CN103002596A - 基于作物生长模型的设施农业传感器节点控制技术 - Google Patents

Abstract

基于作物生长模型的设施农业传感器节点控制技术，是涉及设施农业中传感器节点的关键控制方法，以及该控制方法的具体操作。本发明的目的是对设施农业传感器各种节点(主控端节点，中继节点，感知节点)的控制做出实际的解决方法。本发明主要包括三个基本模块：控制端节点(汇点)控制、终端节点控制和感知节点控制，这三种不同用途的节点操作方法的可行性好，过程简单，在基于作物生长模型的设施农业方面具有广阔的应用前景。

Description

基于作物生长模型的设施农业传感器节点控制技术

技术领域

本发明涉及设施农业中传感器节点的关键控制方法，以及该控制方法的具体实践。 

背景技术

作物生长模型是作物科学中引进系统分析方法和应用计算机后兴起的新型研究领域。它将作物、环境和栽培技术作为一个整体系统，应用系统分析的原理和方法，综合多个学科的理论和研究成果，对作物生长发育、光合生长、器官建成和产量形成等生理过程及其与环境和技术的关系加以理论概括和数量分析，建立相应的数学模型，然后在计算机上进行动态的定量分析和作物生长过程的模拟研究。 

作物模型的建成有利于科学研究成果的综合集成利用，同时也是作物种植管理决策现代化的基础，对农业生产和作物管理具有重要意义，而在农业监测方面，无线传感器网络则具有卓越的技术优势。它可用于实时监视农作物生产环境情况，比如土壤温度、湿度、空气二氧化碳含量等环境因素，并可以迅速的将所获得的信息传输给中央控制系统。控制系统再根据预先设置的农作物生产环境参数做出恰当的环境控制。 

2002年，Intel公司利用无线传感器网络在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，将传感器节点部署在葡萄园内的监测点，每隔一分钟采集一次土壤湿度、温度等数据，以确保葡萄健康成长。 

北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”正式把无线传感器网络示范应用于温室农作物生产中。 

Digital Sun公司开发了无线传感器网络自动洒水系统，传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。 

本发明根据以上论述，在综合前人工作的基础上，提出了基于作物生长模型的传感器结点控制技术并且通过建立实验模型，采用无线传感器网络达到实时监控，实时处理的任务。 

发明内容

本发明的目的是对设施农业传感器网络各种节点(主控端节点，中继节点，感知节点)的控制做出实际的解决方法，并且基于该方法建立实验模型来检验本发明的实际工作效果。 

本发明的基础是基于农作物生长的设施农业传感器网络。设施农业传感器网络本发 明中采用的是星型拓扑结构，如图1所示。图中矩形方框表示一个大棚模型。尺寸为(1m*2m)。3个终端节点布置其中，分别携带温度、湿度、光照、二氧化碳以及土壤湿度传感器，实时的获取环境参数，通过汇聚节点转送到监控中心，供管理员查看。管理员可以手动或者通过程序设定预值来控制环境。例如当土壤湿度传感器探测到土壤较干燥时，可以通过控制芯片发出信号来打开滴灌设备的阀门，灌溉多长时间，需要根据土壤的干燥程度和作物的生长环境来调节。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

一、系统主要模块功能下面分模块的具体说明本发明的内容。本发明可以分为控制端节点(汇点)控制、终端节点控制和感知节点控制三个方面。 

①于采用星型拓扑结构网络，所以控制端节点(汇点)在本发明中只有一个，通过串口(RS-232)与PC机连接，其主要功能有： 

(1)始终处于监听状态，当监听到终端节点的信号时通过串口发给PC机。

(2)接收到PC机的命令，并且转发给终端节点。 

②终端节点本发明中有三个，可根据实际应用的需要添加，其主要功能有： 

(1)接收来自控制端节点的信号，发出控制信号给感知节点，达到传输信号目的。

(2)当需要获得传感器的数据，如土壤温湿度等信息，终端节点从感知端获得到并且通过无线信道发送给控制端节点。 

(3)当接收到控制端节点的命令时，可以打开继电器，这样与继电器相连接的阀门等设备就处于导通状态达到各种控制目的。终端节点操作流程图如图2所示。 

③感知端节点主要是一些传感器，它们可以通过接口如I2C直接与终端控制节点的微控制单元(MCU)相连。当某些环境参数超过预定值时，自动报警，并向信息感知节点发出控制信号，感知节点收到控制信号后，将命令传送给与它连接的控制芯片。 

无线环境监测网络的主要功能就是为设施农业信息控制提供通讯载体。通讯频率2.4Ghz。整个网络由5个无线节点(0-4)构成。0号节点为主控节点。1号节点为汇聚节点。2、3、4、分别是3个信息感知节点。分别携带温湿度、光照、二氧化碳和土壤湿度传感器，并实时的将这些数据发送到1号汇聚节点，继而发送到0号主控节点。主控节点通过RS232串口与计算机连接。PC机软件对接收到的数据包进行有效性检查、存储等一系列操作，实时显示监测区域的环境参数。 

农业信息获取以及设备的控制主要是通过一块集成芯片。片上系统主要靠MCU控制 与协调。集成4种传感器，通过命令将获取的数据保存在MCU的存储器中。通过RS232接口，可以将这些数据传送给无线通讯节点，继而通过无线信号发射到上位机。继电器的作用主要是用来控制滴灌设备，当控制芯片接收到打开水阀的命令时，就会通过继电器来控制一个电磁阀的开关，达到控制灌溉的目的。数字电位器的作用主要是用来控制灯光和风扇。由于这两个设备不能是简单的开关，需要根据环境适当的调整灯光的明暗和风扇的转速。数字电位器就是可以通过命令改变其电阻大小来控制电路中电流的大小。达到控制灯光和风扇的功能。 

二、系统硬件控制部分 

系统的硬件结构主要包括3个方面。无线通信节点的硬件设计、控制芯片的硬件设计、模型的架构。

无线通信节点通信节点的硬件有以下几个主要部分组成：FREESCALE公司MC13213控制芯片、信号放大器、天线、串口通信模块等。无线传感器通信模块图如图2所示。其通信节点如图3所示，控制芯片用来控制和协调整个片上系统，信号放大器将控制芯片输出的信息放大转化通过射频天线发射出去，串口通信模块用来连接辐射传感器与上位机。 

控制芯片就是一个简单的51单片机系统，结构图如图3所示。主要分为：MCU控制芯片(51芯片)、RS232通信口(与无线通信节点相连)、传感器、控制器件(继电器、数字电位器)。 

表1是控制芯片中各种电子元器件的型号及描述。 

整个实验的总体架构图如下所示。模型尺寸初步设定为长2m，宽1m，高0.8m。盒状结构，用绝缘材料制作。整个系统统一供电，输入220V，经过电源转换成5V供无线节点和控制芯片使用，另一路供补光灯和排风扇使用。 

三、软件控制部分 本系统的软件设计主要包括2方面，无线通信节点软件设计，控制芯片软件设计。无线通信节点和控制芯片的程序采用C语言编写。 

无线通信节点的主要功能就是提供通讯的载体。程序用c语言编写，开发环境为FREESCALE CodeWarrior。主要分为主控端部分、中继节点部分和感知节点。 

主控端的功能： 

1，接受PC机命令并将该命令发送到正确的感知节点。

2，接受数据，并将这些数据回馈给上位机。主控端程序流程图如图6所示： 

中继节点的功能：

1，主控节点和感知节点之间的跳板，增加通信距离。

感知节点的功能： 

1，等待接受命令，进入相应的处理程序，发送相应的命令给控制芯片。

2，从控制芯片中读取所需要的数据，传回给主控节点。 

控制芯片程序也用C语言编写。开发环境keil。主要功能如下： 

1，接受命令读取各种传感器的数据，数字式的直接读取，模拟信号的要经过模数转换。并将数据传给感知节点。

2，接受命令，控制继电器以及数字电位器来控制农业设备。 

附图说明

图1是基于作物生长模型的设施农业总体图 

图2是终端节点控制图

图3是无线通信节点实物图

图4是无线通信节点结构图

图5是控制芯片总体结构图

图6是设施农业模型架构概略图

图7是控制端节点控制图。 

Claims (6)

1.一种基于作物生长模型的设施农业传感器节点控制方法，以及该方法的具体实施。

2.硬件上主要有无线通信节点、控制感知芯片和物理模型组成。

3.软件上主要有控制感知芯片嵌入式程序以及无线节点自组网程序。

4.其中无线通信节点，其中主控芯片为Freescale生产的MC13213，配合外围电路(RS232电平转换、射频模块)。

5.按照权利要求1所述的控制感知芯片，其特征在于主控芯片采用51系列单片机，集成温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤湿度传感器，控制器件采用继电器和数字电位器。

6.无线节点自组网程序，其特征在于设计了适合无线传感器网络的动态路由路由，可以更好的适合无线传感器网络，在微型传感器系统中可以很好的正常工作，提高了网络性能。

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