互联网+现代农业系列研发土壤温湿度及含水率监测系统
随着现代网络技术的高速发展，智能化已经遍布于各行各业，因此现代农业系统与智能技术的结合成为了大势所趋。在农业生产中，土壤温湿度与含水率是影响作物生长的三个重要物理量，因此对于温度和湿度的采集是农业系统中必不可少的。要改善环境监测，必须设计一个准确、高效的监测系统[1]。本系统设计实现基于CC2530芯片的无线传感网络系统，该系统采用ZigBee无线传输技术进行数据的收发，采用DS18B20数字传感器来进行温度的采集，采用YL-69进行土壤湿度的采集，通过ST7735S TFT显示屏实时显示温度，实现下位机与上位机实时通信，显示土壤温湿度及含水率的功能。本系统可以实现低成本、低功耗，与传统监测系统相比优势明显。关键词 温湿度、含水率检测，ZigBee技术，数字温度传感器DS18B20
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展现状 1
2 主要技术介绍 2
2.1 无线传感器网络 2
2.2 ZigBee技术 3
3 系统总方案概述 6
3.1 系统硬件设计概述 7
3.2 系统软件设计概述 7
图3.4 终端节点软件流程图 9
4 系统硬件设计介绍 9
4.1 CC2530芯片介绍 9
4.2 温度传感器DS18B20介绍 12
4.3 土壤湿度传感器YL69 15
5 系统软件设计介绍 16
5.1 系统开发软件平台 16
5.2 系统具体的工作流程 17
6 系统测试 19
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 26
1 引言
1.1 研究背景
随着现代社会的高速发展，无线传感网络技术已经逐渐渗透于我们生活的方方面面，如军事、交通管理、医疗卫生、灾害预测、制造业等等领域，而现代农业生产正是其运用的一个重要领域。
我国是一个人口大国，有着十几亿的人口，而粮食使我们赖以生存的基础，尤其是对于我们这样的人口大国来说 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
，只有有了充足的粮食，满足人们的温饱问题，才能谈进一步的发展。而土壤的温度、湿度及含水率对于粮食的种植有着重要的影响。如果土壤的温度太高或者太低都可能影响植物粮食的生长，会导致作物减产甚至死亡，而土壤的含水率对于粮食的生长来说更是重中之重，土壤水分过高会造成洪涝等灾害，水分过低又有可能造成干旱，都会使粮食的收成大大减少，从而影响人们的温饱，甚至影响到国家的发展。如此可见，使粮食作物生长在一个良好的环境中，有着合适的土壤温度湿度及含水率是一个必须要解决的问题。
在很久以前，人们都是由人工对土壤的状况进行监测，如利用温度计、湿度表等，这种办法虽然也可以达到测量监控的目的，但是测量的精度不高而且需要花费大量的人力物力，工作效率低下。而随着网络的发展，出现了一些有线监控系统，这样的农业监测系统造价比较昂贵，体积比较庞大，并且在布置系统的时候往往需要在监测区域布线，这样就给监控带来了一定难度。比如在一些山区、丘陵等地区布线就会十分困难，即使布好了线，也极易被破坏[2]。针对这种情况，本课题的目的就是设计一个无需布线、高效率、低成本、低功耗的无线温湿度及含水率监控系统。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
国外对于温湿度检测的研究开始的比较早，从1821年开始德国的一名物理学家发明了传感器，而温度传感器是最早被开发出来的一类传感器。随着需求的不断增加，一些不同功能的传感器也不断地被研发出来，一些参数的测量如形变、位移、温度、湿度等都可以用传感器来进行准确的测量[3]。近期各个国家都在研究可以被计算机控制的温湿度监测系统，其主要特点为效率高、节省人工、测量精度高，运行的稳定性好，温湿度的监控正在朝着智能化、精准稳定化的方向发展[4]。
1.2.2 国内发展现状
我国对于温湿度的研究起步比较晚，初期，我国参考了国外的相关技术，使用温湿度微机控制测量技术，这种技术对于环境的要求比较高，只能测量单一环境的温湿度，无法测量复杂的环境。随着我国技术的不断改进与发展，现在我国多使用单片机来实现，但是其功能还是相对来书比较单一，相关技术还在不断的发展中，日益趋向成熟。
2 主要技术介绍
2.1 无线传感器网络
无线传感器网络（WSN,Wireless Sensor Networks）是一种智能监控网络，它需要有大量的具有通信和计算能力的微型传感器节点分布在需要监控的地区，根据监控地区的环境情况自主完成监控任务。它是一个多跳的自组织网络，通过无线的方式进行数据的传送，它包括了传感器技术、嵌入式计算机技术、网络通信技术、分布式信息处理技术、和无线通信技术等等，是当前很热门的一个研究领域[5]。它可以通过各种微型处理器对相应的参量进行实时监测，并采集相关信息，通过信息处理单元对信息进行处理，通过无线通信单元将采集到的信息传给终端用户[6]。
传统传感器网络需要布线，在一些布线不方便的地方，无线传感器网络就显现了其优势所在，并且，无线传感器网络更加安全，避免了有线网络中因导线等连接器损坏而引起的故障。采用无线传感器网络可以有效忽视地形造成的影响，使监测更加有效全面。无线传感器网络节点数多，网络密度高，可以通过网络中的大量冗余节点协同工作来提高系统的工作效率与工作质量；其次，无线传感器网络采用分布式的拓扑结构，所有的节点地位平等，通过分布式协议协调各个节点完成工作，节点可以随时离开或进入网络，而不会干扰系统的正常运行，具有很好的抗干扰性与抗毁性；最重要的是无线传感器网络具有自组织特性，它可以在无人干预和没有其他网络基础设施支持的情况下自动组网，自动进行配置和管理并且选择合适的路由协议完成数据的传输[4]。因此，无线传感器网络在许多领域如防范大型灾难、太空探索、物流管理、农业系统、医疗系统等都有很好的应用前景[7]。
无线传感器网络有三个要素：传感器，感知对象，观察者
观察者就是无线传感器网络的使用用户，把需要测量的信息告诉传感器节点，传感器节点发现需要测量的对象之后，对相应的地点进行侦察、测量和采集目标的相关信息并且对采集到的数据进行处理，之后将信息传输给观察者。观察者可以通过手机、PC机等上位机来接受传感器传输的信息，观察所获得的信息，分析信息是否准确，并对其做出相关的处理。
感知对象既传感器需要测量的信息，如温度、湿度、气压、摩擦力等等。
传感器就是一些温湿度传感器、红外探测传感器、气体传感器等等，负责采集需探测区域的相关信息，并且对信息进行存储管理，之后发给网关节点。网关节点也就是汇聚节点，它的处理能力、存储能力及通信能力都比较强。网关节点负责传感器网络与外部网络的连接，通过网关节点，传感器节点可以与其他节点或网络进行通信，而且网关节点也可将传感器节点采集的数据进行处理后发布到互联网上或是移动通信网络上。传感器节点与网关节点之间要进行通信都是采用了无线通信的方式。目前，无线传感器网络的无线通信方式可以采用的主要有ZigBee、蓝牙、WiFi和红外技术等。
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展现状 1
2 主要技术介绍 2
2.1 无线传感器网络 2
2.2 ZigBee技术 3
3 系统总方案概述 6
3.1 系统硬件设计概述 7
3.2 系统软件设计概述 7
图3.4 终端节点软件流程图 9
4 系统硬件设计介绍 9
4.1 CC2530芯片介绍 9
4.2 温度传感器DS18B20介绍 12
4.3 土壤湿度传感器YL69 15
5 系统软件设计介绍 16
5.1 系统开发软件平台 16
5.2 系统具体的工作流程 17
6 系统测试 19
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 26
1 引言
1.1 研究背景
随着现代社会的高速发展，无线传感网络技术已经逐渐渗透于我们生活的方方面面，如军事、交通管理、医疗卫生、灾害预测、制造业等等领域，而现代农业生产正是其运用的一个重要领域。
我国是一个人口大国，有着十几亿的人口，而粮食使我们赖以生存的基础，尤其是对于我们这样的人口大国来说 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
，只有有了充足的粮食，满足人们的温饱问题，才能谈进一步的发展。而土壤的温度、湿度及含水率对于粮食的种植有着重要的影响。如果土壤的温度太高或者太低都可能影响植物粮食的生长，会导致作物减产甚至死亡，而土壤的含水率对于粮食的生长来说更是重中之重，土壤水分过高会造成洪涝等灾害，水分过低又有可能造成干旱，都会使粮食的收成大大减少，从而影响人们的温饱，甚至影响到国家的发展。如此可见，使粮食作物生长在一个良好的环境中，有着合适的土壤温度湿度及含水率是一个必须要解决的问题。
在很久以前，人们都是由人工对土壤的状况进行监测，如利用温度计、湿度表等，这种办法虽然也可以达到测量监控的目的，但是测量的精度不高而且需要花费大量的人力物力，工作效率低下。而随着网络的发展，出现了一些有线监控系统，这样的农业监测系统造价比较昂贵，体积比较庞大，并且在布置系统的时候往往需要在监测区域布线，这样就给监控带来了一定难度。比如在一些山区、丘陵等地区布线就会十分困难，即使布好了线，也极易被破坏[2]。针对这种情况，本课题的目的就是设计一个无需布线、高效率、低成本、低功耗的无线温湿度及含水率监控系统。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
国外对于温湿度检测的研究开始的比较早，从1821年开始德国的一名物理学家发明了传感器，而温度传感器是最早被开发出来的一类传感器。随着需求的不断增加，一些不同功能的传感器也不断地被研发出来，一些参数的测量如形变、位移、温度、湿度等都可以用传感器来进行准确的测量[3]。近期各个国家都在研究可以被计算机控制的温湿度监测系统，其主要特点为效率高、节省人工、测量精度高，运行的稳定性好，温湿度的监控正在朝着智能化、精准稳定化的方向发展[4]。
1.2.2 国内发展现状
我国对于温湿度的研究起步比较晚，初期，我国参考了国外的相关技术，使用温湿度微机控制测量技术，这种技术对于环境的要求比较高，只能测量单一环境的温湿度，无法测量复杂的环境。随着我国技术的不断改进与发展，现在我国多使用单片机来实现，但是其功能还是相对来书比较单一，相关技术还在不断的发展中，日益趋向成熟。
2 主要技术介绍
2.1 无线传感器网络
无线传感器网络（WSN,Wireless Sensor Networks）是一种智能监控网络，它需要有大量的具有通信和计算能力的微型传感器节点分布在需要监控的地区，根据监控地区的环境情况自主完成监控任务。它是一个多跳的自组织网络，通过无线的方式进行数据的传送，它包括了传感器技术、嵌入式计算机技术、网络通信技术、分布式信息处理技术、和无线通信技术等等，是当前很热门的一个研究领域[5]。它可以通过各种微型处理器对相应的参量进行实时监测，并采集相关信息，通过信息处理单元对信息进行处理，通过无线通信单元将采集到的信息传给终端用户[6]。
传统传感器网络需要布线，在一些布线不方便的地方，无线传感器网络就显现了其优势所在，并且，无线传感器网络更加安全，避免了有线网络中因导线等连接器损坏而引起的故障。采用无线传感器网络可以有效忽视地形造成的影响，使监测更加有效全面。无线传感器网络节点数多，网络密度高，可以通过网络中的大量冗余节点协同工作来提高系统的工作效率与工作质量；其次，无线传感器网络采用分布式的拓扑结构，所有的节点地位平等，通过分布式协议协调各个节点完成工作，节点可以随时离开或进入网络，而不会干扰系统的正常运行，具有很好的抗干扰性与抗毁性；最重要的是无线传感器网络具有自组织特性，它可以在无人干预和没有其他网络基础设施支持的情况下自动组网，自动进行配置和管理并且选择合适的路由协议完成数据的传输[4]。因此，无线传感器网络在许多领域如防范大型灾难、太空探索、物流管理、农业系统、医疗系统等都有很好的应用前景[7]。
无线传感器网络有三个要素：传感器，感知对象，观察者
观察者就是无线传感器网络的使用用户，把需要测量的信息告诉传感器节点，传感器节点发现需要测量的对象之后，对相应的地点进行侦察、测量和采集目标的相关信息并且对采集到的数据进行处理，之后将信息传输给观察者。观察者可以通过手机、PC机等上位机来接受传感器传输的信息，观察所获得的信息，分析信息是否准确，并对其做出相关的处理。
感知对象既传感器需要测量的信息，如温度、湿度、气压、摩擦力等等。
传感器就是一些温湿度传感器、红外探测传感器、气体传感器等等，负责采集需探测区域的相关信息，并且对信息进行存储管理，之后发给网关节点。网关节点也就是汇聚节点，它的处理能力、存储能力及通信能力都比较强。网关节点负责传感器网络与外部网络的连接，通过网关节点，传感器节点可以与其他节点或网络进行通信，而且网关节点也可将传感器节点采集的数据进行处理后发布到互联网上或是移动通信网络上。传感器节点与网关节点之间要进行通信都是采用了无线通信的方式。目前，无线传感器网络的无线通信方式可以采用的主要有ZigBee、蓝牙、WiFi和红外技术等。
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