题目： 基于物联网的智能农业系统设计及实现.doc

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1、题目： 基于物联网的智能农业系统设计及实现基于物联网的智能农业系统设计及实现系 别： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导老师： 年 月 日前言I前言前言物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。物联网以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取物理世界的各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网路交互传递，从而实现对世界的感知。物联网在农业上的应用将会使农业生产方式产生重大变革，会急速促进我国农业生产问题上面临的种种问题。摘要I摘要摘要物联网作为信息产业的第三次浪潮,在农业中的应用将会解决一

2、系列科学技术问题,例如分布在广域空间的信息获取,高效可靠的信息传输以及面向不同应用的智能决策等,将是实现传统农业向现代农业转变的助推器和加速器。农业生产过程中,温度、湿度、光照强度、C02浓度、水分以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物的生长,传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准,只能算是粗放式管理,在这种管理方式下,通过人的感知能力管理上述环境参数,无法达到准确性要求,要实现现代农业的智能化管理,建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。因此,本文设计了基于物联网的智能农业监测系统,该系统能够准确实时的获取农作物生长的环境信息并对这些信息进行远程监测。论文首先

3、详细阐述物联网和农业物联网的内涵和体系结构、农业物联网的关键技术和未来发展。介绍了数据融合的相关概念,并提出了 KDF 算法用于系统对感知数据的处理。KDF 算法是基于卡尔曼滤波的数据融合算法,能够达到减少冗余信息、降低能量消耗以及消除干扰使获得的感知数据更加准确的目的。其次,论文给出了系统的总体设计,并根据设计要求,以MSP430F5438 微处理器、射频模块 CC2520、射频放大前端 CC2591 以及 SHT10 温湿度传感器等环境感知传感器为核心,构建了传感器硬件节点。传感器节点的软件以 Z-Stack 协议栈为基础,成功的实现了无线 Mesh 网络的组建和数据的可靠传输。最后,论文

4、介绍了上位机监测软件,上位机监测软件基于 B/S 架构,使用 JSP 语言在 MyEclipse 环境下开发,具有良好的人机交互前台界面；后台采用 MySQL 数据库,完成环境参数数据和其他有用信息的存储；将整个系统通过 Tomcat 服务器在线发布,系统便可以接入到 Internet 中,形成“底层(传感器)Internet 网络远程监控”的结构,使连入互联网的计算机均可以访问。对系统从功能实现角度来开展的实验结果显示,该系统可以正常稳定的工作,无线传感器节点可以正常构建无线Mesh 网络,可以进行数据可靠传输,系统通过 Tomcat 服务器在线发布,用户可以在任何台与 Internet 相

5、连的 PC 机上登录本系统进行数据查询和系统管理,实现远程监测的功能,并且本系统采用的节能机制达到了很好的节能效果,且采集数据的精度符合要求。关键词：关键词：农业物联网； 无线传感器网络； 数据融合； B/S 架构ABSTRACTIIABSTRACTThe Internet of things as the third wave of information industry, its application in agriculture will solve the problem of a series of science and technology, such as distribu

6、ted in wide area space information acquisition, high efficient and reliable information transmission, and geared to the needs of different applications of intelligent decision-making, etc., will is a booster to the transformation of traditional agriculture to modern agriculture and the accelerator.

7、Agricultural production process, the temperature, humidity, light intensity, concentration of our fleet, moisture, and other nutrients such as the growth of the crops, the common effect of natural factors of traditional agricultural management way far not reached the standard of fine management, can

8、 be extensive management, in this kind of management mode, through people awareness of management environment of these parameters, cannot meet the accuracy requirements, in order to realize intelligent management of modern agriculture, to establish a practical, reliable, long-term monitoring of agri

9、cultural environment monitoring system is very necessary. Therefore, this article designed the agriculture intelligent monitoring system based on Internet of things, the system can accurately in real time for the growth of the crops and environmental information for remote monitoring of the informat

10、ion. Paper first elaborated the connotation of Internet of things and Internet of things of agriculture and architecture, the key technology of Internet of things of agriculture and the development in the future. Introduces the related concepts of data fusion, and proposed the KDF algorithm for syst

11、em processing of sensory data. KDF algorithm is the data fusion algorithm based on kalman filter, can achieve reduce the redundant information and reduce energy consumption, and eliminate the interference to make a more accurate perception of the data obtained. Secondly, the paper gives the overall

12、design of the system, and according to the design requirements, with MSP430F5438 microprocessor CC2520, rf module, rf amplifier front-end CC2591 and SHT10 such as temperature and humidity environment perception as the core, to build a sensor node hardware. Sensor node software based on the Z - Stack

13、 protocol Stack, successful implementation of the wireless Mesh network form and reliable transmission of data. Finally, the paper introduces the PC monitoring software, PC monitoring software based on B/S structure, using JSP language under the environment of MyEclipse development, has a good human

14、-computer interaction interface at the front desk; The background using the MySQL database, complete environmental parameter data and other useful information storage; The entire online system by the Tomcat server, the system will be able to access to the Internet, the formation of “the underlying (

15、sensor), the Internet network, remote monitoring of the structure, make the computer are connected to the Internet can access. The system from the perspective of functions in order to develop the experimental results show that the system can be normal and stable work, wireless sensor nodes can be no

16、rmal to build wireless Mesh network, can undertake data reliable transmission, online system by the Tomcat server, the user can in any PC - units are connected to the Internet login this system for data query and management, realize the function of remote monitoring, and this system adopts the mecha

17、nism of energy saving achieved good energy saving effect, and data accuracy meets the requirements.Keywords: Agricultural Internet of things; Wireless sensor network (WSN); Data fusion; B/S architecture目录IV目 录前言.I摘要 .IIABSTRACT.III目 录 .II第一章 概述.11.1 目的和意义 .3 1.2 制作开发环境 .3 1.3 物联网架构图 .4第二章 传感层.62.1 传

18、感层设计 .62.2 传感器节点设计.6 2.3 网关节点设计.6第三章 传输层.73.1 传输层系统设计 .7 3.2 目标设计 .7第四章 应用层.84.1 系统设计.8 4.2 传感节点的主程序设计.8 4.3 网关节点的主程序设计.8结束语.9致谢.10参考文献.11江苏信息职业技术学院毕业论文0第一章第一章 概述概述1.11.1 目的和意义目的和意义农业是当今世界农业发展的趋势，中国作为一个农业大国，对于精准农业的需求更为迫切，怎样合理经济地以少投入获得多回报，这不仅是可持续发展的要求，更是社会进步的体现。农田的环境监测是支撑精准农业技术的关键，实时、方便、有效地采集农业环境参数是实

19、现精准农业的重要基础。传统的农业监测系统多采用有线组网的方式或者直接采用人工实地检测获得环境数据，这两者都具有局限性。有线组网方式缺乏灵潘陛，受地理环境的限制，线路资源损耗较大，难以实现远距离监测；人工实地检测更耗费人力、物力，且获取的数据量有限，此外受主观因素限制，测量结果难免出现误差。新兴的物联网技术为农田信息获取提供了一个崭新的思路。本文基于物联网技术构建了精准农业环境监测系统，研究人员在总控制室就能对农田进行远程实时监控，根据空气温湿度、光照强度、土壤湿度和土壤 pH 值等农情信息做出正确决策，满足精准农业自动化、经济化、准确化的要求。随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特

20、别是国家 2012 农业国家一号文件颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代农业监测系统。1.21.2 制作开发环境制作开发环境操作系统：Windows XP，Vista数据库：Access 开发工具：Protel99se 开发语言：VB江苏信息职业技术学院毕业论文11.31.3 物联网架构图物联网架构图物联网架构整体框图江苏信息职业技术学院毕业论文2第二章第二章 传感层传感层2 2.1.1 传感层设计传感层设计 基于

21、物联网技术的精准农业环境监测系统的硬件设计节点是组成基于物联网技术的精准农业环境监测系统的基本单位，包括传感节点和网关节点。传感节点是监测系统传感层的基本组成单元，网关节点则是网络层的硬件基础，它们的硬件设计对整个系统的功能、性能都至关重要。本文分别对传感节点和网关节点进行了硬件设计。2 22 2 传感节点设计传感节点设计传感节点通过传感器部分采集农情信息，经由处理单元进行简单转换、处理，由无线收发模块传给上级节点。结合其功能特点传感节点的结构框如图 2 示。传感节点的微处理器单元和无线传输单元采用 CHIPCON 公司的 CC2430 芯片，它是一款基于 ZigBee 协议，集成了 80C5

22、1 内核处理器的芯片和 zigBee 无线收发模块，是一种比较成熟的无线传感器节点解决方案。江苏信息职业技术学院毕业论文3本系统中湿度、温度测量采用 TDR 一 3A 型土壤温湿度传感器，该传感器集温度和湿度测量于一体，具有密封、防水、精度高的特征，是测量土壤温湿度的理想仪器。光强测量采用推出的第二代光强数字转换芯片 TSL2561，它可直接通过 12C 总线协议由微控制器访问，微控制器则通过对其内部的 16 个寄存器的读写来实现对 TSL2561 的控制。光纤 pH 值传感器用于测量土壤 pH 值，基于 pH 值的变化将导致光纤传感探头中光频谱特性变化这一原理，经放大电路秭 AD 转换器能得

23、到数字输出，然而这种方法的缺点是在土壤干燥时误差较大。此外，外部时钟电路用于控制整个系统的运行频率；串行通信接口作为程序调试和下载接口；复位电路用来恢复系统死机或程序跑飞等意外情况；电源模块负责整个节点的能量供应。2 23 3 网关节点设计网关节点设计网关节点兼具汇聚节点和网关的功能，一方面收集无线传感器网络发来的农情信息，另一方面将这些信息经过初步的处理，通过无线收发模块(如 GPRS 模块、3G 模块等)以及 3G网和 GPRS 网与互联网进行数据的交换，通过互联网，网关可以发送农情信息到远程监测中心并且接收远程监测中心发来的命令。具体结构框如图 3 所示。江苏信息职业技术学院毕业论文4因

24、网关节点的数据处理工作任务繁重，对资源需求较高，而且要求成熟的网络协议支持，故采用三星公司的 ARM9 处理器$3C2410。该处理器采用 018 仙 m 制造_I 艺的 32 位微控制器，拥有独立的 16 KB 指令 Cache 和 16 KB 数据 Cache，MMU，支持 TFr 的 LCD 控制器，NAND 闪存控制器，3 路 UART，4 路 DMA，4 路带 PWM 的 Timer，IO 口，RTC，8 路 10 位ADC，Touch Screen 接口，IICBUS 接口，IISBUS 接口，2 个 USB 主机，1 个 USB 设备，sD 主机和 MMC 接口，2 路 SPI，

25、最高可运行在 203 MHz。网关节点通过 CC2430 接收传感节点采集到的农情信息，并发送控制信息。通过 GPRS 网络并入互联网，实现与远程监测中心的通信。本系统中 GPRS 模块采用 SIM5218，它支持下行速率达 72Mbps 和上行速率为 5。76 Mbps 的数据传输服务，同时还具有丰富的接口包括UART、USB20、GPIO、12C、GPIO、GPS、摄像头传感器和内嵌 SIM 卡等。如需传输图像，音频等信息，则采用 3G 模块传输，选用芯讯通无线科技(上海)有限公司研发的 3G 无线传输芯片：TDSCDMA Module 系列中的 SIM4200。此外，RS485 总线接口

26、用于必要时与本地监测端的通信。JrIAG 调试接口和串行调试接口主要负责程序的烧写、调试，FLASH 用于掉电下的程序数据存储，SRAM 主要用于在线的仿真，电源单元负责整个过程的能量供应。江苏信息职业技术学院毕业论文5第三章第三章 传输层传输层3.13.1 传输层系统传输层系统设计设计农业传感器网络的建立有几种模式或模式组合，可以通过射频技术自组网络，中国移动电信网（GPRS，GSM，3G）和互联网，实现信息的短距和长距离的传输。 模式一、无线传感网络（WSN）是以无线通信方式形成的一个自组织多跳的网络系统，有部署在检测区域内大量的传感器节点组成，负责感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象

27、的信息，并发给观察者。在短距离无线通信技术中，蓝牙、Wi-Fi、超宽带及 ZigBee 技术均能应用 WSN， 其中，ZigBee 技术是基于 IEEE802.15.4 标准的关于无线组网、安全和应用等方面的技术标准，被广泛应用在无线传感网络的组件中。模式二、农业移动互联网是指移动终端（如手机、笔记本及农业物联网专用设备）通过移动通信网络访问互联网，并使用农业互联网业务。由于农村的移动通信普及率要远远超过计算机的普及率，移动通信和互联网二者的深度完美融合，是农业信息传输的重要发展方向。农业移动通信技术主要包括 GSM，GPRS，3G 技术以及未来的 4G 通信技术。3.23.2 目标设计目标设

28、计物联网农业系统在传输上采取不同的网络方式。近距离通讯采用 RS485 传输方式和Zigbee 传输模式,远距离传输采用 3G 无线网络传输方式。无线传感网络 WSN(Wireless Sensor Network)是融合了分布式信息处理技术,传感器技术,嵌入式计算机技术和无线传输技术,它能够互相协作的实事感知,监测环境和对象的信息,并对信息进行计算和分析,在运送到需要这些信息的用户。WSN(无线传感网络)由许多传感器节点组成。每一个传感器由数据处理装置,数据采集装置(A/D 转换器,传感器)和控制模块(存储器,MCU),通信装置(无线收发器)和供电装置等组成,如下图 1 所示。每个节点在网络

29、中可以充当数据中转点或类头节点(Cluster Head Node)的节点应用。作为数据采集装置,数据采集装置采集周围环境的数据信息(光照强度和湿度等)。传感器网络节点框图通过路由协议将数据传给远方的基站(Base station);作为数据中转,节点除了完成数据采集,还要收发力矩节点的数据,然后再将其发送到更近的节点或基站;类头节点负责采集该范围内所有节点的数据,经过汇合发送到汇节点或基站。江苏信息职业技术学院毕业论文6第四章第四章 应用层应用层4.14.1 系统设计系统设计目标设计内容主要包含：ZigBee 协议栈，GPRs，3G 协议栈的程序编写以及传感节点和网关节点的软件设计。基于 Z

30、igBee 技术 GPRS3G 技术已较为成熟，本系统采用现成的协议栈程序，而主要工作重心放在传感节点和网关节点的软件设计上。又由于传感节点和网关节点的功能特点，工作任务有所差异，因此分开讨论。4 42 2 传感节点的主程序设计传感节点的主程序设计传感节点相当于网关节点的子节点，自组织式联网，是物联网传感层中的基层环节，直接与物联网的目标测量相关联，将农情信息转换为有效的开关量进行传递，主要工作有：等待网关节点唤醒、采集农情信息、发送数据、进入休眠等，具体工作流程如图 4 所示。传感节点通常情况下处于休眠模式，当接收到上级节点的命令被唤醒后，便马上发送请求加入网络，等待网关节点的应答成功加入网

31、络后，开始进行农情信息如土壤温湿度、光强、pH 值等的采集并传输给命令发送端节点，上级节点发送应答位，确定接收成功后，传感节点又转入休眠状态，这样循环往复。4 43 3 网关节点的主程序设计网关节点的主程序设计网关节点主要负责建立并管理网络，允许或拒绝任何一个传感节点入网，并将各传感节点的数据收集发送至互联网，监控端通过互联网进行数据的读取、记录。网关节点一直在 T作状态，不会休眠。它的工作过程一般分为：等待监测命令，建立网络，加入节点，等待数据信息，发送数据。网关节点的具体工作流程如图 5 所示。江苏信息职业技术学院毕业论文7在建立网络时，网关节点会不断地搜索空的信道，如果搜索到某一信道，被

32、另一网关节点占用，则重新搜索，直到搜到空信道，其立即做相应标识，准备建立自己的网络。当一个传感节点要求加入网络时，它会发送请求，网关节点根据自己的资源需求决定是否加入传感节点，如果选择加入此节点，则给它分配一个网络地址，构成新网络。同时传达监测命令给下级节点，等待接收数据，接收成功后发送至远程检测端和本地监测站。江苏信息职业技术学院毕业论文8结束语精准农业是当今世界农业发展的潮流，现代农业监测系统是支撑精准农业技术的关键，相比于传统的农田环境监测方式的局限性，基于物联网技术的环境监测则满足了精准农业快速、精确、连续测量的要求。本文基于物联网技术，提出了精准现代农业监测系统，简述了该系统的体系结构，研究了系统传感层的基本单元基于 CC2430 的传感节点