论文总字数：14886字

目 录

1. 绪论 1

1.1. 引言 1

1.2. 物联网应用于农业的意义 1

1.3. 农业物联网的国内外进展 2

2. 农作物生长环境监测装置主要器件及控制算法介绍 3

2.1. 主控制器 3

2.2. 土壤湿度传感器 4

2.3. 土壤温度传感器 4

2.4. CO2浓度传感器 4

2.5. 光照强度传感器 4

2.6. 蓝牙 5

2.7. GPRS 5

2.8. PID算法 5

3. 农作物生长环境监测装置系统架构 6

3.1. 物联网技术体系架构 6

3.2. 本系统体系架构 7

3.2.1. 感知层 8

3.2.2. 网络层 8

3.2.3. 应用层 8

4. 农作物生长环境监测装置系统功能 9

4.1. 人机交互子系统 9

4.2. 数据采集子系统 10

4.3. 数据处理子系统 10

4.4. 执行控制子系统 10

5. 农作物生长环境监测装置数据分析 11

5.1. 农作物生长环境监测数据分析 11

5.2. 农作物生长环境调节数据分析 14

6. 总结及展望 15

6.1. 全文总结 15

6.2. 研究展望 15

附录 17

参考文献 18

致谢 19

基于物联网技术的农作物生长环境监测装置

张帅

, China

Abstract: This device is intended to apply the Internet of things technology in the field of agricultural automation,especially the crop growing environment monitoring and adjusting.By installing the soil moisture,soil temperature,CO2 concentration and light intensity sensor, real-time monitoring of the environment for the growth of crops.Through real-time acquisition growth environmental elements and pre-made ideal growing conditions, comparing the meteorological condition and then start smart actuators such as: water pump, heating tablets, axial flow fan, and high power leds to adjust the environment for the growth of crops, implement the fine control of agricultural environment.Lead to the growth of real-time acquisition environment factors and set up in advance the growth of environmental monitoring, comparing the threshold for alarm prompt.

Keywords:the Internet of things;monitoring;growing environment

绪论

引言

由于国内外信息产业的不断完善与成熟，物联网（Internet of Things，IOT）及其衍生出的相关技术也逐渐进入到了大众视野中来。所谓物联网技术，是指利用信息感知设备，如传感器、RFID设备、无线通信设备等，对相关物体或过程的声、光、热、电等多方面信息进行采集，并将其与现有网络相结合并扩展为更大规模网络的一种技术。发展物联网技术的目的在于更好的完成物与物、物与人和人与人之间的信息交流，利用感知设备通过遵循相关协议采集相关信息，并对采集到的数据进行实时处理，从而完成智能化应用的功能。

20世纪末，在一次举办于美国的IT技术会议中，第一次提出物联网的概念。它是由麻省理工学院Auto-ID 中心的Ashton教授在研究RFID技术时最早提出来的^[1]。Ashton教授研发了一种结合互联网技术、射频识别技术以及编码技术的技术手段，目的在于建成一个可实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”，简称物联网。2008年，温总理前往中国科学院在无锡的物联网技术研究中心进行参观时，对物联网技术做出了一系列看法和要求，并实施“感知中国”计划。自此之后，物联网技术便被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，并被正式写入“政府工作报告”^[2]。物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮^[3]。自物联网技术被引入我国以来，已经受到我国全社会广泛的关注，且所被给予的重视水平是其在欧美发达国家及其他地区所不可相提并论的。

物联网应用于农业的意义

近年来，一种以物联网技术为基础的农业形式逐渐发展起来，这就是智慧农业。它和电脑农业、精准农业和数字农业三者同属农业信息化的技术领域，是现代高新技术成熟到一定水平后与传统农业相融合并升华后的产物^[4]。智慧农业是指赋予农业以高效与集约的基本特征，而且在农业产业链的每个重要部分之中，将信息技术、理论知识和现代高新产业紧密融合在一起，充分表现出在农业生产与经营调控过程中信息获取与应用所扮演的极其关键的角色。在智慧农业的大环境下，信息产业将成为十分关键的投资主体，从而可以大幅提高物质投入与能量产出的比率。在加速完成传统农业转型完善的过程中，农业的物联网普及程度必将成为现代农业的关键要素和明显特征，为提高农业信息化速度，增强农业综合竞争力起到革命性的作用。智慧农业是一个新兴产业，它是现代高新技术催生出来的新的农业形态，通过大力开发智慧农业，不仅可以使得现代信息技术得到充分应用，同时也可以最大程度地将人类的智慧转化为先进生产力。通过将信息要素融入到农业领域当中，信息产业便成为发展农业经济增长的主要动力，使产业的发展方式从基本依靠不可再生资源向主体依靠信息和知识产业发生转变，所以智慧农业也注定成为可循环经济时代农业发展形式的抉择，满足人类可持续发展的共同心愿。

物联网对于农业的影响主要体现在物联网技术推动了农业信息化和智能化发展。通过利用多种感应芯片和传感设备，大范围的接收自然环境中的各种属性信息，之后采用有线、无线和互联网来完成国家监管机关的工作人员、农民、农业科学工作者之间的“人与人”的互联，从而发展为土、肥、水、气和农产品之间的“人与物”相互关联，以及农业机械化和温室大棚智能调控等过程中的“物与物”相互关联，并实现实时监测、相互连通和高度智能化。另外，采用物联网技术之后还可以将农业精细化生产水平快速发展。在农业领域的各个部分当中，利用传感器技术完成农作物生长环境信息的实时提取和通过自组织农业物联网对环境信息进行远程通信。通过物联网技术监控农业生产环境参数，如土壤温湿度、土壤酸碱度、土壤肥力、气压等，不仅可为农作物大田生产和温室培育的精准调节和控制提供科学依据，优化农作物生长环境，还可以获得农作物生长的最佳条件，提高农作物的产量以及品质，另外，在水利资源、化肥等农业投入品的利用率和产出率方面也会得到大幅提升。

农业物联网的国内外进展

随着物联网技术在国外农业领域中大范围地被采用，关于技术研发、体系标准、产业应用等方面的研究也在不断深入当中，并基本形成了较为系统的农业物联网应用体系^[5]。

目前，美国大农场已成为农业物联网技术应用的引领者，在高度发达的农业网络体系基础上，全程全网化的精准农业模式基本形成，变量施肥喷药、杂草自动识别技术、大型喷灌机的精准控制技术等已开始规模化、产业化应用^[6]。近几年，美国在农业信息化领域又有了新的突破，实现了在谷物联合收割机、喷雾机、播种机等农业装备上使用GPS系统、CORS(continuously operating reference stations)基站、RTK（real-time kinematic）等高新技术，使得大型智能农用机械可以自动驾驶、精密播种、农药喷施导航，特别是对于圆形喷灌无法覆盖的农田四角区域，通过将接收机安装在喷灌机上，使其可以对喷灌机最外一段水管的收回与释放时机进行精确设定，从而可以覆盖包括农田四角在内的任意区域，提高了土地利用率^[7]。这些高新技术的应用大大推动了农机物联网的发展进程，目前美国已有三成左右的农户使用了装有GPS的农业机械设备。在病虫害防控方面，美国农场利用传感器、红外摄像头等检测设备实时监控农场中害虫的数量并进行智能控制，当农场内的害虫数量超过警戒值时，设备会发出警告，并利用安装在农场内部的另一个装置进行信息素的自动喷洒来干扰昆虫的交配，从而达到控制虫害的效果。

以色列通过建设农业物联网科技创新服务体系，极大地促进了农业物联网技术的研发、推广和应用。以色列组成了一整套由国家监管部门、科研单位和农业生产人员相互配合的产业研究和发展系统，用以支撑农业物联网技术的全方位发展^[8，9]。以色列节水灌溉物联网发展十分迅速，通过合理地利用传感器传回的土壤数据，使得大量农田的灌溉任务仅由少数农民通过智能设备便可控制，不仅节约了宝贵的水资源，而且减少了在人力上所花费的成本。以色列在原有滴灌技术基础上，创造性的提出并实现了深埋式滴灌技术，即将输水管深埋在深度为40~60cm的地表以下，此方式可最大限度地保证地面为干燥状态，使得浇灌时不会对田间正常作业产生负面作用。在这种深埋式浇灌方法中，以色列采用了一款称作塔普兰的新材料，它可以保护滴头以防止周围作物根须生长所带来的影响，从而避免滴灌装置被作物根部所刺穿。当注水阀门关掉后，操作随即完成，这时滴灌装置的充气阀门便会开启，使整个气管内部充入空气，用来避免外界的沙尘被充入滴灌头中^[10]。

目前，国内大部分的农业物联网信息技术在农业信息化基地逐渐开始投入使用，但大部分仍然处于试验阶段，产品的安全性、稳定性等与欧美发达国家的差别十分明显。

2009年，卜天然等人将传感器应用在空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度以及土壤pH值等检测中，研究其对农作物生长所带来的影响^[11]；张晓东等人将传感器技术、RFID技术以及多光谱图像等技术运用在农作物生长信息检测方面^[12]；何龙等人在杭州实现了基于无线传感网络的葡萄栽培实时监控功能^[13]；高军等人将ZigBee 技术和GPRS技术组合在一起，并研制出节水浇灌控制装置^[14]；杨婷等人基于WIFI技术，实现了基于WiFi技术的自动控制滴灌系统^[15]。

农作物生长环境监测装置主要器件及控制算法介绍

主控制器

本系统主控制器（本文中数据处理器、数据采集器和执行控制器统称为主控制器）采用意法半导体公司（ST Microelectronics）研发，基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器STM32。其依托意法半导体自身强大的科研水平，迅猛地抢占了国外内高级微控制器的绝大部分使用领域，并以其出色的性能、丰富的外设、稳定的供应以及低廉的价格等优点使其长期保持优势地位。另外，因其具有较高性价比和丰富的网络资源，STM32微控制器在高校学生群体中也有众多的使用者。

根据系统设计的要求，采用STM32F103系列大容量产品STM32F103ZET6微控制器。微控制器工作频率最高可设置为72MHz，极大地提高了运算速度；内部自带512K字节的ROM和64K字节的SRAM；内嵌3组12位ADC（模数转换器），多达21个输入通道，转换时间最快可高达1us；内部集成DMA（直接存储器存取）功能，可以用来提供外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速信息传输，不需要中央处理器进行调度，信息便可以从DMA迅速地移动，大大提高了CPU的工作效率；多达112个I/O端口，可以满足较大规模的系统设计；多达4个16位定时器，且每个定时器可以输出4路PWM（脉冲宽度调制），用于电机控制；多达5个USART接口，满足多机通信需求；自带并行LCD接口，兼容8080/6800模式，便于驱动LCD。

土壤湿度传感器

本系统采用基于FDR原理的SMS-II型土壤湿度传感器对土壤水分含量进行监测。该传感器量程为0~100%，输出0~2V的线性电压信号；采用绿色阻燃环氧树脂固化，真空灌封，防护等级达到IP68，可整体浸泡在水中使用；探头采用优质材料，可经受长期电解与土壤的酸碱腐蚀。该传感器在节水灌溉、植物培养、污水处理、粮食仓储以及颗粒物含水量等方面有着广泛的应用。

土壤温度传感器

本系统采用由美国达拉斯半导体公司(Dallas Semiconductor Inc.)研发的DS18B20数字温度传感器。这款传感器的最小可检测温度可达0.00625℃，内部集成一个可重复烧写的非易失性FLASH，且包含过温发送警报的功能，此外，该传感器的测温范围极为广泛，从-55℃至 125℃均可检测，而且其所测量温度在-10℃以下或者在85℃以上时仍可保证±0.5℃的测温精度。这款温度传感器采用单总线通信方式，与传统的热敏电阻等温度传感器相比，仅采用一根数据线便可以实现与微控制器进行双向通信。每片温度传感器都有其特定的64位序列号，所以一根单总线上可同时连接多个温度传感器设备，因此，在一个分布式的大环境里可以通过一个微控制器控制多个温度传感器进行温度测量。

CO2浓度传感器

本系统所应用的CO2浓度传感器是是基于固态电解质电池原理制成MG811型CO2检测传感器。MG811对CO2气体具有良好的感应能力和区分能力，检测效果受温度与湿度改变的而产生的漂移很小。其在空气质量控制系统、发酵过程控制和温室CO2浓度检测等方面具有得天独厚的优势和广阔的应用前景。

光照强度传感器

本系统采用罗姆半导体集团(ROHM Semiconductor)生产的BH1750FVI数字型光强度传感器。BH1750FVI是一款采用两线式IIC接口的传感器，通过它较宽的测量范围以及测量灵敏度可以探测较大范围的光照变化，可以检测较宽范围的光强变化（1lx-65535lx）。芯片内部集成IIC接口，保证数据传输速度与质量。由于输出为数字量，因此，BH1750FVI具有较强的抗干扰性。BH1750FVI在移动电话、液晶电视、笔记本电脑、汽车定位系统和液晶屏幕等众多领域都得到了普遍的使用。

蓝牙

在本系统中，数据处理器与执行控制器和数据采集器之间采用蓝牙技术进行数据传输。1994年，蓝牙无线技术由通信技术界领袖爱立信公司所创制，当时是作为串口总线传输方式的替代方案。至1998年2月，世界5家顶尖半导体和通讯公司共同研发出一种可应用于全球范围的短距离无线通信手段，这就是当下我们所使用的蓝牙技术。目前，蓝牙技术由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称SIG）维护与监管。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：14886字

相关图片展示：