CN105022368B - 一种基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式农田环境信息远程采集与监控装置，尤其是一种基于开放物联网平台的远程实时监测系统。该装置包括传感器、微处理控制器、信号采集单元、无线路由器、无线网卡、网络扩展板、移动电源、机壳以及开放的物联网平台。通过移动电源为机壳内的微处理控制器、无线路由器、网络扩展板及机壳外的传感器供电。机壳内的微处理控制器通过USB通讯接口与PC机通讯，信号采集单元通过采集接口与机壳外的传感器连接，路由器通过USB接口与无线网卡连接。该装置具有便携性，可灵活的实现农田环境信息采集，并实现串口采集和网络发布同步进行，为专家进行分析和决策提供开放的互联网数据平台，解决只能在单一服务器上查询和分析数据的问题。

Description

一种基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置

技术领域：

本发明涉及一种基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，具体是一种主要获取空气温湿度、光照度、土壤含水量等农田环境信息的远程采集装置。

背景技术：

农田环境信息包括空气温湿度、光照度、土壤水分等，这些信息是农业专家系统分析和决策的重要数据源和参数，对它们进行实时、快速地采集是实现精准农业和农田现代化管理的重要基础。近年来，通信、计算机、传感器、网络等技术得到快速发展，尤其是通信网络的飞速发展，田间环境信息的采集已经进入了智能化、机械化阶段，通过传感器在田间采集的数据信息可由各种有线网络进行传输。然而，由于我国农业区域分布广泛、地理环境复杂多变，有线网络存在布线困难、造价高、维护不方便等问题，使得有线数据传输受到很大的限制。因此，采用无线通信技术的田间信息传输成为当今田间信息远程获取的主要方式，目前，有些农业监控系统利用GPRS/CDMA等技术实现了农业环境信息从田间到实验室计算机或手持设备的远程传输，这样的系统虽然突破了环境与距离的限制，实现了农业环境信息获取的实时性要求，但在数据共享方面存在明显不足。

发明内容：

本发明克服了农田环境复杂多变、供电布线困难等问题，利用3G网络实现采集数据的无线传输，解决了只能在单一服务器上查询和分析数据的问题，为用户或专家进行分析和决策提供数据依据。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，包括传感器、微处理控制器、信号采集单元、无线路由器、无线网卡、网络扩展板、移动电源、机壳以及开放的互联网平台。其中所述各种传感器负责将农田环境参数信息传输到信号采集单元。所述信号采集单元接收传感器信号，完成信号采集与处理，并在微处理器的控制下完成数据的本地存储，以及远程数据传输、监测及存储。

所述传感器至少包括空气温湿度传感器、光照度传感器、土壤含水量传感器。

所述微处理控制器根据程序指令依次循环控制光照度、空气温湿度、土壤湿度三个传感器采集四个信号。所述信号处理单元首先对传感器采集数据进行预处理并将数据暂存于微处理器闪存。然后，将处理后数据通过HTTP请求方式传输到开放的互联网数据平台。最后，如果需要将处理后数据加入标志位后通过USB接口传输到PC机完成本地存储。

所述移动电源为机壳内的微处理控制器、无线路由器、网络扩展板及机壳外的传感器供电。其中移动电源由两部分组成，一部分为路由器供电，另一部分为微处理控制器、网络扩展板及机壳外的传感器供电。

所述机壳上设有两个电源槽，一个电源适配器接口，一个与PC机连接的USB通讯接口，一个USB无线网卡接口，与各传感器连接的信息采集接口以及扩展接口，各传感器设置于机壳外部。

所述无线路由器和网络扩展板之间通过有线方式连接，使数据传输的稳定性更强。所述微处理控制器通过USB通讯接口与PC机进行通讯。信号采集单元通过采集接口与机壳外的传感器连接，无线网卡通过USB接口插入到机壳内的无线路由器的网口插槽上。

所述开放的互联网平台，可在Internet网页上进行传感器数据的实时曲线显示存储及历史数据查询与分析。所述的传感器数据包括采集的环境参数、采集时间、设备的ID及传感器ID，所述的利用互联网显示终端，所采用的技术为用统一资源定位符表示从互联网上得到的资源位置和表示方法，定位符中的协议采用超文本传输协议资源。所述的数据传输方式为采集时间和传感器数据采用标准HTTP协议支持的6种请求方法中的POST方法，即向服务器提交数据的方法完成提交操作，设备ID和传感器ID采用标准HTTP协议支持的PUT方法，通过指定资源的存放位置向服务器提交数据。通过串口通讯将数据显示于本地PC机上，存储于数据库中并通过调用数据库数据对历史数据进行显示和分析。用户或专家可以通过任意一台连接Internet的计算机查看或获取互联网平台上的传感器实时数据以及历史数据。

本发明充分利用了3G网络覆盖范围广，长期在线，按流量收取服务费用等优点；同时，利用了Arduino开发板体积小，能耗低，功能满足农业信息采集要求的优点。

附图说明：

图1为本发明的硬件结构图。

图2为本发明的电路原理图。

图3为本发明的程序流程图。

图4是本发明的外壳设计图。

具体实施方式：

本发明一种基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，包括：包括传感器、微处理控制器、信号采集单元、无线路由器、无线网卡、网络扩展板、移动电源、机壳以及开放的互联网平台。其中所述各种传感器负责将农田环境参数信息传输到信号采集单元。所述信号采集单元接收传感器信号，完成信号采集与处理，并在微处理器的控制下完成数据的本地存储，以及远程数据传输、监测及存储。

下面结合附图对本发明的实施方式展开叙述，以期清晰、完整地披露和展现本发明的技术方案。以下实施方式仅用于说明和解释本发明，而非用于限制本发明。本发明技术方案的保护范围，当以权利要求书中的权利要求为准。

图1是本发明一种基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置的硬件结构图。包括微处理控制器、信息采集传感器、网络扩展板、无线路由器、无线网卡以及移动电源。其中：

微处理控制器采用ATmega328微处理器，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，14个数字I/O端口，6个模拟输入端口，32KB Flash内存即可用来编程也可用做存储易失性数据。工作时微处理控制器可以通过USB数据线、9V干电池或专用的电源适配器供电。微处理控制器可为各传感器提供3.3V或5V直流电源并且可以通过USB数据线实现与PC机串口通讯。

其中传感器至少包括空气温湿度传感器、光照度传感器、土壤含水量传感器。分别用于采集空气温湿度、光照度和土壤湿度四个环境信息。

无线路由器、无线网卡、网络扩展板组合使用，用于实现网络通信。应用无线网卡和无线路由器组建无线网络，从而解决了旷野环境下布线困难问题。同时，考虑到传输速度及传输稳定性问题，选用网络扩展板作为连接自建网络与Internet之间的桥梁，通过有线连接的方式将网络扩展板与路由器相连，最终把环境信息打包发送到开放的互联网平台，实现数据的网络发布。

电源由两部分组成。其中，一部分为可重复充放电的为路由器供电的移动电源，另一部分是为传感器、微处理控制器以及网络扩展板供电的9V干电池。

图2是本发明的电路原理图。包括微处理控制器、网络扩展板和各种传感器。其中：

按照引脚对应关系将网络扩展板插入到微处理控制器上，各传感器的电源+引脚与网络扩展板5V引脚相连，-引脚与GND引脚相连，温湿度传感器模块输出引脚与D7引脚相连，光强度检测模块ADD、SCL引脚分别与A4、A5引脚相连，土壤湿度传感器输出引脚与A0引脚相连，为防止外界信号干扰将A1、A3、D6、D8引脚做接地处理。其余除D1、D2引脚被系统占用外作为扩展接口留作备用。

图3是本发明的程序流程图。首先运行初始化程序，成功建立网络连接后，主程序调用信号采集子程序采集农田环境信息，调用数据传送子程序对数据进行串口显示以及无线网络上传。其中初始化程序对各模块及重要变量进行初始化；信号采集子程序根据主程序命令要求依次采集光照度、空气温湿度、土壤湿度三个传感器的四个信号；数据传送子程序包括两方面内容，一方面为Internet提供数据，另一方面为串口提供数据。Internet方面，通过HTTP请求方式将数据发送到开放的互联网平台。采集时间和传感器数据采用标准HTTP协议支持的6种请求方法中的POST方法，即向服务器提交数据的方法完成提交操作，设备ID和传感器ID采用标准HTTP协议支持的PUT方法，通过指定资源的存放位置向服务器提交数据。设备ID和传感器ID由互联网平台提供，在互联网平台创建设备及传感器时生成。串口方面，数据包由传感器标志位和数据内容组成，根据传感器标志位确定采集传感器确保上位机接收数据时不发生错误。

图4是本发明的外壳设计图。外壳采用工程塑料制作不仅满足机械强度要求而且对无线信号的屏蔽作用很小，其中：

标号1分别为壳体的主视图、俯视图和左视图。在主视图上，设有装置与传感器相连的采集接口和扩展接口10，接口放大图可参加局部放大图B，其中各接口编号与网络扩展板引脚一致，A1、A3、D6、D8引脚已接地，D1、D2被系统占用，所以壳体上未设置其接口；在俯视图上，设有壳体门2、门锁3、门把手4；在左视图上，设有电池插槽5、电源适配器插孔6、与PC机相连的通讯接口7、无线网卡USB接口8、移动电源插槽9。其中，6、7、8放大图可参见局部放大图A。

Claims (8)

1.一种基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，包括传感器、信号采集单元、微处理控制器、无线路由器、无线网卡、网络扩展板、移动电源、机壳以及开放的互联网平台；其中，信号采集单元通过采集接口与机壳外的传感器连接，各种传感器负责将农田环境参数信息传输到信号采集单元；所述信号采集单元接收传感器信号，完成信号采集与处理，并在微处理器的控制下完成数据的本地存储，以及远程数据传输、监测及存储；

利用3G网络，应用无线网卡和无线路由器组建无线网络，通过有线连接的方式将网络扩展板与路由器相连，最终把环境信息打包发送到开放的互联网平台，实现数据的网络发布；

所述的传感器数据包括采集的环境参数、采集时间、设备的ID及传感器ID，所述的利用互联网显示终端，所采用的技术为用统一资源定位符表示从互联网上得到的资源位置和表示方法，定位符中的协议采用超文本传输协议资源；

微处理器控制器中的主程序依次循环向各个传感器发出采集指令，通过控制采集接口电平来实现数据采集；首先，信号处理单元对传感器采集数据进行预处理并将数据暂存于微处理器闪存；然后，将处理后数据数据传输到开放的互联网数据平台；最后，将处理后数据加入标志位后通过USB接口传输到PC机完成本地存储。

2.根据权利要求1所述的基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，其特征在于：使用目前最流行的开源硬件环境与无线路由器、无线网卡、网络扩展板、开放的互联网平台相互配合实现数据的远程传输、监测及存储。

3.根据权利要求1所述的基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，其特征在于：农田环境参数检测传感器至少包括空气温湿度传感器、光照度传感器、土壤含水量传感器。

4.根据权利要求1所述的基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，其特征在于：系统的数据显示终端为开放的互联网数据平台，在Internet网页上进行传感器数据的实时曲线显示存储及历史数据查询与分析。

5.根据权利要求1所述的基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，其特征在于：所述的数据传输方式为采集时间和传感器数据采用标准HTTP协议支持的6种请求方法中的POST方法，即向服务器提交数据的方法完成提交操作，设备ID和传感器ID采用标准HTTP协议支持的PUT方法，通过指定资源的存放位置向服务器提交数据。

6.根据权利要求1所述的基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，其特征在于：便携式农田环境信息采集装置，通过串口通讯将数据传输存储于任何PC机中，通过数据库对数据进行管理，完成数据的存储，历史数据查询功能。

7.根据权利要求1所述的基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，其特征在于：通过网络扩展模块，可以使微控制器成为简单的Web服务器，与无线路由器、无线网卡结合，将采集的农田环境参数传递给开放的互联网数据平台，使得任意一台连接在互联网上的计算机都可以作为信息显示终端。

8.根据权利要求1所述的基于开放网络平台的便携式农田环境信息采集装置，其特征在于：任意一台连接在互联网上的计算机都可以作为显示终端，除具有农田环境参数的实时显示与检测功能外，还具有历史数据查询功能，以及为后端分析软件提供所需分析数据接口。