基于石墨烯基多維傳感器的智慧農業系統設計

樊昊男，茍松松，萬恒志，史文鳳，石金鑫，苗鳳娟

基于石墨烯基多維傳感器的智慧農業系統設計

樊昊男，茍松松，萬恒志，史文鳳，石金鑫，苗鳳娟＊

（齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

基于石墨烯的集成多維傳感器設計了智慧農業系統，對農產品生長及儲存過程中的各個環境參數進行實時有效地監測，該系統利用電阻測量電路測試采集溫敏傳感器、光敏傳感器的電阻值，利用555定時器構建電容測量電路測試采集濕敏傳感器、氣敏傳感器的電容值，再通過無線傳感網絡對傳感器采集數據的處理，進行組網傳輸到后臺處將數據存儲分析顯示。上位機軟件通過讀取數據庫，將傳感器實時信息展示給用戶，也可以通過上位機發出指令來控制無線傳輸網絡終端節點。該系統在智慧農業等方面擁有潛在的科研價值，且所用材料性價比高，具有較大的經濟社會價值。

石墨烯基多維傳感器；無線傳感網絡；人機交互；智慧農業

中國是傳統農業大國，我國實現經濟騰飛的基礎是發展農業，農業發展關系到整個國家的穩定[1-3]。智慧農業將傳統農業與現代傳感器技術相結合，將新興技術運用到農業領域推進信息化農業快速發展，在智慧農業的推行進程中需要使用眾多低成本、易操作、可快速部署的農業專用傳感器[4-6]。

目前專用于農業的傳感器數量較少，測量參數單一，且大多數是將工業用傳感器應用在農業上，成本較高。APPIAGYEI等[7]利用濺射法將ZnO/V2O5復合材料在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維表面構建三功能傳感器；HGK等[8]基于碳復合材料的電阻隨溫度的變化構建溫度傳感器，利用溶液澆鑄法集成兩種傳感器；WAJID等[9]以Ag/SnNcCl2/Ag構建新型有機半導體溫濕度傳感器，但是材料不適合大規模推廣；KARIMOV等[10]利用摩擦法制備彈性層狀橡膠-石墨烯復合材料構建多維傳感器，通過測試發現復合材料在位移、頻率、溫度和壓力傳感器方面具有廣闊的應用前景。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一種無線通信技術，通過各種拓撲結構將大量傳感器節點組合搭建成為一個聯通的網絡[11-13]。整個無線傳感器網絡由傳感器節點和匯聚節點構成，其中通過數據采集、傳輸、處理和能量供應4個單元搭建傳感器節點。將多種傳感器集成為一種多參數傳感器，利用無線傳感網技術不僅可測量多個農業環境信息（溫度、濕度、光照強度和CO2濃度），深度融合農作物生長與信息技術，實時監測作物生長環境情況，為打造智慧農業、高標準農田、農業信息化發展貢獻力量[14-16]。

本文提出基于石墨烯的集成多參數傳感器設計了智慧農業系統，運用所制備的多參數傳感器對溫度、濕度、光照和CO2濃度進行測試。首先闡述了系統的整體方案設計，從硬件和軟件方面進行詳細介紹，最后對所制備的系統運行調試。

1 系統方案設計

農副產品的最終產量與農產品種植過程中的各種環境參數如溫度、濕度、光照強度和CO2濃度息息相關，因此要嚴格控制農作物的生長環境，保證農作物產量。利用實驗室所制備的石墨烯基多維傳感電極（如圖1所示）進行石墨烯基多參數傳感器的智慧農業系統設計，主要適用于農業大棚種植環境。該系統整體結構框架設計如圖2所示，系統主要由多維傳感器、嵌入式控制系統和物聯網應用系統組成，功能可概括為4種環境參數快速檢測、數據的無線傳輸以及數據的終端顯示3個部分。

圖1 多維傳感器電極設計

圖2 系統整體結構框架設計

系統設計的技術路線如圖3所示，可以概述為4部分：（1）敏感電極的研制；（2）嵌入式控制系統的搭建；（3）物聯網WSN技術的數據實時傳輸；（4）PC端實時處理及顯示數據。

圖3 系統設計技術路線

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件的整體設計方案

本文通過測量電路將數據傳輸到通道選擇模塊，經由CC2530終端節點計算通過協調器節點上傳到數據庫云端，經過分析處理數據由上位機界面實時顯示，可由使用者或上位機根據大棚預設值自動進行判斷，控制大棚內溫度、濕度、光照強度、CO2濃度營造適宜農作物生長的環境，系統整體框架如圖4所示。利用CC2530構建三層節點，主控制器的協調器節點、傳輸數據的路由器節點和傳感器采集數據的終端節點，整個無線傳輸網絡由協調器節點構建并維護，其他節點加入網絡需要協調器節點允許，終端節點負責采集外界環境的數據信息，通過路由器節點轉發傳輸至數據庫。協調器節點實時監測整個無線傳感器網絡的運行情況，上傳上位機的同時接收命令更新無線傳輸網絡的設置參數。

圖4 系統總體框架

2.2 主控電路設計

終端節點負責采集4種傳感器信息數據，在設計的過程中需要滿足大棚環境測量的需求，考慮到大棚的應用環境，基于低成本、易操作、可快速部署等需求，主控電路設計如下：

將CC2530作為主控芯片，通過電阻測量電路與電容測量電路采集電阻值、電容值得到測量值，CC2530最小系統如圖5所示。通過實驗獲得擬合曲線數據，分別求出對應的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度的數據值，基于傳感器的需求分別設計CC2530的采集數據節點的硬件電路和軟件程序實現，通過ZigBee自組網的結構將外界環境參數的數據情況傳輸至協調器節點?；谠O計思路將傳感器采集模式設計為不同的采集方式，分為主動型和被動型，主動模式下受到條件觸發傳感器節點主動將外界環境參數的數據上傳；被動模式下接收協調器節點的采集命令，通過查詢的方式獲得外界參數的數據?？紤]到后期可以繼續添加新的節點擴展系統，設計規定統一的數據傳輸編碼格式，以特定的編碼格式進行傳感器數據的傳輸。接收到經過編碼的傳感器數據后微控制器同樣以特定的格式解析數據，再將數據傳輸存儲至數據庫云端中以便使用者調用顯示。利用CC2530為控制節點，實現無線傳輸網絡與上位機的實時通信，根據閾值系統自動判斷溫室大棚內溫度、濕度、光照強度、CO2濃度的信息值，超過上限閾值或低于下限閾值系統進行聲光報警，通知使用者進行處理調控，當長時間無人處理后自動調控設備進行處理。

圖5 CC2530最小系統

將多維傳感電極與微控制器相結合，以電極A端口對應連接CC2530 P1.6引腳，電極B端口對應連接P1.7引腳，電極C端口對應連接P2.0引腳，電極D端口對應連接P2.1端口，以4個I/O端口為數據采集端口，構成以AD、BC為端口的電阻型溫敏、光敏傳感器，以AB、CD為端口的電容型濕敏、氣敏傳感器，終端節點傳感器數據采集流程如圖6所示，多維傳感電極與微控制器電路連接如圖7所示。

圖6 終端節點傳感器數據采集流程

通過協調器節點對溫室大棚內各項環境參數進行自動調控，將CC2530 P1.1引腳控制連接聲光報警，P1.2引腳控制連接加濕器，P1.3引腳控制連接太陽光模擬器，P1.4引腳控制連接換氣扇，通過微控制器與人工結合的方式對溫室大棚內的環境進行調控。當溫度過高時，控制排氣扇進行通風換氣降低溫室大棚內的溫度，過低時可以打開加熱器升高環境溫度；環境內的濕度過低，影響作物生長可以打開加濕器增加溫室大棚內空氣中的水分；同理可以利用太陽光模擬器與遮陽板等控制溫室大棚內的光照強度等，以此來實現對溫室大棚內各項環境參數的實時監測與調控，為農作物提供更加適宜的生長環境。

圖7 多維傳感電極與微控制器電路

本系統設計選擇蜂鳴器模塊作為聲光警報，CC2530的I/O口并不能直接驅動較大電流，但是蜂鳴器卻要求使用較大的工作電流，所以本文采用放大電路將電流放大以供蜂鳴器工作。蜂鳴器報警電路如圖8所示，將三極管放置于蜂鳴器和電源之間對電流進行放大，當數據達到閾值時微控制器會發送時延1s的信號激發三極管的基極，導通三極管電路后能夠使蜂鳴器上電鳴響；當外界環境參數小于閾值時，停止鳴叫。聲光報警開關通過CC2530的引腳P1.5進行調控，當傳感信息值滿足閾值超過提前設定好的范圍時，蜂鳴器鳴叫并點亮報警燈。

圖8 蜂鳴器電路

2.3 測量電路設計

本文多維傳感器分為電阻型和電容型傳感器兩類，因此設計測量電路分為電阻測量與電容測量。通過轉換不同量程將采集的4種傳感器數據進行分析處理，計算轉換為環境參數數據傳輸至上位機供使用者查看，多維傳感器測量電路流程如圖9所示。

圖9 測量電路流程

電阻型傳感器測量電路由微控制器CC2530與精密電阻（TEKESKY 100K）、恒壓源模塊（OPA548）、電源模塊（江蘇長電CJA1117）構成，電阻型傳感器測量電路流程如圖10所示。通過CC2530控制內部集成的12位DAC向OPA548輸入電壓，控制運放芯片的輸出電壓間接控制采樣的輸出電壓傳輸給CC2530內部12位ADC，將輸出電壓與采集的輸入電壓進行比對，過程中OPA548保持恒壓為5V。通過利用第一路ADC的雙倍數值計算5V恒壓數值，利用串聯分壓電路電流相等的特點計算待測電阻，提高測量精度：

圖10 電阻型測量電路流程

其中，1為第一路ADC的采集值；2為第二路ADC的采集值；R為待測電阻；3為精密電阻。

通過運算放大器OPA548與精密運算器TLC2202構建恒壓源模塊電路如圖11所示，通過CC2530內部ADC輸出值調節OPA548的輸出值，整個測量電路構成5V的恒壓閉環系統。測量電路可以通過恒壓模塊電路對電極進行控制，維持電極電位的穩定使傳感器檢測更加精確穩定。

圖11 恒壓模塊電路

電容型傳感器以555定時器與電阻、電容構建測量電路，電容測量電路原理如圖12所示。通過電阻與電容量確定測量電路的頻率。以1代表脈沖維持時間，2代表脈沖低電平時間，計算脈沖周期：

圖12 電容測量電路原理

圖13 電容測量電路

2.4 外圍電路設計

由于實際應用時外界環境比模擬測試時的條件復雜，為預防系統在上電之后無法正?；謴偷皆茧娢?，導致數據發生錯誤，在外圍電路中利用復位電路恢復電路初始化狀態，可以重新開始運行程序，復位電路如圖14所示。啟動復位程序后整個系統將發生復位重新啟動，恢復初始化重新運行系統上電，電容兩側的電位由于電壓不能突變而無法相同時RST顯示低電平狀態，隨后通過電源電路給電容充電使RST變成高電平，即正常系統工作運行時為高電平，上電進行低電平復位。當電源電路對電容放電后RST成為低電平正常工作，高電平發生復位。復位電路設置兩種模式，自動上電復位通過復位電容向微控制器復位引腳施加高電平進行復位；手動復位時微控制器獲得VCC高電平，系統重新開始運行。

圖14 復位電路

圖15 電源電路設計

硬件電路通過電源模塊通電提供能量，電源電路設計如圖15所示，本文選擇江蘇長電CJA1117電源變換芯片構建電源電路。

電源電路接入電源時由于起始電壓波動較大，所以通過輸入濾波電容施加足夠量的電容對電路進行濾波，利用電容充放電的過程對電路脈動直流進行波紋遏制。在輸出電路部分同樣加入輸出濾波電容，在輸出采樣的過程中為電路進行穩壓，防止電壓波動頻率因為負載導致與穩壓電路產生振蕩，使輸出電路失控，增加輸出穩壓電路的穩定性。本系統中帶有各類傳感器、液晶顯示屏、控制模塊以及無線傳感模塊，由于采集設備的功耗也在10 mW到100 mW之間，ZigBee無線模塊也具有超低功耗功能，所以電源電路采用5 V轉3.3 V電路即可滿足功耗需求。

在測量電路中采用繼電器電路實現電阻與電容測量中的自動換擋，作為電子開關通過小量程電流控制其它大量程元器件，當電路中測量的頻率過低時，微控制器通過控制繼電器電路轉換測量電路的量程，繼電器電路如圖16所示。在電路中通過三極管放大電路的電流，利用二極管保護繼電器電路。

為防止突然斷電，在系統中加入掉電存儲電路，以可編程只讀存儲器EEPROM電可擦芯片為核心構建保護電路，在突發情況下保存已采集的數據，通過電信號修改內容，不需要清除原本數據也可以進行寫入與修改數據，極大地保證系統的穩定性與實用性。EEPROM掉電儲存電路如圖17所示。

圖16 繼電器電路

圖17 掉電儲存電路

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

軟件的設計是整個系統的關鍵，系統的各個模塊都需要軟件設計，系統軟件設計不僅要考慮實現預設的測量功能，還應該考慮到系統整體的穩定性、低成本等?；赯igBee無線技術進行組網，由發射機、接收機和上位機顯示系統3部分構建整個傳感器網絡。其中由多維終端節點構成發射機，每個終端節點分別連接數據采集模塊與ZigBee的I/O端口組網。協調器組網流程如圖18所示，協調器節點上電后，將ZigBee協議棧初始化，對終端節點進行組網，組網成功后，等待任務事件響應，根據相關的指令進行系統復位、節點信息查詢，以及檢查設備狀況等。

圖18 協調器組網流程

終端節點數據發送流程如圖19所示，終端節點上電將整個系統進行初始化，向協調器節點發出加入網絡的信號請求，加入網絡成功開始判斷信道空閑情況，當信道空閑時候，向協調器節點發送四路采集數據，并判斷發送狀態是否成功，直到發送成功，再次進行下一輪四路數據的采集。協調器節點等待響應判斷是否有傳感器數據發送，上位機接收串口數據，將數據存儲到數據庫中以供后續使用。

圖19 終端節點發送數據流程

3.2 控制程序設計

控制程序設計主要功能為通過自動控制與人工控制保持溫室大棚內的環境，使大棚環境始終保持適宜農作物生長的條件，控制程序流程如圖20所示?？刂瞥绦蛑腥斯た刂茩嘞薷?，可人為地自由調控改變環境因素，自動控制權限較低，上電后自動判斷是否達到閾值，當溫度過低時可控制升溫器來提高大棚內溫度，過高時可制冷或通過開窗通風等降低內部溫度；當濕度過低時可控制加濕器增大大棚內環境濕度，過高時可打開風扇換氣排濕等減少濕度；當光照強度過低時可以拉起大棚上面的遮光板或通過太陽光模擬器提高大棚內的光照強度，過高時可以放下大棚上面的遮光板降低大棚內的光照強度；當CO2濃度過低時可以通過人工控制增加CO2濃度，過高時可控制換氣扇自動換氣降低濃度。

圖20 控制程序設計流程

3.3 數據采集程序設計

傳感器終端節點I/O端口驅動程序流程如圖21所示，系統初始化后接收微控制器發出的指令，收到指令后程序開始運行，通過終端節點利用4路傳感器采集數據并上傳，最終把數據打包發送至微控制器CC2530。

4路傳感器分為電阻型與電容型兩類傳感器，其中溫敏傳感器與光敏傳感器為電阻型傳感器，濕敏傳感器和氣敏傳感器為電容型傳感器。在數據處理過程中，通過對電阻型測量電路與電容型測量電路分別采集數據。經過各項量程轉換計算后可由液晶顯示器將各項環境參數顯示供使用者查閱，以便隨時掌控溫室大棚內的環境條件，一旦發現環境失衡，某項環境參數過高或過低達到閾值，可以通過人工調配或經由控制程序發出聲光報警自行調配。

3.4 人機交互界面程序設計

人機交互界面設計主要將分析處理后的數據通過PC端更好地進行展示，讓測試者能夠更直觀、方便、快捷地了解測試結果，通過自動調控與人工控制，對溫室大棚內的環境進行調配控制。

上位機整體流程如圖22所示。系統初始化后進行數據信息采集，利用傳感器節點通過ZigBee網絡傳輸至數據庫內存儲，通過C#語言重構BP神經網絡訓練后的模型，將采集到的原始傳感器數據進行分析校

準并通過模型進行誤差補償，利用上位機將數據導出進行分析處理，通過人機交互界面把分析處理后的數據結果進行展示。

圖21 傳感器 I/O端口驅動流程

圖22 上位機整體流程

人機交互界面程序設計主要為上位機數據顯示程序與上位機控制程序兩部分，上位機顯示程序流程如圖23所示，系統初始化后接受組網節點傳輸的傳感器采集數據，將之存儲至數據庫后發送到上位機，顯示界面如圖24所示。再對數據進行判斷，如某項數據超過閾值，則針對其過高或過低進行相應的調控，未超過閾值則返回記錄下一組數據。

圖23 上位機數據顯示流程

上位機控制流程如圖25所示，當微控制器收到數據后，首先判斷數據類型，即數據屬于哪類傳感器進而判斷數值是否達到閾值，若超過（低于或高于）閾值則發出報警指令，然后通過自動調控與人工控制的方法對溫室大棚內的環境進行調配控制，從而使溫室大棚內的環境適宜作物生長；若未超過閾值，則發送數據至數據庫存儲，在人機交互界面處顯示大棚內的環境參數。

圖24 上位機顯示界面

圖25 上位機控制程序流程

4 運行調試

系統整體功能調試分為硬件調試和軟件調試兩個方面，主要從ZigBee進行組網，采集并傳輸數據，利用軟件和硬件對應的編譯器的debug串口對原始數據調試查看，通過串口助手整體觀察ZigBee協調器節點匯總的傳感器數據，采用C#語言進行編程，利用C#控件的框架開發上位機接口并將采集的數據保存到數據庫中，方便后期數據的處理和顯示。

硬件部分調試利用開發軟件IAR Embedded Workbench（簡稱IAR）進行調試，通過IAR的編譯器和調試器對微處理器提供直觀的界面。通過IAR進行二次開發CC2530協議棧，將協議棧程序經過調試下載到微控制器中，硬件調試如圖26所示。打開協議棧工程文件，修改調用應用層的設計相關應用，編譯好程序后通過debug下載器分別將程序下載到協調器節點和終端節點，重啟系統后分別觀察兩種節點的LED燈，若兩燈同時閃爍表示系統組網成功。將4種傳感器節點對應的采集電路分別與ZigBee規劃的I/O端口進行連接，重啟節點后通過debug窗口觀察到數據采集成功。

圖26 硬件系統調試

軟件部分調試通過協調器和終端節點形成一個簡單的ZigBee網絡。利用XCOM.V2.0查看ZigBee協調器節點上傳的數據內容，使用Microsoft Visual Studio進行C#語言編程的開發，利用.NET Framework4.5.2中的Windows窗口應用程序框架進行上位機開發。

5 結論

本文介紹了智慧農業系統中以CC2530芯片為核心微控制器搭建多維傳感器硬件測試系統，對多維傳感器進行外界環境參數采集數據，利用WSN中ZigBee協議與.NET Framework4.5.2實現硬件系統與軟件系統相結合，使用Microsoft Visual Studio進行C#語言編程的開發設計，人機交互界面將傳回的數據分析處理后實時直觀地展示給使用者。結果表明，系統實現支持多維傳感器的采集、傳輸、分析處理、上位機顯示和調控的功能。

致謝

本研究受黑龍江省農業多維傳感器信息感知工程技術研究中心和黑龍江省微納傳感器件重點實驗室支持，特此致謝。

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Design of smart agricultural system based on graphene-based multi-dimensional sensor

FAN Hao-nan，GOU Song-song，WAN Heng-zhi，SHI Wen-feng，SHI Jin-xin，MIAO Feng-juan＊

(College of Communication and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

The integrated multi-dimensional sensor based on graphene has designed a smart agricultural system, which can effectively monitor various environmental parameters during the growth and storage of agricultural products in real time. 555 timer builds a capacitance measurement circuit to test and collect the capacitance values of the humidity sensor and gas sensor, and then processes the data collected by the sensor through the wireless sensor network. The host computer software displays the real-time information of the sensor to the user by reading the database, and can also control the terminal node of the wireless transmission network by issuing instructions from the host computer. The system has potential scientific research value in smart agriculture and other aspects, and the materials used are cost-effective and have great economic and social value.

graphene-based multidimensional sensor；wireless sensor network；human-computer interaction；smart agriculture

TP212.1;TN492

A

1007-984X(2023)03-0046-09

2022-12-15

大學生創新創業項目計劃（202210232136）；齊齊哈爾大學基本科研業務費項目（145209804）

樊昊男（2002-），男，山西人，本科，主要從事傳感器和無線傳感網絡研究，2669581322@qq.com。

苗鳳娟（1982-），女，黑龍江人，教授，博士，主要從事物聯網技術研究，miaofengjuan@163.com。