CN208579795U - 多节点农作物监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多节点农作物监测系统，包括远程服务器和若干个监测子节点，监测子节点通过通信网络分别与远程服务器相连，所述监测子节点由微处理器和与微处理器相连的摄像头、温度湿度传感器、气压传感器、定位系统、光强传感器、紫外线传感器、存储模块、供电系统组成，供电系统为上述模块提供电源。本实用新型除了能提供农作物生长状况、空气温湿度、气压、位置信息外，还能对紫外以及光照强度进行实时监测，并将这些数据及时保存起来以便于后期的进一步分析处理。

Description

多节点农作物监测系统

技术领域

本发明涉及一种多节点农作物监测系统，特别是一种基于4G通信网络的多节点农作物监测系统。

背景技术

农作物长势信息的监测主要是对农作物各个阶段长势形态特征的参数化跟踪记录，并且结合环境监测系统中的光照、温湿度、气压和紫外条件等环境参数建立农作物生长信息数据库，着重分析长势信息与外部环境条件之间的关系，从而模拟出农作物最佳生长条件下的预期生长状态，为农作物种植提供数据支撑。

对农作物长势信息的监测较为传统的方式就是人工观测，这种方式适用性广，技术要求低，但是观测结果达不到数据化的标准，观测效率低，人工成本高，观测周期长。李军玲等人提出利用遥感技术监测夏农作物长势，即利用低空无人机和农业卫星遥感技术对大面积农作物区域进行监测，这种方式监测范围过大，投入成本过高，不适合小型农场的实时监测，不利于大面积推广。

近年来，出现了一些新型农作物远程监测系统，例如中国实用新型申请公开说明书CN204129508U就公开了这样一种监测系统，这种监测系统由温湿度传感器、压力传感器、通信网络和微处理器组成，通过传感器采集现场的温度、土地湿度等数据，并通过图像采集器采集现场图像，处理器接收到温度、土地湿度等数据和现场图像后，通过通信收发器传输至远程监测装置，使用户可以通过远程监测装置实时监测现场状态。但由于该系统没有光强传感器和紫外线传感器，难以获取对农作物非常重要的紫外和光照强度信息，同时该装置也没有存储装置，采集到的数据容易丢失，难以做进一步的分析。

发明内容

发明目的：本实用新型要解决的技术问题是设计一种农作物监测系统，除了提供农作物生长状况、空气温湿度、气压、位置信息外，还能对紫外以及光照强度进行实时监测，并将这些数据及时保存起来以便于后期的进一步分析处理。

技术方案：本实用新型所述的多节点农作物监测系统，包括若干个监测子节点和远程服务器，监测子节点通过通信网络分别与远程服务器相连，所述监测子节点由微处理器和与其相连接的摄像头、温度湿度传感器、气压传感器、定位系统、通信模块和供电系统组成，此外它还包括与所述微处理器相连的光强传感器、紫外线传感器和存储模块。

为了提高监测系统性能，做出如下配置。微处理器采用了STM32F407ZGT6芯片，它具有低成本高性能的特点，并且具有与摄像头通讯专用的DCMI接口。摄像头采用CMOS数字摄像头OV2640，其与所述微处理器的DCMI口相连接，具有体积小、工作电压低等

特点。温度湿度传感器采用复合数字式温湿度传感器DHT11，具有体积小，功耗低，使用简单快捷等特点。气压传感器采用绝对气压传感器BMP280芯片，具有小尺寸，低功耗，高分辨率等特点。光强传感器采用环境光传感器B_LUX_V30，具有低功耗、宽检测范围的特点。紫外线传感器采用ML8511芯片，其输出电压信号通过所述微处理器内部的12位ADC进行采集，并最终换算成对应的紫外强度值。

为了方便实用，定位系统采用了北斗D303差分双模导航定位模块，其具有低成本、低功耗、高灵敏度等特点。

为了提高信息传输能力和方便快捷地进行远距离通信，通信模块采用了4G网络通信模块芯片USR-LTE-7S4，该芯片的优点是通过简单的AT指令设置，即可轻松使芯片实现串口到网络的双向数据传输。

为了保证系统的稳定可靠运行，电源采用三个18650可充电锂电池串联，额定电压为3.7V，每个电池容量为2900毫安，通过ams1117-3.3v给微处理器、温湿度传感器、光强传感器、气压传感器、紫外线传感器、存储模块等供电，通过lm2596-5.0调节+5V给北斗定位模块供电，分压+2.8V给摄像头供电，分压+8V给4G通信模块供电。为了方便野外工作，本系统供电系统利用太阳能给电池充电。

有益效果：本系统能够实时监测收集农作物生长状况、空气温湿度、气压、紫外线以及光照强度等数据，并将监测结果通过4G通信模块传输到远程服务器显示出来，此外本系统还可以将收集的数据及时保存起来以便为后期的农业生产自动化管理提供详细的基础数据，其具有成本低、适用性广、实用价值高等优点。

附图说明

图1是本实用新型多节点农作物监测系统的单个监测子节点系统结构框图；

图2是图1所示监测子节点的系统框图；

图3是摄像头模块硬件连接原理图；

图4是温度湿度传感器硬件连接原理图；

图5是气压传感器硬件连接原理图；

图6是紫外线传感器硬件连接原理图；

图7是光强传感器硬件连接原理图；

图8是北斗定位模块硬件连接原理图；

图9是SD卡存储模块硬件连接原理图；

图10是4G网络通信模块硬件连接原理图；

图11是太阳能充放电硬件电路；

图12是供电系统框图。

具体实施方式

如图1，本实用新型由一个远程服务器1和多个监测子节点2组成，每个监测子节点对各自所在地附近农作物情况进行监测，并将采集到的长势信息统一通过4G网络发送到远程服务器1上面。

如图2，监测子节点2通过摄像头22对农作物图像信息进行采集，同时通过温湿度传感器模块23、气压传感器24、紫外线传感器25、光强传感器26对农作物地环境参数进行采集，如果采集到的是数字信号则直接送入微处理器21采用的STM32F407ZGT6芯片RAM区域中进行缓存，如采集到的信号是模拟信号，则通过该芯片内部的12位ADC对其进行采样，转化为相应的数字信号送入RAM区域中进行缓存；微处理器21接收北斗定位系统27解析获取的当前位置信息，连同缓存的农作物图像信息、温湿度信息、气压信息和光强信息一起通过4G无线网络模块29传输到远程服务器1上，同时将所有数据保存到SD卡存储模块28上进行备份，以防服务器数据丢失；远程服务器1解析数据，还原成图像、环境信息和位置信息，显示在服务器PC机上以实现远程监测，同时将数据信息保存到本地，以便为后期的农业生产自动化管理提供详细的基础数据。监测子节点2供电系统30利用太阳能给电池充电，然后分压给各个模块供电。这种基于物联网模式的农业信息监测系统，具有成本低、适用性广、实用价值高等优点，具有很高的市场价值。

如图3，摄像头22采用OV2640，OV2640的DOVDD管脚接+2.8V，DVDD管脚接+1.3V，EGND、DOGND、DGND管脚接数字地，AGND管脚接模拟地。数据引脚D0到D7可以输出采集图像的数据，分别连接在STM32的PE6、PE5、PB6、PC11、PC9、PC8、PC7和PC6端口，通过SCCB总线控制，输出影像数据。摄像头控制引脚OV_SDA和OV_SCL分别为SCCB接口的通信数据信号端和通信时钟信号端，分别与微处理器STM32的PD7和PD6相连；OV_VSYNC为摄像头的帧同步信号，每当一帧图像采集完成，此引脚电平便会由低电平变换为高电平，从而触发中断通知微处理器将所采集的一帧图像读走，OV_VSYNC引脚与STM32的PB7引脚相连，作为外部中断源。

如图4，温湿度传感器23采用DTH11，这是一款复合型数字式温湿度传感器模块，采用+3.3V电源供电，其VCC管脚接+3.3V，GND管脚接地，DOUT为数字输出管脚，STM32可按照一定的时序从这个管脚将相应的温湿度数据读出。

如图5，气压传感器24采用绝对气压传感器BMP280芯片，该传感器采用+3.3V供电，其VDD和VIO管脚接+3.3V，GND管脚接地。STM32采用IO口模拟I2C时序，气压传感器通过I2C通信接入STM32，其SCK、SDI分别接STM32的IO口PB8，PB9。CSB是片选端，高电平使能，接VCC，SDO是地址控制线，接GND。

如图6，紫外线传感器25采用ML8511。该传感器采用+3.3V供电，其VDD管脚接+3.3V，GND管脚接地，OUT为模拟输出管脚，与STM32的PA0引脚相连，由该引脚将输出的电压信号送入STM32内部的ADC进行采样，从而转化为相应的紫外强度值。

如图7，光强传感器26采用B_LUX_V30光强传感器，该传感器采用+3.3V供电，其VCC管脚接+3.3V，GND管脚接地，EN为使能端，悬空，高电平有效。SCL、SDA管脚与STM32的PG8和PG11管脚相连接，可通过I2C协议与微处理器通信。

如图8，北斗定位模块27采用D303差分双模导航定位模块。该传感器采用+3.3V供电，其VCC管脚接+3.3V，VBCKP管脚接+3.3V，GND管脚接地。其通过串口通信接口与外部设备进行通信，RXD1管脚为串行通信的接收引脚，用来接收STM32发送给D303的指令，TXD1管脚为串行通信的发送管脚，用来将当前的经纬度等位置信息发送出去，1PPS为时钟脉冲输出引脚；北斗定位模块的RXD1和TXD1引脚分别与STM32的PB10和PB11引脚相连。

如图9，SD卡存储模块28主要用来存储备份所采集到的图像、环境数据以及位置信息。SD卡采用+3.3V供电，其VDD管脚接+3.3V，VSS管脚接地。SD卡采用SDIO协议与STM32进行通信，SDIO_SCK为SDIO的时钟管脚，其与STM32的PC12管脚相连；SDIO_CMD为命令传输管脚，微处理器可通过该管脚向SD卡发送相应的命令进行配置，其与STM32的PD2管脚相连；SDIO_D0～SDIO_D3为数据传输端口，它们分别与STM32的PC8、PC9、PC10和PC11管脚相连。

如图10，4G网络通信模块29采用USR-LTE-7S4芯片，模块采用+8V供电，其VIN管脚接+8V，GND管脚接地。其通过串口通信接口与微处理器进行通信，UART1_RXD为串行通信的接收引脚，用来接收来自STM32的指令和数据，UART1_TXD为串行通信的发送引脚，用来将缓存区域的数据发送给STM32进行处理。UART1_RXD和UART1_TXD分别与STM32的PA2和PA3管脚相连。

如图11和图12，供电系统30采用太阳能给整个系统供电。首先利用太阳能电池板将太阳能转化为电能存储在储能电池中，管脚Vbat为给储能电池充电端口；然后将储能电池中的电能分压给各个模块供电，储能电源采用三个18650可充电锂电池串联而成，额定电压为3.7V，每个电池容量为2900毫安。然后通过ams1117-3.3v调节+3.3V给微处理器STM32、温湿度、光强、气压、紫外、SD卡等模块供电；通过lm2596-5.0调节+5V给北斗定位模块供电；并且分压+2.8V给摄像头模块供电，分压+8V给4G通信模块供电。

Claims (6)

1.一种多节点农作物监测系统，包括若干个监测子节点(2)和远程服务器(1)，监测子节点(2)通过通信网络分别与远程服务器(1)相连，所述监测子节点(2)由微处理器(21)和与其相连接的摄像头(22)、温度湿度传感器(23)、气压传感器(24)、定位系统(27)、通信模块(29)和供电系统(30)组成，其特征在于：该监测子节点(2)还包括与所述微处理器(21)相连的光强传感器(25)、紫外线传感器(26)和存储模块(28)。

2.根据权利要求1所述的多节点农作物监测系统，其特征在于：所述微处理器(21)采用了STM32F407ZGT6芯片，所述摄像头(22)采用CMOS数字摄像头OV2640，其与所述微处理器(21)的DCMI口相连接，所述温度湿度传感器(23)采用复合数字式温湿度传感器DHT11，所述气压传感器(24)采用绝对气压传感器BMP280芯片，所述光强传感器(25)采用环境光传感器B_LUX_V30，所述紫外线传感器(26)采用ML8511芯片。

3.根据权利要求1所述的多节点农作物监测系统，其特征在于：所述定位系统(27)采用D303差分双模导航定位的北斗定位模块。

4.根据权利要求1至3任一项所述的多节点农作物监测系统，其特征在于：所述通信模块(29)采用4G网络通信模块芯片USR-LTE-7S4。

5.根据权利要求1至3任一项所述的多节点农作物监测系统，其特征在于：所述供电系统(30)的电源为可充放电的电池(301)。

6.根据权利要求5所述的多节点农作物监测系统，其特征在于：所述供电系统(30)采用太阳能电池板(303)、太阳能充放电电路(302)为可充放电电池(301)充电。