CN102314166A

CN102314166A - 基于物联网的农作物生产智能测控系统

Info

Publication number: CN102314166A
Application number: CN2010102196916A
Authority: CN
Inventors: 柳平增; 苗良; 柳建增; 薛新宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的农作物生产智能测控系统，由三部分组成：信息采集终端、信息传输终端和智能控制终端。本发明与现有技术相比，其基于物联网，可高效、精准农田管理，实现“全面感知、可靠传送、智能处理”三项功能。

Description

基于物联网的农作物生产智能测控系统

技术领域

本发明涉及一种基于物联网的农作物生产智能测控系统。

背景技术

随着信息和网络技术日新月异，农业面临新的机遇。新概念和技术层出不穷：如美国提出的“智慧地球”，中国提出的“感知中国”等。2009年8月7日温家宝总理在无锡视察时，提出建立“中国传感信息中心”，或者叫“感知中国” 。“传感网”、“物联网”一时成为热词。物联网英文名称叫“The Internet of things”，就是“物物相连的互联网”。物联网将实现设备互联、人与设备的互联-M2M: Machine to Machine, Man to Machine, 等等。物联网主要包括：“全面感知、可靠传送、智能处理” 三项功能，这为全面感知农业、管理农业、智能决策提供了重要的发展机遇。为研发低成本、实用性强的农作物生产智能测控产品提供了广阔的发展空间。

实际上我国农业和农村信息化发展已进入了将信息技术作为实质性要素参与到农业生产和农民生活中每个环节，但与美国、欧盟、日本等发达国家相比，我国在农业及农村信息技术发展和应用方面仍存较大差距，适合 “三农”的信息服务产品不足，缺乏低成本、低技术门槛的农业信息技术品种。在基于信息的智能装备方面，具有自主知识产权的、核心技术设备较少，且成本高，农民难于承受，且不适合我国较小的经营规模，难于大面积应用。基于物联网的农作物生产智能测控系统的开发研究就是在此背景下完成的。

发明内容

本发明针对以上不足之处，提供一种基于物联网的农作物生产智能测控系统，基于物联网技术，实现高性能农作物生产全面感知、可靠传送及智能处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于物联网的农作物生产智能测控系统，包括

a、信息采集终端：包括微处理器，与微处理器连接有电源、时钟电路、复位电路及检测模块电路，所述的检测电路包括空气温湿度检测模块电路、土壤温湿度模块检测电路、风速检测模块电路、作物生理信息检测模块电路、二氧化碳浓度检测模块电路、雨量检测模块电路、土壤水分模块检测电路、土壤元素模块检测电路；

b、信息传输终端：包括传输单元，每个传输单元包括至少一个信息采集终端，与信息采集终端通过无线网络连接有网络节点，网络节点无线连接有远程上位机；

c、智能控制终端：包括微处理器板，所述的微处理器板包括微处理器以及与之连接的时钟电路、复位电路、存储器、键盘、显示设备、电源；及外围电路，所述的外围电路包括传输模块和驱动电路，所述的驱动电路顺次经放大电路和隔离电路连接微处理器。

上述的智能测控系统中，所述的信息采集终端上设有无线发射模块电路；所述的作物生理信息检测模块包括作物含水量检测模块和叶绿素含量模块。

上述的智能测控系统中，所述信息传输终端的每个传输单元上都设有一个本地上位机，本地上位机通过无线网络关节点连接信息采集终端。

上述的智能测控系统中，所述信息传输终端节点包括两种，一种位于传输单元内连接信息采集终端与上位无线网络，另一种是连接远程上位机与传输单元的网络节点。

上述的智能测控系统中，所述信息传输终端的无线网络节点采用模块化设计，其包括微处理器板和与之连接的无线传输模块和GPRS定位模块；所述的微处理器板包括微处理器以及与之连接的时钟电路、复位电路、存储器和电源。

上述的传输终端中，所述的智能控制终端的传输模块为GPRS模块或者无线传输模块，智能控制终端的微处理器板上连接有与上位计算机连接的接口电路。

本发明的有益效果表现在：

农业管理需要管理者在充分掌握信息和对有关情况进行全面深刻分析的基础上，用科学的方法评估并选取合理的方案，即农业管理的每一项职能都离不开科学精确的数据信息支持。而本系统的信息采集终端不但能够实时采集农田环境信息，而且在节省人力物力以及提高农业生产的决策能力方面具有十分重要的现实意义，其具体特点如下。（1）先进性：在国内同类系统的技术结构、设备、功能和技术指标等方面具有先进性；（2）可靠性：系统测控设备能够满足野外工作环境的要求并具有满足农业管理的可靠性指标；（3）扩展性：系统支持规模、测控对象数量、信息共享等方面的开放扩展性，同时系统在设计时考虑到预留一定的扩展接口，以满足发展的需要；（4）可推广性，系统在开发过程中应充分考虑到不同地区农业管理的特点，使系统具有更广泛的适用性。（5）经济实用性：针对本项目具体条件和技术要求，考虑到系统的长期运行维护费用，通过选用成熟适价的测控设备和自己的研制、开发配套集成，使得设备的功能和技术指标能够平衡配合。

针对农田信息采集环境多变、复杂、覆盖面积大、供电难度大等问题，本信息传输终端在农业大田环境中随机部署无线传感器多跳自组织网络，利用网络中节点控制的传感器采集数据信息，并发送到远程用户监控系统，节点不但具备信息采集、处理、发送的功能还兼为其他节点提供路由的功能，以方便实现一种分布式传感器网络，并且实时地采集监控区域的农田信息。不仅能够能够对大田做出整体控制，而且还能对局部区域做出精细控制，以区别与不同作物对环境的不同要求，以达到最大收益的目的。当网络中添加了本地上位机时，由无线信息采集终端传来的数据可以交付给本地上位机处理。当没有设置本地上位机时，由无线信息采集终端采集到的数据通过无线传感网络以及GPRS网络或者是因特网按照一定的路由算法传输到远程上位机中处理。上位机数据处理完成后，可以发送一组控制命令给无线信息采集终端以控制其相应的操作。当系统工作于自动模式时，可以根据当前数据、历史数据以及专家系统的数据等信息，做出智能判断，然后自动发出控制信号至无线信息采集终端控制其完成一定的操作。当系统工作于人工控制模式时，系统只会提供参考信息，而控制信号则由用户手动控制发出。

智能控制终端是自动控制系统的核心。控制终端接收信息采集终端发送来的信息，并进行处理，结合专家系统或智能算法实现对现场设备的自动控制。有多种信息接收方式，即可通过GPRS网络实现信息接收，也可通过无线采集网络的网关节点直接接收采集信息。智能终端通过接口电路实现与上位计算机的连接，即可通过上位机实现现场设备的自动调控，也可通过终端直接操作。

由此可见，本农业智能控制终端的发明基于物联网，可高效、精准农田管理，实现“全面感知、可靠传送、智能处理” 三项功能，其推广应用是对传统农业信息采集的一次重大改革，是现代农业发展的必由之路。该终端将具有技术先进、功能较强、性能可靠、经济实用、易于推广的显著优点，对推动我国农业技术的发展、缓解水肥资源紧缺等矛盾，具有重大意义，为实现智能灌溉、变量施肥、器械导航、机械化自动控制、及可追溯等打下坚实的研究基础。　

附图说明

图1为信息采集终端连接示意图；

图2为信息采集终端电路具体连接示意图；

图3为信息传输终端连接示意图；

图4为信息传输终端电路具体连接示意图；

图5为智能控制终端连接示意图；

图6为智能控制终端电路具体连接示意图。

具体实施方式

下述未述及的相关技术内容均可采用或借鉴现有技术。

一种基于物联网的农作物生产智能测控系统，由三部分组成：信息采集终端、信息传输终端和智能控制终端。

所述的信息采集终端：包括微处理器板以及与其连接的检测模块电路。

如图1所示，一种基于物联网的农业生产采集终端，包括微处理器板以及与其连接的电源、无线发射模块111 。

所述的微处理器板1使用处理器MSP430F149、时钟电路8M和32K、复位电路MAX811、时钟电路SD2303API、存储器AT24C256型号。微处理器11是整个微处理器板的核心，协调整个信息的采集、预处理及传输；时钟电路可提供精确的年、月、日、时、分、秒等信息，并可提供定时功能。

与微处理器11连接有检测模块电路；其中所述的检测电路包括空气温湿度检测模块电路12、土壤温湿度模块检测电路13、风速检测模块电路14、作物生理信息检测模块电路15、二氧化碳浓度检测模块电路17、雨量检测模块电路18、土壤水分模块检测电路19、土壤元素模块检测电路110。

下面结合附图2具体说明本发明的连接关系：

U4是测量土壤湿度的传感器，通过J4-1、J4插头座连接到CPU的P6.5引脚上。本传感器选用铂电阻传感器——Pt100，金属铂的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性。本项目中用到的将铂热电阻是将铂热电阻元件，过渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有坚实，抗震，可绕，线径小，使用安装方便等优点。

U7是检测光强度的传感器——OPT101，配合D200、D201、D202、D203不同波长的LED可检测作物的叶绿素含量、水分含量等信息。信号输出引脚经J4-1、J4插头座连接在CPU的P6.7引脚上。D200、D201、D202、D203四种波长二极管分别经过U17、U18、U19、U20四个恒流源提供稳定电流。发光管的亮暗受T200、T201、T202、T203四个三极管控制，四个三极管的基级分别有CPU的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个引脚控制，通过J6、J6-1连接。

U8是GPS 信号接收板,为采集信号提供纵坐标信息。GPS的串行通讯端口通过J5-1、J5连结在CPU的串行通讯接口0引脚上，即P3.4、P3.5引脚上。本发明创造选用的GPS接收器为Jupiter 31，它内置两路串口通道，的主要性能指标为：定位精度：水平2.2m，垂直2.0m；速度精度：0.1米/秒；资料更新率：1次/秒；地图坐标：WGS-84；主串口UARTA 默认为4800bps的波特率，输入电压：+3VDC。

U9（nRF905)和U10(CC1100)是两种发射距离不同的无线传输模块，可根据现场实际需求选择一种使用。U9通过J7-1J、J7、J9-1、J9连接在CPU上，U10通过J9-1、J9、J6-1、J6、J7-1、J7连接在CPU引脚上。nRF905是挪威 Nordic 公司推出的单片射频收发器芯片，工作在433/868/915MHz的ISM频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。 nRF905 传输数据时为非实时方式,即发送端发出数据,接收端收到后先暂存于芯片存储器内,MPU可以在需要时再到芯片中取出。nRF905一次的数据传输量最多为32字节。

CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定在315/433/868/915MHz的ISM（工业、科学、医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易设置为300-348MHz、400-464MHz、800-928MHz之间的任何频率，内置频率补偿功能，补偿量可设置，数据传输效率高，数据白化功能使数据传输功更安全，本身内置的接收信号强度(RSSI)功能，方便路由选择，PQT前导质量门限能够方便选择信号质量较好的节点传输数据，有效降低数据重传和数据碰撞次数，提高数据传输的效率，具有内置空闲模式、发送模式、接收模式、休眠模式和晶振关闭模式，发射功率可调，方便传输到不同的距离，从而有效降低功耗。

U11(型号MSH-CO2)是二氧化碳传感器，用来检测环境CO2浓度。通过TTL-RS232转换接口实现信号转换，通过J8、J8-1连接在CPU的串口1上，即P3.6、P3.7接口上。MSH-CO2红外二氧化碳传感器特点：非色散红外气体传感器：直径20mm,16.6mm；插入式（5脚）；传感器供电：3-5V；模拟0.4-2.0V电压信号输出；数字量Tx,Rx输出（RS232）；一体化电路，内置温度补偿功能。

U16A（型号JDZ05-1）是雨量传感器，信号经过脉冲计数电路调理后经J10、J10-1连接在U5上，经过电压变换后连接在CPU的P4口上。

U13（型号LE2151）是风速传感器，用来检测现场环境风速。输出信号经光电隔离后通过J12-1、J12连接在CPU的P5.4引脚上。

U12（型号DHT21）是温湿度传感器，可对现场空气温湿度进行测量。输出信号经J12-1、J12连接在CPU的P5.5引脚上。

所述的信息传输终端：包括传输单元，每个传输单元包括至少一个信息采集终端，与信息采集终端通过无线网络连接有网络节点，网络节点无线连接有远程上位机。

所述的每个传输单元上都设有一个本地上位机，本地上位机通过无线网络关节点连接信息采集终端。

所述的节点包括两种，一种位于传输单元内连接信息采集终端与上位无线网络，另一种是连接远程上位机与传输单元的网络节点。

如图3所示，所述无线网络节点采用模块化设计，其包括微处理器板21和与之连接的无线传输模块一22、无线模块二24和GPRS模块23；所述的微处理器板包括微处理器(MSP430F149)、时钟电路(8M和32K)、复位电路(MAX811)、时钟电路（SD2303API）、存储器（AT24C256）和电源。图4为其具体连接示意图。

无线传输模块一：

无线传输模块一选用的是nRF905芯片。其是挪威 Nordic 公司推出的单片射频收发器芯片，工作在433/868/915MHz的ISM频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。 nRF905 传输数据时为非实时方式,即发送端发出数据,接收端收到后先暂存于芯片存储器内,MPU可以在需要时再到芯片中取出。

无线传输模块二：

对于系统中传输距离较远的信息，采用无线收发一体芯片CC1100。

GPRS模块：

GPRS无线传输模块负责将采集到的数据进行远程传输。在分析比较目前国内众多GPRS DTU的基础上，选择了集成度高，操作方便，应用范围广的宏电H7118 GPRS DTU。它可以提供RS232/422/485等多种接口，具有高性能、工业级、使用方便、可靠、灵活等特点。

H7118 GPRS DTU由CPU、高频收发信机、透明数据协议处理、Flash、显示接口、电源管理、配置/诊断告警输出等部分组成。带有20针用户数据接口，以便对模块供电和进行数据交换。

H7118 GPRS DTU在使用时需要先安装SIM卡，然后就能获得移动网中唯一的ID(SIM卡号)。该终端支持双频GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+标准，采用实时时钟，为用户提供高速、时刻在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。在设备运行之前，必须通过专用电缆和计算机相连对该GPRS DTU进行参数配置和维护。H7118D经光电隔离、连接端口与微处理器板连接。

所述的智能控制终端，包括微处理器板31，微处理器板包括微处理器(MSP430F149)、时钟电路(8M和32K)、复位电路(MAX811)、时钟电路（SD2303API）、存储器（AT24C256）、键盘、显示器等。微处理器是整个微处理器板的核心，协调整个信息的采集、预处理及传输；时钟电路可提供精确的年、月、日、时、分、秒等信息，并可提供定时功能。

与微处理器板31连接有外围电路，所述的外围电路包括传输模块和驱动电路34，所述的驱动电路顺次经放大电路33和隔离电路32连接微处理器。

所述的传输模块为GPRS模块35或者无线传输模块36。可通过GPRS网络和无线传输模块的网关节点实现信息接收。

所述的微处理器板上连接有与上位计算机连接的接口电路37，型号选为RS232。RS232接口实现与上位机的连接。RS232接口模块通过J8、J8-1接口实现与微处理器板的连接。

无线传输模块选用的通讯芯片是CC1100。无线传输模块1通过J7、J7-1、J9、J9-1实现与微处理器的连接。

GPRS无线传输模块负责将采集到的数据进行远程传输。选用H7118D GPRS DTU。它可以提供RS232/422/485等多种接口，具有高性能、工业级、使用方便、可靠、灵活等特点。

液晶显示器具有体积小、功耗低、质量轻等特点，因此广泛应用于各种仪器及低功耗电子产品中。因为在本系统中需要对采集到的数据信息和设置信息显示，所以在综合比较各种显示器的性能之后选择了性价比较高的OCMJ4×8C显示模块。显示器通过显示器接口实现信号的转换并实现与微处理器板的连接，显示器接口通过J4-2、J4实现微处理器板的连接。

终端的驱动电路通过继电器触点输出控制信号，微处理器板输出的控制信号先后经过隔离电路和放大电路后，最终由放大电路驱动驱动电路中的输出继电器线圈，达到控制的目的，微处理器板通过J10、J10-2与放大模块连接。图6为其具体连接示意图。

Claims

1.一种基于物联网的农作物生产智能测控系统，其特征在于：包括

2.根据权利要求1所述的智能测控系统，其特征在于：所述的信息采集终端上设有无线发射模块电路；所述的作物生理信息检测模块包括作物含水量检测模块和叶绿素含量模块。

3.根据权利要求1所述的智能测控系统，其特征在于：所述信息传输终端的每个传输单元上都设有一个本地上位机，本地上位机通过无线网络关节点连接信息采集终端。

4.根据权利要求1所述的智能测控系统，其特征在于：所述信息传输终端节点包括两种，一种位于传输单元内连接信息采集终端与上位无线网络，另一种是连接远程上位机与传输单元的网络节点。

5.根据权利要求1所述的智能测控系统，其特征在于：所述信息传输终端的无线网络节点采用模块化设计，其包括微处理器板和与之连接的无线传输模块和GPRS定位模块；所述的微处理器板包括微处理器以及与之连接的时钟电路、复位电路、存储器和电源。

6.根据权利要求1所述的智能测控系统，其特征在于：所述的智能控制终端的传输模块为GPRS模块或者无线传输模块，智能控制终端的微处理器板上连接有与上位计算机连接的接口电路。