CN107896255A - 一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统 - Google Patents

一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于农业智能化管理技术领域，特别涉及一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，包括设置在大棚中的无线传感节点、自动灌溉控制系统以及无线汇聚节点、无线网关节点、云服务器和监控终端，无线传感节点布设于每个大棚中，实时采集农作物的生长环境数据，逐级发送到各监控终端，并接收监控终端的控制指令，控制各大棚的自动灌溉等设备运作；每个无线传感节点的数据通过ZigBee组建的无线网络与无线汇聚节点连接，无线汇聚节点通过无线网络与无线网关节点连接，无线网关节点完成ZigBee网络到WIFI网络的对接，通过WIFI连接到云服务器，云服务器完成大数据的存储和分析，手机、平板电脑、PC等可通过Internet访问云服务器，实现对各大棚的监控和管理。

Description

一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统
技术领域
本发明属于农业智能化管理技术领域，特别涉及一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统。
背景技术
温湿度为一种基本的环境参数，与我们的生活有着密切的联系。在工业生产过程当中，应当实时根据需要进行温湿度的测控。温湿度于农业生产过程当中，是作物生长最为重要的环境条件，它对作物根系的发育与土壤的微生物活动有着直接的影响，并且是土壤水分运动的诱因。我们在农业生产过程当中，对温湿度的测控显得至关重要，因此对土壤温湿度自动化测控的系统设计有着极大的意义。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。通过ZigBee无线网络技术，使农场主准确把握作物生长环境中土壤的变化情况，做到科学检测、及时预警和采取保护措施，有力保障了果园内作物的产量和果园的持续发展。
传统的监测系统采用铺设线缆的方式进行数据采集，工程量大、成本高，同时由于传感器大多通过微电压进行数据采集，过长的线缆铺设会导致数据的误差较大。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷及存在的技术问题，本发明提供了一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，采用ZigBee+WIFI+Internet的先进组网方式，实现局域网与云服务器的连接，打破传统农业的空间限制，管理员可以随时随地对农场进行远程管理。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，包括：
设置在大棚中的无线传感节点、自动灌溉控制系统以及无线汇聚节点、无线网关节点、云服务器和监控终端；
所述无线传感节点布设于每个大棚中，主要功能一是实时采集农作物的生长环境数据，逐级发送到各监控终端，二是接收监控终端的控制指令，控制各大棚的自动灌溉等设备运作，需要布设的节点数量根据大棚的面积大小决定；
每个无线传感节点的数据通过ZigBee组建的无线网络首先汇聚到担任无线汇聚节点的一个ZigBee无线收发模块，通过该无线汇聚节点连接到无线网关节点，由无线网关节点完成ZigBee网络到WIFI网络的对接，再通过WIFI连接到云服务器，由云服务器完成大数据的存储和分析，手机、平板电脑、PC等监控终端可通过Internet访问云服务器，实现对各大棚的监控和管理；
所述无线传感节点包括光照度传感器、空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤电导率传感器、土壤水分传感器，无线传感节点相当于整个系统的神经末梢，负责农作物生长环境数据的采集及自动灌溉等环境系统的控制；
所述无线传感节点的供电采用太阳能电池，系统的低功耗可保证节点的无限续航，系统一经布设完毕，后续就无需更换电池，大大节省了系统维护的人力投入。
本发明所述一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其中，所述自动灌溉控制系统包括单片机，所述单片机采用TI公司的超低功耗单片机MP430F149，具有五种低功耗模式，2.2伏工作电压1MHz工作频率时电流为225uA，可实现超长续航，且具有丰富的外设接口，可满足与多种传感器的对接。
本发明所述一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其中，所述土壤导电率传感器，利用太阳能电池提供能源，运用“电流-电压”四端法构成土壤导电率监测系统，采用单片机控制，利用ZigBee无线收发模块实现土壤导电率传感器测量结果的无线传输，对土壤导电率实时远程监测，及时了解土壤的相关物理化学性质的变化。
本发明所述一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其中，所述土壤导电率监测系统包括两个电流端和两个电压端，所述电流端为两根不锈钢探针，其长度为15cm，间距20cm；所述电压端为两根不锈钢探针，其长度15cm，间距10cm，激励信号源（恒流源）经过两个电流端流入大地，由于土壤电导率的变化直接影响电压端输出电压，通过检测电压端的电势差，就可计算出土壤的电导率值。
本发明所述一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其中，所述导电率监测系统的单片机采用美国microchip公司新推出的低功耗单片机 PIC18F14K22，该单片机具有8K 字节闪存程序存储器，512字节数据存储器，内部集成阻容振荡器，A/D转换器等，由于采用了纳瓦技术，该单片机具有非常低的功耗，在单片机处于休眠状态时，消耗电流为100nA，使用该单片机可以减少很多外围器件，在提高可靠性的同时，降低了成本与功耗。
本发明的有益效果是：对比现有技术，本发明的一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，具有以下优点：
（1）成本低、易搭建，适合产业化推广。已有的监测系统方案受传感器价格限制，系统成本非常高昂，没有推广价值。我们针对农业应用的特定场合重新设计部分传感器，通过精简、整合等方式大幅降低每个传感节点的成本；
（2）采用ZigBee+WIFI+Internet的先进组网方式，实现局域网与云服务器的连接，打破传统农业的空间限制，管理员可以随时随地对农场进行远程管理；
（3）环境数据采集和环境条件自动控制形成闭环系统，所有的环境参数都能精准可控，大幅提高资源利用率，既增产增收又节能减排；
（4）农业专家系统，为农场管理者提供专业的环境参数控制策略，集成的智能管理方案可全程管理农作物的生长，替代人工，解放劳动力。
附图说明
图1是本发明所述基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统的整体架构示意图。
图2是本发明所述“电流-电压”四端法测量原理示意图。
图3是本发明所述土壤导电率监测系统结构框图。
图4是本发明所述土壤导电率监测系统工作流程图。
图5是本发明实施例所述恒流源及交流源电路原理图。
图6是本发明所述无线传感节点功能框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，进一步阐明本发明的优点及相对于现有技术的突出贡献，可以理解的，下述的实施例仅是对本发明较佳实施方案的详细说明，不应该解释为对本发明技术方案的任何限制。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
如图1所示，一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，包括：
设置在大棚中的无线传感节点、自动灌溉控制系统以及无线汇聚节点、无线网关节点、云服务器和监控终端，监控终端包括手机、平板电脑、PC等。
无线传感节点布设于每个大棚中，主要功能一是实时采集农作物的生长环境数据，逐级发送到各监控终端，二是接收监控终端的控制指令，控制各大棚的自动灌溉等设备运作，需要布设的节点数量根据大棚的面积大小决定。
每个无线传感节点的数据通过ZigBee组建的无线网络首先汇聚到担任无线汇聚节点的一个ZigBee无线收发模块，通过该无线汇聚节点连接到无线网关节点，由无线网关节点完成ZigBee网络到WIFI网络的对接，再通过WIFI连接到云服务器，由云服务器完成大数据的存储和分析，手机、平板电脑、PC等监控终端可通过Internet访问云服务器，实现对各大棚的监控和管理。
如图2-5所示，本实施例中，土壤导电率传感器（2）利用太阳能电池（9）提供能源，运用“电流-电压”四端法构成土壤导电率监测系统，该系统采用单片机（1）控制，利用ZigBee无线收发模块（6）实现土壤导电率传感器测量结果的无线传输，对土壤导电率实时远程监测，及时了解土壤的相关物理化学性质的变化。
本实施例中，土壤导电率监测系统包括两个电流端和两个电压端，电流端为两根不锈钢电流探针（32），其长度为15cm，间距20cm；电压端为两根不锈钢电压探针（33），其长度15cm，间距10cm，电流探针（32）、电压探针（33）上方设有绝缘胶木板（31）激励信号源（恒流源）经过两个电流端流入大地，由于土壤电导率的变化直接影响电压端输出电压，通过检测电压端的电势差，就可计算出土壤的电导率值。
土壤导电率监测系统由恒流源发生电路（21）产生恒流信号输送到电流探针（32），由电压探针（33）检测随土壤电导率变化的电压信号，电压信号采集电路（23）采集电压信号并调理后，通过AD转换器（24）对信号进行A/D转换处理，采用单片机（20）控制，利用 Zigbee无线收发模块（6）对检测到的土壤电导率进行数据传，系统采用太阳能间接供电，太阳能电池（9）与锂电池（11）通过充放电管理电路连接。
本实施例中，太阳能电池采（9）用宇辉 YHP－AB－5－320滴胶太阳能电池板，峰值功率1.6w、开路电压5.6V、工作电流320mA、工作电压5V、短路电流为384mA，锂电池（11）采用飞毛腿公司的650mAh手机电池，其标称电压为3.7V，充电限制电压为4.2V，充放电管理电路（10）实现锂电池（11）的充放电控制并提供电池的状态信息，并将锂电池（11）电压经稳压后为整个系统供电，Zigbee无线收发模块（6）采用 microchip公司的 MPF24G40MA，该模块采用芯片 MPF24J40构成，同时集成了无线传输所必需的外围器件和板载PCB（PrintedCircuit Board）天线，省去了复杂的天线匹配设计与射频电路的设计，提高了系统的可靠性，结合 microchip公司的 MiWi（TM）IEEE 802.15.4无线网络协议栈，可实现无线传感网络的组网及数据的传输，单片机（20）是整个系统的控制核心，实现恒流信号发生电路（21）的控制与输出电压的检测、电导率测量结果的计算、电池的监控与管理、无线传感网络协议栈的运行等，单片机（20）采用美国microchip公司新推出的低功耗单片机 PIC18F14K22，该单片机具有8K 字节闪存程序存储器，512字节数据存储器，内部集成阻容振荡器，A/D转换器（24）等，由于采用了纳瓦技术，该单片机具有非常低的功耗，在单片机处于休眠状态时，消耗电流为100nA．使用该单片机可以减少很多外围器件，在提高可靠性的同时，降低了成本与功耗。
“电流－电压”四端法土壤电导率测量误差主要取决于恒流源的精度，系统设计的交变恒流源电路由基准源、比较和输出三部分构成，采用运算放大器 LM324实现，交流源电路的基准源 Vsin是正弦信号如图5（ａ）所示，恒流源电路原理图如图5（ｂ）所示，输出端 Rsb接负载，采样电路 R7接在 U2A 的输出且与负载串联，其阻值决定输出电流大小，U2B与U2C构成跟随器，将基准、比较和输出三部分隔离，使基准电压和输出电流更加稳定，通过电路仿真和实验验证，电路最大输出电流为20ｍA，并且输出电流随负载变化的波动小于2.5％，该稳幅交变电流源输出阻抗高，输出电流稳定，负载适应性强，由于交变电流源具有自动调节的特点，该系统可以适应土壤电导率变化大的特点。
如图6所示，本实施例中，无线传感节点包括光照度传感器（5）、空气温湿度传感器（4）、土壤温度传感器（3）、土壤电导率传感器（2）、土壤水分传感器（8），无线传感节点相当于整个系统的神经末梢，负责农作物生长环境数据的采集及自动灌溉等环境系统的控制；
无线传感节点的供电采用太阳能电池（9），通过电压转换模块（91）给各个模块及传感器供电，系统的低功耗可保证无线传感节点的无限续航，系统一经布设完毕，后续就无需更换电池，大大节省了系统维护的人力投入。
自动灌溉控制系统包括单片机（1），单片机（1）采用TI公司的超低功耗单片机MP430F149，具有五种低功耗模式，2.2伏工作电压1MHz工作频率时电流为225uA，可实现超长续航，且具有丰富的外设接口，可满足与多种传感器的对接。
在农场大棚种植的应用中，并不是所有的参数都需要高精度，但是为保证一致性、可参考性，每个传感器都必须拥有很好的稳定性，根据上述特点，本系统对所有的传感器进行自行设计，以高稳定性、足够的精度、低成本化、易于系统集成为设计目标，重新设计较为昂贵的传感器，大幅降低每个传感节点的成本，使系统的布设成本降低到普通农场能够接受的范围，消除了土壤基质监测系统产业化的最大障碍。

Claims (6)

1.一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其特征在于：包括：
设置在大棚中的无线传感节点、自动灌溉控制系统以及无线汇聚节点、无线网关节点、云服务器和监控终端，监控终端包括手机、平板电脑和PC；
无线传感节点布设于每个大棚中，主要功能一是实时采集农作物的生长环境数据，逐级发送到各监控终端，二是接收监控终端的控制指令，控制各大棚的自动灌溉等设备运作，需要布设的节点数量根据大棚的面积大小决定；
每个无线传感节点的数据通过ZigBee组建的无线网络与无线汇聚节点连接，无线汇聚节点通过ZigBee组建的无线网络与无线网关节点连接，无线网关节点完成ZigBee网络到WIFI网络的对接，通过WIFI连接到云服务器，由云服务器完成大数据的存储和分析，手机、平板电脑、PC等监控终端可通过Internet访问云服务器。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其特征在于：所述土壤导电率传感器(2)利用太阳能电池(9)提供能源，运用“电流-电压”四端法构成土壤导电率监测系统，该系统采用单片机(1)控制，利用ZigBee无线收发模块(6)实现土壤导电率传感器测量结果的无线传输，对土壤导电率实时远程监测，及时了解土壤的相关物理化学性质的变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其特征在于：所述土壤导电率监测系统包括两个电流端和两个电压端，电流端为两根不锈钢电流探针(32)，其长度为15cm，间距20cm；电压端为两根不锈钢电压探针(33)，其长度15cm，间距10cm，电流探针(32)、电压探针(33)上方设有绝缘胶木板(31)激励恒流源经过两个电流端流入大地；
土壤导电率监测系统由恒流源发生电路(21)产生恒流信号输送到电流探针(32)，由电压探针(33)检测随土壤电导率变化的电压信号，电压信号采集电路(23)采集电压信号并调理后，通过AD转换器(24)对信号进行A/D转换处理，采用单片机(20)控制，利用Zigbee无线收发模块(6)对检测到的土壤电导率进行数据传，系统采用太阳能间接供电，太阳能电池(9)与锂电池(11)通过充放电管理电路连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其特征在于：太阳能电池采(9)用宇辉YHP－AB－5－320滴胶太阳能电池板，峰值功率1.6w、开路电压5.6V、工作电流320mA、工作电压5V、短路电流为384mA，锂电池(11)采用飞毛腿公司的650mAh手机电池，其标称电压为3.7V，充电限制电压为4.2V，充放电管理电路(10)实现锂电池(11)的充放电控制并提供电池的状态信息，并将锂电池(11)电压经稳压后为整个系统供电，Zigbee无线收发模块(6)采用microchip公司的MPF24G40MA，该模块采用芯片MPF24J40构成，同时集成了无线传输所必需的外围器件和板载PCB(Printed Circuit Board)天线，结合microchip公司的MiWi(TM)IEEE 802.15.4无线网络协议栈，可实现无线传感网络的组网及数据的传输，单片机(20)采用美国microchip公司新推出的低功耗单片机PIC18F14K22，该单片机具有8K字节闪存程序存储器，512字节数据存储器，内部集成阻容振荡器，A/D转换器(24)。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其特征在于：所述无线传感节点包括光照度传感器(5)、空气温湿度传感器(4)、土壤温度传感器(3)、土壤电导率传感器(2)、土壤水分传感器(8)；
无线传感节点的供电采用太阳能电池(9)，通过电压转换模块(91)给各个模块及传感器供电。
6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的土壤基质数据采集与自动监测系统，其特征在于：所述自动灌溉控制系统包括单片机(1)，单片机(1)采用TI公司的超低功耗单片机MP430F149，具有五种低功耗模式，2.2伏工作电压1MHz工作频率时电流为225uA。
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