农业是中国最传统的基础产业，但传统的种植和监测手段效率较低。随着“互联网+”的提出，通过信息技术对农作物的生长环境与其生长状态等进行数据分析，然后据此为种植、施肥等工作提供合适的解决方案，能够大大提高农业的生产效率。本文介绍的是一种自动测量农作物高度的系统。该系统主要包括基于激光测距的高度测量模块和基于ZigBee、GPRS无线通信技术的数据传输子系统。整个系统以CC2530模块作为核心，HR100激光测距传感器作为农作物高度测量装置，使用GPRS模块传送数据到远程终端。该系统使用方便，可实现远程控制，并解决了农田中布线不便的问题，对提高农业现代化水平具有一定的意义。关键词 农作物高度，激光测距，ZigBee，GPRS，CC2530
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 发展趋势 3
2 总体设计方案 3
2.1 测量设计方案 4
2.2 数据传输设计方案 5
3 系统相关技术分析 5
3.1 ZigBee技术 5
3.2 GPRS技术 7
3.3 激光测距 8
4 硬件电路设计 8
4.1 CC2530最小系统 8
4.1 终端节点 12
4.2 协调器 14
4.3 电路板制作 15
5 系统测试 15
5.1 激光传感器测试 15
5.2 ZigBee数据传输测试 16
5.3 GPRS数据传输测试 17
5.4 综合测试 20
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录A ZigBee模块电路原理图 27
附录B ZigBee模块底板PCB图 28
附录C ZigBee模块核心板PCB图 29
1 引言
1.1 课题背景
从原始社会的刀耕火种，农业社会的铁犁牛耕，工业社会的机械生产到现在信息社会的农业自动化 *51今日免费论文网|www.jxszl.com +Q: &351916072& 
、智能化生产，农业的生产模式在不停地演变、发展。相应地，对于农作物的生长状态的测量也从原始的肉眼观测逐渐转变成通过各种传感器来获取相关数据。通过测量农作物的生长状况，获取相关参数并分析，可以直观地了解农作物的生长状态，得出有利于农作物生长的条件，掌握农作物生长的规律，进而调整农作物的生长环境来促进农作物的健康生长。而在这些生长参数中，株高（农作物的高度）可以反映农作物的生长速度以及其与气象条件的关系，分析其对于农作物的良好生长具有促进作用。但是，传统的通过肉眼观察和徒手测量株高的方法已经不适用于现代农业，所以我们需要一种新方法来测量株高。
1.2 国内外研究与发展现状
1.2.1 株高测量方式
因为人工的方式测量株高的方法有主观性强，误差性大，测量精度和时效性差等缺点，所以自动化程度高的测量方法成为了研究的热点。
目前，以光电、电磁等技术为基础的自动测量株高技术主要分为两种：主动式测高和被动式测高[1]。
主动式测高，是一种以使用传感器获取株高数据为主的测量方法，具有快速、高效、测量精度高、实时性强等优点。按照使用的传感器的不同主要分为：激光测高法，超声波测高法和红外测高法（此方法不常用）。
被动式测高主要使用的是计算机视觉技术[2]，即通过图像传感器获取目标图像并转换成数字图像，利用计算机对图像进行处理[3]、分析和判别，最终提取被测物体的特征，实现对被测物体的实时监测和控制。目前主要有单目视觉测量和双目立体视觉测量方法。
激光测距有测量精度高，抗干扰能力强等优点，但是激光测距主要用于对有形边界物体的测量，而对于测量无形边界的农作物的高度的应用比较有限，还需进一步地研究。
激光测高法可细分为：脉冲激光测距法、调幅连续波激光测距法和调频连续波激光测距法。国内有孙杰[4]设计的棉花打顶机使用了激光测距测量植物高度。国外有Detlef Ehlert[5]使用激光测距传感器测量农作物生物量。他测试了两种不同的激光测距传感器，并获得了对于不同作物的测量结果，最后通过分析发现基于飞行时间（Time of flight, TOF）测量原理的激光测距传感器（脉冲激光测距法）具有更好的性能。
超声波测高法，是使用超声波传感器来测量植株高度的一种方法。超声波在空气中传播衰减小且可以近似为直线匀速传播，遇到物体会反射回来。利用传播的速度和往返的时间便可计算出距离。利用超声波传感器测量距离具有信息处理简单、距离分辨力强，实时性强和价格廉价的优点，但存在测量精度不高的问题。目前，国内已有基于超声波技术设计的一套可适时调节棉花打顶高度的系统[6]和利用超声波传感器、单片机等技术设计的一种作物高度自动测量的装置[7]。
单目视觉测高，是通过一台摄像机或数码相机获取图像信息，使用图像处理技术对图像进行处理，最终求得物体高度的方法。20世纪90年代，已有外国学者利用单目视觉技术实现作物的株高等形态信息的获取。21世纪以来，我国的学者在这方面也陆续进行了研究。2007年刘洪见[8]等利用图像处理技术获取株高等数据。但是，单目视觉系统受器材限制，无法精确地记录数据，所以最终的结果精度不高。
随着计算机视觉技术的快速发展，立体视觉技术得到越来越广泛的研究与应用。立体视觉测高，是通过两台或多台CCD摄像机，获取同一物体的多幅图像，利用图像中的差异，使用图像处理技术来算出物体的高度的方法。
在20世纪80年代末，Meyer[9]等利用两个相互垂直的相机获取作物二维图像，通过图像处理等技术求得作物叶柄长度等参数。90年代，Shimizu[10]等设计了一种由CCD摄像机与红外照明设备组成的计算机视觉系统，求出作物茎秆的长度。在国内，2009年王传宇[11]等利用双目视觉系统测量苗期玉米株形。2010年赵春江[12]等利用立体视觉技术重建玉米植株三维骨架，计算出叶长等作物重要参数。但是由于农田环境的复杂性以及对设备要求等原因，此方法在实践应用上还存在一定的局限性。
1.2.2 数据传输方式
数据传输方式包括有线数据传输和无线数据传输两种方式。其中无线数据传输是指利用无线数据传输模块将数据进行无线传输，进而实现数据的无线采集和对物理设备的无线控制。
无线数据传输可以分为两类：公网无线传输和局域网无线传输。
公网无线传输有GPRS，3G，4G等方式，局域网无线传输有数传电台、WiFi、ZigBee等方式。

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