn)代化的過程中 精準獲取農田環(huán)境信息對于 農作物生長管理至關重要 無線傳感器網絡 Wireless SensorNetworks 簡稱WSN 技術憑借其自組織 低成本 低功耗 部署靈活等特點 為農業(yè)環(huán)境監(jiān)測提供了新的解 決方案 2 將WSN技術應用于智慧農業(yè)農田環(huán)境監(jiān)測 能夠實時 準確地采集農田環(huán)境參數(shù) 實現(xiàn)農業(yè)生產的智 能化管理 提高資源利用效率 保障農產品的產量和 質量 3 本系統(tǒng)旨在設計一套穩(wěn)定可靠 功能完善的智慧農業(yè) 農田環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng) 實現(xiàn)對農田空氣溫度 濕度 土壤 濕度 光照強度等關鍵環(huán)境參數(shù)的實時 精準采集 并確保 數(shù)據(jù)在農田環(huán)境中可靠傳輸 通過數(shù)據(jù)處理與分析 為農 業(yè)生產提供科學的決策支持 降低人力成本 提高農業(yè)生 產的智能化水平 4 1 系統(tǒng)總體設計 本系統(tǒng)提出了一種基于無線傳感器網絡的智慧農業(yè) 農田環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng) 協(xié)調器和終端節(jié)點都包含 ZigBee基本單元即ZigBee模塊CC2530 終端節(jié)點進行農 田信息的采集 如空氣溫濕度 土壤濕度 光照強度等 所 以還需要連接多種傳感器 協(xié)調器節(jié)點負責組網并接收 終端節(jié)點發(fā)送來的環(huán)境數(shù)據(jù) 該系統(tǒng)利用ZigBee無線網 401 DOI 10 19475 ki issn1674 957x 2025 21 015 內燃機與配件 絡實現(xiàn)農田環(huán)境信息的實時采集和傳輸 并結合GPRS技術 將采集到的各種農田環(huán)境信息傳輸?shù)缴衔粰C 進而實現(xiàn)農田 環(huán)境信息的智能遠程監(jiān)控 系統(tǒng)總體結構如圖1所示 圖1 系統(tǒng)總體結構圖 2 系統(tǒng)硬件設計 基于WSN的智慧農業(yè)農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路 主要包括ZigBee基本單元電路 即CC2530的無線通信 SOC電路 各類傳感器電路 串口調試電路 GPRS傳輸模 塊 電源電路等 2 1 ZigBee基本單元 基于CC2530的無線通信SOC 電路 系統(tǒng)中協(xié)調器節(jié)點和終端節(jié)點中所包含的ZigBee基 本單元的硬件電路一樣 區(qū)別在軟件 本設計采用CC2530 加少量外圍器件設計ZigBee基本單元 如圖2所示 圖2 基于CC2530的無線通信SOC電路 2 2 傳感器采集電路 1 空氣溫濕度采集電路 本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器DHT11采集農田環(huán)境中 的空氣溫濕度數(shù)據(jù) 它能夠同時測量環(huán)境濕度和環(huán)境溫 度 輸出已校準的數(shù)字信號 它采用單總線數(shù)字信號傳輸 協(xié)議 具有超長的信號傳輸距離 它的測量范圍 濕度為 20 90 RH 溫度為0 50 測量精度 濕度精度為 5 溫度精度為 2 分辨率 濕度分辨率為1 溫 度分辨率為1 它的功耗很低 在5V電源電壓下 平 均工作電流為0 5mA 待機電流僅為100 150 A 5 綜 上所述 溫濕度傳感器DHT11適合本系統(tǒng)中對農田環(huán)境 因子空氣溫濕度的采集 DHT11的電路圖和實物照片如圖3所示 圖3 DHT11電路圖和實物照片 2 土壤濕度采集電路 本系統(tǒng)中土壤濕度的采集選擇土壤濕度傳感器 YL 69 YL 69由不銹鋼探針和防水探頭構成 方便長時 間埋設于土壤中實現(xiàn)土壤濕度的實時監(jiān)測 很適合本系統(tǒng) 中使用 本系統(tǒng)選擇三引腳YL 69 2引腳VCC接3 3V 電壓 3引腳GND接地 1引腳模擬量輸出口先與ADC模 塊相連 經模數(shù)轉換后再與CC2530的I O口連接 由此 獲得更精確的土壤濕度數(shù)據(jù) 3 光照采集電路 光照傳感器TSL230B與CC2530的接口電路如圖4所 示 圖4中 撥碼開關實現(xiàn)TSL230B的輸入端控制 TSL230B的信號輸出端接的0 01uF電容是去耦電容 TSL230B的信號輸出端OUT引腳連接CC2530的P0 3口 圖4 TSL230B與CC2530的接口電路圖 2 3 串口調試電路 串口調試電路的主要作用是方便調試程序 如圖5所 示 采用CC2530的串口UART1 數(shù)據(jù)接收端RX對應 CC2530的P0 5 數(shù)據(jù)發(fā)送端TX對應CC2530的P0 4 在圖5中 預留的J8經USB轉TTL ch340 連接上位機 圖5 串口調試電路接口 2 4 GPRS傳輸模塊 在該系統(tǒng)中 利用GPRS傳輸模塊進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠 程傳輸 通過GPRS移動網絡 將數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集到的 環(huán)境信息遠程傳輸?shù)缴衔粰CPC機監(jiān)測平臺 該系統(tǒng)利 用ZigBee協(xié)調器搭載GPRS模塊 利用GPRS技術的廣 域覆蓋特性 實現(xiàn)農田環(huán)境信息的遠程實時傳輸和監(jiān)測 2 5 電源電路 為了保證傳感器節(jié)點在農田環(huán)境中的長期穩(wěn)定運行 電源模塊采用太陽能電池板與鋰電池相結合的供電方式 太陽能電池板選擇5V 10W的單晶硅電池板 具有轉換 效率高 壽命長等優(yōu)點 能夠在光照充足的情況下為鋰電池 充電 鋰電池選用3 7V 2000mAh的可充電電池 為傳 感器節(jié)點提供穩(wěn)定的電源 同時 電源模塊包含充放電管 理電路 能夠自動控制太陽能電池板對鋰電池的充電和鋰 電池對傳感器節(jié)點的供電 以確保電源系統(tǒng)的安全可靠 501 2025年第21期 3 軟件設計 系統(tǒng)軟件設計使用IAREmbeddedWorkbench軟件 進行程序開發(fā) 主要包括ZigBee端節(jié)點 即采集節(jié)點 和 ZigBee協(xié)調器節(jié)點 即匯聚節(jié)點 程序的開發(fā) 3 1 ZigBee協(xié)調器節(jié)點軟件設計 該系統(tǒng)采用星形網狀網絡結構 終端節(jié)點需要連接到協(xié) 調器節(jié)點 協(xié)調器節(jié)點負責組網 如果發(fā)生故障 將影響整 個系統(tǒng)的可靠性 協(xié)調器節(jié)點組網流程圖如圖6所示 圖6 協(xié)調器節(jié)點組網流程圖 3 2 ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設計 根據(jù)系統(tǒng)的總體要求 數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責與傳感器協(xié) 同工作 并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點 數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程 圖如圖7所示 4 系統(tǒng)測試 本系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感器網絡進行農田環(huán)境信息 的采集及傳輸 數(shù)據(jù)的無線傳輸效果對整個系統(tǒng)至關重要 故本系統(tǒng)的測試主要進行ZigBee網絡的通信功能測試 測試方法 測試1個協(xié)調器節(jié)點和1個終端節(jié)點之間 的通信 協(xié)調器節(jié)點采用3 3V電壓 終端節(jié)點采用電池 供電 協(xié)調器節(jié)點與計算機通過USB串口線相連 打開 串口調試軟件 比特率設為115200bps 終端節(jié)點每隔 500ms向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送字符串 EndDeviceSend 0X010203040506070809A r n 該測試字符串為40字 節(jié) 持續(xù)發(fā)送2min 共發(fā)送9600字節(jié) 通信若正常 串 口調試軟件會收到一行9600字節(jié)的字符串 測試結果 2min時間內 串口調試軟件連續(xù)收到終 端節(jié)點發(fā)來的共9600字節(jié)數(shù)據(jù) 無丟包現(xiàn)象 測試結果分析 結果表明ZigBee網絡通信正常 系 統(tǒng)中終端節(jié)點是定時采集數(shù)據(jù)的 測試過程中每隔 圖7 數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程圖 500ms發(fā)送一次數(shù)據(jù) 測試結果說明500ms不會出現(xiàn)丟 包現(xiàn)象 所以該ZigBee網絡通信質量可以滿足系統(tǒng)實際 需求 該系統(tǒng)的測試精度等其他性能指標還需要后期進 一步研究 優(yōu)化 5 結語 系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感器網技術 提出了一種基于 無線傳感器網絡的農田環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)對農田空 氣溫濕度 光照強度 土壤濕度等關鍵環(huán)境參數(shù)的實時 精 準采集 并確保數(shù)據(jù)在農田環(huán)境中可靠傳輸 為現(xiàn)代化農業(yè) 生產提供技術支持 降低人力成本 提高農業(yè)生產的智能化 水平 系統(tǒng)具有功耗低 維護方便 易于擴展等優(yōu)點 6 后 期還可以擴展采集節(jié)點 增加土壤PH值 CO2濃度 農作 物病蟲害等多種模塊 實現(xiàn)更加全面的農田環(huán)境監(jiān)測 7 參考文獻 1 田榮明 農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在無線傳感器網絡中的技 術分析 J 東北農業(yè)科學 2021 5 117 121 2 張玉鑫 基于無線傳感器網絡的農田環(huán)境監(jiān)測研究 D 銀川 北方民族大學 2017 3 劉紅霞 基于物聯(lián)網的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計 J 電子 設計工程 2021 16 145 148 4 蔣兵 孫建剛 基于物聯(lián)網的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn) J 長江信息通信 2024 12 158 162 5 雷娟 基于NB IoT的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn) J 湖北農業(yè)科學 2022 14 165 170 6 邱崠 孫友強 張俊卿 等 基于LoRaWAN的農田環(huán)境 監(jiān)測系統(tǒng)設計 J 儀表技術 2023 1 1 5 28 7 潘曉貝 員濤 基于WSN的農田環(huán)境因子采集系統(tǒng)研 究 J 安徽電子信息職業(yè)技術學院學報 2021 3 13 18 601