农田环境无线传感器网络监测系统及其无线传输方法
技术领域
本发明涉及农业物联网技术领域，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。
背景技术
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。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明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，本发明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，本发明的有益效果为：
(1)本发明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)本发明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)本发明实现了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发明做进一步详细说明。
图1是本发明农田环境无线传感器网络监测系统示意图；
图2是本发明实施例的农田中数据采集节点分布示意图；
图3是本发明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是本发明实施例的SPI主机与从机连接示意图；
图5是本发明实施例的MCU2与SX1268连接示意图；
图6是本发明实施例的从机主动上传实现流程图；
图7是本发明实施例的主机轮询下的主机模式下的流程图；
图8是本发明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发明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发明，而不应视为限制本发明的 范围。
参考图1，本发明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2.5mm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。
以上实施例中，多个数据采集节点采集农田土壤温湿度和PH值信息，通 过数据读取单片机(MCU1)读取该信息，再通过LoRa模块将监测信息传输 至控制中心，本实施例中控制中心为主控制器(MCU2)及通过串口通信模块 与其连接的PC机，主控制器通过串口与PC机交互；同时，农田间工作人员 通过PC机可以实时监控农田环境信息，从而有针对性的制定农田管理方案， 实现分区分块的精准农田管理。
本实施例中，所述数据读取单片机(MCU1)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。
本实施例中，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。其带宽选取125kHz、 250kHz和500kHz，扩频因子设置为7-12，编码率设置为4/5。
本实施例中，所述LoRa模块的发射功率为22dBm，无线传输的中心频 率为472.3MHz。
本实施例中，主控制器选取STM32L431型号，MCU2和LoRa模块之间 的通信方式为SPI通信，SPI全名是Serial Peripheral Interface，是一个串行通 信协议，特点是支持全双工通信、通信速率快、同步等。
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。所述LoRa模块上安装有弹簧天线。
本发明针对未来大型智能化农场，每亩地是666.666平方米即一亩地大约 是长30米，宽20米的矩形。以100亩的农场面积来计算，长宽不会超过2KM， 因为每亩地的土壤中的水分、养分可能有差异，所以每亩地设置三个采集节 点，采集节点可以直接放置在土壤的表面，采用弹簧天线提高信号的发射功 率，如图2和图3所示。对于接收节点可以选取一个相对较中心的位置，可 以选择吸盘天线，以便能够收到所有节点的数据。
如图4为SPI主从连接示意图，主控制器(主机)和LoRa模块(从机) 之间SPI的通信过程中要使用3条通讯总线和1条片选线：
a)MOSI：Master Output Slave Input，即主机输出从机输入。
b)MISO：Master Input Slave Output，即主机输入从机输出。
c)SCLK：时钟信号线，用于同步数据，主机会产生该信号。
d)NSS：片选信号线，用于选择和目标从机进行通信，低电平有效。
主控制器和SX1268连线示意图如图5所示，考虑到节点的移动性和电源 的便捷性，选择进行电池供电或充电宝供电。由于充电宝的输出电压是5V， 大于MCU2所需要的电压，选择使用USB转串口线，经过电压转换芯片 (CH340芯片)将USB输出的5V电压转为3.3V输出，对MCU2进行供电； 3.3V连接到MCU2的VDD，GND连接到主控制器的GND，即可完成供电。
(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。
本实施例中，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。
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。
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。
LoRa多节点发送出现的问题主要是由于所有的节点在同一时刻进行数据 发送，且工作在同一频率，节点抢占不到信道，有可能还出现了同频干扰的 问题。针对这个问题，本发明提出了两种解决方案，第一种是主机轮询的方 式，第二种方式是从机主动上传的方式。
从机主动上传原理为：从机主动上传方式即载波监听多路访问/冲突避 免，是一个适用于无线局域网的传输协议。该协议原理是让设备去主动避免 冲突来解决多个设备出现的冲突问题。原理如下：先听后发，即先监听信道 后发送数据，如果监听发现目前信道上有设备在进行通信，则延迟再发，随 机延迟一段时间后再次去监听信道，如果监听发现信道目前是空闲的状态， 则发送数据。
本发明实施例从机主动上传流程如图6所示，从机主动上传实现：在发 射节点发射数据之前，先去检测当时环境中的RSSI数值，用该数值与设定的 RSSI阈值进行比较，如果大于设定的阈值，则认为当前环境内的噪声较大， 不适合上传数据。则调用一个随机延迟函数进行延迟后，再进行检测。如果 检测的RSSI小于设定的阈值则会进行数据主动上传。
主机轮询的方式一定可以让每个从机有发送数据的机会，在有遮挡环境 下不会出现接收不到某些节点的数据问题。主机轮询的原理类似于课堂点名， 主机依次发送一个广播请求，所有的从机都能收到该请求，但每个从机都有 一个编号，只有编号相对应才会应答主机的请求，此时从机将数据上传给主 机，主机将收到的数据进行存储和处理、显示。主机在接收完成之后，又对 下一个从机进行轮询，就这样依次进行。
主机轮询实现：主机轮询的程序分为主机模式和从机模式两种。在主机 模式下，如图7所示，经过初始化后，首先配置进入发送模式(Tx)，在发送 模式下，主机会依次请求各个从机，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(Rx)，等待接收，接收完成之后再轮 询下一个节点。
本发明实施例主机轮询从机模式下工作流程如图8所示。在从机模式下， 经过初始化后，所有从机首先配置进入接收模式(Rx)，如果接收的数据与自 己的SLAVER_ID相同，将要发送的数据写入sx126x_tx_buf数组中，切换为 Tx模式即发送模式，将要上传的数据发送完成之后切换到待机模式。
本发明设计了农业大田的监测系统，能够对农田的土壤、环境信息进行 实时监测，有利于智慧农业的推进。同时设计了两种无线传输方式，由于农 业环境监测中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数据采集有效传输，一旦上传 错误，会造成后面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，对农作物进行错误的施肥、灌溉等工作，有可能造成经济效益损 失。本发明设计的无线数据传输方式能够保证大量节点数据传输的可靠性。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽 的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术 人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修 改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
