一、项目简介
（一）设计背景
农业种植是比较繁琐的重复性体力劳动。农业形态主要依靠人力劳作，辅助少量的动物和铁器工具，面朝黄土背朝天，对土地进行精耕细作。而且农业受天气等自然因素影响较大，靠天吃饭的被动局面往往不能保证人民的劳作成果。
（二）设计思路
1.农业 4.0 物联网智慧化农业循环管理平台是融合互联网的高度智能化的种植管理。农业生产将更多的应用智能互联、物联网、大数据、电子商务等互联网技术，有效摆脱自然灾害的因素，不在束缚于土壤种植的约束，使农业作业更加生态化、智能化、都市化、自由化。人类可以更低的成本、更优化的资源结构、更好的流通环节，从大自然中获取健康的、干净的、可持续的食物及美好的事物。
2.基于需求，我司设计开发农业 4.0 物联网智慧化农业循环大农场管理平台，解决上述问题步骤如下：
（1）场地视频：即农场环境视频采集，基于视频服务器的视频数据可供客户端的用户直接调用观看。
（2）数据采集：采集农作物生长要素的数据信息，结合适合植物所需的光、温度、水等生长要素，监控农作物生长情况；
（3）预警设置：预设农作物生长要素数据模型，超过进预警提示进行相应的操作管理；
（4）远程控制：种植者通过系统应用于生产过程中，可时实查看农场的生长环境信息，并依据预设的数据模型预警提示进行相应的操作管理，使农作物能更加快速、健康、绿色的生长，以达到高效种植、精确可靠的目的。
二、项目产品功能
1.采集大田产地的大田所需的光照生长要素；
2.采集大田土壤的湿度；
3.采集大田产地环境的温湿度；
4.将检测到大田的数据上传到互联网服务器；
5.通过移动端查看采集到大田数据，达到远程监控的目的；三、产品方案实现
（一） 系统总体方案实现
系统总体方案实现示意图如下图 1 所示。
图 1 系统实物总体方案
简要说明:
无线传感器采集到的植物种植信息后，通过网关上传到监控室服务器，同时摄像头也将视频数据上传到服务器。监控人员可以在监控室查看到所有传感器信息和视频信息。而且，监控人员也可以通过手机端的微信公众平台查看到大田的数据和视频信息。
监控人员可以在查看大田数据后，通过后台管理服务器去控制水泵开关，信息处理完毕后服务器通过网口控制电箱控制器，控制器就能自动控制水泵进行洒水。
（二）系统总体方案框架
系统总体方案框架如图 2 所示。
图 2 系统框架总体方案
（三）布置
除了大田其他执行机构供电外，基地监控室放置一台本地服务器
和显示器。智能电箱放置在大田立杆位置，电线和网线从总控室拉到
电箱，使到电箱和展示室的服务器在同一个局域网。立杆上方安装摄
像头，同样摄像头位置要有电线和网线。无线传感器安装位置如上图。
四、无线传感器网络设计
（一）主要技术特点
无线传感器网络使用基于 433Mhz 无线通讯协议。通过无线把室外温湿度数据传输到室内，安装非常方便。基于 RS485 有线通讯的温湿度监测装置已被使用至一些复杂情况下的温湿度监测，但是 RS485 有线通讯的方法对通讯物理链路依赖性大，一旦通讯链路某一段出现故障，可能会导致整个系统瘫痪。针对机房、家居、农业种植等环境使用的无线温湿度传感网络解决了上述问题，并具有安装布线方便等优点，主要待解决的问题是传输距离短、穿透能力较差。
同时，无线传感器网络适用范围广。测量范围：温度：-40℃~55℃、湿度 0~95％ RH，光照度测量范围：0~70KLUX。非常适合于农业使用，外出室内外温差大，实时了解室内外的温湿度；基于 433MHz 无线通
讯协议的传感网自组织能力强，通讯稳定，装置温湿度监测效果良好，可广泛应用于智能家居，农业温室大棚、粮库、养殖业等“智慧农业”等各类工作场所。
（二）433MHz 无线通讯温湿度传感器硬件设计硬件设计如下图所示：
湿度采集选用 DHT21 数字温湿度传感器，其测量相对湿度范围
为 0~100%RH，测量精度为±0.1%RH，测量温度范围为-20~60℃，测量精度±0.1℃。
无线通信模块的选择直接影响无线网络的可靠性。无线通讯模块采用 CC1101，它是 TI 公司生产的高性能无线通信芯片，其电路主要设定为在 315、433、868MHz 和 915MHz 的 ISM（工业，科学和医学）和 SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为 300~348MHz、
400~464MHz 和 800~928MHz 的其他频率。CCl101 集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500kb/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。在发射状态下，其发射功率可编程调节，其最大发射功率达到 +10dBm，且接收灵敏度可达 -110dBm，抗干扰能力强，功耗较低。无线射频模块电路设计如下图所示。
STM32 与射频芯片之间采用 SPI 接口，此方案具有电路结构简单、速度快、通信可靠等优点。为便于后期对温湿度采集器的校准，本装置设置了线性调整按键模块。在温湿度校准过程中，当本装置温湿度采集器的温湿度变化较计量院标准件温湿度变化呈线性关系时，线性调整本装置的温湿度参数值，使得本装置测量误差度降至最低。
3、433MHz 无线通讯光照传感器硬件设计
光照测量使用了一种数字型光强度传感器集成电路 BH1750FVI。 BH1750FVI 有着体积小、高感应灵敏度、良好的稳定性，光源依赖性弱，功耗低等诸多优点。光照传感器结构图如下图所示
如图所示 PD 为接近人眼反应的光敏二极管，当有光线照射时，PD 将
产生相应的饱和反向漏电流，形成光电流，电流的大小随光强度的变
化而变化，集成运算放大器将 PD 电流转换为 PD 电压，送入 ADC 转
换器，并取得 16 位的数字数据，经过 I²C 接口传输到数据处理单
元。
4、433MHz 无线通讯传感器软件设计
STM32F103 微处理器是目前的主流控制芯片，其功能强大、编程函数库庞大的特点在很大程度上已经超过 51 单片在控制工程上的应用，本装置即采用 STM32 作为主控制芯片，以 Keil 软件为平台，编写温湿度采集器和主、副集汇器控制程序，主程序流程如图 4 所示。
程序模块主要包括主程序模块、温湿度采集程序模块、CC1101 无线收发模块。
5、电源管理单元设计
电源是整个电路的能量供应源，良好的电源电路为整个电路的稳定运行提供保障。在工业无线领域，无线传感器节点对能耗的要求比较高。在保证正常的能量供应的前提下，尽量选择低功耗、高效率的
电源。经过估算，本设计方案选用 1 节 3.6V5#锂电池作为电源，这种电池具有电压高、体积小、能量密度高、放电曲线平缓、可循环使用等优点，能让传感器节点反复使用，可节约成本。
6、主要指标
空气温度测量范围：-20~60 度
空气温度测量精度：±0.1 度
空气温度分辨率： 0.1 度
空气湿度测量范围：0~100RH%
空气湿度测量精度：±1RH%
空气湿度分辨率： 0.1%RH
光照度测量范围：0~70KLUX
光照度测量精度：±7%
光照度测量重复性：±5%
测量稳定时间：0.5 秒
响应时间：＜0.5 秒
供电电压：2 节 1.5V5#碱性电池，最低电压不小于 1.8V；或 1
节 3.6V5#锂电池，最大功耗：320mW静态功耗：0.05 mW
工作环境：-20~55 度，0~100%RH
存储环境：-25~60 度
工作频段：无线 433MHZ，ISM 全球免费频段，GFSK 调制接收灵敏度：标配、-110dBm；PA 增强型：-115dBm
通信距离：通信距离空旷室外达 300 米终端类别：从站
组网方式：星型无线网络
五、基于 STM32 智能电箱控制器设计1、主要技术特点
采用 STM32 作为核心处理器设计嵌入式网关和执行机构控制器，并利用 MQTT 通讯协议技术将现场检测到的数据实时传送给监测中心，实现对温室环境的实时监测和报警，该系统运行稳定、测量准确、网络覆盖性好、布点灵活、低功耗并且使用方便。
2、无线传感器网关设计
针对 433M 无线射频传输单点距离最大几公里，即使中继远传也仅能几十公里，且组网不便，无法大规模应用等缺点。可借助目前非常普及的串口覆盖，由串口将 433M 无线网络生成的重要数据远传到远端的电箱控制器。两者相辅相成，为物联网的应用搭建了完美的组合平台。控制器是符合 TCPIP 协议的以太网网络，一端是全球免费，低延迟，穿透力强的 433Mhz 无线网络，经过简单配置，即可实现两种网络之间的数据转换和通讯。
无线传感器网关主要指标如下：
工作温度：-25~55 度
工作湿度：0~95RH%
供电电压：DC 6~24V
最大功耗：5W
通信接口：RS485
通信协议：MODBUS-RTU
工作频段：无线 433MHZ，ISM 全球免费频段，GFSK 调制
通信速率：1200、2400、4800、9600、38400、100000、500000。接收灵敏度：标配、-115dBm
通信距离：通信距离空旷室外达 800 米。
终端类别：二级主站
组网方式：星型无线网络
3、主控制器网络通讯协议设计
主控制器使用 STM32，它采用高性能的 ARM32 位 Cortex-M3 内
核，最高工作频率 72 MHz，代码执行速度高达 1.25 MIPS/MHz。它内置高达 128 KB FLASH 和 20 KB SRAM，同时具备丰富的 I/O 端口和外设：包含 51 个通用普通 I/O 口、16 通道 12 位 ADC、4 通用 16 位定时器、电机控制 PWM 接口、2 个 I²C、2 个 SPI/SSP、3 个 UART、 1 个 USB 控制器、1 路 CAN 总线接口等。使用与服务器通讯协议MQTT。
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport——消息队列遥测传输)，是一项为物联网而设计的消息传递技术，它是一种开放、精简、轻量级和容易实现的协议，特别适用于低带宽，网络不稳定，网络代价昂贵以及处理器和存储器资源有限的嵌入式设备和移动终端上。
MQ 协议特点如下：
（1）开放：由 IBM 和 Eurotech 公司联合研制，开放公开的协议专门为“设备”网络专业定制。
（2）轻巧：传输格式的最小化，无应用消息头，最小的数据包只有 2 个比特；复杂度降低，所需容量小。
（3）可靠：三种不同的服务质量：“至多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP／IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。“只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。如果客户端意外掉线，使用“遗愿”发布一条消息。带状态的语义，以及“持久的”订阅。
（4）简单：简单体积小的发布／订阅消息模式，异步“推送”传输，简单的使用方式——连接、发布、订阅、断开。
MQTT 在移动应用中的优势
（1）可靠传输：可靠安全的信息交互；大规模、高可用性的支持；与企业服务建议集成。
（2）消息推送：实时通知；丰富的推送内容；灵活的发布／订阅；消息存储与过滤。
（3）低带宽、低耗能、低成本：占用移动应用程序空间小；带宽利用率高；耗电量少；比 SMS 便宜。
协议工作流程：
（1）应用主进程调用消息代理服务器的系统初始化模块，启动消息代理服务器功能服务。客户端无论是消息发布者还是消息订阅者，均通过消息代理服务器的客户端初始化模块连接到消息代理服务器。
（2）移动终端(MQTT App Client)连接到 MQTT 消息代理服务器，完成注册获得注册账号，发布／订阅自己的主题，消息代理服务器订阅表管理模块记录相应订阅主题及订阅客户端的账号标识。
（3）消息发布者(Web Server)将要发送的数据打包成消息的形式发送给 MQTT 消息代理服务器，消息代理服务器根据消息优先级存放在相应的系统接收队列中，消息处理模块从队列中取出消息，根据订阅表管理模块中记录的客户端订阅信息，推送到相应消息订阅者对应的消息接收队列。
（4）MQTT 消息代理服务器消息监听器被触发，根据消息订阅者账号等信息通知各消息订阅者接收消息。
（5）消息订阅者(移动终端)监听到消息队列中有新的消息，从各自消息接收队列中读取消息。
六、网络摄像头
1.网络摄像头可以本地共享，也可以云端服务共享
2.本地共享功能，可在监控室显示屏显示
3.云端服务共享，可以在微信平台上显示七、监控服务器
1.监控服务器负责数据交互，分析，存储
2.数据处理时序稳定及安全
八、网站后台
1.网站后台数据直观显示
2.数据处理时序稳定及安全
九、设备及服务清单
（一）温室环境监控系统
序号 | 名称 | 型号 | 数量 | 单位 | 组成 | ||
视频监控、光照度传感器、环境 | |||||||
大田环境信 | 温度传感、空气温度传感器、土 | ||||||
1 | FBWP-KQ01 | 1 | 套 壤温度传感器、土壤湿度传感 | ||||
息采集 | |||||||
器、电源供应器、防辐射罩（百 | |||||||
叶箱）、防护箱 | |||||||
2 | 二氧化碳传 | FBWP-QT2 | 1 | 套 | 二氧化碳传感器 | ||
感器 | |||||||
3 | 物联网关 | FBWP-WG01 | 1 | 个 | 物联网关 | ||
4 | 无线控制模块 | FBWP-KZ01 | 1 | 个 | wifi 模块/无线路由器 | ||
5 | 防护箱 | 订制 | 1 | 个 | 防护箱 | ||
（二）软件平台
序号 | 名称 | 型号 | 数量 | 单位 | 组成 | ||
1 | 智慧农业物联 | FB-BS1.0 | 1 | 套 | 农业物联网平 | ||
网平台 | |||||||
台 | |||||||
2 | 适配传感器研 | ||||||
发及调测 | |||||||
（三）辅助材料（根据施工现场勘测后确定）
序号 | 名称 | 型号 | 数量 | 单位 | 组成 | ||
1 | 通讯线 | UTP-5 | 800 | 米 | |||
2 | 电源线 | RVV3*1.0 | 800 | 米 | |||
3 | PVC | ￠20 | 800 | 米 | |||
4 | 固定架 | 订制 | 1 | 个 | 固定架 | ||
5 | 立杆 | 订制 | 1 | 个 | 立杆、立柱 | ||
6 | 辅材 | 1 | 批 | ||||
