CN103228063A - 一种设施农业无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

一种设施农业无线传感器网络节点，属于电子监测设备领域。本发明的目的是在温室内农作物生长环境的基础上，结合当今无线传感网络技术的优势和特点，设计了基于ZigBee无线传感网络的设施农业无线传感器网络节点。本发明在抽插杆上端安装有电器盒，电器盒上安装有温湿度传感器和无线接收天线；抽插杆插入上套内，在上套内部的空腔内有偏心套，偏心套的底面为斜面，偏心套的上端套有复位弹簧，在上套的侧壁上安装有按键，按键置于上套的空腔内部的一端为斜面；上套下端通过螺纹安装有连接套，连接套下端的凸台置于下套上端的凹槽内；下套下端固定安装有支杆，支杆底端是探针；在电器盒内有中央处理器、拨码开关、采集模块电路、电源模块、串口通信模块、控制电路模块、反馈电路。本发明对于种植反季节、高附加值的农作物，温室大棚环境监测在整个农作物的生长周期中起着举足轻重的作用。

Description

一种设施农业无线传感器网络节点

技术领域

本发明属于电子监测设备领域。

背景技术

随着科学技术水平的提高和高新科技在农业上的广泛应用，我国农业产业结构已发生巨大变化。其中以蔬菜产业为主的设施农业在我国农业生产中已成为极其重要的创新产业，在社会经济生活中的地位日渐提升。设施农业是对作物栽培环境能有效控制 ,运用先进工程技术与种植管理技术的高投入、高产出的集约化农业，是确保农产品淡季供应，调节市场供求季节性波动、增加农民收入、提高人们生活水平的有效途径。目前我国设施农业普及面积最大的是以温室为代表的大棚蔬菜生产。改革开放以来，我国设施栽培发展迅速，设施农业栽培面积已达到86.7万公顷，其中塑料中小棚40.7万公顷，占46.9％；塑料大棚23.3万公顷，占26.9％；温室22.7万公顷，占26.2％。按绝对面积计算已为世界第一。我国在农业物联网方面的研究取得了一定的进展，但是这些研究和应用大多数仍停留在理论研究层次，或者只是应用在科研院所的展示项目中，而在传统温室中(占设施栽培总面积超过90%的塑料大棚和日光温室)特别是吉林省大部分地区，农户们仍采用简易控制系统甚至是手工控制的方式，测控系统的普及率非常低，没有将物联网技术真正的应用于大规模环境监测上，所以这种新型技术还没有真正发挥其作用。

在现代化农业生产中，越来越多的农户选择使用温室大棚种植果蔬产品，因为其自身气候效应和隔离效果等特点，可以反季节种植并调控作物，起到了旱涝保收、空间隔绝的作用。但是在国内现有的大部分温室中， 1采用传统的管理的方式，凭借人的经验来种植温室内作物，需要劳动力量大，会因为人的经验判断失误导致作物的不良生长。

2采用人为管理的办法，手动布线室内电子监测设备，当作物更替时重新布置线缆和移动监测设备，布置不当会影响设备采集精度并减少设备使用寿命，设备维护难度大，耗费人力物力，增加了温室建设的投资成本。

3 采用现代无线设备，测量温室内特定环境参数，成本高，推广难度大。

发明内容

本发明的目的是在温室内农作物生长环境的基础上，结合当今无线传感网络技术的优势和特点，设计了基于ZigBee无线传感网络的设施农业无线传感器网络节点。

本发明在抽插杆上端安装有电器盒，电器盒上安装有温湿度传感器和无线接收天线；抽插杆插入上套内，在上套内部的空腔内有偏心套，偏心套的底面为斜面，与上套内壁上的斜台对应，偏心套的上端套有复位弹簧，在上套的侧壁上安装有按键，按键置于上套的空腔内部的一端为斜面，偏心套底端斜面的最低点顶在按键的斜面上；上套下端通过螺纹安装有连接套，连接套下端的凸台置于下套上端的凹槽内；下套下端固定安装有支杆，支杆底端是探针；

 在电器盒内有中央处理器、拨码开关、采集模块电路、电源模块、串口通信模块、控制电路模块、反馈电路；

拨码开关与中央处理器的IO11 、IO12、 IO13三个引脚相连接；

J4是空气温湿度传感器通过IO口0，1连接到中央处理器；

电源模块将外接入的6V电压经过TPS5430电压转换芯片转换成中央处理器所需要的3.3V电压；

串口模块中MAX232与中央处理器的TXD、RXD、CTS、RTS相连；

控制电路模块TP521-4光耦连接中央处理器的IO0、1、8、14口；

UP2_Limit和DOWN1_LIMIT采集卷帘机的位置信息，经过光耦的光电隔离，将此信号传送给微处理器的IO18、IO19引脚。

本发明集成了空气温湿度、光照强度、CO₂浓度、土壤水分/温度六个参数的采集，节约了一个节点只测量一个环境参数的成本，并且传输距离在空旷环境下可以传输一千米，可以减少监测区域内布置点数，相比较于传统的ZigBee节点有更高的处理效率和更远的传输距离。同时还具备控制功能，可以控制水泵和卷帘机的动作。是一套完备的温室环境监控设备。具有低成本、低功耗等优点。

本发明对于种植反季节、高附加值的农作物，温室大棚环境监测在整个农作物的生长周期中起着举足轻重的作用。运用物联网智能监测技术实时获取大棚内的环境信息，不仅能让种植者在第一时间内掌握作物的生长状况，还能让种植者根据环境信息及时地调控大棚内的整体环境参数（如开关天窗，开启卷帘机等）。有利于精准施肥、节水灌溉和虫药资源的高效利用，可有效减轻环境污染，提升作物的品质。是实现农业现代化、农业标准化、农民组织化和农业可持续发展的必然趋势。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明中央处理器示意图；

图3是本发明拨码开关电路原理图；

图4是本发明采集模块电路原理图；

图5是本发明电源模块电路原理图；

图6是本发明串口通信模块电路原理图；

图7是本发明控制电路模块电路原理图；

图8是本发明反馈电路原理图；

图9是本发明电路原理框图；

图中，空气温湿度传感器与微处理器的IO0，IO1相连；

光照度传感器模块与微处理器的IO14，IO15相连；

CO₂传感器模块与微处理器的AD3相连；

微处理器的IO18与光耦TP521的2脚相连，TP521的3脚与继电器相连，继电器与土壤水分温度传感器的电源端相连；

拨码开关与微处理器的IO11、12、13相连；

电源模块链接未处理器的VCC；

MAX232模块与微处理器的TXD、RXD、CTS、RTS相连；

复位电路模块与微处理器的RESET端相连；

控制端电路与反馈信号电路分别与微处理器的IO链接。

具体实施方式

本发明在抽插杆3上端安装有电器盒2，电器盒2上安装有温湿度传感器9和无线接收天线1；抽插杆3插入上套6内，在上套6内部的空腔内有偏心套5，偏心套5的底面为斜面，与上套6内壁上的斜台7对应，偏心套5的上端套有复位弹簧4，在上套6的侧壁上安装有按键10，按键10置于上套6的空腔内部的一端为斜面，偏心套5底端斜面的最低点顶在按键10的斜面上；上套6下端通过螺纹安装有连接套11，连接套11下端的凸台12置于下套8上端的凹槽13内，可以使连接套11和下套8沿着凸台12和凹槽13转动；下套8下端固定安装有支杆14，支杆14底端是探针15。

本发明机械部分的工作过程是：

当需要调整高度时，松开按键10，此时偏心套5与上套6同轴，这样抽插杆3可以上下活动进行调整高度，调整完毕，就按下按键10，由于按键10与偏心套5的接触部位是斜面，这样，按下按键10时，偏心套5的最低端就会沿着按键10的斜面滑动，从而使这个偏心套5反方向移动，同时使偏心套5的轴心移动，使偏心套5与上套6不在同一个轴心上，由于抽插杆3穿过偏心套5延伸到上套6中，但偏心套5和上套6不同轴心，这样偏心套5和上套6将抽插杆3夹持，通过摩擦力将之固定。

探针15插在地面，接收土壤的数据信息，然后通过内部的导线将数据信息传输到电器盒内部的中央处理器，进行土壤信息的采集和分析。

 在电器盒2内有中央处理器、拨码开关、采集模块电路、电源模块、串口通信模块、控制电路模块、反馈电路；

拨码开关锁与微处理器的IO11 、IO12、 IO13三个引脚相连接，当用户选择不同组合时，就设定了该模块的身份，无线数据采集模块、水泵无线智能控制模块、卷帘机无线智能控制模块。

J4是空气温湿度传感器通过IO口0,1连接到微处理器，微处理器定时采集空气温湿度传感器的数据并转换成相应的物理参量值。通过JENNET无线网络通信协议将采集到的值上传至服务器。

J5是光照强度传感器通过I²C接口连接到微处理器，微处理器定时采集光照强度传感器的数据并转换成相应的物理参量值。通过JENNET无线网络通信协议将采集到的值上传至服务器。

J2是CO₂传感器通过AD接口连接到微处理器，微处理器定时采集CO₂传感器的数据并转换成相应的物理参量值。通过JENNET无线网络通信协议将采集到的值上传至服务器。

为了满足整个系统低功耗的要求，对于土壤水分/温度传感器，由于其需要高功率供电，所以电路系统中采用需要采集时供电，不需要采集时断电的方式处理。微处理器置IO18低电平，光耦TP521导通（光耦起到光电隔离的作用），从而继电器导通，土壤水分传感器与6V直流电连接，达到需要采集时才供电采集的目的。

中央处理器采集模式时，负责将传感器传输过来的数字、模拟信号转换成相应物理参量值，并将这些信息通过JENNET无线网络协议上传至服务器；水泵控制模式时，负责检查IO8高低电平情况，从而确定水泵此时是开启还是关闭状态并上传此时水泵状态，同时能够接收命令控制水泵开启后者关闭；卷帘模式时，负责检查IO18、19的高低电平情况，从而确定卷帘机此刻卷帘机的位置并上传当前卷帘的位置情况，同时能够接收命令控制卷帘机的动作。

电源模块将外接入的6V电压经过TPS5430电压转换芯片转换成微处理器所需要的3.3V电压输出。

串口模块中MAX232与微处理器的TXD、RXD、CTS、RTS相连，负责模块的程序烧写工作。

控制电路模块TP521-4光耦连接中央处理器的IO0、1、8、14口；当处理器收到控制卷帘机动作的命令时，置IO0、1口相应高低电平。当收到控制水泵的命令时，置IO8口高电平或者低电平。

UP2_Limit和DOWN1_LIMIT采集卷帘机的位置信息，经过光耦的光电隔离，将此信号传送给微处理器的IO18、IO19引脚。微处理器通过读IO口的高低电平信号判断出此刻卷帘的位置。

ＪＥＮＮＥＴ无线网络协议栈

系统模块被确定为Ｒｏｕｔｅｒ（路由）或者是ＥＮＤ　Ｄｅｖｉｃｅ（终端）在自组织的网络中会自动上传节点信息给Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ（协调器）。若被确定为协调器，只负责接收路由和终端上传信息。

本发明工作过程：

作为采集点：

在需要监测的区域内（如温室大棚）安装Zigbee节点，通电后，Zigbee节点首先寻找网络并自动加入网络。加入网络后，传感器开始工作，传感器定时采集监测区域内空气温度、空气湿度，CO₂浓度、土壤水分含量、土壤温度六个环境参数值。空气温、湿度传感器与微处理器的DIO0、1相连接，将的监测区域内的空气中的温湿度的数据传送给微处理器，微处理器将空气温湿度传感器采集到的数据转换成实际物理值后，通过无线ZigBee网络将实际物理值发送给网关。光照强度传感器与微处理的DIO14、15相连接，将的监测区域内的太阳光强度的数据传送给微处理器，微处理器将光照强度传感器采集到的数据转换成实际物理值后，通过无线ZigBee网络将实际物理值发送给网关。CO₂浓度传感器与微处理的ADC3接口相连接，将监测区域内的CO₂浓度值传送给微处理器，微处理器将CO₂浓度传感器采集到的数据转换成实际物理值后，通过无线ZigBee网络将实际物理值发送给网关。土壤水分、温度传感器与微处理器的ADC1和ADC2相连接，由微处理器定时向DIO8发送低电平信号，当DIO8收到低电平信号时，光耦导通，继电器触点闭合，土壤水分、温度传感器上电工作，将采集到的土壤中的水分和温度的数值传送给微处理器，微处理器将此数值转换成实际物理值后，通过Zigbee无线网络将实际物理值发送给网关。完成整个监测过程。

作为控制点：

与水泵或卷帘机配套安装Zigbee控制节点。通电后，zigbee节点首先寻找网络并自动加入网络。控制节点会监测设备状态，若为水泵控制节点，水泵与DIO14相连接，DIO14为高电平，水泵关闭，DIO14为低电平水泵开启。微处理器定时检测DIO14的高低电平情况，并将水泵是开启还是关闭的状态通过ZIGbee无线网络，发送给网关。当节点收到打开水泵的命令时，相应的微处理置DIO14为低电平；当节点收到关闭水泵的命令时，相应的微处理置DIO14为高电平。若为卷帘控制节点，卷帘机与DIO，1相连，控制电机的上下转动。

若为卷帘控制节点，在大棚的顶端和低端分别安装限位开关，限位开关与微处理器的DIO18、19相连接。微处理器检测DIO18、19高低电平情况判断出此时卷帘位置，并将此时卷帘机的位置信息通过zigbee无线网络发送给网关。当节点收到打开或关闭卷帘机的命令时，相应地至DIO0、1高低电平，DIO0、1与电机相连，从而控制卷帘机上下转动。

实验数据：

以下是本装置试验阶段在室内采集到的样本数据：

时间	空气温度	空气湿度	CO2浓度	土壤水分含量	土壤温度
						14：00	17℃	23%	365ppm	71%	14℃
14：05	18	25%	356ppm	70	15
						14: 10	17	24%	366ppm	72	15
14:15	16	23%	370ppm	71	15
						14:20	17	22%	344ppm	70	14
14:25	17	23%	358ppm	72	14
						14:30	16	23%	369ppm	71	15

Claims (1)

1.一种设施农业无线传感器网络节点，其特征在于：在抽插杆（3）上端安装有电器盒（2），电器盒（2）上安装有温湿度传感器（9）和无线接收天线（1）；抽插杆（3）插入上套（6）内，在上套（6）内部的空腔内有偏心套（5），偏心套（5）的底面为斜面，与上套（6）内壁上的斜台（7）对应，偏心套（5）的上端套有复位弹簧（4），在上套（6）的侧壁上安装有按键（10），按键（10）置于上套（6）的空腔内部的一端为斜面，偏心套（5）底端斜面的最低点顶在按键（10）的斜面上；上套（6）下端通过螺纹安装有连接套（11），连接套（11）下端的凸台（12）置于下套（8）上端的凹槽（13）内；下套（8）下端固定安装有支杆（14），支杆（14）底端是探针（15）；

 在电器盒（2）内有中央处理器、拨码开关、采集模块电路、电源模块、串口通信模块、控制电路模块、反馈电路；

拨码开关与中央处理器的IO11 、IO12、 IO13三个引脚相连接；

J4是空气温湿度传感器通过IO口0，1连接到中央处理器；

电源模块将外接入的6V电压经过TPS5430电压转换芯片转换成中央处理器所需要的3.3V电压；

串口模块中MAX232与中央处理器的TXD、RXD、CTS、RTS相连；

控制电路模块TP521-4光耦连接中央处理器的IO0、1、8、14口；

UP2_Limit和DOWN1_LIMIT采集卷帘机的位置信息，经过光耦的光电隔离，将此信号传送给微处理器的IO18、IO19引脚。

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