前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的農田土壤遠程監測系統設計論文，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
1總體設計方案
本設計是基于大區域農田土壤監測的實際需要進行設計的。系統主要由傳感器節點、協調器、WCDMA終端、上位機監測中心等部分組成。系統采用太陽能電池供電方式，使用蓄電池存儲電能，通過太陽能電源控制模塊為各節點提供所需電能，維持系統的正常運行。傳感器組采集土壤溫度、濕度、pH值和電導率數據，發送給以CC2530模塊為核心的ZigBee無線傳感網絡終端節點的模數轉換接口，終端節點將采集到的數據發送給協調器;協調器通過RS232串口通信與WCDMA終端連接，將輪流采集到的各傳感節點數據發送給WCDMA終端;WCD-MA終端通過3G無線通信網絡將數據實時發送到遠程監測中心，監測中心對收到的數據進行處理、顯示并進行Web;外網用戶可通過互聯網實時訪問。
2系統硬件設計
2．1終端節點硬件設計
終端節點是組成無線傳感網絡的基本單元，用于采集各采集點土壤參數信息，并將數據通過無線發送給協調器。
2．1．1傳感器模塊
土壤溫度決定作物生長環境，土壤水分是作物水分的主要來源，土壤pH值反映土壤酸堿程度，土壤電導率反映了土壤壓實度、黏土層深度及水分保持能力等。本設計選擇在大區域農田種植中對農作物生長影響較大的溫度、濕度、pH值及電導率4個參數進行監測，選取的傳感器如圖3所示。1)溫度傳感器:選用Dallas公司推出的數字式防水封裝的DS18B20溫度傳感器，采用不銹鋼外殼封裝，防水防潮輸出數字信號，無需進行AD轉換，大大提高了系統的抗干擾性;工作電壓3．0～5．5V，測量溫度范圍為－55～+125℃，在－10～+85℃范圍內，精度為±0．5℃。2)濕度傳感器:選用SMTS－II－50型土壤濕度傳感器，4～20mA輸出，響應速度快，性能可靠，平均電流小于10mA，功耗低;抽真空灌封，密封性極好，耐土壤中酸堿鹽的腐蝕，適用于各種土質。3)pH值傳感器:選用上海陸基公司的土壤pH值傳感器，輸出4～20mA;測量范圍為0～14pH，零電位pH值為7±0．25pH，斜率≥95%;功耗低，抗干擾性能較強，耐腐蝕性好。4)電導率傳感器:選用上海陸基公司E－113－02－t型電導率傳感器，電導范圍10～2000μs/cm，適合各種土質;分辨率為1μs/cm，5～35℃內溫度自動補償;耐腐蝕好，適合長期進行土壤測量。
2．1．2CC2530模塊
農田土壤監測節點選用TI公司的高性能CC2530芯片作為射頻模塊，采集并傳送土壤數據。CC2530應用了業界領先的Z－StackTM協議棧，提供了一套解決ZigBee網絡的完整方案。CC2530集成了RF前端、高靈敏度的接收器、8kBRAM、可編程Flash及101dB的鏈路質量，輸出功率最高可達4．5dBm，包括定時器、5通道的DMA、8通道12位ADC、AES安全協處理器、21個通用I/O引腳和2個串行通信協議UART等。CC2530適用于對功耗要求嚴格的系統。
2．2嵌入式網關硬件設計
嵌入式網關的主要工作是接收各終端節點采集到的土壤參數并通過WCDMA發送給遠程監測中心。嵌入式網關主要由協調器及DTU無線通信模塊兩部分組成。
2．2．1協調器模塊
協調器部分仍然選用TI公司的CC2530芯片，與終端節點共同構成ZigBee網絡，底板比終端節點只增加了串口通信部分。
2．2．2DTU無線通信模塊
無線通信系統主要由DTU組成，是一種可以使用2G/3G/4G網絡進行遠程數據傳輸的終端設備。綜合考慮成本和實用性，本設計采用通過第三代移動通信WCDMA上網方式的DTU，其內部集成了高性能ARMCortex－M332RISC內核STM32F107處理器和WCDMA聯通3G模塊，支持1900M/1800M/900M/850M工作頻段;內嵌TCP/IP協議棧，數據無線透明傳輸;采用低功耗電源監控技術，值守電流小于2mA;采用軟件和電路雙重濾波，穩定可靠。
2．3電源模塊設計
系統采用太陽能電池為終端節點和嵌入式網關供電。電源模塊主要包括:蓄電池、太陽能電池板和太陽能控制器3個部分。蓄電池選用12V7．5AH免維護鉛酸蓄電池;太陽能電池板選用功率20W，工作電壓18V的單晶硅太陽能電池板。太陽能控制器選用額定充電/負載電流均為10A，12V/24V充電電壓自動識別的DL－12/24－10a系列控制器，內置充放電智能控制技術。
3軟件設計
3．1終端節點軟件設計
終端節點的主要任務是負責大區域農田土壤參數的采集與數據的無線傳輸。ZigBee協議實現數據的短距離無線傳輸，終端節點在ZigBee協議中屬于半功能節點，不支持路由功能，只能與上層的路由器、協調器節點進行通信，負責向上一層節點傳輸土壤數據。
3．2嵌入式網關軟件設計
嵌入式網關節點的軟件設計由兩部分組成，分別為協調器接收土壤參數和WCDMA遠程發送土壤數據。工作時，需要先給DTU無線通信終端設備安裝聯通3G手機卡，并將DTU和PC機通過RS232相連對其波特率、中心IP、端口號及SIM卡號等參數進行配置，配置軟件界面。
3．3遠程監測中心軟件設計
遠程監測管理中心界面采用LabVIEW圖形化軟件進行設計。其主要實現的功能如下:1)多通道農田土壤參數采集功能。設置了多個數據采集通道，可實時采集大區域農田土壤的溫度、濕度、pH值及電導率4個參數。2)報警功能。設置土壤參數上下限，遠程監測中心會相應的給出報警信號。3)通過LabVIEW的Web功能，外網用戶可通過互聯網進行實時訪問。
4測試與結果分析
考慮到農田土壤的特性，為了在監測區域內得到全面、準確、實時的有效數據，對傳感器節點的布置進行了合理的優化。選取的試驗田為長寬均為200m的矩形區域，分成4塊長寬均為100m的區域，每塊農田4個終端節點數值取均值后通過匯聚節點發送給協調器，后期可根據大區域農田實際需求靈活對其進行擴展。系統設置安裝完成后，給整個系統上電1min后，觀察協調器和終端節點，看到綠色組網LED亮，可以判定系統組網成功。打開位于監測中心的上位機軟件對系統功能和穩定性進行測試。上位機軟件以人性化的方式向用戶顯示采集到的參數，并具有人員登錄、參數設置、歷史數據查詢等功能，可以通過選項卡切換不同區域農田的土壤參數。監測界面既可以數值方式顯示溫度、濕度、pH值和電導率數值，也可以繪制參數的變化曲線。經過與標準儀器比較，各參數誤差均小于3%，滿足農業監測精度要求，達到預期設計標準。通過LabVIEW軟件的Web工具，將軟件進行Web。經測試，外網用戶能通過互聯網隨時隨地進行訪問。
5結論
根據大區域農田土壤監測的實際要求，設計了一套基于ZigBee和WCDMA技術的遠程監測系統。系統采用太陽能供電，可以對農田土壤溫度、濕度、pH值、電導率4個參數進行全天候不間斷遠程監測。運用LabVIEW軟件開發上位機界面，能夠直觀顯示各監測區域參數，具有人員登錄、數據存儲等功能。通過Web監測界面，使得外網用戶可通過互聯網隨時隨地進行訪問。系統中的傳感器、終端節點、嵌入式網關及太陽能電池等設備相對獨立，使得系統升級、維護更加方便。與傳統和同類產品相比，該系統具有結構簡單、界面友好、多終端顯示、多參數監測及集成度高等優點，具有很好的推廣和應用價值。
作者：蔡文科 俞阿龍 李將 施賽杰 單位：寧夏大學物理電氣信息學院 淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院