基于无线传感器网络的智慧农业农田环境智能监测系统设计_潘晓贝.pdf

2025年第21期 基于无线传感器网络的 智慧农业农田环境智能监测系统设计 潘晓贝1 2 郭志冬1 2 1 河南省高校节能照明工程技术研究中心 河南三门峡 472000 2 三门峡职业技术学院 河南三门峡 472000 摘 要 随着科技的进步和人们对美好生活的向往 粗放式的传统农业已经无法适应当今社会的需求 文章 基于无线传感器网络技术设计了一套农田环境智能监测系统 利用ZigBee模块CC2530搭载多种传感器实现对农 田环境数据的实时采集 传输和监控 测试结果表明ZigBee网络通信正常 系统具有功耗低 维护方便 易于扩展 等优点 在提高农业生产效率 降低人力成本等方面有重要意义 关键词 WSN ZigBee 智慧农业 农田环境监测 CC2530 中图分类号 TP212 6 文献标识码 A 文章编号 1674 957X 2025 21 0104 03 DesignofanIntelligentMonitoringSystemforFarmlandEnvironmentin SmartAgriculturebasedonWirelessSensorNetwork PanXiao bei1 2 GuoZhi dong1 2 1 HenanProvinceUniversityEnergy savingLightingEngineering TechnologyResearchCenter HenanSanmenxia472000 2 SanmenxiaPolytechnic HenanSanmenxia472000 Abstract Withtheadvancementoftechnologyandpeople saspirationforabetterlife extensivetraditional agriculturehasbecomeunabletomeetthedemandsofcontemporarysociety Thisarticledesignsanintelligent farmlandenvironmentmonitoringsystembasedonwirelesssensornetworktechnology ItusestheZigBee moduleCC2530equippedwithvarioussensorstoachievereal timecollection transmission andmonitoringof farmlandenvironmentaldata ThetestresultsindicatethattheZigBeenetworkcommunicationfunctions properly andthesystemhasadvantagessuchaslowpowerconsumption convenientmaintenance andeasy scalability Itplaysasignificantroleinimprovingagriculturalproductionefficiencyandreducinglaborcosts Keywords WSN ZigBee Smartagriculture Farmlandenvironmentmonitoring CC2530 基金项目 2023年度三门峡市科技发展计划项目 基于无线传感器网络的智慧农业农田环境智能监测系统设计及关键技术研 究 2023L02002 2022年度三门峡市科技发展计划项目 基于物联网的黄河流域三门峡段生态保护智能监测系统研 发设计 2022002011 2021年度三门峡职业技术学院高层次人才基金项目 基于物联网的黄河流域生态保护智能监 测系统设计及关键技术研究 SZYGCCRC 2021 002 作者简介 潘晓贝 1982 女 河南灵宝人 副教授 硕士 研究方向 物联网传感技术 自动化控制 0 引言 在时代发展的进程中 随着全球人口增长和人们对农 产品质量需求的提升 传统农业生产方式面临着资源浪 费 环境污染 生产效率低下等诸多问题 农业正经历着一 场由科技引领的深刻变革 智慧农业应运而生 成为推动 农业现代化的关键力量 1 智慧农业是一种将物联网技 术 大数据与云计算 人工智能与机器学习 卫星遥感与地 理信息系统等现代信息技术与农业生产 经营 管理和服 务深度融合的新型农业发展模式 在农业现代化的过程中 精准获取农田环境信息对于 农作物生长管理至关重要 无线传感器网络 Wireless SensorNetworks 简称WSN 技术凭借其自组织 低成本 低功耗 部署灵活等特点 为农业环境监测提供了新的解 决方案 2 将WSN技术应用于智慧农业农田环境监测 能够实时 准确地采集农田环境参数 实现农业生产的智 能化管理 提高资源利用效率 保障农产品的产量和 质量 3 本系统旨在设计一套稳定可靠 功能完善的智慧农业 农田环境智能监测系统 实现对农田空气温度 湿度 土壤 湿度 光照强度等关键环境参数的实时 精准采集 并确保 数据在农田环境中可靠传输 通过数据处理与分析 为农 业生产提供科学的决策支持 降低人力成本 提高农业生 产的智能化水平 4 1 系统总体设计 本系统提出了一种基于无线传感器网络的智慧农业 农田环境智能监测系统 协调器和终端节点都包含 ZigBee基本单元即ZigBee模块CC2530 终端节点进行农 田信息的采集 如空气温湿度 土壤湿度 光照强度等 所 以还需要连接多种传感器 协调器节点负责组网并接收 终端节点发送来的环境数据 该系统利用ZigBee无线网 401 DOI 10 19475 ki issn1674 957x 2025 21 015 内燃机与配件 络实现农田环境信息的实时采集和传输 并结合GPRS技术 将采集到的各种农田环境信息传输到上位机 进而实现农田 环境信息的智能远程监控 系统总体结构如图1所示 图1 系统总体结构图 2 系统硬件设计 基于WSN的智慧农业农田环境监测系统硬件电路 主要包括ZigBee基本单元电路 即CC2530的无线通信 SOC电路 各类传感器电路 串口调试电路 GPRS传输模 块 电源电路等 2 1 ZigBee基本单元 基于CC2530的无线通信SOC 电路 系统中协调器节点和终端节点中所包含的ZigBee基 本单元的硬件电路一样 区别在软件 本设计采用CC2530 加少量外围器件设计ZigBee基本单元 如图2所示 图2 基于CC2530的无线通信SOC电路 2 2 传感器采集电路 1 空气温湿度采集电路 本系统采用温湿度传感器DHT11采集农田环境中 的空气温湿度数据 它能够同时测量环境湿度和环境温 度 输出已校准的数字信号 它采用单总线数字信号传输 协议 具有超长的信号传输距离 它的测量范围 湿度为 20 90 RH 温度为0 50 测量精度 湿度精度为 5 温度精度为 2 分辨率 湿度分辨率为1 温 度分辨率为1 它的功耗很低 在5V电源电压下 平 均工作电流为0 5mA 待机电流仅为100 150 A 5 综 上所述 温湿度传感器DHT11适合本系统中对农田环境 因子空气温湿度的采集 DHT11的电路图和实物照片如图3所示 图3 DHT11电路图和实物照片 2 土壤湿度采集电路 本系统中土壤湿度的采集选择土壤湿度传感器 YL 69 YL 69由不锈钢探针和防水探头构成 方便长时 间埋设于土壤中实现土壤湿度的实时监测 很适合本系统 中使用 本系统选择三引脚YL 69 2引脚VCC接3 3V 电压 3引脚GND接地 1引脚模拟量输出口先与ADC模 块相连 经模数转换后再与CC2530的I O口连接 由此 获得更精确的土壤湿度数据 3 光照采集电路 光照传感器TSL230B与CC2530的接口电路如图4所 示 图4中 拨码开关实现TSL230B的输入端控制 TSL230B的信号输出端接的0 01uF电容是去耦电容 TSL230B的信号输出端OUT引脚连接CC2530的P0 3口 图4 TSL230B与CC2530的接口电路图 2 3 串口调试电路 串口调试电路的主要作用是方便调试程序 如图5所 示 采用CC2530的串口UART1 数据接收端RX对应 CC2530的P0 5 数据发送端TX对应CC2530的P0 4 在图5中 预留的J8经USB转TTL ch340 连接上位机 图5 串口调试电路接口 2 4 GPRS传输模块 在该系统中 利用GPRS传输模块进行监测数据的远 程传输 通过GPRS移动网络 将数据采集节点采集到的 环境信息远程传输到上位机PC机监测平台 该系统利 用ZigBee协调器搭载GPRS模块 利用GPRS技术的广 域覆盖特性 实现农田环境信息的远程实时传输和监测 2 5 电源电路 为了保证传感器节点在农田环境中的长期稳定运行 电源模块采用太阳能电池板与锂电池相结合的供电方式 太阳能电池板选择5V 10W的单晶硅电池板 具有转换 效率高 寿命长等优点 能够在光照充足的情况下为锂电池 充电 锂电池选用3 7V 2000mAh的可充电电池 为传 感器节点提供稳定的电源 同时 电源模块包含充放电管 理电路 能够自动控制太阳能电池板对锂电池的充电和锂 电池对传感器节点的供电 以确保电源系统的安全可靠 501 2025年第21期 3 软件设计 系统软件设计使用IAREmbeddedWorkbench软件 进行程序开发 主要包括ZigBee端节点 即采集节点 和 ZigBee协调器节点 即汇聚节点 程序的开发 3 1 ZigBee协调器节点软件设计 该系统采用星形网状网络结构 终端节点需要连接到协 调器节点 协调器节点负责组网 如果发生故障 将影响整 个系统的可靠性 协调器节点组网流程图如图6所示 图6 协调器节点组网流程图 3 2 ZigBee数据采集节点软件设计 根据系统的总体要求 数据采集节点负责与传感器协 同工作 并将数据发送给协调器节点 数据采集节点流程 图如图7所示 4 系统测试 本系统采用ZigBee无线传感器网络进行农田环境信息 的采集及传输 数据的无线传输效果对整个系统至关重要 故本系统的测试主要进行ZigBee网络的通信功能测试 测试方法 测试1个协调器节点和1个终端节点之间 的通信 协调器节点采用3 3V电压 终端节点采用电池 供电 协调器节点与计算机通过USB串口线相连 打开 串口调试软件 比特率设为115200bps 终端节点每隔 500ms向协调器节点发送字符串 EndDeviceSend 0X010203040506070809A r n 该测试字符串为40字 节 持续发送2min 共发送9600字节 通信若正常 串 口调试软件会收到一行9600字节的字符串 测试结果 2min时间内 串口调试软件连续收到终 端节点发来的共9600字节数据 无丢包现象 测试结果分析 结果表明ZigBee网络通信正常 系 统中终端节点是定时采集数据的 测试过程中每隔 图7 数据采集节点流程图 500ms发送一次数据 测试结果说明500ms不会出现丢 包现象 所以该ZigBee网络通信质量可以满足系统实际 需求 该系统的测试精度等其他性能指标还需要后期进 一步研究 优化 5 结语 系统采用ZigBee无线传感器网技术 提出了一种基于 无线传感器网络的农田环境智能监测系统 系统对农田空 气温湿度 光照强度 土壤湿度等关键环境参数的实时 精 准采集 并确保数据在农田环境中可靠传输 为现代化农业 生产提供技术支持 降低人力成本 提高农业生产的智能化 水平 系统具有功耗低 维护方便 易于扩展等优点 6 后 期还可以扩展采集节点 增加土壤PH值 CO2浓度 农作 物病虫害等多种模块 实现更加全面的农田环境监测 7 参考文献 1 田荣明 农田环境监测系统在无线传感器网络中的技 术分析 J 东北农业科学 2021 5 117 121 2 张玉鑫 基于无线传感器网络的农田环境监测研究 D 银川 北方民族大学 2017 3 刘红霞 基于物联网的农田环境监测系统设计 J 电子 设计工程 2021 16 145 148 4 蒋兵 孙建刚 基于物联网的农田环境监测系统实现 J 长江信息通信 2024 12 158 162 5 雷娟 基于NB IoT的农田环境监测系统设计与实现 J 湖北农业科学 2022 14 165 170 6 邱岽 孙友强 张俊卿 等 基于LoRaWAN的农田环境 监测系统设计 J 仪表技术 2023 1 1 5 28 7 潘晓贝 员涛 基于WSN的农田环境因子采集系统研 究 J 安徽电子信息职业技术学院学报 2021 3 13 18 601