基于物联网的花园土壤监测

论文总字数：20819字

目 录

1绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 2

1.3研究意义和目的 2

2系统方案 3

2.1系统需求分析 3

2.2系统设计方案 4

2.3无线通信技术的选择 5

3硬件设计 6

3.1单片机最小系统 7

3.1.1 晶振电路 8

3.1.2 复位电路 8

3.2 显示模块 8

3.3报警模块 9

3.4温湿度测量模块 9

3.5通信模块 10

4软件设计 11

4.1下位机的软件设计 11

4.1.1 LCD1602A液晶显示屏软件设计 12

4.1.2 数据处理软件设计 14

4.1.3 蓝牙通信的软件设计 15

4.2上位机的软件设计 16

4.2.1上位机的开发调试环境 16

4.2.2上位机的工作流程 17

4.2.3 上位机软件实现过程 17

5测试与性能分析 20

5.1调试过程 20

5.1.1硬件调试 20

5.1.2软件调试 21

5.2 性能分析 23

5.3 调试问题与解决问题 23

6总结与展望 24

6.1总结 24

6.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

基于物联网的花园土壤监测

沈亚敏

,China

Abstract: Monitoring and analyzing garden soil in order to better maintain the fertility of soil. A garden soil monitoring system based on the Internet of Things was designed. IOT can connect any object through sensor and the Internet. This study helps build a hardware structure through temperature and humidity sensing DHT11, STC89C52 MCU and HC-05 Bluetooth module, and develops a set of close-range monitoring and management software platform through wireless Bluetooth transmission, therefore jointly constructing an IOT-based garden soil monitoring system. The system will accurately record the current temperature and humidity conditions of soil and convey early warning signals to remind people to take corresponding measures so as to ensure that soil maintains a stable range.

Keywords: Internet of Things (IOT); Sensors; Data processing; Bluetooth technology

1绪论

1.1研究背景

我国是一个多水旱灾害的国家，洪涝时期，积水严重，无法完全渗透到土壤中；干旱时期，会快速蒸发土壤中的水分，以致于土壤中的水含量不断减少，这种现象也被称为土壤熵情。土壤墒情监测主要是对土壤湿度进行监测，其监测主要内容就是对水循环规律研究、农牧业灌溉水资源合理利用以及抗旱救灾的基本信息的收集。土壤墒情对农业生产的影响至关重要，是一个关键因子^[1-3]，而且水分对粮食安全很重要，有着重要意义^[4]。

世界水资源总量大约占所有资源的30%，其中中国水资源总量占7%,，居于世界第6位，然而中国的淡水资源量人均只有2200 m³，居全世界第119位,，是世界人均淡水资源拥有量的1/4，是世界13个贫水国之一^[5]。

精准农业是新世纪农业发展的新趋势和方向。我国因为技术、管理水平的落后，导致灌溉用水利用率仅40%。精准农业由全球定位系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、环境监测系统、农业专家系统、农田信息采集系统、智能化农机具系统、系统集成等10个系统构成。这就需要先进的技术来完成精准农业的要求，以便获得经济和环境双效益。

物联网为土壤熵情信息获取提供了一个新思路。物联网是通过智能传感器、射频识别（RFID）、激光扫描仪、全球定位系统（GPS）、遥感等信息传感器设备及系统和其他物-物通信模式的无线自组织网络，以既定的协议，将互联网与任何事物连接起来，交换信息并通信，用来将识别、定位、监测、跟踪和管理进行智能化，是一种巨大的智能网络^[6]。将传感器采集到的温度和湿度信息通过数据分析和处理，有针对性地对土壤采取相应的措施。

物联网由感知层、网络层、应用层构成。由各种传感器以及传感器网关构成的是感知层，感知层相当于人的感官，物联网通过感知层识别物体，采集信息^[7]。网络层是传输媒介，由各种有线无线网络构成，负责传输和处理信息。物联网和用户的接口是应用层，与项目需求结合，实现智能物联网的应用。

本次对花园土壤进行温湿度的监测，主要是初步利用物联网技术来监测土壤熵情信息，以小见大，从而对农业土壤研究产生启发作用。

1.2国内外研究现状

无线传感器网络是对数据的采集、处理和传输的实现。它是物联网技术的核心，由传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络组成，能够监测、感知和采集监测对象信息，并对收集到的信息做出分析和处理，处理完之后把这些信息发送给终端用户。经过无线传输网络传送到监测站主机和需要这些信息的用户，同时用户也可以通过网络将指令传送到目标节点，使目标节点执行相应的任务^[8]。

1.2.1国外研究现状

自20世纪60年代开始，美国率先对土壤环境的检测展开了研究。随后，欧盟国也相继对土壤环境、土壤污染等方面展开研究，在研究过程中，针对不同土壤类型的监测技术应运而生，建立起相应的土壤环境监测系统^[9]。

无线传感器网络技术在欧盟土壤环境监测中的运用和发展，主要技术是传感器节点以无线通信的方式构成传感器网络。具体操作是通过传感器节点采集数据信息，并将数据通过传感器网络发送到网络中，最后由特定的汇聚节点接收。以自组织形式构成网络，并通过传感器采集、处理和传输信息的无线传感器网络，有着广泛的应用前景。

物联网技术是一个新兴的交叉学科，目前美国、欧盟和日韩对物联网技术的应用和发展具有较大的优势，尤其是美国在基础方面领先国内一大步。我国在物联网技术方面的发展仍处于起步和摸索阶段，与发达国家相比有着较大的差距。

1.2.2国内研究现状

我国对于利用无线传感器技术进行土壤监测起步较晚，不过近50年来迅猛发展，有了很大的进步，逐渐缩小了与发达国家之间的差距。我国于20世纪80年代开展土壤监测工作，主要采用传统的监测方式，如定点观察，与国外的研究技术相比，这些传统的研究手段普遍落后，迫切需要进一步的完善和改进^[10]。当然，在引进国外先进的土壤监测技术的同时，也要结合自身实际，取长补短，不断更新和发展。

目前，在土壤学研究方面，国内将无线传感器网络技术应用在土壤监测上，并取得了一定的成果与进步。由于土壤的水分和温度稳定性低且位置差异性大，比较适合于无线传感器网络的监测和采集，国内率先对无线传感器网络的土壤水分和温度监测技术展开理论研究，并且取得了初步的成果和创新，不过实际运用和实施效果并不理想，后续还需继续改进。

基于物联网技术的无线传感网络为土壤信息的获取提供了先进技术的支持，该技术能够把目标事物通过射频识别、感知信息、无线传输和互联网连接等手段，实现智能监测和管理^[10-13]。该技术能够不受时间空间的控制，对土壤环境实施监测和控制，获取的土壤信息既准确又有效^[14]。

1.3研究意义和目的

该系统的研究目的主要是通过传感器采集数据，并对数据做出相应的处理，再通过蓝牙传输到上位机上，以便对土壤墒情有及时的了解并做出对应的措施。着重解决的问题就是对土壤温湿度的检测，加深对土壤的了解情况。

该设计的研究意义是设计一个基于物联网的无线传感网络的监测平台，采用软硬结合和无线传输的方式，对土壤监测的远程监控有着启示作用。物联网技术与土壤环境监测相结合，是土壤监测史上一次新的尝试和突破，将不同学科交叉在一起研究，开拓新领域和新方向。将先进科学技术与传统土壤生态学研究想结合，对于土壤环境的研究有着超前的突破。运用物联网技术的土壤监测系统的建设和应用，对于克服传统的土壤监测方法带来的不便和误差有很大提升，很大程度上提高了监测数据的准确性，同时也提高了监测效率。

2系统方案

基于物联网的花园土壤监测系统，是用于土壤监测。本系统主要研究的是土壤的温湿度，土壤中的成分较多，像泥土里的微生物，土壤酸碱度，土壤软硬程度等监测都是对土壤墒情的勘察，由于技术有限，就只监测了土壤的温湿度。

究竟如何实现土壤温湿度的监测，初步想法就是利用温湿度传感器采集数据，进行数据处理，实现报警。有三种种可行性方案：

（1）用传感器采集温湿度信息，直接通过网络传送到上位机数据处理和控制设备。

（2）用传感器采集温湿度信息，模拟信号通过A/D转为数字信号，然后再用译码器将转换后的数字信号提交给显示电路实现显示。

（3）以单片机作为主控芯片，发出控制指令，各部分功能由外部电路来完成， 主要包括晶振电路，复位电路，温湿度测量电路，液晶显示电路，报警模块电路等。

本系统采用了第三种方法，方案一中对上位机软件要求较高，需要对数据实行采集、控制、管理与分析各种功能。方案二译码器有弊端，A/D转换后若数据为高电平，而译码器输出为低电平，就不能正常显示了。而且方案三中单片机体积小、功耗低，性价比高。最重要的是单片机的控速快，因此选择方案三，效率高且精度高。

由于土壤监测是在一定距离内实施监控，就要利用无线通信技术来实现，这也就奠定了本系统用到的主要技术就是无线传感器网络技术。

2.1系统需求分析

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