精细农业多参数无线传感网监测系统的设计Word文件下载.docx
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DissertationfortheMasterDegreeinEngineering
DesignofMulti-parameterWireless
SensorNetworkMonitoringSystemin
PrecisionAgriculture
Candidate：
WangYitong
Supervisor：
ShiYunbo
AcademicDegreeAppliedfor：
MasterofEngineering
Specialty：
Signalandinformationprocesing
DateofOralExamination：
March,2015
University：
HarbinUniversityofScienceand
Technology
哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：
此处所提交的硕士学位论文《精细农业多参数无线传感
网监测系统的设计》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学
位期间独立进行研究工作所取得的成果。
据本人所知，论文中除已注明部分
之外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。
对本文研究工作做出贡献的个
人和集体，均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承
担。
作者签名：
王艺潼日期：
2015年3月15日
哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书
《精细农业多参数无线传感网监测系统的设计》系本人在哈尔滨理工大
学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果
归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。
本
人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留
并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。
本人授权哈尔
滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的
全部或部分内容。
本学位论文属于
保密，在5年解密后适用授权书。
不保密√□
（请在以上相应方框内打√）
日期：
2015
年3
月15
日
导师签名：
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文
摘要
精细农业是现代农业的发展趋势，通过将传感器及其检测系统、计算机控制器及变量执行设备、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）等信息技术集于一体以实现对农作物生长环境的实时监控，目的是提高农作物的产量和生长质量，并且也可保护生态环境，保证农业的可持续发展。
以往农业的发展是靠大量使用化肥、农药等粗放式农业发展方式，造成了严重的环境污染，如：
水体富营养化，资源极度浪费，全球气候的变暖现象日益突出。
如何保护生态环境，成为人类生存面临的最大挑战，如何准确、及时、连续、详尽地监测农作物生长环境，保证农作物高质量、高效的成长，又不会破坏生态环境，是当前国家转变经济发展方式以及创新驱动的重点，也是当下的热点问题。
鉴于以上原因，监测农作物生长各项参数的系统应运而生。
本文研究和总结了传统的农作物监测系统的监测参数单一、监测步骤繁琐等缺点，本系统兼顾监测农作物生长环境空气中和土壤中的各项参数，尤其是可监测土壤有机质的含量，因为有机质含量代表土壤的肥力，为农作物的生长提供养分，对农作物的生长至关重要。
本系统微处理主控芯片器采用的是STM32F107，采集环境数据，利用短距离无线通信技术把采集的数据传送给上位机，上位机和液晶显示器同时显示当前环境的各项参数，并可以把监测得来的各项数据与适合农作物生长的最佳参数进行比较，如不在其范围内，便发出警报，提示监测人员调节农作物的生长环境，并且测量的参数均保存成为数据表格，可以随时查看任意一个月任意一个时间点的各项参数的历史数据，观察环境参数变化的大致趋势。
对系统采集的环境数据与标准值进行了比较和实验分析，实验结果表明：
温度精度可达到0.2℃，湿度精度可达到4.5%RH，照度精度可达到4%，CO2浓度精度可达到0.3%，O2浓度精度可达0.3%，有机质精度可达
0.2g·
kg-1。
环境参数的指标可满足精细农业多参数监测系统的精度要求，而
且系统能够克服复杂地理环境的限制，准确、高效、实时的对农作物生长环境进行监测。
关键词精细农业；
无线传感网；
有机质标定；
监测系统
-I-
DesignofMulti-parameterWirelessSensor
NetworkMonitoringSysteminPrecision
Agriculture
Abstract
Precisionagricultureisthedevelopmentdirectionofmodernagriculture,itusestheinformationtechnologyofglobalpositioningsystem（GPS）,geographicinformationsystem（GIS）,sensoranddetectionsystem,thecomputercontrollerandvariableequipmenttomonitorcropgrowthenvironmenttoimprovethequalityandtheoutputofcropsandmaximizetheprotectionofecologicalenvironment,guaranteethesustainabledevelopmentofagriculture.Thedevelop-mentofagriculturereliedonextensiveuseofchemicalfertilizers,pesticidesandotherextensiveagriculturedevelopmentsituationpromptedtheimprovementofcropyieldsinthepast.Itledtotheseriousdamageofenvironment,eutrophica-tion,extremewasteofresources,globalclimatewarminghasbecomeincrea-singlyprominentproblem.Howtoprotecttheecologicalenvironmenthasbe-comeoneofthebiggestchallengesthathumanbeingsshouldface,howtoacc-uratelyandtimely,continuous,detailedmonitorcropgrowthenvironment,gua-ranteethehealthygrowthofcrops,anddoesnotdestroythenaturalenvironment.Itisthefocusofthetransformationofeconomicdevelopmentandinnovationdrivemode,whichbecomesahotissue.Inviewoftheabovereasons,monitoringofcropgrowthparameterssystemarisesatthehistoricmoment.
Thispaperstudiesandsummarizestheproblemsofthetraditionalcropmonitoringsystemsuchasmonitoringtheparametersofasingle,monitoringstepscomplicated.Thissystemgivesconsiderationtotwoaspects,themoni-toringofcropgrowthenvironmentintheairandsoilparameters,especiallytomonitorthecontentofsoilorganicmatter.Therepresentativesoftheorganicmattercontentofsoilfertility,andorganicmatterprovidesnutrientsforcrops.ThissystemadoptstheSTM32F107mastercontrolchiptocollectenvironmental
-II-
data,usingtheshortdistancewirelesscommunicationtechnologysendsthedatatoPC,PCandLCDmonitorshowthecurrentenvironmentofvariousparametersatthesametime,andcancomparethemonitoringofthedatawithparametersofbestparameters.Ifitisnotinitsscope,itwillbesoundedthealarm,Itcanpro-mptmonitoringpersonneltoadjustcropgrowthenvironmentandthemeasuredparametersaresavedasdatatable,youcanalwaysseeanymonthofanypointintimehistorydataofvariousparameters,observetheapproximatetrendofthechangeofenvironmentalparameters.
Finally,comparativeandanalysisthestandardvaluewithmeteorologicaldatacollectedbythesystem.Experimentalresultsshowthat:
Temperatureaccu-racyisupto0.2℃,humidityaccuracyachieves4.5%RH,Intensityofillumi-nationaccuracycanreach4%,accuracyofCO2concentrationisupto0.3%,accuracyofO2concentrationisupto0.3%.Accuracyoforganicmatterisupto0.2g·
kg-1.Theindicatorsofenvironmentparametersmeettheaccuracyrequire-mentsofprecisionagriculturemulti-parametermonitoringsystemandthesystemcanovercomethelimitationsofthecomplicatedgeographicenvironmentandaccuratelyandefficientlymonitortheenvironmentaldata.
Keywordsprecisionagriculture,wirelesssensornetwork,organicmattercalibration,observationsystem
-III-
摘
要
.................................................................................................................
I
II
第1章绪论...........................................................................................................
1
1.1
研究的目的和意义......................................................................................
1.2
国内外研究现状及分析..............................................................................
2
1.2.1
国内研究现状分析...............................................................................
1.2.2
国外研究现状分析...............................................................................
3
1.3
农业监测系统的发展趋势..........................................................................
5
1.4
课题来源及研究的主要内容......................................................................
1.4.1
课题来源...............................................................................................
1.4.2
主要研究内容.......................................................................................
第2章无线传感网监测系统的设计...................................................................
7
2.1
系统构成与原理..........................................................................................
2.2
器件选择......................................................................................................
8
2.2.1
系统功能参数.......................................................................................
2.2.2
传感器的选择.......................................................................................
2.2.3
微处理芯片及其他模块的选择.........................................................
10
2.3
系统通信模式的技术分析........................................................................
11
2.3.1ZigBee通信设备的分类.....................................................................
2.3.2ZigBee的拓扑结构.............................................................................
12
2.3.3ZigBee的通信组网模式分析.............................................................
2.3.4ZigBee的系统方案设计.....................................................................
2.3.5ZigBee传输距离测试.........................................................................
14
2.4
本章小结....................................................................................................
15
第3章系统硬件电路设计.................................................................................
16
3.1
温湿度采集电路设计................................................................................
3.2
光照采集电路设计....................................................................................
18
3.3CO2采集电路设计.....................................................................................
3.4O2采集电路设计........................................................................................
19
3.5
土壤有机质采集电路设计........................................................................
20
3.6
通信模块电路设计....................................................................................
21
3.7
电源电路设计............................................................................................
22
3.8
第4章系统软件设计.........................................................................................
23
4.1
软件总体设计思想....................................................................................
4.2
数据采集及处理子程序............................................................................
24
4.2.1
空气温湿度数据采集及数据处理子程序.........................................
4.2.2
光照数据采集及数据处理子程序.....................................................
25
4.2.3CO2数据采集及数据处理子程序......................................................
26
4.2.4O2数据采集及数据处理子程序.........................................................
27
4.2.5
土壤温湿度数据采集及数据处理子程序.........................................
4.2.6
土壤有机质数据采集及数据处理子程序.........................................
28
4.3ZigBee处理子程序....................................................................................
29
4.3.1
协调器主节点软件设计.....................................................................
31
4.3.2
终端子节点软件设计..............................................
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