■ 智能农业管理系统的设计

■ 气体传感器、红外传感器、温湿度传感器管理系统的设计与实现

■ IAR集成开发环境

■ 传感器管理系统代码编写和调试

【背景介绍】

①提高我国农产品的质量和生产效率，对大面积土地的规模化耕种实施信息技术指导下科学的管理，是一个既前沿又当务之急的科研课题。

②传统农业生产的技术手段落后。

③农作物无线远程监控产品在农业领域有用武之地。

【目的和意义】 

20世纪90年代后，无线技术的广泛应用使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展。尤其以Zibgee无线技术为主的物联网系统，使得科技农业的技术体系广泛运用于生产实际成为可能。科技农业技术体系的实践与发展，已经引起一些国家科技决策部门的高度重视。

智能农业管理系统主要包括环境、动植物信息检测，温室、农业大棚信息检测和标准化生产监控，精农业中的节水灌溉等应用模式。例如，农作物的生长环境、病虫害情况、土地灌溉情况、土壤空气变更、畜禽的环境状况的检测、温度、湿度、风力、大气、降雨量等信息的收集，土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH值等信息的监测。

智能农业包括了互联网、移动互联网、云计算和物联网技术等，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、氧气和二氧化碳浓度、红外感应等）和无线通信网络，实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理和智能化决策。

【项目需求分析】

智能农业管理系统主要从三个方面对农业生产进行管理：

无线监测平台，通过传感器对农产品的生长过程进行全面监管：

高精度测量温室大棚生产过程中的参数；

对温湿度进行监测

对光照度进行监测

具备安防监测功能

控制管理系统，达到节水、节能、高效的目的，从而精确调控农业生长：

需要远程访问与控制

需具备控制风扇功能

需要具备控制加湿器功能

能够控制加热器给环境升温功能

物联网信息系统，农业生产过程的标准化和网络化管理，并记录农作物生长信息：

具有局域网远程访问与控制功能

需要具备GPRS网络访问功能

【系统的体系结构分析】

体系结构框架设计

智能农业管理系统体系结构框架如图所示。系统的核心是ZigBee路由器和嵌入式网关，两者通过ZigBee协调器传递信息。用户通过GPRS模块、无线路由器、触屏控制器等设备与系统交互;系统通过ZigBee路由器获取各个传感器节点信息，并通过执行节点控制继电器调节农业环境。

项目分析——设计原理

智能农业管理系统通过实时采集温室内温度、土壤温度、CO2浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备。根据用户需求，随时进行处理，为实施农业综合生态信息自动监测、对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据。该系统具有以下特点：

①可在线实时7×24小时连续地采集和记录检测点位的温度、湿度、风速、CO2浓度、光照等各项参数情况，以数字、图形和图象等方式实时显示和记录、存储监测信息，监测点位可扩充到上千个。

②系统可设定各监控点位的温湿度报警阈值。当出现被监控点位数据异常时，可自动发出报警信号。报警方式包括：现场多媒体声光报警、网络客户端报警、手机短信息报警等。上传报警信息并进行本地及远程监测，系统可在不同的时刻通知不同的值班人员。

③系统可对传感器采集的温湿度、光照等数据在后台实现自动处理，与设定阈值比对，并根据结果自动调节大棚内温湿度、光照控制设备，实现大棚的全自动化管理。

④具有强大的数据处理和通信能力。采用计算机网络通信技术，局域网内的任何一台计算机都可以访问监控计算机，在线监测信息实时发送到用户个人手机。

【系统的主要模块和功能分析】

主要模块

 气体监控管理模块

 温湿度监控管理模块

 光照度监控管理模块

 红外感应管理模块

功能模块分析

气体监控管理模块：

气体传感器节点监控程序的设计

气体传感器ZigBee协议栈的设计

风扇控制程序的设计

温湿度监控管理模块：

温湿度传感器节点监控程序的设计

温湿度传感器ZigBee协议栈的设计

加热器与加湿器控制程序的设计

光照度监控管理模块：

光照度传感器节点监控程序的设计

光照度传感器ZigBee协议栈的设计

灯光控制程序的设计

红外感应管理模块：

红外感应传感器节点监控程序的设计

红外感应传感器ZigBee协议栈的设计

传感器是一种检测装置，能检测到被测量的信息，并能将检测到的信息进行采样后，变换成为有意义的信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器技术是实现自动检测和自动控制的首要环节。在智能农业管理系统中，传感器技术是整个系统的根本。  智能农业管理系统使用了气体传感器、温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、红外感应传感器等，高精度测量农业生产过程中的各种参数，智能控制温室内温度、湿度及通风状况等，自动实现保温、保湿和历史数据记录，监测温室内部环境。各种传感器的技术特点和工作原理简述如下。







气体传感器多采用电阻式半导体，使用金属氧化物薄膜制成表面型气敏元件。金属氧化物薄膜吸附气体后，电导变化与气体浓度成比例，导致电阻随着气体含量不同而变化，将电阻数据转化为数字信号，通过计算即可得到实际的气体浓度。气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点







温度传感器多采用热敏电阻半导体，其阻值随温度增加而降低，温度变化造成电阻值大幅度改变。温度传感器具有灵敏度高、体积小、响应速度快等优点。







湿度传感器多采用湿敏电容，采用高分子薄膜电容制成。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量发生变化，电容变化量与相对湿度成正比。







光照度传感器多采用光敏电阻。光敏电阻是基于光电效应，在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里构成。为了增加灵敏度，两个电极常做成梳状。当光照变化时，产生电子的运动，导致光敏电阻的阻值发生变化。

随着传感器技术的成熟，传感器的成本大大降低，精度越来越高。智能农业管理系统可以采用各种传感器监测农业生产过程中的各项数据，用科学的数据指导农业生产。













ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗无线网络协议。根据这个协议规定开发的是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的“8字舞”。由于蜜蜂(bee、)靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位的信息，也就是说，蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本。ZigBee适合用于自动控制和远程控制领域。可以嵌入各种设备，是一种实现便宜、低功耗的近距离无线组网的通信技术。

ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，称为IEEE 802. 15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee技术有自己的无线电标准，在数干个微小的传感器之间相互协调，实现网络通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此其通信效率非常高。 

IEEE仅处理MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行标准化，还开发了安全层。ZigBee协议分层依次为应用层、网络层、MAC层等，如图1-5所示。

应用ZigBee可组成多种网络拓扑结构——星形网络、簇状网络、网状网络，其中网状网络最重要。

网状拓扑结构是一种多跳的网络系统。网络中的节点可以直接通信，每一次，通信网络都会选择一条或多条路由传输数据，将要传输的数据传递给目的节点，它是-种点到点网络。在点到点网络中，只要彼此都在对方的辐射范围之内，任何两个节点之间都可以直接通信。点到点支持多跳路由。点到点网络中也需要协调器，负责管理链路状态信息、认证设备身份等。网状网络中的源节点都有多条路径到达目的节点，因此节点容故障能力较强。
















  智能农业管理系统采用嵌入式系统作为网关，其优势如下所述。

 ①可靠性高。嵌入式网关采用的都是高性能的嵌入式CPU，集成度非常高，而且没有多余的外围设备，因此硬件故障的概率显著降低。安全网关的嵌入式平台都采用低功耗设计，整个平台的发热量非常低。低发热量带来的好处就是系统运行稳定，而且无须采用风扇和相关冷却机构。

②成本低。嵌入式网关根据具体的应用量身定制，多余的器件都可以省去，不仅成本降低。而且系统更加简洁、稳定和高效。

③抗病毒能力强。嵌入式网关使用的代码是经过再次开发的，也没有可以动态加载运行的执行文件，因此病毒无法入侵此平台。整个嵌入式网关加载于内存中运行，不会受到病毒的影响。

④启动速度快。嵌入式网关的启动速度非常快，通常在5～lOs能够加载完成并正常运行。

⑤可持续工作能力强。嵌入式网关的芯片都可以长期持续使用，现有器件若干年以后仍旧可以采购并使用。

智能农业管理系统采用嵌入式技术，将传感器节点、执行节点与ZigBee技术融合成具有低功耗、低成本、分布式和自组织等特点的无线传感网络节点，并采用运行Linux操作系统的嵌入式网关技术，实现Internet远程访问和控制功能、GPRS网络远程访问与控制功能、视频监测功能、数据显示功能。

IARSystems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段。

IAR开发环境所把我们的思想用CPU能识别的语言表达出来，让CPU按照我们的思路去工作。 通过C语言将功能实现，IAR开发环境能够把代码进行编译，生成嵌入式系统可执行的文件。

同时IAR集成开发环境还为提供调试功能，为开发者提供方便。

1：IAR开发环境安装

智能农林管理系统IAR7.51a,集成开发环境搭建过程如下所示。

①将安装软件解压后，运行可执行安装程序，并选择InstallIAR选项，如图1-7所示。

                            图1-7   LAR安装初始画面

②通过安装向导，接受协议后，输入序列号。

③选择安装路径（见图1-8），并进行完整安装，如图1-9所示。

                               图1-8   安装路径

                               图1-9   选择完整安装

④完成后，启动IAR集成开发环境，如图1-10所示。

    2：IAR开发环境界面

⑴启动IAR开发环境

单击“程序”，→IAR Embedded Work'oench for MCS-51→IAR Embedded work一

bench命令，启动IAR开发环境界面，如图1-11所示。

(2)建立一个新的工程

单击Project→Creat New Project命令，弹出一个对话框，从中选择Empty  Project项。

确定后，在“文件名”处输入新建工程的名字，然后选择工程的保存路径，在单击“保存”按钮，新的工程就建立完成，如图1-12所示。

                                图1-10   安装完成

                              图1-11  IAR开发环境启动界面

                             图1-12   新建一个工程

⑶建立新的C程序文件

在工程界面下单击File→New→File命令，然后单击保存按钮，在弹出的窗口“文件名”处输出文件名为main.c,保存位置选择在工程文件路径下，最后保存文件，完成文件的建立，如图1-13所示。

                                图1-13   新建.c文件

⑷编辑C语言代码，并加入工程

编辑文件main.c，输入相应的代码（当前代码为示例程序）。然后右击工程文件名，在弹出的快捷菜单中单击Add→Add Files命令（见图1-14），选中main.c文件，把文件main.c添加到工程中，如图1-15所示。

                              图1-14   将main.c文件加入工程

                                图1-15   编程main.c代码

⑸编译程序

单击工具栏中方框处的按钮，启动编译工作。编译的结果显示在下面的信息栏中，如图1-16所示。信息栏的方框处显示，本示例程序没有错误，可以运行。

                            图1-16  编译程序

⑹调试跟踪程序

单击红圈处的按钮执行调试，进入程序调试界面，如图1-17所示。

在调试对话框中，单击View→Watch选项，弹出观察窗口。将需要观察的对象拖到观察窗口中，或将观察对象的名字填到Expression项中，然后单击单步运行按钮，观察这些对象的变化，如图1-18所示。

                            图1-17   调试程序

                            图1-18   跟踪程序