基于NRF905的智能農業無線通信系統設計

摘 要：智能農業是農業領域推出的第一代擁有自主知識產權的遠程環境監測系統。它是通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農作物溫室內的溫度、濕度信號以及光照、土壤含水量、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環境參數進行實時采集，自動開啟或者關閉指定設備（如遠程控制澆灌，開關卷簾等）。同時在溫室現場布置攝像頭等監控設備，實時采集視頻信號。用戶通過電腦或智能手機終端，隨時隨地觀察現場情況，查看現場溫濕度等數據和遠程智能調節指定設備的運行狀態。現場采集的數據，為農業綜合生態信息檢測，對環境進行自動控制和智能化管理提供科學依據。前端設備支持多種傳感器的接口，同時支持音頻，視頻功能，可以有效的為農業專家提供第一手的現場專業數據。

關鍵詞： 智能農業；無線傳感器；遠程監控；實時采集

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-01

一、物聯網概述

（一）物聯網技術的背景

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次浪潮，物聯網技術被譽為全球一個新的經濟增長點，國家和政府部門非常注重物聯網產業的發展，據新華社報道，在各省啟動的十二五規劃中，有23個省份將物聯網作為重要的發展目標。

物聯網（The Internet of things）是指通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統（GPS）、二維碼等信息感知設備，按約定的協議連接起來，通過有線或無線網絡的組織模式進行信息交換和通信，以實現智能化識別、數據采集、智能控制、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

物聯網技術在農業中的應用，既能改變粗放的農業經營管理方式，也能提高動植物疫情疫病防控能力，確保農產品質量安全，引領現代農業發展。

農業物聯網是將大量的傳感器節點構成監控網絡，通過各種傳感器采集信息，以幫助農民及時發現問題，并且準確地確定發生問題的位置，這樣農業將逐漸地從以人力為重心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和技術為中心，大規模地使用各種自動化、智能化、遠程控制的設備的生產模式。

短距離無線數據通信系統一般情況下由終端節點、通信系統節點及管理器節點組成，其系統結構框圖如圖1所示。

（二）智能農業系統的功能介紹

物聯網智能農業平臺系統由前端數據采集系統、無線傳輸系統、遠程監控系統、數據處理系統和專家系統組成，其各部分系統功能介紹如下：

1.智能農業數據采集系統

數據采集管理系統主要負責溫室內部光照、溫度、濕度和土壤含水量等傳感器采集的數據以及視頻監控數據的采集和管理。可為用戶在電腦與手機終端上實時、直觀的展示采集到的數據。用戶可以在平臺上查看自己需要的數據，包括實時數據采集、歷史數據管理，以及為用戶提供自定義打印報表，提供各種匯總統計信息，對數據庫備份等服務，從而方便的得到數據信息，輔助決策等。

實時采集的數據主要為各類傳感器采集的數據和視頻監控采集的現場視頻數據。溫度包括空氣溫度、淺層土壤溫度（土下2cm）、深層土壤溫度（土下5cm）；濕度主要包括空氣的濕度、淺層土壤含水量（土下2cm）、深層土壤含水量（土下5cm）。傳感器采集數據的上傳采用ZigBee無線傳輸模式，ZigBee發送模塊將傳感器的采集數據傳送到ZigBee節點上。

用戶可以在農業物聯網平臺上或通過手機終端等查看現場的實時采集的數據，并且在界面上可顯示實時采集數據的曲線圖。

2.智能農業視頻監控系統

視頻監控系統采用高精度攝像機對農田或大棚等進行視頻監控，系統清晰度和穩定性等參數均符合國內相關標準。

在大棚內安裝視頻監控系統，平臺將視頻監控文件進行處理傳給后臺管理子系統，可在微機終端進行查看，后臺管理系統將視頻監控文件進行處理通過WAP方式利用手機終端進行查看。企業管理層或相關管理結構負責人可通過手機視頻來了解農業示范區現場動態情況。系統可以通過視頻監控植物的成長過程（實時、錄像）供遠程學習。

3.智能農業預警系統

當采集數據超過系統預先設置的限制是，將開啟系統報警功能，并發送短信告知相關管理人員，便于對農作物生產的管理。

4.智能農業設備遠程控制系統

設備遠程控制系統主要有控制設備和相應的繼電器控制器控制電路組成，通過繼電器可以自由控制各種農業生產設備，包括噴淋、滴灌等噴水系統和卷簾、風機等空氣調節系統等。用戶可通過電腦或手機終端對設備直接操控，完成日常工作。

二、NRF905的概述

（一）NRF905概述

NRF905單片無線收發器是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器芯片，工作電壓為1.9-3.6V，32引腳QFN封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz 3個ISM頻道，頻道之間的轉換時間小于650us.自動產生前導碼和CRC校驗碼，可以很容易通過SPI接口進行編程配置。[8] 外圍器件連接簡單，無需外部SAW濾波器。芯片內部本身附帶功率放大器、頻率合成器、調制器和晶體振蕩器等部分，其中輸出功率以及通信頻道可通過編寫程序進行配置。從NRF905的芯片手冊中查到，其功耗十分小，當以10dBm 的功率發射時，工作電流僅有 30mA，同時支持多種低功率工作模式，待機模式下電流僅為12.5μA，節能設計更加方便。

（二）工作原理

該系統主要是實現的是點對點無線收發數據的過程，單片機將地址和數據寫完后，就要控制NRF905無線收發模塊將接收到的數據發送出去，NRF905發送模式會自動產生字頭和CRC校驗碼，當發送過程完成后，數據準備好引腳（即DR）通知單片機數據發送完畢。下面是NRF905發送數據的流程：（1）當單片機發送數據的時候，根據時序圖將要發送的數據以及接收機的地址通過SPI接口傳送給NRF905，SPI接口的速率在通信協議和期器件配置時已經確定；（2）通過單片機置高TRX_CE和TX_EN，激發NRF905的射頻發送（ShockBurstTM）模式；（3）NRF905的ShockBurstTM發送；（4）若單片機將AUTO_RETRAN寄存器設置為高電平時，此指令表明需要再次發送數據，NRF905無線模塊將實施重發，持續到STC89C516RD+單片機將TRX_CE變為低電平為止；（5）當TRX_CE被置低時，表示NRF905發送數據過程完成，芯片將自動進入空閑模式。[14]

三、系統硬件設計

節點硬件結構。本系統的通信底板以STC89C516RD+單片機為核心，通過Altium Designer軟件自行設計通信子系統的PCB板，將NRF905無線收發模塊安放在預先設計好的的系統板上。串口電路部分采用MAX232芯片，外圍搭建光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等，硬件結構簡單，性能穩定，同時有效的節約了成本。

四、系統運行流程

軟件構架。本系統工作時首先節點1先設定為發送模式，通過外接各種傳感器將采集到的數據傳送數據給節點2，然后等待節點2接收，當節點2得到正確的數據之后，又將反饋信息發送給節點1，當節點1得收正確的反饋信息之后，系統板上的LED燈將會點亮，則說明發送接收成功。

五、運行結果

系統硬件連接實物圖如圖2所示。

數據收發完全正確，其結果顯示如圖3所示。

短距離無線數據業務以其低功耗、數據傳輸可靠、信息容量大等特點正被應用到廣闊的應用領域。本文首先對其發展前景和應用現狀及無線通信系統的廣泛應用進行了概述，重點是對本課題所采用的STC89C516RD+型單片機與無線收發模塊NRF905，再使用LCD液晶顯示器進行實時顯示來完成NRF905的無線通信系統設計，同時對短距離無線通信技術的結構特點進行了較為詳細的論述，對其發展前景也進行了深入的研究。

無線通信技術，正在迅猛發展并廣泛應用于各個領域。本文對其在盲區無線智能通信系統中的應用作了一些有益的研究并取得了一些成果，但仍有許多問題可待進一步的研究解決。（1）提高節點集成化，縮小體積。本文制作完成的節點是由微控制系統板和射頻通信板組成的，體積較大。在以后的電子技術發展中可以同時將射頻通信系統和微控制系統以及一些相關應用集成到同一芯片上，將會極大縮小節點體積。（2）能耗管理智能化研究，進一步降低能耗。本文所作研究對能耗管理方面通過采用系統定時休眠來達到節能的目的。進行能耗管理提高系統自身運行的穩定性，延長系統的使用時間，最終提高了系統自身的應用效益。

利用無線傳感器網絡實現數據傳輸是農業環境測控系統通信問題的有效方法。將無線傳感器網絡技術的農業系統環境信息采集與監測控制系統用于農業環境數據的接收、實時顯示和存儲，并通過無線方式實現與遠程管理中心的通信，成功地解決了傳統農業下的各種問題，無線傳感器網絡技術必將更大更廣闊的農業領域中發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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[13]王賢君.現代無線通信系統與技術[M].南京：東南大學出版社，2009（05）.

[作者簡介]葛付偉，南開大學濱海學院電子科學系，教師；毛建新，南開大學濱海學院電子科學系，本科在讀。