CN107370784A - 一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，包括太阳能电池板和电源模块，电源模块包括干电池和蓄电池，太阳能电池板的输出端和太阳能控制器的输入端电性连接。该基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，能够对空气的温湿度值、土壤的温湿度值、土壤PH值和土壤电导率进行精确的监测，能够通过实时信息采集，对农业生产过程进行及时管控，建立优质、高产和高效的农业生产管理模式，以确保农产品在数量上的供给和品质上的保证，能够对大区域农田土壤进行远程实时监测和多终端可视化显示，智能化程度高，保证了该监测系统的稳定运行，土壤监测性能高，符合现代农业的要求，土壤远程监测性能好。

Description

一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统

技术领域

本发明涉及农田监测技术领域，具体为一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统。

背景技术

近年来，我国粮食进口量持续增长，导致这一现象主要有两方面原因：一方面是由于我国耕地少、人口多的客观条件所致，另一方面是我国农业生产方式和管理手段落后，国外大都采用大面积农场种植，粮食的品质比较一致，种植成本较低，我国大都是农民小面积承包，每户种植的同一品种农作物品质不尽相同，从而导致整体品质下降，而且种植成本比国外要高，使得某些农作物的价格反而比国外进口的要高，随着我国经济社会的不断发展，对粮食的需求量还会进一步增加，以往低效、传统的生产方式己经不能满足现代农业的要求，土壤是农作物赖以生存和生长的物质基础，土壤相关参数是影响农作物生长的关键因素，土壤温度决定作物生长环境，土壤水分是作物水分的主要来源，土壤PH值反映土壤酸碱程度，土壤电导率反映了土壤压实度、黏土层深度、水分保持能力等。

不同种类的农作物在生长的过程中对土壤环境参数要求不同，在大力发展现代农业的同时，研究新型大区域农田土壤远程监测系统，获取长期、稳定的土壤数据，为大区域农业生产决策提供可靠的数据来源具有重要意义。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，解决了土壤监测性能差和智能化程度低的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，包括太阳能电池板和电源模块，所述电源模块包括干电池和蓄电池，所述太阳能电池板的输出端和太阳能控制器的输入端电性连接，所述太阳能控制器的输出端和蓄电池的输入端电性连接，所述电源模块的输出端和中央处理器的输入端电性连接，所述中央处理器和传输单元双向电连接。

所述传输单元包括ZigBee网络和GPRS，所述ZigBee网络和无线收发模块双向电连接，所述无线收发模块和监测中心双向电连接，所述GPRS的输出端和短信网关服务器的输入端电性连接，所述短信网关服务器的输出端和移动终端的输入端电性连接。

所述电源模块的输出端和数据采集模块的输入端电性连接，所述数据采集模块的输出端和无线传输模块的输入端电性连接，所述无线传输模块的输出端和数据处理模块的输入端电性连接，所述数据处理模块和中央处理器双向电连接，所述中央处理器和数据对比模块双向电连接。

优选的，所述监测中心包括IP和端口选择、LED显示屏、数据采集显示、报警器和WEB发布。

优选的，所述数据采集显示和数据设定模块双向电连接，所述数据设定模块包括空气温度值设定模块、空气湿度值设定模块、土壤温度值设定模块、土壤湿度值设定模块、土壤PH值设定模块和土壤电导率设定模块。

优选的，所述数据采集模块包括空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤导电率传感器。

优选的，所述数据对比模块包括空气温度值对比模块、空气湿度值对比模块、土壤温度值对比模块、土壤湿度值对比模块、土壤PH值对比模块和土壤导电率对比模块。

优选的，所述土壤PH值传感器的型号为TRSJ型，所述土壤导电率传感器的型号为PHYF型，土壤温度传感器和土壤湿度传感器的型号均为SMS-II-100型，所述空气温度传感器和空气湿度传感器的型号均为DHT11型。

（三）有益效果

本发明提供了一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，具备以下有益效果：

（1）该基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，通过设置有数据采集模块，能够对空气的温湿度值、土壤的温湿度值、土壤PH值和土壤电导率进行精确的监测，能够通过实时信息采集，对农业生产过程进行及时管控，建立优质、高产和高效的农业生产管理模式，以确保农产品在数量上的供给和品质上的保证，通过设置有传输单元和监测中心，能够对大区域农田土壤进行远程实时监测和多终端可视化显示，智能化程度高。

（2）该基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，通过设置有数据设定模块，能够对空气的温湿度值、土壤的温湿度值、土壤PH值和土壤电导率的标准范围值进行设定，通过设置有数据采集模块和数据对比模块，能够对上述六项数值进行分析对比，上述六项数值的实际标准值不在标准范围值内时，报警器便会报警，通过设置有LED显示屏和数据采集显示，能够对测量的各个参数进行显示，并进行实时刷新，同时能通过波形图直观的显示出来，通过设置有蓄电池和干电池，能够提供两种供电形式，保证了该监测系统的稳定运行，土壤监测性能高，符合现代农业的要求，土壤远程监测性能好。

附图说明

图1为本发明控制系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，包括太阳能电池板和电源模块，电源模块包括干电池和蓄电池，太阳能电池板的输出端和太阳能控制器的输入端电性连接，太阳能控制器的输出端和蓄电池的输入端电性连接，为了提高系统稳定性和延长维护周期，本设计采用太阳能供电的方案，太阳能作为清洁能源，发展迅速，采用太阳能为监测系统供电，具有如下优势：移动性能好和独立性能强、无需铺设电缆和布线简单、对环境污染小、维护费用低和不受地理环境影响等优点，本太阳能供电系统由太阳能板、蓄电池、充放电控制器和调理稳压模块四个部分组成，太阳能电板用来吸收太阳能，将光能转化为电能，蓄电池的功能是存储太阳能电池板产生的电能，在晚上或光线条件较差的阴天，为系统提供电能，本系统采用的是酸铅蓄电池，正如本申请附图所显示的，通过研究对比各种充电控制方式设计出最利于提高系统效率的控制电路和高效稳定的调理稳压电路，太阳能控制器是整个太阳能供电系统的重要组成部分，通过太阳能控制器，智能控制蓄电池的充放电过程，能够根据光照情况自动调节太阳能板直接供电或者通过蓄电池为监测系统提供电能，太阳能控制器能够根据蓄电池的电压状态，能够有效的保护蓄电池，延长其使用寿命，电源模块的输出端和中央处理器的输入端电性连接，中央处理器和传输单元双向电连接，中央处理器的型号为Core-I7，具有质轻、运行速度快、存储空间大和精确度高的优点，能够满足农田土壤远程监测的需求。

传输单元包括ZigBee网络和GPRS，ZigBee网络技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，GPRS是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术，在ZigBee网络和GPRS的作用下，能够实现对各节点农田参数进行采集并通过ZigBee网络将数据发送给协调器节点的目的，为了降低硬件成本和减小系统复杂度，采用GPRS技术远程传输数据，在GPRS自带的协调器网关传输下，能够对土壤数据进行精确的传输，协调器网关包括协调器和GPRS DTU两部分，协调器网关的主要任务是接收各终端节点发送来的农田参数，并将整合处理后的数据通过GPRS数据传输单元发送给远程监测中心，ZigBee网络技术和GPRS技术均为现有技术所公知的技术设备，对于所属领域的人力来说，其基础设施和原理是清楚完整的，对此不再进行过多叙述，ZigBee网络和无线收发模块双向电连接，无线收发模块和监测中心双向电连接，监测中心包括IP和端口选择、LED显示屏、数据采集显示、报警器和WEB发布，能够对该远程监测系统进行合理的控制，能够对信息进行及时的反馈和表达，GPRS的输出端和短信网关服务器的输入端电性连接，短信网关服务器的输出端和移动终端的输入端电性连接，能够对土壤的实际状况，进行及时的反馈至移动终端，能够进行多种形式的监测。

电源模块的输出端和数据采集模块的输入端电性连接，数据采集模块包括空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤导电率传感器，土壤的温度是作物生长的基础条件，土壤的水分是作物生长所需水源的直接来源，土壤的PH值直接反应了土地的盐碱化程度，土壤的电导率与土壤紧实程度、黏土层的厚度以及水分保持能力有直接关系，空气温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，能够对空气的温度状况进行实时、精确的监测，空气湿度传感器主要用来测量空气湿度，感应部件采用高分子薄膜湿敏电容，位于杆头部，这种具有感湿特性的电介质其介电常数随相对湿度而变化，能够对空气湿度状况进行实时、精确的监测，土壤湿度传感器主要是用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测，能够对土壤的含水量进行精确的监测，土壤温度传感器能够对土壤的温度状况进行精确的监测，土壤温度的高低，与作物的生长发育、肥料的分解和有机物的积聚等有着密切的关系，是农业生产中重要的环境因子，土壤PH值传感器主要用于检测农田土壤酸碱程度，土壤导电率传感器能够对土壤的导电率进行精确的监测，土壤学科相关研究表明土壤电导率与土壤品质和特性具有很大的相关性，土壤电导率与土壤结构和颗粒直径都有一定的联系，同时土壤电导率特性还直接反应了有机物含量、水分保持力和黏土层厚度，数据采集显示和数据设定模块双向电连接，数据设定模块包括空气温度值设定模块、空气湿度值设定模块、土壤温度值设定模块、土壤湿度值设定模块、土壤PH值设定模块和土壤电导率设定模块，能够对上述六项的标准范围值进行设定，并将该范围值作为农田参数上下限和报警器的报警值，数据采集模块的输出端和无线传输模块的输入端电性连接，无线传输模块的输出端和数据处理模块的输入端电性连接，数据处理模块和中央处理器双向电连接，中央处理器和数据对比模块双向电连接，数据对比模块包括空气温度值对比模块、空气湿度值对比模块、土壤温度值对比模块、土壤湿度值对比模块、土壤PH值对比模块和土壤导电率对比模块，能够对实际数据和土壤标准范围值进行数据对比分析，当采集到的实际数据超过参数上下限时，报警器便会进行报警，土壤PH值传感器的型号为TRSJ型，能够很好的解决传统土壤PH测量标定过程复杂、集成度低、功耗较大和价格普遍昂贵等缺点，PH值与电压输出计算公式为PH=V/3.3×14，其中，PH为土壤PH值，V为传感器输出电压值，土壤导电率传感器的型号为PHYF型，该型号的土壤导电率传感器采用最新陶瓷工艺，直接布设于土壤之中，具有耐腐蚀、抗氧化、免维护、寿命长和高可靠性等优点，电导率与电压输出计算公式为D=V/3.3×20，其中，D为土壤电导率值，V为传感器输出电压值，该土壤导电率传感器的电导率测量范围在0-20mS，土壤温度传感器和土壤湿度传感器的型号均为SMS-II-100型，监测精确度更高，换算公式为土壤水分含量=V×100/2，土壤温度=V×100/2-30，其中V为测得电压值，空气温度传感器和空气湿度传感器的型号均为DHT11型，能够对空气的温度和湿度状况进行精确的监测。

工作原理：太阳能电池板对太阳光进行收集，并将光能转化成电能，在太阳能控制器的作用下，能够将电能稳定的存入蓄电池内，配合干电池的作用，保证了该系统的正常通电使用，在数据采集显示的作用下，根据当地的实际情况，对空气温度值、空气湿度值、土壤温度值、土壤湿度值、土壤PH值和土壤电导率值进行范围值设定，并将该范围值作为农田参数上下限和报警器的报警值，在ZigBee网络和无线收发模块的作用下，保证了信息的快速传输，数据采集模块对农田的实际数据进行采集，并通过无线传输和RF射频的形式反馈至中央处理器，并通过数据对比模块进行数据的对比分析，当采集到的实际数据超过参数上下限时，报警器便会进行报警，在GPRS和短信网关服务器的作用下，能够将异常信息发送至移动终端，保证了农田土壤的远程监测，智能化程度高。

本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处，本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。

综上所述，该基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，通过设置有数据采集模块，能够对空气的温湿度值、土壤的温湿度值、土壤PH值和土壤电导率进行精确的监测，能够通过实时信息采集，对农业生产过程进行及时管控，建立优质、高产和高效的农业生产管理模式，以确保农产品在数量上的供给和品质上的保证，通过设置有传输单元和监测中心，能够对大区域农田土壤进行远程实时监测和多终端可视化显示，智能化程度高，通过设置有数据设定模块，能够对空气的温湿度值、土壤的温湿度值、土壤PH值和土壤电导率的标准范围值进行设定，通过设置有数据采集模块和数据对比模块，能够对上述六项数值进行分析对比，上述六项数值的实际标准值不在标准范围值内时，报警器便会报警，通过设置有LED显示屏和数据采集显示，能够对测量的各个参数进行显示，并进行实时刷新，同时能通过波形图直观的显示出来，通过设置有蓄电池和干电池，能够提供两种供电形式，保证了该监测系统的稳定运行，土壤监测性能高，符合现代农业的要求，土壤远程监测性能好。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”，该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，包括太阳能电池板和电源模块，其特征在于：所述电源模块包括干电池和蓄电池，所述太阳能电池板的输出端和太阳能控制器的输入端电性连接，所述太阳能控制器的输出端和蓄电池的输入端电性连接，所述电源模块的输出端和中央处理器的输入端电性连接，所述中央处理器和传输单元双向电连接；

所述传输单元包括ZigBee网络和GPRS，所述ZigBee网络和无线收发模块双向电连接，所述无线收发模块和监测中心双向电连接，所述GPRS的输出端和短信网关服务器的输入端电性连接，所述短信网关服务器的输出端和移动终端的输入端电性连接；

所述电源模块的输出端和数据采集模块的输入端电性连接，所述数据采集模块的输出端和无线传输模块的输入端电性连接，所述无线传输模块的输出端和数据处理模块的输入端电性连接，所述数据处理模块和中央处理器双向电连接，所述中央处理器和数据对比模块双向电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，其特征在于：所述监测中心包括IP和端口选择、LED显示屏、数据采集显示、报警器和WEB发布。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，其特征在于：所述数据采集显示和数据设定模块双向电连接，所述数据设定模块包括空气温度值设定模块、空气湿度值设定模块、土壤温度值设定模块、土壤湿度值设定模块、土壤PH值设定模块和土壤电导率设定模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，其特征在于：所述数据采集模块包括空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器和土壤导电率传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，其特征在于：所述数据对比模块包括空气温度值对比模块、空气湿度值对比模块、土壤温度值对比模块、土壤湿度值对比模块、土壤PH值对比模块和土壤导电率对比模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络的大区域农田土壤远程监测系统，其特征在于：所述土壤PH值传感器的型号为TRSJ型，所述土壤导电率传感器的型号为PHYF型，土壤温度传感器和土壤湿度传感器的型号均为SMS-II-100型，所述空气温度传感器和空气湿度传感器的型号均为DHT11型。