基于石墨烯基多维传感器的智慧农业系统设计

樊昊男，苟松松，万恒志，史文凤，石金鑫，苗凤娟

基于石墨烯基多维传感器的智慧农业系统设计

樊昊男，苟松松，万恒志，史文凤，石金鑫，苗凤娟＊

（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

基于石墨烯的集成多维传感器设计了智慧农业系统，对农产品生长及储存过程中的各个环境参数进行实时有效地监测，该系统利用电阻测量电路测试采集温敏传感器、光敏传感器的电阻值，利用555定时器构建电容测量电路测试采集湿敏传感器、气敏传感器的电容值，再通过无线传感网络对传感器采集数据的处理，进行组网传输到后台处将数据存储分析显示。上位机软件通过读取数据库，将传感器实时信息展示给用户，也可以通过上位机发出指令来控制无线传输网络终端节点。该系统在智慧农业等方面拥有潜在的科研价值，且所用材料性价比高，具有较大的经济社会价值。

石墨烯基多维传感器；无线传感网络；人机交互；智慧农业

中国是传统农业大国，我国实现经济腾飞的基础是发展农业，农业发展关系到整个国家的稳定[1-3]。智慧农业将传统农业与现代传感器技术相结合，将新兴技术运用到农业领域推进信息化农业快速发展，在智慧农业的推行进程中需要使用众多低成本、易操作、可快速部署的农业专用传感器[4-6]。

目前专用于农业的传感器数量较少，测量参数单一，且大多数是将工业用传感器应用在农业上，成本较高。APPIAGYEI等[7]利用溅射法将ZnO/V2O5复合材料在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维表面构建三功能传感器；HGK等[8]基于碳复合材料的电阻随温度的变化构建温度传感器，利用溶液浇铸法集成两种传感器；WAJID等[9]以Ag/SnNcCl2/Ag构建新型有机半导体温湿度传感器，但是材料不适合大规模推广；KARIMOV等[10]利用摩擦法制备弹性层状橡胶-石墨烯复合材料构建多维传感器，通过测试发现复合材料在位移、频率、温度和压力传感器方面具有广阔的应用前景。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种无线通信技术，通过各种拓扑结构将大量传感器节点组合搭建成为一个联通的网络[11-13]。整个无线传感器网络由传感器节点和汇聚节点构成，其中通过数据采集、传输、处理和能量供应4个单元搭建传感器节点。将多种传感器集成为一种多参数传感器，利用无线传感网技术不仅可测量多个农业环境信息（温度、湿度、光照强度和CO2浓度），深度融合农作物生长与信息技术，实时监测作物生长环境情况，为打造智慧农业、高标准农田、农业信息化发展贡献力量[14-16]。

本文提出基于石墨烯的集成多参数传感器设计了智慧农业系统，运用所制备的多参数传感器对温度、湿度、光照和CO2浓度进行测试。首先阐述了系统的整体方案设计，从硬件和软件方面进行详细介绍，最后对所制备的系统运行调试。

1 系统方案设计

农副产品的最终产量与农产品种植过程中的各种环境参数如温度、湿度、光照强度和CO2浓度息息相关，因此要严格控制农作物的生长环境，保证农作物产量。利用实验室所制备的石墨烯基多维传感电极（如图1所示）进行石墨烯基多参数传感器的智慧农业系统设计，主要适用于农业大棚种植环境。该系统整体结构框架设计如图2所示，系统主要由多维传感器、嵌入式控制系统和物联网应用系统组成，功能可概括为4种环境参数快速检测、数据的无线传输以及数据的终端显示3个部分。

图1 多维传感器电极设计

图2 系统整体结构框架设计

系统设计的技术路线如图3所示，可以概述为4部分：（1）敏感电极的研制；（2）嵌入式控制系统的搭建；（3）物联网WSN技术的数据实时传输；（4）PC端实时处理及显示数据。

图3 系统设计技术路线

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件的整体设计方案

本文通过测量电路将数据传输到通道选择模块，经由CC2530终端节点计算通过协调器节点上传到数据库云端，经过分析处理数据由上位机界面实时显示，可由使用者或上位机根据大棚预设值自动进行判断，控制大棚内温度、湿度、光照强度、CO2浓度营造适宜农作物生长的环境，系统整体框架如图4所示。利用CC2530构建三层节点，主控制器的协调器节点、传输数据的路由器节点和传感器采集数据的终端节点，整个无线传输网络由协调器节点构建并维护，其他节点加入网络需要协调器节点允许，终端节点负责采集外界环境的数据信息，通过路由器节点转发传输至数据库。协调器节点实时监测整个无线传感器网络的运行情况，上传上位机的同时接收命令更新无线传输网络的设置参数。

图4 系统总体框架

2.2 主控电路设计

终端节点负责采集4种传感器信息数据，在设计的过程中需要满足大棚环境测量的需求，考虑到大棚的应用环境，基于低成本、易操作、可快速部署等需求，主控电路设计如下：

将CC2530作为主控芯片，通过电阻测量电路与电容测量电路采集电阻值、电容值得到测量值，CC2530最小系统如图5所示。通过实验获得拟合曲线数据，分别求出对应的温度、湿度、光照强度、CO2浓度的数据值，基于传感器的需求分别设计CC2530的采集数据节点的硬件电路和软件程序实现，通过ZigBee自组网的结构将外界环境参数的数据情况传输至协调器节点。基于设计思路将传感器采集模式设计为不同的采集方式，分为主动型和被动型，主动模式下受到条件触发传感器节点主动将外界环境参数的数据上传；被动模式下接收协调器节点的采集命令，通过查询的方式获得外界参数的数据。考虑到后期可以继续添加新的节点扩展系统，设计规定统一的数据传输编码格式，以特定的编码格式进行传感器数据的传输。接收到经过编码的传感器数据后微控制器同样以特定的格式解析数据，再将数据传输存储至数据库云端中以便使用者调用显示。利用CC2530为控制节点，实现无线传输网络与上位机的实时通信，根据阈值系统自动判断温室大棚内温度、湿度、光照强度、CO2浓度的信息值，超过上限阈值或低于下限阈值系统进行声光报警，通知使用者进行处理调控，当长时间无人处理后自动调控设备进行处理。

图5 CC2530最小系统

将多维传感电极与微控制器相结合，以电极A端口对应连接CC2530 P1.6引脚，电极B端口对应连接P1.7引脚，电极C端口对应连接P2.0引脚，电极D端口对应连接P2.1端口，以4个I/O端口为数据采集端口，构成以AD、BC为端口的电阻型温敏、光敏传感器，以AB、CD为端口的电容型湿敏、气敏传感器，终端节点传感器数据采集流程如图6所示，多维传感电极与微控制器电路连接如图7所示。

图6 终端节点传感器数据采集流程

通过协调器节点对温室大棚内各项环境参数进行自动调控，将CC2530 P1.1引脚控制连接声光报警，P1.2引脚控制连接加湿器，P1.3引脚控制连接太阳光模拟器，P1.4引脚控制连接换气扇，通过微控制器与人工结合的方式对温室大棚内的环境进行调控。当温度过高时，控制排气扇进行通风换气降低温室大棚内的温度，过低时可以打开加热器升高环境温度；环境内的湿度过低，影响作物生长可以打开加湿器增加温室大棚内空气中的水分；同理可以利用太阳光模拟器与遮阳板等控制温室大棚内的光照强度等，以此来实现对温室大棚内各项环境参数的实时监测与调控，为农作物提供更加适宜的生长环境。

图7 多维传感电极与微控制器电路

本系统设计选择蜂鸣器模块作为声光警报，CC2530的I/O口并不能直接驱动较大电流，但是蜂鸣器却要求使用较大的工作电流，所以本文采用放大电路将电流放大以供蜂鸣器工作。蜂鸣器报警电路如图8所示，将三极管放置于蜂鸣器和电源之间对电流进行放大，当数据达到阈值时微控制器会发送时延1s的信号激发三极管的基极，导通三极管电路后能够使蜂鸣器上电鸣响；当外界环境参数小于阈值时，停止鸣叫。声光报警开关通过CC2530的引脚P1.5进行调控，当传感信息值满足阈值超过提前设定好的范围时，蜂鸣器鸣叫并点亮报警灯。

图8 蜂鸣器电路

2.3 测量电路设计

本文多维传感器分为电阻型和电容型传感器两类，因此设计测量电路分为电阻测量与电容测量。通过转换不同量程将采集的4种传感器数据进行分析处理，计算转换为环境参数数据传输至上位机供使用者查看，多维传感器测量电路流程如图9所示。

图9 测量电路流程

电阻型传感器测量电路由微控制器CC2530与精密电阻（TEKESKY 100K）、恒压源模块（OPA548）、电源模块（江苏长电CJA1117）构成，电阻型传感器测量电路流程如图10所示。通过CC2530控制内部集成的12位DAC向OPA548输入电压，控制运放芯片的输出电压间接控制采样的输出电压传输给CC2530内部12位ADC，将输出电压与采集的输入电压进行比对，过程中OPA548保持恒压为5V。通过利用第一路ADC的双倍数值计算5V恒压数值，利用串联分压电路电流相等的特点计算待测电阻，提高测量精度：

图10 电阻型测量电路流程

其中，1为第一路ADC的采集值；2为第二路ADC的采集值；R为待测电阻；3为精密电阻。

通过运算放大器OPA548与精密运算器TLC2202构建恒压源模块电路如图11所示，通过CC2530内部ADC输出值调节OPA548的输出值，整个测量电路构成5V的恒压闭环系统。测量电路可以通过恒压模块电路对电极进行控制，维持电极电位的稳定使传感器检测更加精确稳定。

图11 恒压模块电路

电容型传感器以555定时器与电阻、电容构建测量电路，电容测量电路原理如图12所示。通过电阻与电容量确定测量电路的频率。以1代表脉冲维持时间，2代表脉冲低电平时间，计算脉冲周期：

图12 电容测量电路原理

图13 电容测量电路

2.4 外围电路设计

由于实际应用时外界环境比模拟测试时的条件复杂，为预防系统在上电之后无法正常恢复到原始电位，导致数据发生错误，在外围电路中利用复位电路恢复电路初始化状态，可以重新开始运行程序，复位电路如图14所示。启动复位程序后整个系统将发生复位重新启动，恢复初始化重新运行系统上电，电容两侧的电位由于电压不能突变而无法相同时RST显示低电平状态，随后通过电源电路给电容充电使RST变成高电平，即正常系统工作运行时为高电平，上电进行低电平复位。当电源电路对电容放电后RST成为低电平正常工作，高电平发生复位。复位电路设置两种模式，自动上电复位通过复位电容向微控制器复位引脚施加高电平进行复位；手动复位时微控制器获得VCC高电平，系统重新开始运行。

图14 复位电路

图15 电源电路设计

硬件电路通过电源模块通电提供能量，电源电路设计如图15所示，本文选择江苏长电CJA1117电源变换芯片构建电源电路。

电源电路接入电源时由于起始电压波动较大，所以通过输入滤波电容施加足够量的电容对电路进行滤波，利用电容充放电的过程对电路脉动直流进行波纹遏制。在输出电路部分同样加入输出滤波电容，在输出采样的过程中为电路进行稳压，防止电压波动频率因为负载导致与稳压电路产生振荡，使输出电路失控，增加输出稳压电路的稳定性。本系统中带有各类传感器、液晶显示屏、控制模块以及无线传感模块，由于采集设备的功耗也在10 mW到100 mW之间，ZigBee无线模块也具有超低功耗功能，所以电源电路采用5 V转3.3 V电路即可满足功耗需求。

在测量电路中采用继电器电路实现电阻与电容测量中的自动换挡，作为电子开关通过小量程电流控制其它大量程元器件，当电路中测量的频率过低时，微控制器通过控制继电器电路转换测量电路的量程，继电器电路如图16所示。在电路中通过三极管放大电路的电流，利用二极管保护继电器电路。

为防止突然断电，在系统中加入掉电存储电路，以可编程只读存储器EEPROM电可擦芯片为核心构建保护电路，在突发情况下保存已采集的数据，通过电信号修改内容，不需要清除原本数据也可以进行写入与修改数据，极大地保证系统的稳定性与实用性。EEPROM掉电储存电路如图17所示。

图16 继电器电路

图17 掉电储存电路

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

软件的设计是整个系统的关键，系统的各个模块都需要软件设计，系统软件设计不仅要考虑实现预设的测量功能，还应该考虑到系统整体的稳定性、低成本等。基于ZigBee无线技术进行组网，由发射机、接收机和上位机显示系统3部分构建整个传感器网络。其中由多维终端节点构成发射机，每个终端节点分别连接数据采集模块与ZigBee的I/O端口组网。协调器组网流程如图18所示，协调器节点上电后，将ZigBee协议栈初始化，对终端节点进行组网，组网成功后，等待任务事件响应，根据相关的指令进行系统复位、节点信息查询，以及检查设备状况等。

图18 协调器组网流程

终端节点数据发送流程如图19所示，终端节点上电将整个系统进行初始化，向协调器节点发出加入网络的信号请求，加入网络成功开始判断信道空闲情况，当信道空闲时候，向协调器节点发送四路采集数据，并判断发送状态是否成功，直到发送成功，再次进行下一轮四路数据的采集。协调器节点等待响应判断是否有传感器数据发送，上位机接收串口数据，将数据存储到数据库中以供后续使用。

图19 终端节点发送数据流程

3.2 控制程序设计

控制程序设计主要功能为通过自动控制与人工控制保持温室大棚内的环境，使大棚环境始终保持适宜农作物生长的条件，控制程序流程如图20所示。控制程序中人工控制权限更高，可人为地自由调控改变环境因素，自动控制权限较低，上电后自动判断是否达到阈值，当温度过低时可控制升温器来提高大棚内温度，过高时可制冷或通过开窗通风等降低内部温度；当湿度过低时可控制加湿器增大大棚内环境湿度，过高时可打开风扇换气排湿等减少湿度；当光照强度过低时可以拉起大棚上面的遮光板或通过太阳光模拟器提高大棚内的光照强度，过高时可以放下大棚上面的遮光板降低大棚内的光照强度；当CO2浓度过低时可以通过人工控制增加CO2浓度，过高时可控制换气扇自动换气降低浓度。

图20 控制程序设计流程

3.3 数据采集程序设计

传感器终端节点I/O端口驱动程序流程如图21所示，系统初始化后接收微控制器发出的指令，收到指令后程序开始运行，通过终端节点利用4路传感器采集数据并上传，最终把数据打包发送至微控制器CC2530。

4路传感器分为电阻型与电容型两类传感器，其中温敏传感器与光敏传感器为电阻型传感器，湿敏传感器和气敏传感器为电容型传感器。在数据处理过程中，通过对电阻型测量电路与电容型测量电路分别采集数据。经过各项量程转换计算后可由液晶显示器将各项环境参数显示供使用者查阅，以便随时掌控温室大棚内的环境条件，一旦发现环境失衡，某项环境参数过高或过低达到阈值，可以通过人工调配或经由控制程序发出声光报警自行调配。

3.4 人机交互界面程序设计

人机交互界面设计主要将分析处理后的数据通过PC端更好地进行展示，让测试者能够更直观、方便、快捷地了解测试结果，通过自动调控与人工控制，对温室大棚内的环境进行调配控制。

上位机整体流程如图22所示。系统初始化后进行数据信息采集，利用传感器节点通过ZigBee网络传输至数据库内存储，通过C#语言重构BP神经网络训练后的模型，将采集到的原始传感器数据进行分析校

准并通过模型进行误差补偿，利用上位机将数据导出进行分析处理，通过人机交互界面把分析处理后的数据结果进行展示。

图21 传感器 I/O端口驱动流程

图22 上位机整体流程

人机交互界面程序设计主要为上位机数据显示程序与上位机控制程序两部分，上位机显示程序流程如图23所示，系统初始化后接受组网节点传输的传感器采集数据，将之存储至数据库后发送到上位机，显示界面如图24所示。再对数据进行判断，如某项数据超过阈值，则针对其过高或过低进行相应的调控，未超过阈值则返回记录下一组数据。

图23 上位机数据显示流程

上位机控制流程如图25所示，当微控制器收到数据后，首先判断数据类型，即数据属于哪类传感器进而判断数值是否达到阈值，若超过（低于或高于）阈值则发出报警指令，然后通过自动调控与人工控制的方法对温室大棚内的环境进行调配控制，从而使温室大棚内的环境适宜作物生长；若未超过阈值，则发送数据至数据库存储，在人机交互界面处显示大棚内的环境参数。

图24 上位机显示界面

图25 上位机控制程序流程

4 运行调试

系统整体功能调试分为硬件调试和软件调试两个方面，主要从ZigBee进行组网，采集并传输数据，利用软件和硬件对应的编译器的debug串口对原始数据调试查看，通过串口助手整体观察ZigBee协调器节点汇总的传感器数据，采用C#语言进行编程，利用C#控件的框架开发上位机接口并将采集的数据保存到数据库中，方便后期数据的处理和显示。

硬件部分调试利用开发软件IAR Embedded Workbench（简称IAR）进行调试，通过IAR的编译器和调试器对微处理器提供直观的界面。通过IAR进行二次开发CC2530协议栈，将协议栈程序经过调试下载到微控制器中，硬件调试如图26所示。打开协议栈工程文件，修改调用应用层的设计相关应用，编译好程序后通过debug下载器分别将程序下载到协调器节点和终端节点，重启系统后分别观察两种节点的LED灯，若两灯同时闪烁表示系统组网成功。将4种传感器节点对应的采集电路分别与ZigBee规划的I/O端口进行连接，重启节点后通过debug窗口观察到数据采集成功。

图26 硬件系统调试

软件部分调试通过协调器和终端节点形成一个简单的ZigBee网络。利用XCOM.V2.0查看ZigBee协调器节点上传的数据内容，使用Microsoft Visual Studio进行C#语言编程的开发，利用.NET Framework4.5.2中的Windows窗口应用程序框架进行上位机开发。

5 结论

本文介绍了智慧农业系统中以CC2530芯片为核心微控制器搭建多维传感器硬件测试系统，对多维传感器进行外界环境参数采集数据，利用WSN中ZigBee协议与.NET Framework4.5.2实现硬件系统与软件系统相结合，使用Microsoft Visual Studio进行C#语言编程的开发设计，人机交互界面将传回的数据分析处理后实时直观地展示给使用者。结果表明，系统实现支持多维传感器的采集、传输、分析处理、上位机显示和调控的功能。

致谢

本研究受黑龙江省农业多维传感器信息感知工程技术研究中心和黑龙江省微纳传感器件重点实验室支持，特此致谢。

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Design of smart agricultural system based on graphene-based multi-dimensional sensor

FAN Hao-nan，GOU Song-song，WAN Heng-zhi，SHI Wen-feng，SHI Jin-xin，MIAO Feng-juan＊

(College of Communication and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

The integrated multi-dimensional sensor based on graphene has designed a smart agricultural system, which can effectively monitor various environmental parameters during the growth and storage of agricultural products in real time. 555 timer builds a capacitance measurement circuit to test and collect the capacitance values of the humidity sensor and gas sensor, and then processes the data collected by the sensor through the wireless sensor network. The host computer software displays the real-time information of the sensor to the user by reading the database, and can also control the terminal node of the wireless transmission network by issuing instructions from the host computer. The system has potential scientific research value in smart agriculture and other aspects, and the materials used are cost-effective and have great economic and social value.

graphene-based multidimensional sensor；wireless sensor network；human-computer interaction；smart agriculture

TP212.1;TN492

A

1007-984X(2023)03-0046-09

2022-12-15

大学生创新创业项目计划（202210232136）；齐齐哈尔大学基本科研业务费项目（145209804）

樊昊男（2002-），男，山西人，本科，主要从事传感器和无线传感网络研究，2669581322@qq.com。

苗凤娟（1982-），女，黑龙江人，教授，博士，主要从事物联网技术研究，miaofengjuan@163.com。