农业大棚无线环境监测系统设计

边玉亮，余世干，刘 辉

（阜阳师范大学，安徽 阜阳 236041）

0 引言

农业温室大棚环境的温度、湿度、光照强度等环境因子对作物的生长有很大影响，由于大棚数量集中、面积较大，人工采集环境数据费时费力，极大地增加了人工成本。［1，2］目前，大多数大棚环境监测采用有线数据采集传输方式，该方式存在功耗高、物理布线复杂、成本高、扩展性差等缺点。［3-5］针对以上问题，本文设计了一种基于无线自组网络的农业大棚环境监测系统，该系统使用多种传感器组合对大棚内关键的环境参数如温度、空气湿度、土壤湿度和光照强度进行采集，并通过无线自组网络将采集到的数据上传到控制中心。系统各节点安装方便、成本低，能够实现对农业大棚多种环境参数进行实时监测的目的。

1 系统总体设计

1.1 无线自组织网络搭建

由于农业大棚占地面积大、地势平坦且缺少网络通信设施，［6-7］因此本系统采用无线自组织网络搭建。该无线系统采用主从结构，在每个需要进行环境监测的地点都安装一个子节点模块，所有模块通过自组网络上传监测数据到中心节点。根据系统功能要求最终选择DL-LN33P无线数据收发模块，通过合适的网络配置，系统一上电就能够将模块加入到无线网络中，单个模块之间数据传输距离能够达到300米。正常工作时，所有网络参数设置相同的模块能够自动创建无线网络。子模块节点的微控制器在发送数据时，只要将中心节点的网络地址和待发送的监测数据通过固定的帧格式进行发送即可，DL-LN33P会通过无线网络选择最优的路径，将信息发送给中心节点。与此同时，中心节点的DL-LN33P能通过UART接收发送数据的子节点地址和数据，所有模块之间都可以进行通信。实际应用时，可以根据实际需要增加或删除节点，同一网络可容纳190个结点，但要求需要通信的节点之间要处于相同的网络和信道，该无线自组网络完全能够满足系统设计需求。

1.2 系统结构设计

本系统基于无线自组织网络对农业大棚中多个探测点进行多参数数据监测，并将监测数据发送到中心节点进行数据汇总处理并显示。该系统设计主要由硬件电路设计和应用程序设计两部分组成，其中主要包括传感器的选型、数据采集、无线网络设计、无线数据传输和数据解析处理等。整个系统由中心节点模块和各个数据采集子节点模块组成，中心节点可以在网络中随意移动，方便对数据进行监测和随时随地查看。中心节点的功能主要是接受并显示子模块节点上传的监测数据，由于多个节点同时向中心节点发送数据，因此中心节点要采取合适的数据解析策略防止数据发生干扰和混乱。数据采集子节点主要由各种传感器和无线发送模块组成，主要功能是对环境中的温度、空气湿度、土壤湿度和光照等参数进行采集，并将采集的数据进行显示和打包上传。整个系统结构框图如图1所示。

图1 监测系统整体结构框图

2 系统硬件电路设计

2.1 节点控制器选型

结合系统成本和功能要求，最终选取STC12C5A 60S2作为各节点模块的微控制器。该控制器速度比同时钟的单片机快6倍以上，具有空闲和掉电模式，非常符合无线传感器网络中节点模块的低功耗设计需求。该控制器拥有8个AD通道可以将模拟信号转换成10位数字量输出，非常适合常见模拟量输出的传感器信号转换。其内部还集成了两个UART接口，方便和其他模块之间进行串口通信。系统设计时，选择微控制器的UART2即RXD2和TXD2两个引脚和DL-LN33P进行串口通信，发送以及接收子模块节点的监测数据。STC12C5A60S2微控制器的最小系统原理图如图2所示。

图2 STC12C5A60S2控制器的最小系统原理图

2.2 无线数据收发模块

结合实际无线通信距离和数据传输的需求，本系统选择DL-LN33P模块搭建无线自组织网络。该模块具有上电自动组网的特点，实际通信时，节点控制器将目标模块的地址和待发送的数据以一定的格式数据帧进行发送即可。该模块能够自主选择最优的数据传输路径，将数据发送给同一网络中的目标节点。该无线收发模块通过UART和节点控制器通信，输出接收到的数据帧包括源地址和监测数据等内容，DL-LN33P无线收发模块实物图和电路设计图如图3所示。

图3 DL-LN33P无线模块实物图及电路图

系统中每个子节点模块都可以实时实现对环境参数的监测并将监测数据上传至中心节点，各个节点通过无线收发模块将自己加入到无线自组网络之中。所有无线模块在使用之前都要通过串口调试助手将模块的网络参数设置为同样的IP地址和信道，并设置特有的模块地址。本系统设计的各节点无线网络参数配置信息如表1所示。

表1 系统各节点模块的基本信息

2.3 节点显示电路设计

考虑到每个节点的体积和成本，每个节点的显示屏采用0.96寸OLED显示屏。OLED显示技术具有显示效果好、对比度高、视角大和功耗低等特点，采用I2C接口，指令丰富，操作方便，可以显示汉字、ASCII和图案等内容。0.96寸OLED显示屏的外观及接口电路设计如图4所示。

图4 显示器的外观及电路图

2.4 传感器选型

2.4.1温湿度传感器

DHT11温湿度传感器输出的是数字信号，采用单总线串行接口，线路简单、操作方便。并且每个温湿度传感器在出厂之前都经过严格校准，校准系数以程序的形式保存在OTP内存中，传感器信号检测和处理的过程中直接使用已经保存好的数据，测试结果精度高、稳定性好。该传感器体积超小、功耗极低，非常适合用于环境温湿度监测。DHT11的外观及电路设计如图5所示。

图5 DHT11的外观及电路图

2.4.2光照传感器

光照传感器用于检测农业大棚环境的光照强度，工作原理是将光照强度值转为电压值，主要应用于农业林业温室大棚培育等环境。本设计采用BH1750数字式光照传感器监测环境中的光照强度，该传感器具有高速、低功耗和宽量程等特点。该传感器拥有I2C接口可以直接输出光照强度数字量，输出光强度范围为0-65535lux，内置高精度16位数模转换器，无需计算和数据标定，使用方便、精度高，广泛应用于温室大棚环境。BH1750数字式光照传感器的外观及应用电路图如图6所示。

图6 BH1750光照传感器的外观及电路图

2.4.3土壤湿度传感器

土壤湿度传感器采用电容式土壤湿度传感器模块，该模块的PCB电路板表面喷涂一层绝缘漆，当模块插入土壤中能保护电路板不容易被腐蚀，相比电阻式土壤传感器寿命更久，输出更稳定。模块内置稳压芯片，支持3.3V~5V宽电压供电，模拟信号输出，输出直接接到控制器的AD转换引脚。电容式土壤湿度传感器模块的外观及电路设计如图7所示。

图7 电容式土壤湿度传感器模块的外观及电路图

3 软件设计

根据系统设计要求，整个监测系统应用程序由两部分组成，一是各个子模块节点中控制器的应用程序，二是中心节点中控制器的应用程序。两部分应用程序的功能不同，需要分别设计。子节点控制器的应用程序流程图如图8左侧所示，中心节点控制器的应用程序如图8右侧所示。从图中可以看出，子节点的主要功能是采集采样点的温度、空气湿度、土壤湿度和光照强度数据，并将数据按照数据帧格式进行打包并发送。中心节点的主要功能是接收子节点上传的数据，解析数据包，判断出当前接受的数据是哪个子节点上传，并分析出其中的环境参数数据。

图8 应用程序流程图

4 实验验证

为了验证监测系统的功能，根据设计要求搭建相应的监测系统进行实验验证。模拟监测系统中包含一个中心节点和两个子节点，每个节点相距50米左右，所有节点处于同一网段，各节点的网络参数配置如表1所示。系统模拟实物运行图如图9所示。由于OLED显示器的屏幕大小限制，在显示不同节点上传数据时通过按键进行切换。经过按键切换，中心节点接受到两个子节点上传的数据如图中所示，包含了两个子节点的温度、空气湿度、光照强度和土壤湿度数据，从而验证了监测系统的可行性和准确性。

图9 模拟测试系统实物图

5 结论

本文设计了一个基于无线自组网络的农业大棚无线环境监测系统，该系统使用多种传感器组合对大棚内环境参数进行采集，并通过无线自组网络将各个模块采集到的数据上传到中心节点，实现对整个农业大棚的全方位环境监测。系统具有安装和移动方便、成本低等特点，能够有效实现对大棚多种环境参数进行实时监测的目的，对农业大棚的智能化改造和提高产品质量具有重要价值。