CN212569468U - 一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于农业监控技术领域，具体涉及一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，本智能农业大棚监控系统包括：若干环境数据采集终端、监控平台和服务器；其中各环境数据采集终端适于获取大棚内相应区域处的环境指标数据并发送至监控平台；以及所述监控平台将大棚内各区域处的环境指标数据上传至服务器；本实用新型通过各环境数据采集终端对大棚内相应区域处的环境指标数据进行采集，通过监控平台实现自组网传输数据并上传至服务器，实现智能农业大棚的实时、远距离监控，提高了工作效率，弥补了传统农业大棚监控系统的不足，为大棚温室内的农作物提供良好的生长环境。
Description
技术领域
本实用新型属于农业监控技术领域，具体涉及一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统。
背景技术
我国国内大部分的农业大棚监控系统采用人工或预先布线的有线传输方式，采用人工测量方式时不能保障获取到的数据的实时性、有效性，而且效率比较低，非常浪费人力和物力。
采用有线传输方式时需要预先布线，布线过程比较繁琐、成本高，受很多环境因素的影响，比如地理位置和物理线路等，具有明显的局限性。国内的温室大棚数量越来越多，而现有的温室监控系统自动化程度还不够高，难以实时地获取大棚农产品的环境指标数据从而调节农作物生长的环境，无法满足农业自动化生产的需求，保证农作物更加高效地生长。
因此，亟需开发一种新的基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，其包括：若干环境数据采集终端、监控平台和服务器；其中各环境数据采集终端适于获取大棚内相应区域处的环境指标数据并发送至监控平台；以及所述监控平台将大棚内各区域处的环境指标数据上传至服务器。
进一步，所述环境数据采集终端包括：终端处理器、与所述终端处理器电性相连的温湿度传感器、ZigBee模块；所述温湿度传感器适于采集大棚内相应区域处的温湿度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的温湿度数据上传监控平台。
进一步，所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的光照强度传感器；所述光照强度传感器适于采集大棚内相应区域处的光照强度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的光照强度数据上传监控平台。
进一步，所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的二氧化碳浓度传感器；所述二氧化碳浓度传感器适于采集大棚内相应区域处的二氧化碳浓度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的二氧化碳浓度数据上传监控平台。
进一步，所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的土壤湿度采集模块；所述土壤湿度采集模块适于采集大棚内相应区域处的土壤湿度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的土壤湿度数据上传监控平台。
进一步，所述土壤湿度采集模块包括：信号源电路、频率选择电路、平行板电容探针、检波整流电路、电压放大电路和信号处理电路；所述平行板电容探针插入大棚内相应区域处的土壤中；所述信号源电路适于发出高频方波振荡信号，并由频率选择电路控制信号源电路切换不同频率的高频方波振荡信号以输出至平行板电容探针，且所述平行板电容探针的两端输出的交流信号经检波整流电路整流变为直流信号，再经电压放大电路放大后输出至信号处理电路，即所述信号处理电路根据平行板电容探针的电容变化获取大棚内相应区域处的土壤中含水率值。
进一步，所述监控平台包括：微处理器、与所述微处理器电性相连的ZigBee协调器、远程通信模块；所述微处理器适于通过ZigBee协调器接收各环境数据采集终端中相应ZigBee模块上传的大棚内各区域处的环境指标数据，即所述微处理器还适于通过远程通信模块将大棚内各区域处的环境指标数据上传至服务器。
进一步，各环境数据采集终端中相应ZigBee模块与ZigBee协调器通过ZigBee通讯协议形成局域网，以将大棚内各区域处的环境指标数据近距离传输至监控平台。
本实用新型的有益效果是，本实用新型通过各环境数据采集终端对大棚内相应区域处的环境指标数据进行采集，通过监控平台实现自组网传输数据并上传至服务器，实现智能农业大棚的实时、远距离监控，提高了工作效率，弥补了传统农业大棚监控系统的不足，为大棚温室内的农作物提供良好的生长环境。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的智能农业大棚监控系统的原理框图；
图2是本实用新型的环境数据采集终端的原理框图；
图3是本实用新型的SHT11数字式温湿度传感器的原理框图；
图4是本实用新型的SHT11数字式温湿度传感器的电路图；
图5是本实用新型的BH175光照强度传感器的电路图；
图6是本实用新型的MG811二氧化碳浓度传感器的电路图；
图7是本实用新型的信号源电路的电路图；
图8是本实用新型的频率选择电路的电路图；
图9是本实用新型的检波整流电路的电路图；
图10是本实用新型的电压放大电路的电路图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
图1是本实用新型的智能农业大棚监控系统的原理框图。
在本实施例中，如图1所示，本实施例提供了一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，其包括：若干环境数据采集终端、监控平台和服务器；其中各环境数据采集终端适于获取大棚内相应区域处的环境指标数据并发送至监控平台；以及所述监控平台将大棚内各区域处的环境指标数据上传至服务器。
在本实施例中，本实施例通过各环境数据采集终端对大棚内相应区域处的环境指标数据进行采集，通过监控平台实现自组网传输数据并上传至服务器，实现智能农业大棚的实时、远距离监控，提高了工作效率，弥补了传统农业大棚监控系统的不足，为大棚温室内的农作物提供良好的生长环境。
图2是本实用新型的环境数据采集终端的原理框图。
在本实施例中，如图2所示，所述环境数据采集终端包括：终端处理器、与所述终端处理器电性相连的温湿度传感器、ZigBee模块；所述温湿度传感器适于采集大棚内相应区域处的温湿度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的温湿度数据上传监控平台。
在本实施例中，环境数据采集终端中各电路模块集成连接在控制板上。
在本实施例中，终端处理器可以采用但不限于是CC2530单片机；温湿度传感器可以采用但不限于是SHT11数字式温湿度传感器。
图3是本实用新型的SHT11数字式温湿度传感器的原理框图；
图4是本实用新型的SHT11数字式温湿度传感器的电路图。
在本实施例中，如图3、图4所示，通过SHT11数字式温湿度传感器采集大棚内相应区域处的温湿度数据，SHT11数字式温湿度传感器的串行接口采用两线制，并且内部可以调整电压，简化了外围电路的集成过程；SHT11数字式温湿度传感器的芯片内部信号的校准、信号放大、数模转换等一系列工作都是在极为精确的湿度腔室中进行的，使得信号在线路上损耗的非常少，从而大大增强了SHT11数字式温湿度传感器的传输可靠性和抗干扰能力，测量精确度高，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式，SHT11数字式温湿度传感器的感测头可完全浸入水中，且SHT11数字式温湿度传感器与CC2530单片机的通信是通过二线串行数字接口实现；首先SHT11数字式温湿度传感器的内部湿度敏感元件将湿度转换成电信号，温度敏感元件将温度转换成电信号，并进行信号放大，将放大后的电信号通过A/D转换器完成模数信号的转换，最后由接口输出数字信号。SHT11数字式温湿度传感器的串行数据线DATA、串行时钟输入端SCK分别与CC2530单片机的输入引脚P0_0和P0_1连接。
图5是本实用新型的BH175光照强度传感器的电路图。
在本实施例中，如图5所示，所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的光照强度传感器；所述光照强度传感器适于采集大棚内相应区域处的光照强度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的光照强度数据上传监控平台。
在本实施例中，光照强度传感器可以采用但不限于是BH175光照强度传感器。
在本实施例中，BH175光照强度传感器适于检测400-700nm波段的可见光，量程为1～65536lux，分辨率为1lux，是十六位的数字式传感器，测量精度高。
在本实施例中，BH175光照强度传感器的时钟端SCL、数据端SDA分别与CC2530单片机的p1_2引脚、p1_3引脚进行连接。
图6是本实用新型的MG811二氧化碳浓度传感器的电路图。
在本实施例中，如图6所示，所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的二氧化碳浓度传感器；所述二氧化碳浓度传感器适于采集大棚内相应区域处的二氧化碳浓度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的二氧化碳浓度数据上传监控平台。
在本实施例中，二氧化碳浓度传感器可以采用但不限于是MG811二氧化碳浓度传感器。
在本实施例中，MG811二氧化碳浓度传感器采用固态电解质传感器原理，即MG811二氧化碳浓度传感器中的气敏材料接触气体后产生的离子形成电动势，通过测量形成的电动势就能测量出气体的浓度。气体的浓度越低输出电压越高，测量范围0-10000ppm；测量环境中的温度和湿度对MG811二氧化碳浓度传感器的影响可忽略不计，且测量结果比较稳定，还具有线性特征；在合适的温度和湿度环境下，把MG811二氧化碳浓度传感器放置在含有二氧化碳的空气中，正极反应、负极反应以及总电极反应分别如下述公式所示：
Li2CO3+2Na+＝Na2O+2Li++CO2
其中，P(CO2)为CO2分压，R为气体常量，T为绝对温度，F表示法拉第常量，EC是常量；MG811二氧化碳浓度传感器先通过外部电源加热到一定温度后就会产生上述反应，输出与二氧化碳浓度相关的电压值，相当于一个电池，电压值符合能斯特方程；MG811二氧化碳浓度传感器的信号输出阻抗非常高，无法直接用普通的电压表或万用表测量其输出信号；MG811二氧化碳浓度传感器的输出信号不能直接接到CC2530单片机的ADC输入端，需要在MG811二氧化碳浓度传感器的输出信号输出后连接一级阻抗变换电路，降低输出阻抗，使信号能够进行模数转换。通过CA3140高输入阻抗型阻抗转换运算放大器降低阻抗，然后再将输出的电压模拟信号经过CC2530单片机芯片内部的ADC进行模数转换，通过将模拟信号输出端AOUT与CC2530单片机的P0_0引脚连接实现；可以根据实际需要选择模拟信号输出端AOUT或者高低电平端DOUT，DOUT通过比较器LM393实现。MG811二氧化碳浓度传感器正常工作时，环境温度的变化会影响其灵敏度，因此电路中设计了温度补偿电路，补偿电路包括温感电阻RT1和R2。
在本实施例中，所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的土壤湿度采集模块；所述土壤湿度采集模块适于采集大棚内相应区域处的土壤湿度数据并发送至终端处理器，即所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的土壤湿度数据上传监控平台。
图7是本实用新型的信号源电路的电路图；
图8是本实用新型的频率选择电路的电路图；
图9是本实用新型的检波整流电路的电路图；
图10是本实用新型的电压放大电路的电路图。
在本实施例中，如图7、图8、图9、图10所示，所述土壤湿度采集模块包括：信号源电路、频率选择电路、平行板电容探针、检波整流电路、电压放大电路和信号处理电路；所述平行板电容探针插入大棚内相应区域处的土壤中；所述信号源电路适于发出高频方波振荡信号，并由频率选择电路控制信号源电路切换不同频率的高频方波振荡信号以输出至平行板电容探针，且所述平行板电容探针的两端输出的交流信号经检波整流电路整流变为直流信号，再经电压放大电路放大后输出至信号处理电路，即所述信号处理电路根据平行板电容探针的电容变化获取大棚内相应区域处的土壤中含水率值。
在本实施例中，信号处理电路采用以MSP430F2272单片机为核心器件。
在本实施例中，如图7，信号源电路采用以LTC6905芯片为核心器件，且LTC6905芯片是高精度、可编程硅振荡器，可替换固定晶体振荡器、陶瓷振荡器，容易使用且占用空间很少；LTC6905芯片的驱动电压为2.7V～5.5V，输出一个占空比为50％的方波信号，LTC6905芯片需要一个电阻来设置输出频率，设置电阻RSET的范围为10k～25k，输出端频率fosc的范围为17.225MHZ～170MHZ，且误差≤0.5％。
在本实施例中，LTC6905芯片内部的CMOS输出驱动器可以确保快速上升/下降的次数和轨到轨的切换，三态分配器(DIV)支持1，2或4分频，即每一个电阻的设置可以输出三个不同的频率值；LTC6905芯片的4脚为DIV分频引脚，LTC6905芯片专有的反馈回路使设置电阻RSET和振荡频率fosc之间满足线性关系，振荡器可以很容易地通过简单编程实现下面公式：
即当LTC6905芯片的4脚接高电平时，实现1分频；接低电平时，实现4分频；悬空时，实现2分频；LTC6905芯片的5脚输出端隔直后输出稳频恒幅方波交流信号，选用合适的设置电阻RSET产生所需方波信号；晶振的4脚接单片机的IO口，通过高低电平控制分频，产生所需振荡频率。
在本实施例中，如图8，频率选择电路使用了低功耗的TS5A3359单刀三掷(SP3T)模拟开关,驱动电压为1.65V-5.5V；TS5A3359芯片提供了一个开状态阻抗，阻值为1Ω，与先断后通的功能相匹配，可以避免信号在传输过程中出现失真现象，具有较好的传输稳定性；TS5A3359芯片的IN1和IN2引脚输入高低电平，对COM脚进行逻辑控制，分别与NO0,NO1,NO2引脚相连；TS5A3359芯片的1、2、3脚分别接三个不同阻值的电阻，5脚和6脚连接单片机的两个IO口，由测得电压控制IO口输出电平信号01，10，11(0为低电平，1为高电平)接入不同电阻，得到所需的振荡频率。
在本实施例中，如图9，检波整流电路采用倍压检波整流电路，可以将较低的交流电压，用耐压值较高的整流二极管和电容器，变为一个较高的直流电压；倍压检波整流电路按输出电压与输入电压的倍数关系，一般分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路；二倍压检波整流电路，当输入电压处于正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容器C1充电，电压极性为右正左负，峰值电压可达输入电压的两倍；当输入电压处于负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容器C2充电，电压极性为右正左负，峰值电压为输入电压的二根号二倍。输入端输入的交流电压信号变为易于处理的直流电压信号，在负载两端输出。
在本实施例中，如图10，经检波整流电路输出的直流信号较小时，经电压放大电路放大信号，可以提高传感器的灵敏度；电压放大电路采用LM358芯片，由两个独立的高增益、内部频率补偿的运算放大器组成；LM358电源范围宽，为3V-32V，输入的共模电压范围包括地面(GND)，并具有较大的直流电压增益。
在本实施例中，电压放大电路的R2端接地，R1端接输入信号，输出电压满足公式：
当电位器Rw处于中间位置时，
电压放大电路可实现较大的放大倍数，将放大的模拟电压信号输入到MSP430F2272单片机的AD口，进行电压转换得到数字信号，再通过数据处理和运算，即可得到含水率和温度值。
在本实施例中，所述监控平台包括：微处理器、与所述微处理器电性相连的ZigBee协调器、远程通信模块；所述微处理器适于通过ZigBee协调器接收各环境数据采集终端中相应ZigBee模块上传的大棚内各区域处的环境指标数据，即所述微处理器还适于通过远程通信模块将大棚内各区域处的环境指标数据上传至服务器。
在本实施例中，远程通信模块可以采用但不限于是GPRS通信模块，能够实现将数据发送到服务器上，让用户能够以网页的形式浏览到远程传来的数据，实现大棚环境指标数据的远距离监控。
在本实施例中，通过环境数据采集终端实时精确的获取大棚内的温湿度数据、光照强度数据、二氧化碳浓度数据并实现远距离监测，本智能农业大棚监控系统的传输层包括由近距离无线通信技术ZigBee、远距离无线通信技术GPRS；通过设计并搭建ZigBee节点组网通信平台，环境数据采集终端中ZigBee模块与ZigBee协调器通过ZigBee通讯协议形成局域网，实现大棚环境指标数据的近距离传输，并通过监控平台实现大棚环境指标数据远距离传输，远程通信模块通过串口以有线的形式与ZigBee协调器形成网关，数据通过GPRS网络终端传输协议发送到服务器。
在本实施例中，各环境数据采集终端中相应ZigBee模块与ZigBee协调器通过ZigBee通讯协议形成局域网，以将大棚内各区域处的环境指标数据近距离传输至监控平台。
综上所述，本实用新型通过各环境数据采集终端对大棚内相应区域处的环境指标数据进行采集，通过监控平台实现自组网传输数据并上传至服务器，实现智能农业大棚的实时、远距离监控，提高了工作效率，弥补了传统农业大棚监控系统的不足，为大棚温室内的农作物提供良好的生长环境。
本申请中选用的各个器件(未说明具体结构的部件)均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，其特征在于，包括：
若干环境数据采集终端、监控平台和服务器；其中
各环境数据采集终端适于获取大棚内相应区域处的环境指标数据并发送至监控平台；以及
所述监控平台将大棚内各区域处的环境指标数据上传至服务器；
所述环境数据采集终端包括：终端处理器、与所述终端处理器电性相连的温湿度传感器、ZigBee模块；
所述温湿度传感器适于采集大棚内相应区域处的温湿度数据并发送至终端处理器，即
所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的温湿度数据上传监控平台；
所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的土壤湿度采集模块；
所述土壤湿度采集模块适于采集大棚内相应区域处的土壤湿度数据并发送至终端处理器，即
所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的土壤湿度数据上传监控平台；所述土壤湿度采集模块包括：信号源电路、频率选择电路、平行板电容探针、检波整流电路、电压放大电路和信号处理电路；
所述平行板电容探针插入大棚内相应区域处的土壤中；
所述信号源电路适于发出高频方波振荡信号，并由频率选择电路控制信号源电路切换不同频率的高频方波振荡信号以输出至平行板电容探针，且所述平行板电容探针的两端输出的交流信号经检波整流电路整流变为直流信号，再经电压放大电路放大后输出至信号处理电路，即
所述信号处理电路根据平行板电容探针的电容变化获取大棚内相应区域处的土壤中含水率值。
2.如权利要求1所述的基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，其特征在于，
所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的光照强度传感器；
所述光照强度传感器适于采集大棚内相应区域处的光照强度数据并发送至终端处理器，即
所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的光照强度数据上传监控平台。
3.如权利要求1所述的基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，其特征在于，
所述环境数据采集终端还包括：与所述终端处理器电性相连的二氧化碳浓度传感器；
所述二氧化碳浓度传感器适于采集大棚内相应区域处的二氧化碳浓度数据并发送至终端处理器，即
所述终端处理器适于通过ZigBee模块将大棚内相应区域处的二氧化碳浓度数据上传监控平台。
4.如权利要求1所述的基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，其特征在于，
所述监控平台包括：微处理器、与所述微处理器电性相连的ZigBee协调器、远程通信模块；
所述微处理器适于通过ZigBee协调器接收各环境数据采集终端中相应ZigBee模块上传的大棚内各区域处的环境指标数据，即
所述微处理器还适于通过远程通信模块将大棚内各区域处的环境指标数据上传至服务器。
5.如权利要求4所述的基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统，其特征在于，
各环境数据采集终端中相应ZigBee模块与ZigBee协调器通过ZigBee通讯协议形成局域网，以将大棚内各区域处的环境指标数据近距离传输至监控平台。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020827572.8U CN212569468U (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020827572.8U CN212569468U (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN212569468U true CN212569468U (zh) | 2021-02-19 |
Family
ID=74623262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202020827572.8U Active CN212569468U (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种基于频域反射测量土壤湿度的智能农业大棚监控系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN212569468U (zh) |
-
2020
- 2020-05-18 CN CN202020827572.8U patent/CN212569468U/zh active Active
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