农田土壤远程监测系统设计论文.docx

农田土壤远程监测系统设计论文1总体设计方案本设计是基于大区域农田土壤监测的实际需要进行设计的。系统主要由传感器节点、协调器、WCDMA终端、上位机监测中心等部分组成。系统采用太阳能电池供电方式使用蓄电池存储电能通过太阳能电源控制模块为各节点提供所需电能维持系统的正常运行。传感器组采集土壤温度、湿度、pH值和电导率数据发送给以CC2530模块为核心的ZigBee无线传感网络终端节点的模数转换接口终端节点将采集到的数据发送给协调器;协调器通过RS232串口通信与WCDMA终端连接将轮流采集到的各传感节点数据发送给WCDMA终端;WCD-MA终端通过3G无线通信网络将数据实时发送到远程监测中心监测中心对收到的数据进行处理、显示并进行Web发布;外网用户可通过互联网实时访问。2系统硬件设计2．1终端节点硬件设计终端节点是组成无线传感网络的基本单元用于采集各采集点土壤参数信息并将数据通过无线发送给协调器。2．1．1传感器模块土壤温度决定作物生长环境土壤水分是作物水分的主要来源土壤pH值反映土壤酸碱程度土壤电导率反映了土壤压实度、黏土层深度及水分保持能力等。本设计选择在大区域农田种植中对农作物生长影响较大的温度、湿度、pH值及电导率4个参数进行监测选取的传感器如图3所示。1)温度传感器:选用Dallas公司推出的数字式防水封装的DS18B20温度传感器采用不锈钢外壳封装防水防潮输出数字信号无需进行AD转换大大提高了系统的抗干扰性;工作电压3．0～5．5V测量温度范围为－55～+125℃在－10～+85℃范围内精度为±0．5℃。2)湿度传感器:选用SMTS－II－50型土壤湿度传感器4～20mA输出响应速度快性能可靠平均电流小于10mA功耗低;抽真空灌封密封性极好耐土壤中酸碱盐的腐蚀适用于各种土质。3)pH值传感器:选用上海陆基公司的土壤pH值传感器输出4～20mA;测量范围为0～14pH零电位pH值为7±0．25pH斜率≥95%;功耗低抗干扰性能较强耐腐蚀性好。4)电导率传感器:选用上海陆基公司E－113－02－t型电导率传感器电导范围10～2000μs/cm适合各种土质;分辨率为1μs/cm5～35℃内温度自动补偿;耐腐蚀好适合长期进行土壤测量。2．1．2CC2530模块农田土壤监测节点选用TI公司的高性能CC2530芯片作为射频模块采集并传送土壤数据。CC2530应用了业界领先的Z－StackTM协议栈提供了一套解决ZigBee网络的完整方案。CC2530集成了RF前端、高灵敏度的接收器、8kBRAM、可编程Flash及101dB的链路质量输出功率最高可达4．5dBm包括定时器、5通道的DMA、8通道12位ADC、AES安全协处理器、21个通用I/O引脚和2个串行通信协议UART等。CC2530适用于对功耗要求严格的系统。2．2嵌入式网关硬件设计嵌入式网关的主要工作是接收各终端节点采集到的土壤参数并通过WCDMA发送给远程监测中心。嵌入式网关主要由协调器及DTU无线通信模块两部分组成。2．2．1协调器模块协调器部分仍然选用TI公司的CC2530芯片与终端节点共同构成ZigBee网络底板比终端节点只增加了串口通信部分。2．2．2DTU无线通信模块无线通信系统主要由DTU组成是一种可以使用2G/3G/4G网络进行远程数据传输的终端设备。综合考虑成本和实用性本设计采用通过第三代移动通信WCDMA上网方式的DTU其内部集成了高性能ARMCortex－M332RISC内核STM32F107处理器和WCDMA联通3G模块支持1900M/1800M/900M/850M工作频段;内嵌TCP/IP协议栈数据无线透明传输;采用低功耗电源监控技术值守电流小于2mA;采用软件和电路双重滤波稳定可靠。2．3电源模块设计系统采用太阳能电池为终端节点和嵌入式网关供电。电源模块主要包括:蓄电池、太阳能电池板和太阳能控制器3个部分。蓄电池选用12V7．5AH免维护铅酸蓄电池;太阳能电池板选用功率20W工作电压18V的单晶硅太阳能电池板。太阳能控制器选用额定充电/负载电流均为10A12V/24V充电电压自动识别的DL－12/24－10a系列控制器内置充放电智能控制技术。3软件设计3．1终端节点软件设计终端节点的主要任务是负责大区域农田土壤参数的采集与数据的无线传输。ZigBee协议实现数据的短距离无线传输终端节点在ZigBee协议中属于半功能节点不支持路由功能只能与上层的路由器、协调器节点进行通信负责向上一层