农田环境无线传感器网络监测系统及其无线传输方法技术方案

本发明专利技术属于农业物联网技术领域，公开了一种农田环境无线传感器网络监测系统及其无线传输方法，该系统包括：数据采集模块、数据传输模块和控制中心；数据采集模块包含多个数据采集节点和对应的数据读取单片机，数据传输模块为LoRa模块；每个数据采集节点放置于待监测农田土壤表面，每个数据读取单片机通过杜邦线与LoRa模块连接；LoRa模块通过无线传输方式将土壤温湿度信息和PH值信息传输给控制中心。无线传输方法采用从机主动上传和主机轮询的方式。本发明专利技术能够对大范围的广域农场的环境信息进行准确监测，实现大量传感器节点数据的有效传输，解决了现有网络监测系统的数据传输可靠性低的问题。

【技术实现步骤摘要】
农田环境无线传感器网络监测系统及其无线传输方法
本专利技术涉及农业物联网
，具体涉及一种农田环境无线传感器网络监测系统及其无线传输方法。
技术介绍
随着物联网、人工智能等新兴技术在农业生产中的应用，我国的农业生产面貌正在发生变化，农业物联网的内涵是在新兴技术的应用下，使农业生产便于智能化管理，科学化决策，数字化显示，实现增加农作物产量，优化农产品质量，提高农民收益的目标。农业物联网可以分为三层：感知层、传输层、应用层。感知层是利用各种传感器来采集农业环境、动物、植物等各类信息。传输层是整个物联网的中枢，主要是将感知层采集的各类信息传递给应用层。目前在传输层用的比较多的是无线传感器网络，在农业领域，对于农业大田大范围种植，需要利用农业传感器对光照、温湿度、PH值等参数进行采集上传，由农场的管理人员对数据进行分析，帮助合理制定现阶段作物管理方案，从而避免经验式的作物施肥、浇灌等。在这种应用模式下，对数据传输的实时性要求较低，但对数据传输的有效性、准确性要求较高，同时需要保证大量传感器节点的采集数据的有效传输，一旦传输错误或缺失，就会造成后续采集的数据与系统预设农作物的生长数据比对错误，进而形成误判，造成农作物的错误施肥和灌溉，最终影响农作物生长，造成经济损失。因此，保证大量传感器节点数据传输的可靠性就显得尤为重要。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种农田环境无线传感器网络监测系统及其无线传输方法，能够对大范围的广域农场的环境信息进行准确监测，实现大量传感器节点数据的有效传输，解决了现有网络监测系统的数据传输可靠性低的问题。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。(一)农田环境无线传感器网络监测系统，包括：数据采集模块、数据传输模块和控制中心；所述数据采集模块包含多个数据采集节点和对应的数据读取单片机，所述数据传输模块为LoRa模块；每个数据采集节点放置于待监测农田土壤表面，其包含土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器，所述土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器的探测端朝向农田土壤表面，所述土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器通过引脚与对应的数据读取单片机连接；每个数据读取单片机通过杜邦线与LoRa模块连接；所述LoRa模块通过无线传输方式将土壤温湿度信息和PH值信息传输给控制中心。进一步地，所述数据读取单片机选用STM32L431CBT6型号，用于读取土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器采集的土壤温湿度和PH值信息。进一步地，所述LoRa模块选用半双工的收发器SX1268，其在郊区的覆盖距离范围为15km，在市区的覆盖距离范围为3-5km。进一步地，所述LoRa模块的发射功率为22dBm，无线传输的中心频率为472.3MHz。进一步地，所述控制中心包含主控制器；所述主控制器和LoRa模块之间的通信方式为SPI通信，采用串行通信协议。进一步地，每亩农田至少设置三个数据采集节点，所述控制中心设置于待监测农田的中心位置。进一步地，所述LoRa模块上安装有弹簧天线。(二)农田环境无线传感器网络监测系统的无线传输方法，包括以下步骤：步骤1，获取待监测农田的多个监测点处的土壤温湿度和PH值，并通过对应的数据读取单片机和从机进行数据读取和发送；其中，所述从机为LoRa模块；步骤2，通过从机主动上传或主机轮询的无线传输方式传输给主控制器，完成监测数据的无线传输；其中，所述主控制器为主机。进一步地，所述从机主动上传的具体过程为：多个从机与主控制器之间形成一个无线局域网，每个从机先监听当前信道是否正在进行通信，若是，则随机延迟一定时间后再次进行信道监听，否则，该从机进行数据发送。更进一步地，所述每个从机先监听当前信道是否正在进行通信，具体为：每个从机检测当前环境中的RSSI(接收的信号强度指示)数值，判断该RSSI数值是否大于设定阈值，若是，则认为当前环境噪声大，不进行数据上传。进一步地，所述主机轮询的具体过程为：首先，将多个从机进行编号；其次，根据从机编号，主控制器发送相应次数的数据上传请求；每次请求发送过程为：主控制器并行向多个从机发送数据上传请求，每次发送的数据上传请求中包含一个从机编号；最后，与编号对应的从机进行数据上传，将其采集的土壤温湿度和PH值信息传输给主控制器。更进一步地，所述主机轮询的实现过程为：主机轮询分为主机模式和从机模式；在主机模式下，初始化后首先主机配置进入发送模式，在发送模式下，主机依次请求每个从机上传数据，每次发送的请求中主机将从机的编号写入sx126x_tx_buf数组的第一个地址单元，然后切换到接收模式，等待接收，接收完成之后再轮询下一个从机。在从机模式下，初始化后所有从机首先配置进入接收模式，若接收的数据与其编号相同，将待发送数据写入sx126x_tx_buf数组中，切换为上传模式，将数据发送完成之后切换到待机模式。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术通过主机轮询和从机主动上传的方式，保证了大量采集节点数据传输的可靠性，避免信道拥堵带来的数据丢失，解决了现有农田数据监测过程中出现的数据传输错误，保证监测数据的准确性。(2)本专利技术的监测系统基于实际环境测试中，节点的可移动性、测试成本大小、周围环境及建筑物的影响、天气情况的影响、测试距离等因素，选取LoRa模块进行无线传输，其具有传输距离长、功耗低、组网容易、成本低等特点，适合农业大田土壤数据的监测。(3)本专利技术实现了LoRa串口透传，具有扩频通信的发射密度低，不易产生干扰，保密性好，抗干扰能力性强，对各种噪声具有很好的抑制作用，具有很好的抗多径衰落性能的优点。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。图1是本专利技术农田环境无线传感器网络监测系统示意图；图2是本专利技术实施例的农田中数据采集节点分布示意图；图3是本专利技术实施例的实际农田环境中数据采集模块的放置示意图；图4是本专利技术实施例的SPI主机与从机连接示意图；图5是本专利技术实施例的MCU2与SX1268连接示意图；图6是本专利技术实施例的从机主动上传实现流程图；图7是本专利技术实施例的主机轮询下的主机模式下的流程图；图8是本专利技术实施例的主机轮询下的从机模式下的流程图；具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。参考图1，本专利技术提供的农田环境无线传感器网络监测系统，包括：数据采集模块、数据传输模块和控制中心；所述数据采集模块包含多个数据采集节点和对应的数据读取单片机，所述数据传输模块为LoRa模块；每个数据采集节点放置于待监测农田土壤表面，其包含土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器，所述土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器的探测端朝向农田土壤表面，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.农田环境无线传感器网络监测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、数据传输模块和控制中心；所述数据采集模块包含多个数据采集节点和对应的数据读取单片机，所述数据传输模块为LoRa模块；/n每个数据采集节点放置于待监测农田土壤表面，其包含土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器，所述土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器的探测端朝向农田土壤表面，所述土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器通过引脚与对应的数据读取单片机连接；每个数据读取单片机通过杜邦线与LoRa模块连接；所述LoRa模块通过无线传输方式将土壤温湿度信息和PH值信息传输给控制中心。/n

【技术特征摘要】
1.农田环境无线传感器网络监测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、数据传输模块和控制中心；所述数据采集模块包含多个数据采集节点和对应的数据读取单片机，所述数据传输模块为LoRa模块；
每个数据采集节点放置于待监测农田土壤表面，其包含土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器，所述土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器的探测端朝向农田土壤表面，所述土壤温湿度传感器和土壤PH值传感器通过引脚与对应的数据读取单片机连接；每个数据读取单片机通过杜邦线与LoRa模块连接；所述LoRa模块通过无线传输方式将土壤温湿度信息和PH值信息传输给控制中心。


2.根据权利要求1所述的农田环境无线传感器网络监测系统，其特征在于，所述LoRa模块上安装有弹簧天线。


3.根据权利要求1所述的农田环境无线传感器网络监测系统，其特征在于，所述LoRa模块选用半双工的收发器SX1268，其在郊区的覆盖距离范围为15km，在市区的覆盖距离范围为3-5km；所述LoRa模块的发射功率为22dBm，无线传输的中心频率为472.3MHz。


4.根据权利要求1所述的农田环境无线传感器网络监测系统，其特征在于，所述控制中心包含主控制器；所述主控制器和LoRa模块之间的通信方式为SPI通信，采用串行通信协议。


5.根据权利要求1所述的农田环境无线传感器网络监测系统，其特征在于，每亩农田至少设置三个数据采集节点，所述控制中心设置于待监测农田的中心位置。


6.农田环境无线传感器网络监测系统的无线传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取待监测农田的多个监测点处的土壤温湿度和PH值，并通过对应的数据读取单片机和从机进行数据读取和发送；
其中，所述从机为LoRa模块；
步骤2，通过从机主动上传或主机轮询的无线传输方式传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀汶莉，刘艺欣，王佳伟，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61