11年挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统.docx

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11年挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统

第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛

作品申报书

作品名称：

基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统

类别：

■科技发明制作B类

基于无线传感器网络橘园种植信息监测系统

摘要：

本设计为一个基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统，克服了现有橘园环境监测系统和方法存在的监测困难、监测范围有限的问题，提供一种设计合理、成本低、布网方便并且使用简单、智能化程度高的适合于橘园大范围实时监测的方法，适用于山地、平地和温室柑橘园，有利于实现柑橘园管理的规范化和模式化。

关键词：

无线传感器；网络节点；橘园监测

目前果园监测技术按照果园信息获取的方法不同，主要有两大类：

一类是比较原始的监测方法，靠人员到达现场进行人力监测；另一类是采用有线方法进行监测，需要进行网络布线，不适合监测区域分散性大或者不易布线的场合。

无线传感器网络是一种新型的信息获取技术，由散布在工作区域中大量的体积小，成本低，具有无线通信、传感和数据处理能力的传感器节点组成。

现在传统果园都没法准确监测橘树虫害情况（虫害种类、数量等），为了精确反映橘树的生长状况，在橘树上的各个方位会装上捕虫瓶，实现橘树害虫发生情况的统计，为橘园的管理和防治害虫提供信息保证。

本项目设计了一种适合于橘园大范围实时监测的基于无线传感器网络的橘园种植信息监测系统。

一、系统的结构与功能

本系统包括农情信息监测仪、虫害监测仪、网关、GPRS、远程数据库服务器和与服务器相接的客户端计算机。

如图1无线传感器网络原理示意图。

随机部署在橘园各处土壤的多组农情信息监测仪包含有土壤温度传感器、土壤含水量传感器、土壤电导率传感器、空气温度传感器，空气湿度传感器、光照传感器、风速传感器、风向传感器和降雨量传感器。

部署在橘树周围探测害虫发生情况的虫害监测仪包含由光电传感器组成的捕虫瓶。

每组农情信息监测仪均含有传感器和相关配套模块；其中，所述的配套模块包括数据处理模块、无线通信模块和电源模块。

多组农情信息监测仪通过短距离无线通信模块与一个或多个网关进行双向通信；网关通过GRPS网络与远程数据库服务器间进行双向通信。

网关是成个监测系统的中继站，系统获取的信息通过处理打包后，以GPRS网络的形式传送到远程数据库服务器，研究人员通过Internet上的客户端即可以获取需要的橘园种植信息数据。

图1无线传感器网络的橘园种植信息监测系统原理示意图

（一）农情信息监测仪

1、农情信息监测仪的组成模块

农情信息监测仪主要包括3大模块：

传感器模块，包括传感器、信号调节和数模转换；处理器模块，包括为控制器、储存器和嵌入式操作系统；无线通信模块及供电模块。

无线传感器网络节点结构图如图2。

图2无线传感器网络节点结构图

1.1传感器模块

传感器模块包括传感器、信号调节和数模转换三部分。

传感器主要有土壤温度传感器、大气环境传感器、风速传感器及风向传感器和降雨量传感器。

1.1.1土壤传感器

土壤传感器主要用于测量土壤含水量、土壤电导率、土壤温度等土壤环境参数，农情信息监测仪中的每个土壤传感器节点中的传感器均埋入土壤不同深度当中，可以直接监测土壤温度、电导率和含水量的微变化。

土壤传感器通过引出的细电缆与地面上的配套模块相连接，以传递测得的信号。

其中，土壤含水量传感器选用美国DECAGON公司的EC-5，主要性能指标为：

测量范围0～饱和；精确度≥0.03m3/m3（在8dS/m范围内）；分辨率0.001m3/m3（矿物质土）；电源2.5VDC～3.6VDC,10mA；温度-40～60°C。

土壤温度传感器选用美国DECAGON公司的5TE，主要性能指标为：

测量范围-40～50°C；分辨率0.1°C；精确度±1°C；电源3.6～15VDC,O.3mA。

土壤传感器EC5内部工作实施图如图３所示。

土壤电导率传感器选用美国DECAGON公司的5TE，主要性能指标为：

测量范围0～23dS/m；分辨率0.01dS/m（0～7dS/m），0.05dS/m（7～23dS/m）；精确度±10%（0～7dS/m）；电源3.6～15VDC,O.3mA。

无线传感器网络节点土壤传感器5TE内部工作实施图如图4所示。

图3无线传感器网络节点土壤传感器EC5内部工作实施图

图4无线传感器网络节点土壤传感器5TE内部工作实施图

1.1.2大气环境传感器

农情信息监测仪中的大气环境传感器均部署在橘园中央区域，可以直接获取空气温度、湿度和光照的微变化，传感器可通过细电缆与配套模块连接以传递测得的信号。

具备保护传感器的防辐射罩具有特殊的表面处理和结构设计，使仪器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化，可有效阻挡自然条件下的紫外线照射，防止仪器仪表在野外恶劣的条件下快速老化，可减小因光强烈造成的测量误差。

空气温度、湿度传感器选用瑞士Sensirion公司的SHT-15，主要性能指标为：

温度测量范围-40～+123.8℃，精度±0.3℃；湿度测量范围0～100%RH，精度±2.0%RH，响应时间8s（tau63%）。

如图5、图6所示工作实施图。

图5、图6中1点可选择的VCC引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地；3处GND为地信号；2处PW为数据输入/输出引脚，开漏单总线接口引脚，当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。

光照传感器选用中国锦州阳光科技发展有限公司的TBQ-6光照度传感器，主要性能指标为：

测量范围200～200000Lux；光谱范围400—700（nm）可见光；电源电压24VDC（12VDC～30VDC）；输出信号4～20mA或0～5V；测量误差小于±7%；工作环境温湿度0～40℃、0～70%RH；储存环境温湿度-10～+50℃，0～80%RH；大气压力80～110KPa。

如图7所示无线传感器网络节点光照传感器内部工作实施图。

图5无线传感器网络节点温度传感器内部工作实施图

图6无线传感器网络节点湿度传感器内部工作实施图

图7无线传感器网络节点光照传感器内部工作实施图

1.1.3风速传感器和风向传感器

农情信息监测仪中的风速传感器和风向传感器分别可以直接获取柑橘区域风速和风向的微变化，通过细电缆与配套模块连接以传递测得的信号。

风速传感器选用中国邯郸市大自然测控技术有限公司的BCQ-FS-TTL8，主要性能指标为：

测量范围0～60m/s，测量精度±2%；输出信号为脉冲信号（每圈输出8个脉冲，6个脉冲代表1米，信号传输距离>100米；启动风力<0.2m/s，风碗直径50mm，供电电源DC5V～24V，工作温度：

-40～+85℃。

如图8所示无线传感器网络节点风速传感器内部工作实施图。

十六方位风向传感器如图9，选用邯郸市大自然测控技术有限公司的BCQ-FX-K16，主要性能指标为：

测量范围16个方向（360度），测量精度±2%，输出信号开关信号，信号传输距离>100米，电位引线9芯（公共、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北），供电电源DC5V～24V，工作温度-40～+85℃。

图8无线传感器网络节点风速传感器内部工作实施图

图9无线传感器网络节点风向传感器内部工作实施图

1.1.4降雨量传感器

农情信息监测仪中的降雨量传感器用于测量橘园降雨量，将降雨量转换为开关量形式表示的数字信息量输出传递到配套模块，以满足信息传输、处理、记录和显示等需要。

降雨量传感器选用邯郸市大自然测控技术有限公司的MTR-02雨量计，主要性能指标为：

分辨率0.2mm，测量范围0～2.4mm/min,工作环境温度0～60℃，工作环境湿度<95%RH（40℃）,乘水口直径159.6mm，刃口锐角40～45℃，高度260mm。

如图10所示无线传感器网络节点降雨量传感器内部工作实施图。

图10无线传感器网络节点降雨量传感器内部工作实施图

1.2处理器模块

无线传感器网络中的农情信息监测仪数据处理模块采用微控制器AVRmega128L，其主要性能指标为：

4kRAM，128kFlash，正常工作电压2.7～5.5V。

该微控制器主要负责控制传感器数据采集、无线通信、液晶实时显示和电池能量监测等。

基于通过12864液晶屏显和AVR系列单片机实现实时显示系统，在接收了由布设在被测橘园内的多个无线传感器节点（农情信息监测仪）提供的监测数据后，通过AVR系列单片机处理后在各个节点的12864液晶屏显上面进行及时迅速的反馈，让橘园的工作人员时刻掌握橘园的第一手资料，可以对橘园进行实时监控，对突发情况作出最有效的处理。

1.3无线通信模块及供电模块

无线通信模块的核心为RF230，支持ZigBee协议，主要性能指标为：

工作频段2.4GHz，电流TX16.4mA，RX15.5mA，睡眠电流20nA，工作电压1.8～3.6V。

电源供电模块由可充电锂电池（容量1250mAh）、锂电池保护芯片（R5426）、锂电池充电电路、电源处理电路及外围接口电路组成。

白天，太阳能供电板（5.6V,1.5W）作为外部电源为锂电池充电或为节点直接供电，如图11所示太阳能充电电路图，图12所示太阳能8V供给电压实施图。

晚上则由锂电池来供电。

图11无线传感器网络节点太阳能充电电路实施图

图12无线传感器网络节点太阳能8V供给电压实施图

2、农情信息监测仪的主要功能

（1）感知和监测橘园土壤中的温度、含水量和电导率的微变化信号；

（2）将监测获得的微变化信号转换为微弱的电信号，即进行A/D转换；

（3）执行组网、路由和初步的数据处理任务。

（二）虫害监测仪

部署在橘树周围探测害虫发生情况的虫害监测仪包含由光电传感器组成的捕虫瓶。

虫害检测仪中的捕虫瓶包含一个设计电路，当昆虫进入瓶子的时候，会挡住光电传感器，引起电压变化，通过农情信息监测仪处理，可以计算出虫害数量状况，实现监测橘园虫害发生情况目的。

无线传感器网络节点捕虫瓶内部工作实施图如图13所示。

（三）网关和GPRS模块

网关在基于ARM9内核的嵌入式系统，实现与节点间的短距离无线通信及与远程数据库间的Internet通信。

GPRS模块使用中国北京源田意广科技有限公司的LT108GSGPRSDTU，具体参数有内部集成TCP/IP协议栈，提供串口数据透明双向转换功能，支持自动心跳，保持永久在线等。

其中，GPRS模块为网关与远程数据库间的双向收发通信实现提供了可能性，实现了远程监控的目的。

二、核心设计

果园农情信息监测和虫害监测预报应用中，无线局域网功能的监测节点可构成果园农情信息监测和虫害监测WSNs，实时获取果园农情信息（如温度、湿度、光照和土壤墒情等）、现场采集和处理虫害信息，配合网络多跳路由、自组网、信息互递等特点，连续、实时地向监测终端或农药精确喷施作业机具发布虫害信息，实现精细喷施农药的自动化、智能化及远程控制。

因此，无线传感器网络节点是本设计的关键。

节点实物模型图如图14。

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由散布在工作区域中大量的体积小，成本低，具有无线通信、传感和数据处理能力的传感器节点组成的，每个节点可能具有不同的感知形态，例如声纳、震动波、红外线等，节点却可以完成对目标信息的采集、传输、决策制定与实施，实现区域监控、目标跟踪、定位和预测等任务。

每一个节点都具有存储、处理、传输数据的能力。

通过无线网络，传感器节点之间可以相互交换信息，也可以把信息传送到远程。

因此，这种传感器多点监测，通过无线自组织网络通信方式的近地面信息监测技术，可以应用在果园相关种植参数的监测，很好地实现了对果园监控、目标跟踪、定位和预测等的功能。

无线传感器网络节点内部结构原理图如图15所示。

无线传感器网络节点主要包括四方面：

传感器模块、无线通信模块、处理器模块和充电模块。

图13无线传