CN110488900A - 基于wsn的智能精准农业综合控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出基于WSN的智能精准农业综合控制系统，包括云服务器、协调器、节点监控系统、智能反馈系统和智能小车；节点监控系统和智能反馈系统均通过Zigbee通信网与协调器通信连接，协调器与云服务器之间通过GPRS通信网通信连接，协调器与智能小车通信连接；通过节点监控系统将检测信息通过协调器发送给云服务器，云服务器根据检测信息通过协调器控制智能小车行使到检测信息异常的地区，智能小车再次采集复核信息，云服务器根据复核信息通过协调器控制智能反馈系统进行反馈。本方案将Zigbee网络与GPRS结合，形成完整的智能农业信息管理系统，提高农业管理的自动化程度，实现高智能高效率低成本的精准农业智能化管理控制系统。
Description
技术领域
本发明属于农用监管领域，具体设计基于WSN的智能精准农业综合控制系统。
背景技术
随着无线通信技术、传感技术的快速发展,物联网技术在农业以及各行业得到广泛应用,形成了农业物联网(Agricultural Internet of Things,AIoT)。农业物联网，即通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中的物联网。可以为设施农业精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。在设施农业控制系统中，运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线传感器网络(Wireless SensorNetwork,WSN)来测量获得作物生长的最佳条件。将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。
现有的物联网农业自动化监控系统，操作复杂，价格昂贵，在农业上很难实现大面积的普及和信息流动的覆盖。对此申请人提出基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其以无线传感器网络技术(WSN)为主，以GPRS通信技术与现代人工智能(ArtificialIntelligence,AI)控制技术为辅，构成农田中的信息交流网络，解决大面积范围通信质量差的问题。在应用时能够提高农业生产效率和生产质量，有利于传统农业逐渐转向为设施农业。
发明内容
本发明的基于WSN的智能精准农业综合控制系统，将Zigbee网络与GPRS结合成完整的智能农业信息管理系统，提高农业管理的自动化程度，实现高智能高效率低成本的精准农业智能化管理控制系统。
本发明的基础方案为：基于WSN的智能精准农业综合控制系统，包括云服务器、协调器、节点监控系统、智能反馈系统和智能小车；节点监控系统和智能反馈系统均通过Zigbee通信网与协调器通信连接，协调器与云服务器之间通过GPRS通信网通信连接，协调器与智能小车通信连接；
所述节点监控系统包括安装在限定区域内的节点控制器和多种传感器；
所述智能小车用于根据协调器的指令按照规定路线到达对应节点监控系统所覆盖区域进行复核检测；
所述智能反馈系统用于根据协调器的指令进行对应的反馈行为；
所述云服务器去包括路线存储模块、通信模块、数据存储模块、数据处理模块和小车路线选择模块；路线存储模块用于存储小车行进路线信息；通信模块用于与协调器和外界通信设备通信连接；数据存储模块用于存储标准数据、节点监控系统所测数据和智能小车所测数据；数据处理模块用于判断节点监控系统所测数据和智能小车所测数据是否正常；小车路线选择模块用于根据数据处理模块所得出的数据处理结果，从路线存储模块中选出小车行进路线。
基础方案的原理为：将农业种植区域分割为多个分区，每个分区设置节点，每个节点对应节点控制系统和智能反馈系统。节点控制系统中的多个传感器均安装在该分区中，用于检测分区的各种信息，而后将这些检测信息通过Zigbee通信网络发送给协调器，协调器接收检测信息后通过GPRS网络发送给云服务器的通信模块，再将检测信息发送给数据存储模块进行存储。接着，由云服务器的数据存储模块判断对应每个分区的检测信息是否在正常范围内，而这个检测结果信息，用户是可以通过与通信模块相连接的通信设备查看到的。并且，当检测结果信息为异常时，小车路线选择模块会结合异常节点所处的位置，选择对应的小车，规划出该小车适宜的行车路线，并将小车行进路线信息通过通信模块发送给协调器，再由协调器转发给智能小车，智能小车根据协调器发送的信息到达指定位置(即异常检测结果对应的节点位置)，在指定位置进行二次采集，而后再通过协调器发送给云服务器进行再次检测判断。当再次检测结果信息还是异常时，云服务器通过协调器启动智能反馈系统，针对该检测异常的情况执行后续的反馈动作。
基础方案的有益效果为：1，Zigbee基于IEEE.802.15.4标准的低功耗局域网协议，Zigbee协议栈是建立在IEEE.802.15.4的PHY层和MAC子层规范之上，无线通信频段设置为2.4GHz。与其它无线网络相比，它具有低功耗、低成本、自组织、稳定性强等特点。
使用Zigbee和GPRS技术结合构成通信网络，在监测有效覆盖范围方面，Zigbee无线通信网络由众多节点构成，这些节点能够组成一个大范围的网络，实现对整个农田进行覆盖，一旦局域环境遇到问题可以实现自动识别，并给出准确定位；在监控时间方面，该系统可以对监控区域实现24小时实时监控，即使遇突发情况断电，Zigbee网络监测方面自动启用备用电源，由于超低功耗的特性，通过电池可供Zigbee网络连续高频使用至少半年以上；在节点部署和通信方面，利用现有的Zigbee网络再结合GPRS组成一套完整的智能农业信息管理系统，可由外界通信设备(如近距离控制中心、远程上位机、装有APP的手机端)监看，具有部署灵活、架构方便、通信多样化和不受地域限制等特点。
2，本方案中，通过智能小车对异常节点进行二次数据采集，并通过云服务器二次复核，确保整体数据的准确性；当初次检测异常，而二次复核正常时，工作人员需要前往目标区域(异常检测结果所对应的节点所属区域)对节点监控系统中的传感器进行检查，及时修理/更换传感器；当两次均检测异常时，通知智能反馈系统进行反馈行为，解决农业区所检查出来的问题。因此本方案自动化程度较高，为实现高智能高效率低成本的精准农业智能化管理控制系统提供一种可行的应用研究方案，有效提高农业生产的效益，促进农业管理的信息化与规范化，对现代化农业有着重要参考价值。
进一步，所述节点监控系统中的多种传感器包括温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器。
本方案中，温度传感器和湿度传感器均采用DHT11温湿度传感器，对所在区域的温度和湿度进行监控；PH值传感器采用DHC1080或者YDBS-3001-2-PH插针式土壤PH传感器；光照度传感器采用BH17传感器模块；CO2传感器采用CCS811二氧化碳传感器；节点监控系统中的节点控制器采用CC2530芯片。多种传感器共同对所在区域的生态环境进行监控，并且这些传感器会通过Zigbee实时传输信息给协调器。
进一步，节点监控系统还包括红外线传感器模块。
本方案中，红外线传感器模块采用HC-SR501红外感应电子模块，在使用时将监控红外线的频率感应范围调成常见虫体的红外线范围，因此，用红外线传感器模块能够实现对于所在区域虫子是否存在的检测。
进一步，智能反馈系统包括自动浇水装置、超声波驱虫装置、告警装置和光照调节装置。
本方案中，智能反馈系统根据协调器转达的云服务信息，在湿度不足的情况下，启动自动浇水装置；在红外线传感器感应到附近的虫体时，启动超声波取虫装置；在光照度传感器感应到光照不足时，将光照调节装置的光照功率调大；在节点监控系统感应到所检测的数据异常时，启动告警装置等等。
进一步，所述智能小车包括有小车控制器、温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器、红外线摄像头、小车定位器和小车轨迹移动系统。
小车轨迹移动系统用于根据协调器的指示，按照预定轨迹启动小车到达终点目的地，所述定位器用于记录小车当前所在的GPS位置，小车控制器用于在小车到达终点目的地后给温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器所在电路进行供电，进行复核检测。
进一步，小车选择模块根据所测数据异常的节点监控系统对应位置，选择最近的智能小车，筛选智能小车到该位置距离最短的小车行进路线信息。
小车选择模块根据数据处理结果信息和小车定位器，按照距离最近原则，选择出距离对应异常节点监控系统位置最近的智能小车，而后从路线存储模块中调出从智能小车位置到异常节点监控系统位置中距离最短的小车行进路线信息，再将该小车行进路线信息通过通信模块发送给协调器，通过协调器控制小车按照既定的小车行进路线信息进行行走。
进一步，所述路线存储模块还用于存储红外线摄像头所采集的图像信息。
本方案中，用户可以通过自身的外界通信设备通过通信模块访问数据存储模块，从而及时查看到小车中红外线摄像头所采集的图像信息。
附图说明
图1为本发明基于WSN的智能精准农业综合控制系统实施例的模块示意图；
图2为图1中A区的模块示意图；
图3为图1中智能小车的模块示意图；
图4为图1中云服务器的模块示意图
图5为本发明基于WSN的智能精准农业综合控制系统实施例中农田划分示意图；
图6为本发明基于WSN的智能精准农业综合控制系统实施例中Zigbee网络工作流程图；
图7为本发明基于WSN的智能精准农业综合控制系统实施例中协调器入网流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例基本如附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6和附图7所示：
基于WSN的智能精准农业综合控制系统，包括云服务器、协调器、节点监控系统、智能反馈系统和智能小车；节点监控系统和智能反馈系统均通过Zigbee通信网与协调器通信连接，协调器与云服务器之间通过GPRS通信网通信连接，协调器与智能小车通信连接；
所述节点监控系统包括安装在限定区域内的节点控制器和多种传感器；节点监控系统中的多种传感器包括温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器和红外线传感器模块。
所述智能小车用于根据协调器的指令按照规定路线到达对应节点监控系统所覆盖区域进行复核检测；智能小车包括有小车控制器、温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器、红外线摄像头、小车定位器和小车轨迹移动系统。
所述智能反馈系统用于根据协调器的指令进行对应的反馈行为；智能反馈系统包括自动浇水装置、超声波驱虫装置、告警装置和光照调节装置，告警装置为蜂鸣器。
所述云服务器包括用于存储小车行进路线信息的路线存储模块，用于与协调器和外界通信设备通信连接的通信模块，用于存储标准数据、节点监控系统所测数据和智能小车所测数据的数据存储模块，用于判断节点监控数据和智能小车所测数据是否正常的数据处理模块，用于根据数据处理模块所得出的数据处理结果信息从路线存储模块中选择适宜小车行进路线信息的小车路线选择模块；其中，所述小车选择模块按照最近选择选择对应异常节点监控系统位置最近的智能小车，根据路程最短原则选出适宜的小车行进路线信息。
因此，本方案在工作时，需要进行以下步骤：
S1，节点监控系统和智能反馈系统的安装
如图5所示，将农田划分为9个大小相同的分区，分别为A区、B区、C区、D区、E区、F区、G区、H区和I区。每个分区设定一个节点控制系统、一个智能反馈系统和四个监控终端。A区设有四个监控终端，这四个监控终端分别为A1、A2、A3和A4，A1监控终端节点搭载温度传感器、湿度传感器、光照传感器、蜂鸣器、继电器和光照灯；A2监控终端搭载土壤湿度传感器、土壤PH值传感器、继电器和水泵；A3监控终端搭载土壤硝酸根离子类传感器、叶面湿度传感器、土壤金属类传感器；A4监控终端搭载烟雾传感器和卷帘电机。其中，温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器、土壤PH值传感器、土壤硝酸根离子类传感器、叶面湿度传感器、土壤金属类传感器和烟雾传感器均属于A区节点控制系统；智能反馈系统包括A1监控终端的蜂鸣器、继电器和光照灯，A2监控终端的继电器和水泵，A4监控终端的卷帘电机。
具体地，温度传感器和湿度传感器均采用DHT11温湿度传感器，对所在区域的温度和湿度进行监控；DHT11温湿度传感器是温湿度集于一身的复合型传感器，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，传感器内部有一个电阻式感应湿度元件和测量温度元件组成，恶劣环境下具有极高的可靠性和长期的稳定性；DHT11传感器具有响应快，抗干扰能力强，功耗低体积小等特点。DHT11传感器工作电压为在3.3-5.5V，一般为4针单排引脚封装，连接简单。PH值传感器型号为HAD-TPH，采用了国际固体电解质和大面积四氟乙烯结界，不易堵塞免于维护，HAD-TPH的测量范围为0-14pH，准确度为±0.1pH，分辨率为0.01pH，采用12V-DC供电，可使信号输出长度达20米以上无干扰，具有低成本、高性能、体积小功耗低集成度高等特点，支持二次开发，广泛用于农业灌溉、土壤速测、科学试验等。土壤湿度传感器型号为Moisture Sensor，工作电压为2.0-5.0V，采用叉形设计，方便插入土壤，检测深度为38mm,输出电压随着土壤湿度升高而增大。烟雾传感器型号为MQ-2,具有电源指示和TTL信号输出指示，具有DO开关信号(TTL)输出和AO模拟信号输出，本系统设计采用的是DO开关信号输出模式，TTL输出有效信号为低电平，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，响应恢复特性快，输入电源5V-DC,功耗为150mA。光照度传感器采用BH17传感器模块。CO2传感器采用CCS811二氧化碳传感器。多种传感器共同对所在区域的生态环境进行监控，并且这些传感器会通过Zigbee实时传输信息给协调器。
节点监控系统中的节点控制器采用CC2530芯片。这里CC2530芯片具有高达256KB的闪存、20KB的擦除周期和8KB的RAM，支持无限更新和大型应用程序，适用于复杂的Zigbee应用；在掉电模式下，CC2530芯片以睡眠定时器状态运行时，电流损耗不到1uA，还具有强大的地址识别和数据包处理等。本方案中，CC2530芯片选用CC2530F256版本，内置集成业界领先的2.4GHz的RF收发器，并与增强型的8051MCU相结合。具有可编程的256字节闪存、8KBRAM和两个UART接口和可复用的SPI接口、8通道可配置分辨率12的ADC和21个GPIO等其他强大功能组成。CC2530内有两个串行通信接口USART1和USART2,能够分别运用于异步USART模式或者同步SPI模式，两个USART具有相同功能并可以设置独立的I/O引脚。
协调器节点上的串口通信电路采用CH340G芯片实现USB转串口电路，CH340G可以提供串口全双工异步通信与USB接口相连接的解决方案。
S2，构建Zigbee网络
以IAR Embedded Workbench V8.13作为开发平台，基于TI公司的ZStack-2.5.1a协议栈进行设计。Zigbee组网过程如图6所示，系统上电工作时，先设置PC机、协调器和终端节点的连接串口号，比特率设置为115200Hz；然后协调器进行组建Zigbee网络，等待终端节点申请加入组网；组网成功后终端进行采集数据，并将采集的数据发送给协调器。
如图1所示，协调器在Zigbee网络中拥有最高的权限，终端节点可以有多个，但协调器在整个网络中只有一个。协调器主要作用是维护整个网络保持整个设备的通信，对整个系统实施管理和监控，还可以对整个网络进行安全加密。当有终端节点申请加入组网时，协调器会给终端节点配置16位短地址且允许加入网络，具体过程如图7所示。
终端节点包括智能反馈系统和节点监控系统，终端节点没有使用的情况下都处于睡眠模式，需要用到时终端节点被唤醒，所以只需用一节电池供电即可，并且存储空间(RAM)较小。终端节点的入网过程如下：终端节点开始初始化，并向协调器节点发送一个加入网络的申请，终端节点介绍协调器16位网路短地址，并采集数据发送给协调器。
S3，协调器中Zigbee与WIFI网关的配置
Zigbee与WIFI网关采用双模无线网关设计；Zigbee转WIFI网关的主控芯片采用RT5350，RT5350内部集成了基带处理器、射频放大器、高性能的CPU内核、拥有一个五端口百兆以太网交换机。RT5350没有很多的外围电路，就可以实现无线传输，并提供更大的覆盖范围和更高的无线吞吐量。在Zigbee自定义通信协议帧基础上设计Linux和CC2530串口传输协议，设计总体分为通信模型建立、协议解析和转换、验证三个部分。
S4，智能小车的配置
智能小车采用STM32为主控芯片，通过PC和手机端控制智能小车在设施农田中自动寻轨、测距、避障和采集信息等。智能小车电机驱动模块采用BTN7960芯片构成集成双H桥驱动电路；循迹检测利用红外传感器进行对设施农田铺好的黑色轨迹的反射系数不同扫描I/O口，检测到I/O有信号输出判断处理，完成小车自动循迹功能；本次无线传输通信同样采用2.4GHz的Zigbee技术通信；舵机速度采用PWM脉宽调制技术，控制舵机的转向和速度。智能小车舵机舵机的转角和速度是通过PID增量式控制算法进行调整，增量式PID控制算法的内容如下：
PID控制器基本微分方程为：
由(a)得到控制器第k-1个采样时刻输出值：
把(a)与(b)两式相减整理得到增量式PID控制算法公式：
从(c)中可以得到：
注：Uk--控制器输出值；
ek--控制器输入与设定值之间的误差；
Kp——比例系数；
Ti——积分时间常数；
Td——微分时间常数
T——调节周期。
S5，节点监控系统对所在区域进行检测
A区域内的节点控制系统中的多个传感器用于检测A区的各种信息，得到检测信息。
S6，节点监控系统将检测信息发送给协调器
节点监控系统将检测信息通过Zigbee无线组网传输到协调器。
S7，协调器将检测信息发送给云服务器
协调器接收检测信息后通过GPRS网络发送给云服务器的通信模块，再将检测信息发送给数据存储模块进行存储。
S8，云服务器对检测信息进行数据处理，并通过协调器将小车行进路线信息和目的地信息发送给智能小车
由云服务器的数据存储模块根据检测信息与数据存储模块内存的标准信息进行对比，判断A分区的检测信息是否在正常范围内，得到数据处理结果信息。数据处理结果信息包括“正常”和“不正常”两种。本方案中，数据处理结果信息，用户是可以通过与通信模块相连接的通信设备查看到的。
当数据处理结果信息为“不正常”时，小车路线选择模块将该数据处理结果信息所对应的A区作为目的地信息，距离目的地信息最近的小车定位器所检测到的位置信息作为初始信息，从路线存储模块中选出距离最短的小车行进路线信息，并将该小车行进路线信息和目的地信息通过通信模块发送给协调器；再由协调器将该小车行进路线和目的地信息发送给智能小车。
S9,智能小车前往目的地信息对数据再次进行测量，将复核信息通过协调器发送给云服务器
智能小车接收到小车行进路线信息和目的地信息后，由小车轨迹移动信息，根据小车行进路线信息，带动智能小车行使到目的地。在小车定位器检测到小车所处位置与目的地信息重合时，小车控制器控制智能小车上温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器所在电路导通。到达A区的智能小车对周围环境再次进行复核检测，并采集到复核信息，并将复核信息发送给协调器，协调器将复核信息通过GPRS网络发送给云服务器。
S10，云服务器对检测信息进行数据处理，并通过协调器将控制智能反馈系统
云服务器的数据存储模块根据复核信息与数据存储模块内存的标准信息进行对比，判断A分区的检测信息是否在正常范围内，得到复核处理结果信息。复核处理结果信息包括“正常”和“不正常”两种。本方案中，复核处理结果信息，用户是可以通过与通信模块相连接的通信设备查看到的。
当复核处理结果信息为“不正常”时，通信模块复核处理结果信息对应的A区和判定不正常的复核处理结果信息发送给协调器。协调器启动A区的智能反馈系统，智能反馈系统根据判定不正常的复核处理结果信息，控制执行后续的反馈动作。如，智能反馈系统根据协调器转达的云服务信息，当空气温湿度超过预设值，蜂鸣器自动报警，主控芯片给继电器发送控制信号，打开排风扇；当土壤湿度过低时，主控芯片也给发送控制信号，打开水泵，实现灌溉；在红外线传感器感应到附近的虫体时，启动超声波取虫装置；在光照度传感器感应到光照不足时，将光照调节装置的光照功率调大或者控制卷帘电机打开；在节点监控系统感应到所检测的数据异常时，启动蜂鸣器。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其特征在于：包括云服务器、协调器、节点监控系统、智能反馈系统和智能小车；节点监控系统和智能反馈系统均通过Zigbee通信网与协调器通信连接，协调器与云服务器之间通过GPRS通信网通信连接，协调器与智能小车通信连接；
所述节点监控系统包括安装在限定区域内的节点控制器和多种传感器；
所述智能小车用于根据协调器的指令按照规定路线到达对应节点监控系统所覆盖区域进行复核检测；
所述智能反馈系统用于根据协调器的指令进行对应的反馈行为；
所述云服务器去包括路线存储模块、通信模块、数据存储模块、数据处理模块和小车路线选择模块；路线存储模块用于存储小车行进路线信息；通信模块用于与协调器和外界通信设备通信连接；数据存储模块用于存储标准数据、节点监控系统所测数据和智能小车所测数据；数据处理模块用于判断节点监控系统所测数据和智能小车所测数据是否正常；小车路线选择模块用于根据数据处理模块所得出的数据处理结果，从路线存储模块中选出小车行进路线。
2.根据权利要求1所述的基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其特征在于：节点监控系统中的多种传感器包括温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器。
3.根据权利要求2所述的基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其特征在于：节点监控系统还包括红外线传感器模块。
4.根据权利要求1所述的基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其特征在于：智能反馈系统包括自动浇水装置、超声波驱虫装置、告警装置和光照调节装置。
5.根据权利要求4所述的基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其特征在于：智能小车包括有小车控制器、温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器、红外线摄像头、小车定位器和小车轨迹移动系统。
6.根据权利要求5所述的基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其特征在于：小车选择模块根据所测数据异常的节点监控系统对应位置，选择最近的智能小车，筛选智能小车到该位置距离最短的小车行进路线信息。
7.根据权利要求1所述的基于WSN的智能精准农业综合控制系统，其特征在于：所述路线存储模块还用于存储红外线摄像头所采集的图像信息。
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