基于WiFi的农业微环境

无线传感器系统设计

关键词：农业微环境; 监视系统; 无线传感器网络; WiFi模块

摘要. 温室网络微环境监测系统的实现基于农业温室微环境，并结合无线传感器网络技术。信息由前端系统中的传感器接收，包括温度，湿度，光线和二氧化碳等参数。传感器信号采集和A / D转换由处理器模块控制，处理器模块也是WiFi无线模块的控制器。系统设计采用无线路由器中继通信方式扩大监控范围。终端节点与监控中心之间的通信以及数据采集，处理，传输，显示等一系列过程全部由软件控制。该系统具有联网快捷，运行稳定，扩展性好，功耗低等优点，可以满足微环境测控系统的需求。

引言

中国是一个典型的农业国和世界上人口最多的国家，如何提高农产品的产量是农业研究人员必须考虑的课题。随着物联网的发展，利用传感器技术，自动监测技术，通信技术和PC等手段可以对温度，湿度，光照，二氧化碳浓度等影响作物生长的农业生长环境进行智能监测和控制。

但对于处于开放状态的户外农业环境，湿度参数可以通过喷水来控制。但温度，光照，二氧化碳浓度参数只能进行测试。相比之下，温室农业等环境相对封闭，这些环境监测的信息可以实现。根据传统的温室信息采集系统的结构和特点，鉴于其安装维护和调整难度较大的问题，选择嵌入式WiFi技术来设计基于无线技术的无线温室环境信息采集监测系统是一种非常理想的方法。

基于无线传感器网络的温室环境监测系统的实现将大大减少系统的网络布线工作，节省空间，降低成本。同时节点设置方便，不受时间和空间的限制，可根据现场情况进行移动，避免了扭绞的麻烦。

本文基于农业微观环境与无线传感器网络技术相结合，实现了温室环境监测系统的网络化。系统硬件由无线传感器，处理器模块，无线传输模块和监控中心组成，可以完成信息采集和分析，制作信息传输通道。系统软件主要完成对数据采集终端，WiFi模块和通讯监控中心等功能的设置和控制。

系统组成

该系统主要由多个数据终端节点和服务器监控中心组成。 数据采集终端（见图1）包括传感器检测单元，信号调理电路，处理器模块，无线通信模块和电源模块。监控中心（见图2）主要由无线路由器和PC软件接口组成。

图1. 数据采集终端

图2. 监控中心

农业室内微环境的四个重要参数分别由温度，湿度，二氧化碳和光传感器四种传感器，在前端采集信号。传感器信号通过信号调节电路转换为电压信号。每个传感器采集到的信号和A / D转换由基于ARM-STM32F107芯片的处理器模块控制，该芯片还控制WiFi无线模块发送数据。 数据采集终端安装在监控现场，采集到的数据通过无线路由器传送到监控中心PC服务器接口。监控中心服务器软件，可以控制无线路由接收远程数据，并实现数据接收，存储，参数，数据分析等功能。

系统硬件设计

信号调理电路. 信号调理电路包括信号滤波放大和标准化处理电路，使输出更加准确便利后续处理。系统温度传感器是Pt1000分度的铂电阻; 用于湿度测量的湿度电容是聚酰亚胺材料; MG811型二氧化碳传感器采用固体电解质，对温度和湿度影响不大，具有良好的灵敏度和选择性。光传感器型号为BH1750FVI，数字式，具有低功耗，高灵敏度，性能稳定，低噪声等特点，并支持I2C总线接口和1.8V逻辑输入接口。

WiFi模块.WiFi模块需要使用CONNECTONE生产的超小型无线安全Nano WiReach模型来实现与主机的网络管理功能和数据通信。该模块是嵌入式无线以太网设备服务器，嵌入式设备可轻松访问802.11b / g无线局域网。该模块包含一个iChip CO2144通信控制器芯片和一个Marvell 88W8686 WiFi RF芯片组。无需在主处理器上进行任何更改，便可在嵌入式设备上轻松访问WiFi连接。

监控系统电源电路设计.本系统外部输入电压为DC 12V，由于温湿度传感器工作电压为5V，二氧化碳传感器工作电压为6V，光传感器工作电压为2.4〜3.6V，处理器模块和WiFi模块工作电压为3.3V，所以 系统电源模块需要提供以上几种直流电压。系统采用多级降压方式提供各种电压。考虑到功耗问题，12V电压首先降压到5V和6V，然后6V转换到3.3V。使用5V电压的LM2596。3.3V电源选用NI公司的SM1117芯片，前端6V电压选用7806，因为其精度和输出电流均能满足要求。

系统的软件设计

在该系统中，软件控制终端节点和监控中心的通信，以及数据采集，处理，传输和显示的一系列过程。 系统软件可分为两部分：现场数据采集终端软件和远程监控中心服务器软件。

数据采集终端程序. 数据采集终端主要实现现场数据采集和数据无线传输功能。 软件部分主要是MCU编程，它负责控制数据采集终端各部分的操作。总体流程图如图3所示。上电后，硬件首先与每个模块初始化并打开全局中断，然后处理器模块控制Wi-Fi模块的启动，搜索并连接到网络。当连接成功时，处理器模块将收集现场数据并实时发送。整个程序涉及多个模块操作，如UART串行程序设计，AD转换器程序设计，I2C总线程序设计等。

图3.数据采集程序终端的流程图

监控中心的软件设计. 监控中心软件是一个人机界面，涉及三部分：通信，数据显示和数据库。流程图如图4所示。一方面软件可以通过Wi-Fi模块与现场采集终端进行双向通信; 另一方面它为用户提供了一个可视界面，使操作员能够通过软件实时了解监控区域内所有终端节点的当前运行状态和历史记录等数据信息。该系统使用Microsoft Visual Studio开发平台进行编程设计; 采用MFC消息响应; 使用C 语言编写监控界面，并将实时数据绘制成动态曲线。如图5所示。数据库单元模块主要实现实时数据存储和查询历史数据，删除，图形显示，打印等功能。

图4 PC软件程序终端流程图

图5 PC软件界面

系统采用TCP点对点的方式进行通信，需要在终端节点和监控中心之间建立连接。首先，监控中心需要设置IP地址和端口号，然后监控终端节点。处理器模块还需要设置应用力学和材料卷。 将本地IP地址，端口号和监控中心IP地址的一些参数传输到Wi-Fi模块。 每当连接终端节点和监控中心时，监控中心都会显示。 监视器可以选择监视中心接口上的任何模块数据进行监视，分析，记录等。

处理器模块发送AT命令来控制Wi-Fi模块。表1显示了AT指令的一部分。每个已成功发送的AT命令都会返回信息，并使用中断接收数据。根据Wi-Fi模块返回的信息，可以判断操作是否成功，是否进行下一步或发送数据功能等。该系统使用标准AT命令集的扩展AT i命令。

表1 AT指令的一部分

基于星型拓扑的通信协议设计

系统启动后，处理器模块将控制Wi-Fi模块，使每个节点快速自动形成星形拓扑形式的独立网络。节点通过TCP套接字形式的无线路由器与PC进行通信。无线路由器和Wi-Fi模块以及主机需要配置相同网段的IP地址和相同的端口号。

每个终端节点接收监控终端发送的命令并进行分析。当终端节点的地址信息与该命令中的一个匹配时，终端节点将响应该命令，然后执行指令后收到的数据信息将通过无线通信模块返回给中心节点。PC通过监控软件实时显示适当的监控信息。

监控系统测试和结果分析

监测系统涉及四个环境参数，分别是温度，湿度，二氧化碳和光照强度。每个传感器电路的校准和验证分别进行了实验。根据测量的数据曲线绘制了多次采样的平均分析。实时监控系统图如图6所示。每分钟获取一次测量值。通过数据和曲线我们可以看到，温度探测器的总体误差范围为0.5，水分探测器最大误差小于3％RH。且曲线与实际吻合良好，达到设计要求，实验数据能够满足设计目标数据，关系图如图7所示。

图6监控系统测试曲线

图7 a）温度测量曲线b）湿度测量曲线c）CO2测量曲线d）光强度测量曲线。

小结

本文将无线传感器网络应用于农业微环境监测，并且整个网络建设不需要任何默认的网络设施，网络平台快速简单，稳定性好，扩展性好，功耗低等优点，可以满足农业微环境控制系统需求。这对于实现温室智能测控管理和创造最佳效益农业具有积极的作用。为了扩大监测范围，系统可以使用无线路由器中继通信。由于无线传感器网络具有构建便捷灵活配置网络的优点，因此该系统的设计具有一定的通用性，可广泛应用于其他数据采集和监测系统，具有广阔的应用前景。

致谢

这项工作得到了黑龙江省教育厅科技攻关项目，基于气象环境参数（11541047）的片上MEMS微系统研究的资助。

基于nRF905的无线温湿度

控制系统的设计与实现

摘要 本文介绍一种低温无线温湿度检测系统，基于AT90S2313单片机提出了高性能，低功耗的消费类电子产品，微型计算机（MCU），nRF905无线射频（RF）模块和DHT11

温湿度检测模块。该系统由两个模块组成：发送模块和温湿度采集接收模块。发送模块由温湿度采集模块，AT90S2313单片机和nRF905无线射频模块构成，接收模块包括AT90S2313单片机和nRF905无线射频模块。该系统可广泛应用于温湿度监测等工业和农业领域，对人类的生活和实际生产具有重要意义。

关键词：无线通信;温湿度采集;nRF905˗DHT11

引言. 如今，温度和湿度的实时监测在工业，农业等诸多领域发挥着至关重要的作用。 然而，传统的有线检测方式灵活性较差，在应用上受到很大限制。 随着无线通信系统的快速发展，有线传输在许多领域逐渐被无线传输所取代。本文设计的基于单片机控制的无线温湿度控制系统，不仅可以省去设备之间的物理连接，而且降低了成本和功耗，可以大大提高温度和湿度控制便利性。

系统架构.无线温湿度控制系统的设计由温湿度数据采集发送部分和接收部分两部分组成，系统结构框图如图1所示。DHT11采集的温湿度信号由nRF905，由AT90S2313 MCU控制。当DHT11收集到上述信号时，它将把信号发送给MCU。然后，接收到的数据将在MCU控

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