基于UWB定位的智能温室三维温湿度检测系统研究.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基于 nullnullnull 定位的智能温室三维温湿度检测系统研究 刘艳伟 null null 李思雯 null null 杨启良 null null 何家俊 null nullnull 昆明理工大学现代农业工程学院 昆明 nullnullnullnullnullnull nullnull 昆明理工大学季节性旱区水 null土 null作物系统云南省野外科学观测研究站 昆明 nullnullnullnullnullnull nullnull 云南省高校特色作物高效用水与绿色生产重点实验室 昆明 nullnullnullnullnullnull nullnull 惠州市赢合科技有限公司 惠州 nullnullnullnullnullnull 摘要 为解决现有无线检测系统无法精准有效反映温室内立体空间的环境变化情况 以及传感器节点定位误差大 硬 件成本高等问题 设计了一种基于 nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 定位的智能温室三维温湿度检测系统 系统通过一款自主 设计的集成 nullnullnull 定位模块的 nullnullnullnullnullnull 系统板对各传感器节点进行定位 并搭载 nullnullnullnullnull 型高精度传感器对环境数据 进行采集 nullnullnull 主基站使用 nullnull 网络通信模块将各传感器数据及位置信息发送到上位机 并在 nullnullnull 端根据 nullnullnullnullnull 技术实现温室三维温湿度场可视化 完成温室三维温湿度远程检测 系统定位测试试验证明 各传感器节点精度主 要集中在 nullnull nullnullnull nullnull 范围内 部分节点测量位置误差大于 nullnull nullnull 各节点最大丢包率为 nullnull nullnull 平均丢包率为 nullnull nullnull 满 足温室测量基本需求 对检测温室热工缺陷区域以及研究植物生长适宜环境有重要意义 关键词 温室 三维温湿度 nullnullnull 定位 智能检测系统 nullnullnullnullnull 中图分类号 nullnullnullnull 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 基金项目 云南省基础研究计划面上项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null云南省科技厅重点项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null昆明理工大学分析测试基金重 点项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null云南省高校特色作物高效用水与绿色生产重点实验室项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 和云南省科技人才与 平台计划项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 刘艳伟 nullnullnullnullnull 女 副教授 博士 主要从事节水灌溉理论与新技术研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 通信作者 杨启良 nullnullnullnullnull 男 教授 博士 主要从事灌溉排水理论与新技术研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnull null null Faculty of Modern Agricultural Engineering Kunming University of Science and Technology Kunming nullnullnullnullnullnull China null Yunnan Provincial Field Scientific Observation and esearch Station on Water null Soil null Crop System in Seasonal Arid egion Kunming University of Science and Technology Kunming nullnullnullnullnullnull China null Yunnan Provincial Key Laboratory of High efficiency Water Use and Green Production of Characteristic Crops in Universities Kunming nullnullnullnullnullnull China null Huizhou Yinghe Technology Co Ltd Huizhou nullnullnullnullnullnull China nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null 引言 传统温室温湿度有线检测系统在实际应用中布 线复杂 可靠性低 并且不方便管理 与之相比 无 线传感器技术解决了温室环境参数采集和通信上的 问题 使温室检测系统逐渐成为以信息网络为基础 的精准农业模式 从而加快温室环境检测系统的网 络化 数字化和智能化进程 近些年随着对温室环境监测精准性要求的不断 提高 部分学者提出在温室内布置多点传感器以全 面监测温室环境数据变化特征 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 等 null 设计了一种基于无线传感器网络的玫瑰温室精准农 业数据监测与预测系统 该系统通过 nullnullnullnullnullnull 无线通 信网络将传感器节点采集的温湿度等环境参数上传 到数据库 再根据神经网络算法预测此环境下玫瑰 的生长状况 并在远程客户端进行显示 邓小蕾 等 null 设计了一种能够监测土壤水分移动的自动化 系统 该系统以 nullnullnullnullnullnull 技术实现无线通信 并在温 室内多个位置布置土壤水分监测节点 然后通过 nullnullnull 对监测节点进行定位 最后使用 nullnullnullnullnullnull null 软件 绘制土壤水分等高线分布图 以了解温室土壤水分 迁移变化规律 车艳双等 null 设计了基于 nullnullnull 以及 nullnullnull 的智能农田采集系统 该系统以 nullnullnullnullnullnull 网络组 成信息节点 对温室温湿度等环境参数进行测量并 实现无线传输 并通过 nullnullnull 差分信息定位方式对传 感器节点进行定位 提高了节点定位的精度 以上温室环境多节点检测系统有效显示了温室 内环境数据变化趋势 提升了环境数据的可靠性和 精准性 但此类温室检测系统的检测节点主要是分 布在二维平面中 而温室内的温湿度在空间范围内 流动变化快 并且受温室内设备 排风扇 遮阳布 等 以及植物冠层等影响在垂直方向出现分层分布 状态 平面内温湿度数据无法准确有效反映温室内 温湿度变化特征 为进一步推动温室内温湿度变化 规律的研究 对常见的定位技术及特点进行了广泛 研究 目前常见的定位技术主要包括 nullnullnull 定位技 术 蓝牙定位技术 nullnullnullnullnull 定位技术 nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 定位技术 超声波定位技术 射频识别 nullnullnullnull 技术 红外线定位技术 nullnullnullnullnullnull 定位技术等 null 实 际应用中温室多节点检测系统需要对各传感器节点 进行定位 温室内密闭环境的多径效应 以及植物密 布的复杂环境和灯光 冷雾等设备都会对信号的传 输产生影响 传统定位方式已无法满足传感器节点 日益提升的高精度定位需要 nullnullnull 采用极窄脉冲 实现无线通信 与其他无线通信方式的定位原理相 比有着较大不同 极窄脉冲时间分辨率较高 能精 准分辨多径反射信号 nullnullnull 定位方法穿透能力好 抗多径效应强 具备很高的安全性和低功耗特点 可 进行一维 二维和三维高精度定位 并且还可实现室 内移动物体的定位 null 基于上述温室温湿度检测技术发展现状 以及在 检测过程中出现的节点定位精度低 三维温湿度检测 手段缺乏等问题 本文设计一种基于 nullnullnull 定位的温 室三维温湿度检测系统 该系统实现包括检测温室 内三维温湿度的下位机 传感器节点空间定位的方 案 远程数据监测与管理的 nullnull 端监测软件和温室三 维温湿度数据可视化的 nullnullnullnullnull 技术方案 结合 nullnullnull 室内定位技术 传感器技术 nullnull 网络通信技术 nullnull编程和 nullnullnull 前端开发等技术 实现温室三维温湿 度的智能检测以及三维空间温湿度可视化 null 系统总体设计 智能温室三维温湿度检测系统由下位机检测 端 上位机监测端 null 部分组成 下位机检测部分主 要实现温室内环境参数的测量以及传输 主要包括 各传感器检测节点 nullnullnull 定位系统以及 nullnull 通信模 块 其中 nullnullnull 标签与多个传感器绑定共同构成传 感器节点 根据温室高度确定每个标签对应温湿度 传感器数量 本文研究以每个标签对应 null 个传感器 每个传感器之间间隔 null null 为例 在 nullnullnull 定位系统 中含有 null 个基站 可实现各标签位置的高精度三维 定位 nullnullnull 主基站接收到各 nullnullnull 标签和基站传输 的位置信息以及传感器数据后 使用 nullnull 通信网络 与远程终端实现数据交互 上位机监测部分主要是实现环境数据的远程显 示 上位机读取 nullnull 通信模块传输的环境参数以及位 置信息后 将其储存在相应数据库中 登录 nullnull 端软件 即可实现数据的查看和管理等 并在 nullnullnull 端实现温 湿度数据的三维可视化显示 系统总体结构如图 null 所示 null 系统硬件设计 温室三维温湿度立体检测系统硬件部分主要包 nullnullnull第 null 期 刘艳伟 等 基于 nullnullnull 定位的智能温室三维温湿度检测系统研究 图 null 系统结构图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 括各传感器检测节点 nullnullnull 定位系统以及 nullnull 通信 模块 以主基站为坐标原点建立坐标系 在系统初始 工作时 传感器检测节点及其顶端装有的 nullnullnull 定 位系统标签同时进入工作状态 nullnullnull 定位系统通过 对标签的空间三维位置测量 进而得出传感器节点 上各传感器的三维位置 传感器节点上各传感器将 温室环境数据采集完成后 将数据发送到 nullnullnull 标 签 同时 nullnullnull 基站收集各标签信号时间戳 最后将 定位数据以及传感器信息数据统一汇总到 nullnullnull 主 基站 nullnullnull 主基站对数据进行统一处理后 通过 nullnull 无线通信模块将传感器数据以及对应空间位置 传输到 nullnull 端 进而对数据进一步处理 储存以及显 示 硬件结构如图 null 所示 图 null 硬件结构框图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null 传感器节点硬件设计 传感器节点硬件设计主要分为 null 部分 nullnullnull 锂 电池电源 nullnullnull 显示模块 高精度温湿度传感器以 及 nullnullnull 信号发射模块 nullnullnull 标签 null传感器节点 硬件设计框图如图 null 所示 nullnullnull 微处理器选择 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 公司生 产的 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 型 nullnull 位标准 nullnullnullnull 微控制器 该处 理 器 拥 有 nullnullnullnullnullnull null nullnull 高 性 能 内 核 采 用 nullnullnullnullnullnull 协议封装 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的工作频率高 达 nullnull nullnullnull 内部含有 nullnull null null null nullnullnull 的 nullnullnullnull 和 nullnullnull null nullnull nullnullnull 的 nullnullnullnullnull 存储器 能够发挥出 nullnullnull 内 核的性能 null 同时拥有 nullnull 个 nullnullnull 通道 每个 nullnullnull 图 null 传感器节点硬件设计框图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 通道均可独立管理外部设备到储存器之间数据的双 向传输 存储器之间的数据双向传输 可有效提升数 据传输速度 节省大量 nullnullnull 资源 null 传感器节点终端设备上装有垂直分布的 null 个高 精度温湿度传感器 实现各传感器 Z 轴定位 选用 奥松电子生产的 nullnullnullnullnull 型传感器 该传感器测量范 围较大 并且具备标准间距的插销方式连接器 同 时 nullnullnullnullnull 型传感器表面覆盖有一层 nullnullnullnull 高透过滤 膜 可防止外界沙尘和雨水进入传感器内部 同时配 置有 nullnullnullnull 过滤帽 能有效减小灰尘对过滤膜孔隙 的堵塞 防止湿度测量精度降低 因此 nullnullnullnullnull 型传 感器在恶劣环境下运行时 依然能够具备较高的稳 定性和精准性 nullnullnullnullnull 型传感器采用 nullnullnull 协议 nullnullnull 总线即 nullnullnull nullnullnull 集成电路总线 是飞利浦公司发明 的一种双向 二线制性质的同步串行总线 null nullnullnull 采用同步通信 即根据时钟信号 每次发送数据量仅 为一帧 发送的信息位数不受限制 通信效率高 要 求在传输过程中保持精确的同步时钟 通信传输方 式为半双工通信 即在同一工作时刻 只能从发送数 据或接收数据 null 种状态中选择一种数据传输方式 在传感器节点中 nullnullnull 与 null nullnull 个 nullnullnullnullnull 型传感器 相连接 因此 nullnullnullnullnull 型传感器的 nullnullnull 连接中 采用 一主多从的通信方式 即一个主设备 nullnullnull 多个 从设备 nullnullnullnullnull 型传感器 null传感器节点实物图如 图 null 所示 nullnullnull 农 业 机 械 学 报 null null null null 年 图 null 传感器节点实物图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull 传感器外壳 nullnull nullnullnullnullnullnull 最小系统电路板 nullnull 连接器 nullnull nullnullnull 总线 nullnull nullnullnullnullnull 型传感器 nullnull null nullnullnull 基站硬件设计 nullnullnull 基站分为普通定位基站以及主基站 普通 基站的功能主要是接收 nullnullnull 标签信号时间戳 主 基站在接收信号时间戳的同时对传感器节点数据进 行接收和储存 并将数据分析处理后 通过 nullnull 网络 通信模块将传感器数据及位置信息发送到上位机 与 nullnullnull 标签相比 nullnullnull 主基站微处理器也是 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 但添加了数据存储模块 nullnull 网络 通信模块 减少了温湿度传感器模块 nullnullnull 主基站 硬件结构示意图如图 null 所示 nullnullnull 主基站实物图 如图 null 所示 图 null nullnullnull 主基站硬件结构示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 图 null nullnullnullnull 内部概览图 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 在温室内 由于空间密闭 多径效应严重 同时 受到温室内照明 喷灌等设备的影响 nullnullnull 信号传 播介质容易改变 且存在一定的非视距影响 nullnullnull 图 null nullnullnull 主基站实物图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnulln