王恩亮，華　馳

（1.江蘇信息職業(yè)技術學院　電子信息工程系，江蘇　無錫　214153；2.江蘇信息職業(yè)技術學院　教學與科研處，江蘇　無錫　214153）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站的設計

王恩亮1，華馳2

（1.江蘇信息職業(yè)技術學院電子信息工程系，江蘇無錫214153；2.江蘇信息職業(yè)技術學院教學與科研處，江蘇無錫214153）

針對農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站設計方案與實現(xiàn)過程；以瑞薩R8C單片機為控制核心實現(xiàn)對不同種類的環(huán)境參數(shù)檢測傳感器進行數(shù)據(jù)采集并進行數(shù)據(jù)格式的轉換，實現(xiàn)對大氣溫濕度，風向，風速，太陽輻射度，土壤水分含量及溫度的數(shù)據(jù)采集，采集器通過與單片機通信讀取采集結果，并通過多種傳輸方式將信息發(fā)送到云計算中心服務器，通過客戶端登陸農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時查看、歷史數(shù)據(jù)分析及實時報警功能；通過長期實際應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠有效實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境各項參數(shù)的監(jiān)測；為農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉變提供了可行的低成本、高可靠的設計方案。

物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；環(huán)境監(jiān)測；單片機；農(nóng)業(yè)環(huán)境；ModBus

0　引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，正面臨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉型。農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的方式將逐步向精細化、智能化、系統(tǒng)化方向變革。而物聯(lián)網(wǎng)技術的應用會解決我國農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測多方面問題，加速傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代信息化農(nóng)業(yè)的轉變。當前農(nóng)業(yè)環(huán)境各種監(jiān)測設備都是單獨運行，數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸、交換仍為困難，數(shù)據(jù)的可靠性、安全性、經(jīng)濟性方面仍需提高，難以實現(xiàn)完整、系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)及分析。物聯(lián)網(wǎng)技術的應用及不斷成熟為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉型提供了有效的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)體系架構包括感知層、網(wǎng)絡層、應用層。通過應用層檢測環(huán)境參數(shù)，通過網(wǎng)絡層將分散的參數(shù)上傳到服務器，通過應用層實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的查看及分析，為農(nóng)業(yè)科學管理提供科學準確的指導［811］。

1　系統(tǒng)設計

環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)站系統(tǒng)結構以感知層為基礎，感知層以單片機為控制核心對大氣的濕度、溫度、風速、風向、太陽輻射度，土壤的溫度、濕度等信號進行檢測，實現(xiàn)對各種不同類型的傳感器信號進行檢測、轉換、處理，通過RS-485的硬件電路發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器通過網(wǎng)絡層包括無線網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等方式將數(shù)據(jù)上傳到服務器。終端設備在應用層通過分析查看各類數(shù)據(jù)，獲得環(huán)境檢測信息。

2　環(huán)境檢測系統(tǒng)設計

感知層的設計在整個環(huán)境檢測網(wǎng)站設計中至關重要，由于各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出形式不同，采用同一種通信協(xié)議很難完美的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，本環(huán)境檢測網(wǎng)站所選用的數(shù)據(jù)采集器以RS-485通信協(xié)議與單片機進行通訊，單片機實現(xiàn)對各種不同類型的傳感器輸入信號進行采集并轉換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，將采集轉換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。單片機電路采用Mod-Bus總線協(xié)議讀取大氣溫濕度、土壤水分及溫度傳感器信息。風向傳感器、風速傳感器、太陽輻射傳感器檢測結果有電壓型，電流型，單片機通過AD轉換檢測風速、風向、太陽輻射傳感器輸出的電壓信號，并將結果保存在單片機內(nèi)部的存儲器中。采集器通過與單片機通訊直接讀取各傳感器的采集結果。采用了單片機進行數(shù)據(jù)采集及協(xié)議轉換，可以靈活的選擇各類參數(shù)檢測傳感器，將各種農(nóng)業(yè)檢測信息采集傳感器接入采集系統(tǒng)。如果需要增加新的檢測信息，只要更新升級底層的單片機程序及修改部分應用程序便可實現(xiàn)環(huán)境檢測站功能的升級。環(huán)境監(jiān)測站的組成如圖2所示。

圖1　環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)站系統(tǒng)結構

圖2　感知層設計結構

環(huán)境檢測站的供電結構采用兩種方式，可以采用市電通過開關電源轉換為24 V/12 V/5 V方式，也可以采用太陽能供電的方式，通過蓄電池存儲電能［3］。

2.1風向傳感器信號檢測

風向傳感器采用PHWD傳感器，內(nèi)部采用精密電位器，并選用低慣性輕金屬風向標響應風向，動態(tài)特性好。該產(chǎn)品具有量程大、線性好、抗雷擊能力強、觀測方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機場、港口、實驗室、工農(nóng)業(yè)及交通等領域。測量范圍：0～360°，準確度：±3°，供電電壓有5 V，12 V，24 V幾種供電方式，輸出方式有輸出0～5 V電壓，4～20 m A電流，或采用變送器通過串口通信方式直接輸出方向檢測結果。本次設計采用電壓型檢測方式，電壓型（0～5 V輸出），角度與電壓的關系如式（1）所示，D為風向示值，V為輸出電壓（V）。

2.2風速傳感器

風速傳感器采用PHWS風速傳感器，采用傳統(tǒng)三風杯風速傳感器結構，風杯選用碳纖維材料，強度高，啟動好；杯體內(nèi)置信號處理單元能根據(jù)用戶需求輸出相應風速信號，可廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機場、港口、實驗室、工農(nóng)業(yè)及交通等領域。測量范圍采用0～45 m/S，分辨 率：0.1 m/s，供電方式可以采用5 V，12 V，24 V幾種直流電壓供電。輸出方式有脈沖型，電流型，電壓型0～5 V，電壓型0～2.5 V，采用變送器采用RS232或RS485接口，本設計采用檢測電壓型0～5 V輸出方式，風速與電壓的關系如式（2）所示，W為風速，V輸出的電壓值。

2.3大氣溫濕度檢測

對大氣溫濕度的檢測采用HT485DS，該傳感器檢測的溫度范圍為-20～70℃，分辨率：0.1℃。濕度檢測范圍0～100%RH，濕度分辨率：0.1%RH。輸出方式采用Mod Bus總線協(xié)議，應用RS-485硬件協(xié)議。該傳感器遵循Modbus協(xié)議，使用“04”和“06”命令。其中“04”命令用于讀取溫度和濕度，“06”號命令用于設置傳感器設備地址。讀取數(shù)據(jù)命令（04）命令格式如表1所示。

表1　讀取數(shù)據(jù)命令（04）命令格式

地址號為訪問的設備的硬件地址，命令號為讀取寄存器命令“04”，起始通道號為要讀取的起始通道號，該傳感器的溫度通道號為 “0”，濕度通道號為 “1”，通道個數(shù)為要讀取的通道個數(shù)，本傳感器最多為2個通道，校驗碼為標準Mod Bus協(xié)議中的CRC校驗碼。響應讀取命令的格式如表2所示。

表2　響應讀取命令的格式

通道數(shù)據(jù)個數(shù)為讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)，通道數(shù)據(jù)為返回的數(shù)據(jù)值。

通道數(shù)據(jù)格式：

通道0：溫度，實際讀數(shù)=（數(shù)據(jù)-4000）/100

通道1：濕度，實際讀數(shù)=數(shù)據(jù)/100

2.4土壤溫濕度檢測

土壤的溫濕度檢測采用CSF11，供電方式采用5～30 V直流電壓供電，該傳感器測量的土壤溫度范圍為-40～80℃，溫度測量精度±0.5℃。測量的水分含量0～100%，水分測量精度±5%。該傳感器的輸出方式有電流、電壓、RS-485接口，采用RS-485接口時采用Modbus RTU協(xié)議。通訊參數(shù)默認值為：波特率9 600 bps，一個起始位，8個數(shù)據(jù)位，無校驗，一個停止位。通訊參數(shù)可由設置程序或者Modbus命令改變。傳感器默認的從機地址為1，從機地址在通道“0x0200”中，通過命令“03”、“06”、“16”訪問該通道，重新設定從機地址。在ModBus協(xié)議中，溫度值寄存器的通道值為0，溫度值范圍為整形數(shù)據(jù)，數(shù)值范圍-4 000～8 000，對應-40～80℃，水分含量寄存器是通道1，數(shù)值范圍0～10 000，對應含水量0～100%。采用命令“03”或“04”訪問兩個寄存器，進行數(shù)據(jù)轉換后即可獲得土壤中水分含量及溫度值。

2.5太陽輻射檢測

太陽輻射檢測采用PHJYZ簡易總輻射傳感器（變送器）可以用來測量光譜范圍為0.3～3μm太陽總輻射，該產(chǎn)品可廣泛應用于氣象、能源、農(nóng)業(yè)、建筑等領域。測量范圍0～1500W/m2，供電方式有直流5 V、12 V、24 V，輸出方式有4～20 m A、0～2.5V、0～5 V或采用變送器應用RS232、RS485接口。電壓型（0～5 V輸出）的功率如式（3）所示。E為功率，V為輸出的電壓。

3　單片機采集電路設計

3.1數(shù)據(jù)采集

單片機作為感知層數(shù)據(jù)采集與轉換的核心。單片機電路通過AD轉換器完成光照強度、風向、風速傳感器的數(shù)據(jù)采集。通過ModBus協(xié)議采集土壤溫濕度、大氣溫濕度檢測。本設計中的單片機采用瑞薩公司的R8C單片機，與采集器通信的RS-485電路如圖3所示，單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并進行數(shù)字濾波，濾除錯誤數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)形式進行轉換，通過設定的協(xié)議形式與數(shù)據(jù)采集器進行通信。MAX485電路與單片機電路的通信通過光耦進行隔離，并采用不同的電源供電，提高通信的抗干擾能力。單片機系統(tǒng)中有兩路MAX485通信電路，一路用于與數(shù)據(jù)采集器通信，另一路用于單片機采集大氣溫濕度、土壤水分、溫度傳感器的信息，波特率為9 600，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位，無極性校驗［7］。

圖3　RS-485通信電路設計

風速信號、風向信號、太陽輻射信號均為0～5 V電壓信號，應用TLC2543 AD轉換器對輸入信號進行AD轉換，TLC2543為12位AD轉換器，滿足被檢測信號的精度要求，該器件采用SPI接口，單片機與TLC2543的連接直接讀取AD結果。AD轉換硬件電路結構如圖4所示。

圖4　TLC2543AD轉換電路

風向傳感器輸入信號為0～5 V，TLC2543的AD轉換為12位，AD值范圍為0～4 095。因此對AD結果進行處理后得到方向的角度值，采用式（4）所示公式進行轉換，D為風向角度，AD為AD轉換值，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換后獲得角度值，角度范圍為0～360°，數(shù)據(jù)類型為整型數(shù)據(jù)。風速傳感器采用相同的檢測方法，對AD結果進行處理后獲得風速數(shù)據(jù)。采用如式（5）所示公式轉換，W為風速結果，AD為AD轉換值，為處理數(shù)據(jù)方便，數(shù)據(jù)處理結果為整型數(shù)據(jù)，范圍為0～450，對應風速范圍為0～45 m/S。對太陽輻射檢測的數(shù)據(jù)處理如式（6）所示，E為太陽輻射檢測值，檢測范圍為0～1 500W/S2，AD為AD轉換值。轉換結果為無符號整型數(shù)據(jù)。

單片機作為數(shù)據(jù)的采集控制核心，完成對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波數(shù)據(jù)轉換的轉換。單片機根據(jù)大氣溫度傳感器、土壤水分、溫度傳感器對應的Modbus協(xié)議讀取大氣溫濕度、土壤水分及溫度信息。而大氣溫濕度傳感器的地址設置1，而土壤水分、溫度傳感器設置的地址設置為2。

采集器通過RS-485硬件接口與單片機進行通訊，按設定的協(xié)議讀取大氣溫濕度、土壤水分及溫度、風速、風向、太陽輻射度信息。

3.2數(shù)據(jù)的通信

單片機采集數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)的處理，將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)以通道的形式保存在單片機內(nèi)部RAM中，并按設定周期進行數(shù)據(jù)更新。單片機在不進行數(shù)據(jù)采集及通信期間則進入低功耗狀態(tài)，降低系統(tǒng)的功耗。一種喚醒方式是通過定時器定時喚醒CPU，進行數(shù)據(jù)采集操作。另一種方式是在收到數(shù)據(jù)采集器的采集命令后喚醒CPU。同時啟用單片機的看門狗功能，單片機系統(tǒng)運行中備份重要系統(tǒng)數(shù)據(jù)到內(nèi)部RAM中，如果單片機系統(tǒng)由于某種特殊原因或干擾不能正常運行，則內(nèi)部的看門狗系統(tǒng)會使單片機系統(tǒng)重新啟動，并根據(jù)看門狗的狀態(tài)區(qū)分啟動是否由看門狗電路引起，并恢復到看門狗引起復位前正常運行的狀態(tài)。

圖5　單片機數(shù)據(jù)檢測轉換流程

4　傳輸層及應用層的實現(xiàn)

采集器采用RS-485接口讀取單片機所采集的傳感器數(shù)據(jù)，通過LAN、WiFi、GPRS等方式連入Internet并基于TCP/IP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸并保存至云計算中心服務器中。在應用層面上實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示，顯示大氣溫濕度，風向，風速，太陽輻射度，土壤的水分含量及溫度。應用軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，計算是否處在設定的報警條件區(qū)間內(nèi)。通過客戶端軟件方便快捷的查看數(shù)據(jù)及設置報警參數(shù)等功能。應用層軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時查看、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警信息的設置及顯示。軟件采用了eclipse平臺使用java語言完成軟件系統(tǒng)，用戶在客戶端登陸系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼。進入該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設定報警參數(shù)，通過界面查看超出設定值的環(huán)境參數(shù)。通過查看歷史記錄，查看各參數(shù)的歷史信息。

5　系統(tǒng)測試結果及分析

通過長期實際測試使用，以單片機為控制核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各類農(nóng)業(yè)參數(shù)傳感器的數(shù)據(jù)檢測準確可靠，與數(shù)據(jù)采集器的通信穩(wěn)定。具有低功耗，低成本，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定的特點，實現(xiàn)了感知層的數(shù)據(jù)檢測與轉換。通過多種通信方式能夠及時有效的完成數(shù)據(jù)的傳輸，整個在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實現(xiàn)了在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、報警信息查看及報警參數(shù)設置等功能。

6　結束語

本文所提出的在線環(huán)境監(jiān)測站的設計方案，采用單片機作為感知層信息的采集轉換控制核心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可靠采集及轉換。充分應用了物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、顯示、歷史數(shù)據(jù)的分析、報警信息顯示及設置，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉變提供了可行的低成本、高可靠的設計方案。

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Design of Agricultural Environmental Monitoring Station Based on Internet of Things Technology

Wang Enliang1，Hua Chi2
（1.Electronic Information Engineering Department，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi214153，China；2.Dean's office，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi214153，China）

Based on the technology of internet of things，the design plan and work process of agriculture environment monitor station are proposed for agriculture environment monitoring.Renesas R8C SCU collects signals from environment parameter monitor sensors，and changes data format，so as to collect data about atmospheric temperature and moisture，wind direction and speed，the sun's radiation，soil water content and temperature，and so on.The collector reads collected data with the communication with the SCU，the data are then sent to Cloud computing server with many means of transmission.The realtime view of agriculture environment data，the analysis of history data and realtime alarm can be realized when end customer logs in agriculture environment monitor system。Long term application shows this system with stability and reliability can effectively monitor various parameters for agriculture environment.This provides a design plan with low cost and high reliability for modern agriculture.

internet of things；data collection；environmental monitoring；single chip microcomputer；agricultural environment；Mod-Bus

1671-4598（2016）05-0018-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.006

TP303

A

2015-09-16；

2016-01-04。

江蘇高校哲學社會科學研究基金（2014SJB351）；江蘇高校品牌專業(yè)建設工程資助項目。

王恩亮（1977-），男，遼寧遼陽人，碩士，主要從事單片機技術、物聯(lián)網(wǎng)技術及單片機、物聯(lián)網(wǎng)技術教學方向的研究。

華馳（1979-），男，江蘇興化人，碩士，副教授，主要從事軟件技術、物聯(lián)網(wǎng)應用技術及計算機教學方向的研究。