1. 研究目的与意义

研究背景：随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息妙理技术和通信技术它是一种由传感器节点构成的网络能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去通过无线网络最终发送给观察者。无限传感器网络在农业上也有广阔的应用前景。对于传统农业，人们主要通过感知能力对影响农作物生长的各种因素进行辨别，准确性不高，这样农业管理也就达不到很高的要求，伴随随着科学技术的发展和城镇化的改革，对传统农业的要求不断提高。因此，将无限传感器网络系统应用于农业中，将会大大提高农业的发展。利用物联网的关键技术——无线传感器网络，对农业生产的过程进行实时数据采集与监控，是目前农业物联网研究领域最主要的课题之一。

国内外研究现状：在农业资源监测和利用领域，美国和欧洲主要利用资源卫星对土地利用信息进行实时监测，并将其结果发送到各级监测站，进入信息融合与决策系统，实现大区域农业的统筹规划。在农业生态环境监测领域，美国、法国和日本等一些国家主要综合运用高科技手段构建先进农业生态环境监测网络，通过利用先进的传感器感知技术、信息融合传输技术和互联网技术等建立覆盖全国的农业信息化平台，实现对农业生态环境的自动监测，保证农业生态环境的可持续发展。在农业生产管理领域，美国、澳大利亚、法国、加拿大等一些国家在大田粮食作物种植精准作业、设施农业环境监测和灌溉施肥控制、果园生产不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水产精细化养殖监测网络和精细养殖等方面应用广泛。近几年，随着现代无线网络技术和计算机应用技术的迅速发展，我国对无线传感器网络技术在温室监控、自动化节水灌溉等方面的应用展开了研究。

目的：利用单片机控制技术、传感器网络技术、无线数据传输技术等专业知识，设计一种智慧农业无线传感器网络系统。来有效监控农业生产环境的空气温湿度、光照、降雨量，土壤温湿度、有机质含量、重金属含量、ph值以及植物生长特征等信息 ，这样可以有效改善农业生态环境，显著提升农业生产经营效率，彻底转变农业生产者、消费者观念和组织体系结构。

2. 研究内容与预期目标

研究内容：

利用单片机控制技术、传感器网络技术、无线数据传输技术设计一种智慧农业无线传感器网络系统。来监控农业生产环境的空气温湿度、光照、降雨量，土壤温湿度、有机质含量、重金属含量、 ph值以及植物生长特征等信息。

首先我们选择的是采用str-30等通用元器件，具有通信距离远、相对节点数较少、成本低、组网灵活等优点。无线传感器网络节点电路以 stc12c5a60s2 单片机为控制核心，由多个节点组成分布式无线传感器网络。这种单片机兼容性强，结构简单，运行可靠，信价比较高，能完成相关控制及处理。

3. 研究方法与步骤

研究方法：主要包括两个部分，硬件组成和软件设计。

3.1智慧农业无线传感器网络硬件组成

这次设计的基于 STR-30 组成的实时监控系统，其中无线传感器网络节点电路以STC12C5A60S2 单片机为控制核心，由多个节点组成分布式无线传感器网络。网络的数据枢纽是本系统的汇聚节点，无线传感器节点硬件电路结构如图1所示，其核心是微处理器。数据采集端配有空气温湿度、光照强度、土壤温湿度以及 pH 值测量等传感器组，还配有无线数据传输模块、通信接口以及外部存储器等。另外，系统还预留了重金属检测等传感器接口。

每个节点的微处理器根据自带传感器模块提供的数据时序，实时进行数据采集、分析处理、传输和接收远程控制信息。当某一节点所带传感器检测到的某参数指标超标时，该节点将自动发出告警信号。汇聚节点与 PC 机连接，可接收来自各节点的信息，能及时发现并确定发出信息的节点所在的位置，将各传感器的数据按照预定的协议发送到 PC，由 PC 将数据实时存储和显示，并根据接收到的实时数据与预置参数进行比较以判断被检测区域作物的生长环境是否达标，也可根据需要对某节点的工作状态或参数作相应调整。

无线通信数据模块，采用STR-30 型微功耗无线数据传输模块工作于 ISM 频段，无需申请频点，具有多信道、多速率、传输距离远、高抗干扰能力和低误码率等优点。传感器模块接口电路中微处理器（STC1）是数据处理与 I/O 口的控制核心，外围主 要接口与各传感器通过串行通信接口（RS232）与无线通信模块相连接，该接口也可用于调试及程 序下载. 本系统还预留了一定的外围 I/O 接口，以便扩展其他传感器或自动控制模块。系统中，空气 温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器、CO2 浓度传感器等模块的输出量均为数字量，pH值数据为模拟量。

3.2智慧农业无线传感器网络软件设计

该系统软件采用C语言设计，主要设计了主程序、显示程序模块、数据采集模块和执 行程序模块。系统上电后，主程序先完成系统初始化，然后再初始化传感器，使传感器工作。主程序调用数据采集模块读取传感器的数据，并调用显示模块在液晶显示器上显示。数据处理程序对采集来的数据与设定的限值进行比较，若温湿度在设定的限值范围内，返回重新读取数据。如此进行循环；若超出限值范围，则使相应的输出继电器动作，使执行机构调整温湿度，然后再返回重新读取数据，主程序图见图2。

研究步骤：

1. 首先通过学习查阅资料，基本确定智慧农业在无线传感器网络系统设计的方案，了解每个模块和传感器的作用与功能，然后就是数据的采集与监测。

2.系统硬件方面构成，把需要的单片机以及传感器类型确定好，无线通信模块和传感器模块接口电路，对当前的农业生产环境数据进行监控，实时做出警告或者调节。

3. 系统软件由传感器节点驱动程序、网络路由驱动程序以及 PC 通信、数据处理等程序组成。各节点传感器采集的相关数据通过无线模块与 PC控制终端进行通信，终端能及时准确地处理并显示各节点的数据，同时也能对各节点进行相关控制操作。

4. 系统测试主要包括下位机节点的测试和上位机控制终端的测试，其中下位机各节点的测试可以通过观察上位机的数据直接知道。系统的调试主要是各传感器模块的调试以及上位机软件的调试，上位机的测试主要是各功能模块的测试。

4. 参考文献

[1] 胡亚楠．zigbee技术在物联网中的研究应用[j]．山西电 子技术，2016(6)：40—41．

[2] 夏华. 无线通信模块设计与物联网应用开发[m]. 北京：电子工业出版社，2011.

[3] 张天鹏，李正斌，刘彦珍．基于无线通信的温室环境监控系统设计[j]．中国农机化学报，2015，36（1）：124-127.

5. 工作计划

2022年2月24日——2022年3月15日，有针对性的学习课题相关资料，查阅相关文献资料对课题进行调研，学习相关学科的基础知识，学习实验所需软硬件的相关知识。

2022年3月16日——2022年4月1日，设定实验方案，采集实验数据。查阅资料，撰写并提交开题报告，确定毕业设计方案。

2022年4月1日——2022年4月27日，进入全面的毕业设计阶段，在进一步理论分析的基础上，按照设计方案进行详细的设计，搭建模型与调试；同时进行五千字的英文翻译。