第1章 作品概述

1.1名称

WiFi自组网技术的智能农业种植系统

1.2应用领域

该项目的应用领域主要涵盖农业管理和农田环境监测。可以广泛应用于种植面积较大的经济作物和主粮作物的种植户，包括但不限于大型农场、合作社、家庭农场等。通过实时监测农田环境数据，提供科学决策支持，优化农田管理，提高农业生产效益，降低生产风险，实现智能化、数字化和自动化的农田管理，从而提升农业生产的可持续性和经济效益。

1.3主要功能：

1、农田环境监测：通过传感器网络实时监测农田环境参数，如土壤湿度、温度、光照等，提供准确的农田环境数据。

2、农业管理支持：基于监测到的农田环境数据，结合农业专业知识和算法模型，提供农田管理的科学决策支持，包括灌溉管理、施肥管理、病虫害监测等。

3、小程序应用：通过小程序应用，用户可以方便地查看农田环境数据和管理信息，进行农田管理操作，如远程控制灌溉、施肥等，实现农田管理的远程和智能化。

4、数据分析与预测：通过对农田环境数据的分析和挖掘，提供农田生长趋势、产量预测等决策性信息，帮助用户做出更加科学的农业生产决策。

1.4创新性说明

1、创新的自组网技术：通过采用WiFi自组网技术，实现了无线传感器网络在农田环境监测中的应用。这种技术不仅可以减少传感器节点之间的布线成本，还可以提高传感器网络的灵活性和可扩展性。

2、创新的农田环境监测解决方案：通过部署传感器节点监测农田环境参数，并将数据上传至物联网平台进行集中管理和分析。这种解决方案可以实现对农田环境的实时监测和精细化管理，为农业生产提供科学决策支持。

3、创新的智能化管理功能：基于农田环境数据和算法模型，实现了对农田灌溉、施肥等管理操作的远程控制和智能化调整。这种功能可以提高农田管理的效率和准确性，降低资源浪费和环境污染。

4、创新的小程序应用：通过小程序应用，用户可以方便地查看和管理农田环境数据，实现了农田管理的便捷化和智能化。这种应用方式符合现代人对移动化和便捷化的需求，为农业生产管理带来了新的方式和体验。

5、设计思路创新性：项目采用了基于WiFi的自组网技术，实现了传感器节点之间的无线通信和协同工作，避免了传统布线方式的复杂性和成本高昂的问题。同时，项目设计了智能化的农田环境监测解决方案，包括传感器节点的布局策略、数据上传和处理方式、远程控制和调整策略等，以实现农田管理的便捷化和智能化。

6、技术创新性：项目采用了先进的WiFi自组网技术，包括自动组网、动态组网和路由优化等技术，实现了传感器节点之间的高效通信和协同工作。此外，项目还包括了传感器节点的硬件设计和开发，包括中继模块、温湿度模块、光照传感器模块、光照模块、智能插排模块，以满足对农田环境参数的监测需求。

7硬件创新性：项目的硬件创新包括了传感器节点的设计和开发，其中包括了中继模块、温湿度模块、光照传感器模块等。这些硬件模块经过优化和集成，以满足在农田环境监测中的高效、稳定和精确的要求。

8、应用创新性：项目通过小程序应用，提供了用户友好的界面和便捷的操作，实现了对农田环境数据的实时查看和管理。同时，项目还包括了数据分析和预测功能，为农业生产提供了决策性信息，帮助用户做出更加科学和精准的农田管理决策。

第2章          需求分析

2.1 农田环境监测需求

项目旨在提供一种智能化的农田环境监测解决方案，能够实时、准确地监测农田中的温湿度、光照等环境参数。这些数据对于合理的灌溉、施肥和病虫害防治等农业管理决策至关重要。

2.2 无线通信需求

项目中采用了WiFi自组网技术，要求传感器节点之间能够通过无线通信进行数据传输和协同工作。这需要具备稳定、高效的无线通信能力，以确保数据的可靠传输和节点之间的协同工作能够顺利进行。

2.3 用户友好的界面需求

项目中的小程序应用需要提供用户友好的界面，方便用户进行操作和管理。界面应简洁、直观，并能够展示实时的环境数据、提供数据分析和预测功能，以满足用户对农田环境监测和管理的需求。

2.4 系统稳定性和可靠性需求

项目中的硬件模块和软件系统需要具备稳定性和可靠性，能够在恶劣的农田环境条件下正常运行，并能够处理大量的环境数据。系统应具备自动识别和修复故障的能力，以确保系统的持续稳定运行。

2.5 数据安全和隐私保护需求

项目中的环境监测数据涉及用户的隐私信息和农田生产数据，需要具备安全的数据传输和存储机制，以保护用户的隐私和数据的安全性。同时，数据处理过程中应符合相关法律法规和隐私保护要求。

2.6 可扩展性和灵活性需求

项目应具备良好的可扩展性和灵活性，能够根据用户的实际需求进行扩展和定制。例如，支持不同类型的传感器模块的接入，能够应对不同规模和类型的农田环境监测需求。

2.7 竞品分析

目前市场上已经存在一些农田环境监测的竞品，但大多数存在一些局限性，例如传统的手动监测方式耗时耗力，无法实现实时监测；传统的有线传感器网络限制了监测范围和灵活性；部分产品功能单一，无法满足复杂的农田管理需求。

本作品的创新之处在于采用了WiFi自组网技术，可以实现传感器节点之间的自动组网和无线通信，提高了监测范围和灵活性；同时，结合了小程序应用，提供用户友好的界面和实时的数据分析功能；并具备了硬件和软件的创新性，包括自主开发的中继模块、温湿度传感器模块、光照传感器模块等。

本作品面向的用户主要是农田管理者、农业生产者、农业科研机构等，可以广泛应用于各类农田环境监测和管理场景，包括大田蔬菜、水果、谷物等各类农作物的生产环境监测和管理。

2.8 主要功能包括

1、实时监测：通过传感器节点对农田环境参数如温度、湿度、光照等进行实时监测，提供精准的农田环境数据。

2、数据分析：通过小程序应用，对实时监测数据进行分析和展示，包括图表和数据报告，帮助用户深入了解农田环境状况和变化趋势。

3、报警功能：当农田环境参数异常时，系统会自动发送报警信息给用户，帮助用户及时采取措施，防止农田环境灾害发生。

4、远程控制：用户可以通过小程序应用对传感器节点进行远程配置和控制，包括设置采样频率、传感器阈值、数据上传等参数。

5、管理系统：搭建了物联网网站，提供用户注册、登录、数据管理等功能，方便用户对农田环境监测数据的管理和查询。

2.9 主要性能

1、传感器精度：传感器节点采用高精度传感器，能够提供精确的农田环境参数数据。

2、数据上传频率：系统支持自定义数据上传频率，可以根据实际需求进行配置，实现实时或定时数据上传。

3、系统稳定性：采用了自组网技术，提高了网络稳定性和抗干扰能力，保障了系统的稳定运行。

4、用户友好性：小程序应用提供简洁、直观的界面和丰富的数据展示方式，方便用户查看和分析农田环境数据。

5、扩展性：系统支持灵活的传感器节点扩展和网络拓扑配置，可以适应不同规模和复杂度的农田管理需求。

第2章          技术方案

1、硬件组成

硬件组成的中继模块和路由节点使用ESP8266-NodeMCU,端节点使用ESP8266-01s加传感器。传感器包括光照传感器（光敏电阻，使用AD转换器），土壤温湿度传感器（使用AD转化模块），温湿度传感器（DHT11模块），继电器，太阳能电池板，充电模块，锂电池等。系统的整体设计如图1所示。

2、系统软件设计

 使用Arduino软件开发平台，设计自组网系统的UDP通信协议、传感器数据采集与处理、执行器设备控制功能。通过软件打开低功耗模式，并打开AP+STA工作模式保持构成多节点连接，形成完整的农业物联网系统。系统软件流程图如图2所示。

图2：WiFi组网实现流程图

该系统软件流程图功能如下：

开始系统初始化完成后打开AP+STA模式。该模式可以连接其他ESP8266产生的WiFi热点信号，另外也产生一个WiFi热点信号供其他设备连接。

步骤1：获取附近的SSID，即为STA模式下扫描附近的所有WiFi，获得WiFi的ID。

步骤2：获取附近WiFi的RSSI，即为STA模式下的附近WiFi信号的强度值，该值绝对值越小，证明信号越强。

步骤3：对比不同的SSID的RSSI值是为模块连接最近的信号源，保证相对稳定的数据传输，采用卡尔曼滤波对信号的干扰进行滤波，检测五次稳定后得出最后的值。

步骤4：判断RSSI值对应的SSID并排序，依依次判断信号最强设备是否是组网设备，如果是则进行连接，如果不是则使用次之进行判断。

步骤5：连接成功后对应的设备灯会亮起，表示连接成功。

步骤6：打开UDP通信协议通道，对每一个设备进行不同IP地址，不同端口号配置，每150米内放置一个路由节点，多个路由节点进行连接进行数据通信。一个路由节点最多连接10个配备ESP8266-01s的传感器端节点模块。最后对数据进行打包传到网关。当数据下行时路由节点又会对数据进行解包处理，可保证每一个设备的上行和下行信息收发准确性。对于设备的数据方面采用轻量级数据流，夹带设备标识数据包头，保证数据的稳定性。

步骤7：网关包括ESP8266-01s和NB-IOT，同时进行串口初始化，采用UART通信协议，与云端通信NB-IOT需要SIM卡入网，激活此功能后，数据可借助相应的AT指令上传云端，并可下行的控制命令进行处理。

步骤8：最后，在保证WiFi组网连接的情况下仅仅打开UDP通道，用于接收下行的命令。传感器节点模块采用半小时采集五次数据，进行中值滤波处理后发送到路由节点。

软件实现组网关键为设备的标识，ESP8266-01s在软件上可以编码实现UDP通信协议，并提供分配给设备不同的IP地址和端口号，即可根据不同的IP地址和端口号实现设备的标识。并且软件代码可实现设备可自行附近设备的搜索，根据返回的信号值连接最近的节点，多个节点连接形成节点WiFi自组网。节点下的ESP8266-01s配备传感器模块，通过同样的方法连接节点，传输数据，形成节点下WiFi组网,实现传输传感器采集数据上云和指令下行的精准控制。

3、关键技术2：UDP通信协议中数据的传输加密

3.1  数据处理

首先主控中心使用卡尔曼滤波算法对收集到的传感器数据进行处理和滤波，消除数据中的噪声和误差，使得数据更加准确和可靠。

通过精准的控制温度、湿度、光照和CO2浓度等参数，使得作物的生长和发育得到了最佳的保障。同时，主控中心还可以通过WiFi网络将这些数据分享给农民，使得他们能够随时了解温室内的情况，以便及时采取相应的措施，提高产量和利润。农民可以及时掌握温室内环境、水分、灌溉、通风和施肥等情况，调整相应的管理措施，提高温室内作物的生长质量和产量。在偏远地区，通过该智能农业监控与控制矩阵系统，可以实现对农业生产的智能化管理，提高农业生产效益和经济效益。

3.2 数据的传输

WiFi自组网中数据^[3]的传输问题是非常重要的，我们使用的UDP（User Datagram Protocol）是一种面向无连接的协议，它并不需要在传输数据之前建立连接，因此他可以更好的匹配我们的自动跳网的自组网技术，做到随时可以连接我们的节点模块进行数据的传输。并且UDP协议的实时性非常高，不需要建立连接传输数据通道就可以传输数据，有较低的延迟。在我们偏远地区的农业应用中，更适应复杂的环境，做到就近连接传输数据，

即插即用。并且我们使用轻量级数据发送传输数据，保证数据包的标识前提下尽可能减少数据包的大小。

3.3  数据存储

数据存储是智慧农业系统中非常重要的一环，通过云端存储技术，将农业生产过程中的数据进行存储和共享，为后续的数据分析和研究提供数据支持，同时也方便农业生产者进行远程监控和管理。综合考虑偏远地区的信号问题，数据的上云方面搭配网关集成NB-IOT，轻量级数据使用NB-IOT模块完全满足数据传输上云。

3.4  安全性问题

在数据存储和共享过程中，数据安全是非常重要的。偏远地区智慧农业系统中，农业的实时性下行控制问题需要得到保障，同时基于UDP协议的不可靠，不安全性我们提出以下解决方案：

采用加密技术对数据进行保护，防止数据泄露和非法访问。对设备的标识加以不同的数据包前缀，保证在我们的组网系统能精准控制我们的设备，提供我们组网中的数据的安全性。同时，由于数据包可能经过多节点导致数据包的丢失，我们在WiFi组网节点中控制各节点的布局距离不超过80m，并加以设备扫描WiFi信号连接最强信号通信连接技术，数据重复发送3次，经过我们的数据测量，80m的节点布局组网中数据的丢包率可近乎为0，有效提高我们组网数据传输的可靠性。

4、 系统验证与测试

3.1环境监测数据

土壤湿度数据，温度数据，光照数据，CO2浓度数据等农田系统需要检测的数据，我们使用ESP8266-01s模块连接相应的传感器采集，然后通过WiFi自组网连接我们的农田路由节点实现数据的传输。在软件开发上我们对每一个传感器设备采集的数据进行卡尔曼滤波算法，训练专有滤波模型使得数据更加准确。

3.2自组网效果验证（数据）

基于农田的理想状态测量使用的硬件通信模块ESP8266-01s的信号强度数据，使用路由节点扫描端节点的方式，端节点与路由节点的数据我们分6组测量，第1组为10米、30米、50米、70米，第2组为10米、40米、70米、100米，第3组为10米、50米、90米、130米，第4组为10米、60米、110米、160米，第5组为10米，90米、170米、240米，第6组为10米，200米、240米、260米。经过我们的多次测量，第1到5组ESP8266-01s发射的WiFi信号为稳定状态，路由节点都能扫描到WiFi信号的强度并且使用UDP协议通信能稳定传输数据。当使用第6组数据测量时，设备四距离接收源260米初的信号强度断断续续，为不稳定状态，如图3为我们测量的第6组数据折线图（数值越大信号越弱）。设备三的信号数据距离接收源240米时还能稳定连接，在偏远地区的农业种植中我们采用最远150米的节点距离布局可以满足我们WiFi自组网的端节点数据传输最佳效果。

图3： 第6组信号检测数据图

3.3  应用成效验证

使用本文研究的WiFi自组网技术应用在农业生产中，监控以及控制作物生长环境，加速了作物信息的沟通。使用了无线传输技术，减少了农田布线成本，以及管理成本。

在节水方面，通过精确的灌溉控制，减少水的浪费和过度使用，提高了用水的效率，实现了节水的目的。实验结果表明，在同样的农业生产条件下，采用该方案的农田水资源利用率平均提高了20%以上，在偏远地区水资源紧缺的条件下体现了本系统的信息收集能力。

在节肥方面，该系统能够通过对土壤的监测和分析，确定作物所需的养分成分和用量，精确控制施肥的时间和数量，提高了施肥的效率，减少了肥料的浪费，实现了节肥的目的。实验结果表明，在同样的农业生产条件下，采用该方案的农田平均化肥利用率提高了15%以上。

在其他方面，该系统能够减少人力成本，提高农作物的品质，通过数据分析和决策支持，可以指导农业生产者调整生产结构和品种选择，实现高效、可持续的农业生产。

第4章          方案实现

4.1传感器节点开发

硬件开发：选择合适的传感器模块，如温湿度传感器、光照传感器等，并设计传感器节点的硬件电路，包括传感器模块的接口连接、电源管理、通信模块的集成等。

软件开发：设计传感器节点的软件，包括数据采集和处理的算法、传感器模块的驱动程序、通信模块的配置和控制等。确保传感器节点能够稳定地采集和处理环境数据，并通过通信模块与自组网网络进行数据传输。

4.2自组网技术开发

技术选择：根据项目需求和应用场景，选择合适的自组网技术，如基于WiFi Mesh的自组网、LoRaWAN等，并系统配置：进行自组网网络的拓扑配置，包括节点的角色分配、网络连接和参数设置等，以确保网络的正常组网和通信。

节点注册：设计节点注册和管理的方法，包括节点的身份认证、密钥管理和节点状态的监测等，以保障系统的安全性和可靠性。

组网算法：根据项目的具体需求，设计并实现自组网节点的组网算法，包括路由选择、节点发现和拓扑维护等，以实现节点之间的自动组网和数据传输。

4.3小程序应用开发

用户界面设计：设计小程序应用的用户界面，包括登录注册界面、数据展示界面、报警界面、远程控制界面等，保障用户友好性和操作便捷性。

数据展示和分析：设计小程序应用的数据展示和分析功能，包括实时监测数据的展示、历史数据的查询和分析、数据图表的生成等，以帮助用户了解农田环境状态。

报警功能：设计小程序应用的报警功能，包括设定阈值、实时报警通知、报警记录等，以及远程控制：设计小程序应用的远程控制功能，包括控制传感器节点的开关、配置参数、更新固件等，以实现对农田环境的远程控制。

4.4硬件模块开发

1、中继模块：进行中继模块的硬件开发，包括选型、电路设计、PCB设计、硬件调试等，以实现节点间的远距离通信和信号转发。

2、温湿度传感器模块：进行温湿度传感器模块的硬件开发，包括选型、电路设计、PCB设计、硬件调试等，以实现对农田环境温湿度的实时监测。

3、光照传感器模块：进行光照传感器模块的硬件开发，包括选型、电路设计、PCB设计、硬件调试等，以实现对农田环境光照强度的实时监测。

4、照明模块：进行led模块的硬件开发，包括选型、电路设计、PCB设计、硬件调试等，以实现对农田环境的实时补光。

5、智能插排模块：进行插座模块的硬件开发，包括选型、电路设计、PCB设计、硬件调试等，以实现电器的自动控制运作。

第5章          作品视频