CN213715761U - 一种农田环境遥测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种农田环境遥测装置，装置包括：农情监测单元、接口电路、中央处理单元和NB‑IoT数据上传模块，农情监测单元测量农田环境信息，将农田环境信息传输给接口电路，接口电路通过Modbus‑RTU通信协议将农田环境信息传输至中央处理单元，克服了现有技术由于连接农情监测单元的接口不足的缺陷，实现了多种传感器的数据采集，全面监测农田环境；中央处理单元将处理后的农田环境信息传输至NB‑IoT数据上传模块，NB‑IoT数据上传模块通过CoAP通信协议将处理后的农田环境信息传输至云平台，利用NB‑IoT网络，降低了整套系统的功耗，提高了设备使用寿命。

Description

一种农田环境遥测装置

技术领域

本实用新型涉及农田环境监测领域，特别是涉及一种农田环境遥测装置。

背景技术

近年来，现代农业技术的广泛应用和农业生产的快速发展，农民对农田环境参数的远程数据采集需求日益增加，然而农田环境较差，同时人工采集方式存在费时费力、实时性差等问题；气象观测站点建设耗费大量人力物力，气象观测站的数量与地区面积存在较大的差异，不能精准的反映局部气象数据。因此实现农田环境的无人数据遥测对指导农田作业迫在眉睫。

目前，现有的农田环境遥测装置的监测参数比较单一，不能实现农田气象数据的多参数远程监测。系统多是采用无线传感器网络(WSN)与通用分组无线服务(GPRS)相结合的方法，主要是由终端传感器节点、GPRS网关和上位机软件组成。WSN+GPRS架构的终端传感器节点数据需要通过Zigbee网络将数据发送至GPRS网关，造成GPRS网络模块的功耗较大；在通信上这是二级网络架构，运营商为一级网络，Zigbee为二级局域网络，网络架构变复杂，导致数据传输时延大、效率低，同时也增加了系统故障率。

现有技术的缺点如下：

(1)现有的农田环境遥测装置可以有效的监测到气象环境参数。然而在大多数实际应用场景中传感器节点采集参数单一，数据采集的周期过长，实时性较低，不能及时对作物生长环境信息进行精准及时调控，无法保证最佳生长要素补给。

(2)现有农田环境遥测系统多是采用无线传感器网络(WSN)与通用分组无线服务(GPRS)相结合的方法，终端传感器节点数据需要通过Zigbee网络将数据发送至GPRS网关，造成GPRS网络模块的功耗较大，同时二级网络架构设计导致数据传输时延大、效率低，同时增加了系统故障率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种农田环境遥测装置，以解决现有农田环境信息采集参数单一、功耗高的问题，在降低功耗的同时实现多种传感器的数据采集。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种农田环境遥测装置，所述装置包括：农情监测单元、接口电路、中央处理单元和NB-IoT数据上传模块；

所述农情监测单元的信号输出端与所述接口电路连接，所述农情监测单元用于测量农田环境信息，并将所述农田环境信息传输至所述接口电路；

所述接口电路与所述中央处理单元连接，所述接口电路用于通过Modbus-RTU通信协议将所述农田环境信息传输至所述中央处理单元；

所述中央处理单元与所述NB-IoT数据上传模块连接，所述中央处理单元用于对所述农田环境信息进行处理，获得处理后的农田环境信息，并将所述处理后的农田环境信息传输至所述NB-IoT数据上传模块；

所述NB-IoT数据上传模块用于通过CoAP通信协议将所述处理后的农田环境信息传输至云平台。

可选的，所述农情监测单元包括：空气温度传感器、空气湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、风向传感器、光辐射传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、土壤电导率传感器、雨量传感器和雪量传感器；

所述空气温度传感器的信号输出端、所述空气湿度传感器的信号输出端、所述光照强度传感器的信号输出端、所述风速传感器的信号输出端、所述风向传感器的信号输出端、所述光辐射传感器的信号输出端、所述土壤温度传感器的信号输出端、所述土壤水分传感器的信号输出端、所述土壤电导率传感器的信号输出端、所述雨量传感器的信号输出端和所述雪量传感器的信号输出端均与所述接口电路连接。

可选的，所述装置还包括：最小系统模块、JTAG调试模块、LED指示模块、存储模块和电源电路模块；

所述电源电路模块分别与所述农情监测单元、所述最小系统模块、所述JTAG调试模块和所述LED指示模块连接，所述电源电路模块用于为所述农情监测单元、所述最小系统模块、所述JTAG调试模块和所述LED指示模块提供电能；

所述最小系统模块与所述中央处理单元连接，所述最小系统模块用于通过所述电源电路模块为所述中央处理单元提供电源，并为所述中央处理单元提供稳定的时钟源和复位信号；

所述JTAG调试模块与所述中央处理单元连接，所述JTAG调试模块用于所述中央处理单元程序的调试与下载；

所述LED指示模块与所述中央处理单元连接，所述LED指示模块用于显示所述中央处理单元采集所述农田环境信息的工作状态；

所述存储模块与所述中央处理单元连接，所述存储模块用于存储所述中央处理单元的农田环境信息。

可选的，所述最小系统模块包括：晶振电路、按键复位电路、BOOT启动方式选择电路和供电电路；

所述晶振电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述晶振电路用于为所述中央处理单元提供稳定的时钟源；

所述按键复位电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述按键复位电路用于在按键按下时为所述中央处理单元提供复位信号；

所述BOOT启动方式选择电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述BOOT启动方式选择电路用于为所述中央处理单元提供系统复位后的启动模式；

所述供电电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述供电电路用于为所述中央处理单元提供电能。

可选的，所述接口电路为RS485接口电路，RS485接口电路采用SP3485芯片。

可选的，所述中央处理单元为STM32F103RCT6。

可选的，所述NB-IoT数据上传模块为SIM7020C。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供了一种农田环境遥测装置，农情监测单元测量农田环境信息，将农田环境信息传输给接口电路，接口电路通过Modbus-RTU通信协议将农田环境信息传输至中央处理单元，克服了现有技术由于连接农情监测单元的接口不足的缺陷，实现了多种传感器的数据采集，全面监测农田环境；中央处理单元将处理后的农田环境信息传输至NB-IoT数据上传模块，NB-IoT数据上传模块通过CoAP通信协议将处理后的农田环境信息传输至云平台，利用NB-IoT网络，降低了整套系统的功耗，提高了设备使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种农田环境遥测装置的结构图；

图2为本实用新型提供的接口电路的电路图；

图3为本实用新型提供的存储模块的电路图；

图4为本实用新型提供的LED指示模块的电路图；

图5为本实用新型提供的电源电路模块的电路图；

图6为本实用新型提供的JTAG调试模块的电路图；

图7为本实用新型提供的晶振电路的电路图；

图8为本实用新型提供的按键复位电路的电路图；

图9为本实用新型提供的BOOT启动方式选择电路的电路图；

图10为本实用新型提供的核心外围电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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。

本实用新型的目的是提供一种农田环境遥测装置，以解决现有农田环境信息采集参数单一、功耗高的问题，在降低功耗的同时实现多种传感器的数据采集。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供了一种农田环境遥测装置，如图1所示，装置包括：农情监测单元、接口电路、中央处理单元和NB-IoT数据上传模块。

农情监测单元的信号输出端与接口电路连接，农情监测单元用于测量农田环境信息，并将农田环境信息传输至接口电路。

接口电路与中央处理单元连接，接口电路用于通过Modbus-RTU通信协议将农田环境信息传输至中央处理单元。接口电路为RS485接口电路，RS485接口电路采用3.3V低电压半双工且符合RS485串行协议的SP3485芯片。中央处理单元为STM32F103RCT6，嵌入式处理器。该芯片具有256KB FLASH、48KB RAM、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口及51个通用IO口。

如图2所示，RS485接口电路与STM32的RS485接口连接，SP3485芯片的接收器输出端口RO与驱动器输入端口DI连接至STM32的UASRT2。

中央处理单元的USART3与NB-IoT数据上传模块连接，中央处理单元用于对农田环境信息进行处理，获得处理后的农田环境信息，并将处理后的农田环境信息传输至NB-IoT数据上传模块。具体地，中央处理单元根据CoAP通信协议将农田环境信息封装成固定格式，此数据封装为现有技术。

NB-IoT数据上传模块用于通过CoAP通信协议将处理后的农田环境信息传输至云平台。NB-IoT数据上传模块为SIM7020C。如图1所示，NB-IoT数据上传模块包括核心外围电路、USIM卡接口电路、电平转换电路、网络状态指示LED和电源处理电路。其中，如图10所示，核心外围电路包括开关机电路和天线接口处理电路。

SIM7020C完成一次数据上传后，进入PSM模式(SIM7020C现有的模式)，进入PSM模式后，整套系统进入休眠状态，可有效降低系统功耗。

农情监测单元包括：空气温度传感器、空气湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、风向传感器、光辐射传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、土壤电导率传感器、雨量传感器和雪量传感器。

空气温度传感器的信号输出端、空气湿度传感器的信号输出端、光照强度传感器的信号输出端、风速传感器的信号输出端、风向传感器的信号输出端、光辐射传感器的信号输出端、土壤温度传感器的信号输出端、土壤水分传感器的信号输出端、土壤电导率传感器的信号输出端、雨量传感器的信号输出端和雪量传感器的信号输出端均与接口电路连接。

装置还包括：最小系统模块、JTAG调试模块、LED指示模块、存储模块和电源电路模块。

电源电路模块分别与农情监测单元、最小系统模块、JTAG调试模块和LED指示模块连接，电源电路模块用于为农情监测单元、最小系统模块、JTAG调试模块和LED指示模块提供电能。如图5所示，电源电路模块可将12V的直流电转换成5V和3.3V的电压输出。5V为空气温度传感器、空气湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、风向传感器、光辐射传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、土壤电导率传感器、雨量传感器和雪量传感器供电。3.3V为最小系统、JTAG调试电路、存储模块和LED指示模块。

最小系统模块与中央处理单元连接，最小系统模块用于通过电源电路模块为中央处理单元提供电源，并为中央处理单元提供稳定的时钟源和复位信号。

如图6所示，JTAG调试模块与中央处理单元连接，JTAG调试模块用于中央处理单元程序的调试与下载。

LED指示模块与中央处理单元连接，LED指示模块用于显示中央处理单元采集农田环境信息的工作状态。如图4所示，LED指示模块显示中央处理单元采集工作状态的方式为：当中央处理单元完成对所有传感器数据的采集后，LED灯为红色慢闪(3秒闪烁一次)，否则LED灯为快闪(1秒闪烁一次)。

存储模块通过SDIO接口与中央处理单元连接，存储模块用于存储中央处理单元的农田环境信息。如图3所示，存储模块为SD卡存储模块。

最小系统模块包括：晶振电路、按键复位电路、BOOT启动方式选择电路和供电电路。

如图7所示，晶振电路分别与中央处理单元和电源电路模块连接，晶振电路用于为中央处理单元提供稳定的时钟源。

如图8所示，按键复位电路分别与中央处理单元和电源电路模块连接，按键复位电路用于在按键按下时为中央处理单元提供复位信号。

如图9所示，BOOT启动方式选择电路分别与中央处理单元和电源电路模块连接，BOOT启动方式选择电路用于为中央处理单元提供系统复位后的启动模式。

供电电路分别与中央处理单元和电源电路模块连接，供电电路用于为中央处理单元提供电能。

如图1所示，装置还包括：RS232调试接口，RS232调试接口与中央处理单元的USART1连接。

本实用新型通过Modbus-RTU通信协议对空气温湿度、光照强度、风速、风向、光辐射、土壤温度、土壤水分、土壤电导率、雨量、雪量等常见气象环境参数进行采集，实现了多种传感器的数据采集，全面监测农田环境，并通过轻量级的CoAP协议将数据上传至云平台，减小了数据包的大小，将传统的二级网络架构减小为一级网络架构，并利用NB-IoT网络的PSM模式，降低了整套系统的功耗、提高了设备使用寿命。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种农田环境遥测装置，其特征在于，所述装置包括：农情监测单元、接口电路、中央处理单元和NB-IoT数据上传模块；

所述农情监测单元的信号输出端与所述接口电路连接，所述农情监测单元用于测量农田环境信息，并将所述农田环境信息传输至所述接口电路；

所述接口电路与所述中央处理单元连接，所述接口电路用于通过Modbus-RTU通信协议将所述农田环境信息传输至所述中央处理单元；

所述中央处理单元与所述NB-IoT数据上传模块连接，所述中央处理单元用于对所述农田环境信息进行处理，获得处理后的农田环境信息，并将所述处理后的农田环境信息传输至所述NB-IoT数据上传模块；

所述NB-IoT数据上传模块用于通过CoAP通信协议将所述处理后的农田环境信息传输至云平台。

2.根据权利要求1所述的农田环境遥测装置，其特征在于，所述农情监测单元包括：空气温度传感器、空气湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、风向传感器、光辐射传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、土壤电导率传感器、雨量传感器和雪量传感器；

所述空气温度传感器的信号输出端、所述空气湿度传感器的信号输出端、所述光照强度传感器的信号输出端、所述风速传感器的信号输出端、所述风向传感器的信号输出端、所述光辐射传感器的信号输出端、所述土壤温度传感器的信号输出端、所述土壤水分传感器的信号输出端、所述土壤电导率传感器的信号输出端、所述雨量传感器的信号输出端和所述雪量传感器的信号输出端均与所述接口电路连接。

3.根据权利要求1所述的农田环境遥测装置，其特征在于，所述装置还包括：最小系统模块、JTAG调试模块、LED指示模块、存储模块和电源电路模块；

所述电源电路模块分别与所述农情监测单元、所述最小系统模块、所述JTAG调试模块和所述LED指示模块连接，所述电源电路模块用于为所述农情监测单元、所述最小系统模块、所述JTAG调试模块和所述LED指示模块提供电能；

所述最小系统模块与所述中央处理单元连接，所述最小系统模块用于通过所述电源电路模块为所述中央处理单元提供电源，并为所述中央处理单元提供稳定的时钟源和复位信号；

所述JTAG调试模块与所述中央处理单元连接，所述JTAG调试模块用于所述中央处理单元程序的调试与下载；

所述LED指示模块与所述中央处理单元连接，所述LED指示模块用于显示所述中央处理单元采集所述农田环境信息的工作状态；

所述存储模块与所述中央处理单元连接，所述存储模块用于存储所述中央处理单元的农田环境信息。

4.根据权利要求3所述的农田环境遥测装置，其特征在于，所述最小系统模块包括：晶振电路、按键复位电路、BOOT启动方式选择电路和供电电路；

所述晶振电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述晶振电路用于为所述中央处理单元提供稳定的时钟源；

所述按键复位电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述按键复位电路用于在按键按下时为所述中央处理单元提供复位信号；

所述BOOT启动方式选择电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述BOOT启动方式选择电路用于为所述中央处理单元提供系统复位后的启动模式；

所述供电电路分别与所述中央处理单元和所述电源电路模块连接，所述供电电路用于为所述中央处理单元提供电能。

5.根据权利要求1所述的农田环境遥测装置，其特征在于，所述接口电路为RS485接口电路，RS485接口电路采用SP3485芯片。

6.根据权利要求1所述的农田环境遥测装置，其特征在于，所述中央处理单元为STM32F103RCT6。

7.根据权利要求1所述的农田环境遥测装置，其特征在于，所述NB-IoT数据上传模块为SIM7020C。

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