基于NFC的抗干擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

麻 靈,孫紅敏(.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,重慶 4020； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院,黑龍江 哈爾濱50030)

基于NFC的抗干擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

麻 靈1,孫紅敏2*
(1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,重慶 401120； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150030)

為了解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信難以布線、操作復(fù)雜、多傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)相互干擾等問題, 構(gòu)建了基于近場通信(NFC)的抗干擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用由ZigBee抗干擾網(wǎng)絡(luò)和NFC技術(shù)構(gòu)成的兩級(jí)農(nóng)業(yè)監(jiān)測信息物聯(lián)通信方案,通過Zigbee抗擾網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)到集控中心的抗干擾遠(yuǎn)場無線傳輸；采用NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)集控中心系統(tǒng)與NFC移動(dòng)終端的近距離無線傳輸,從而大大降低布線的復(fù)雜性,在有限資源條件下提高農(nóng)場環(huán)境參數(shù)集控監(jiān)測的安全性、可靠性。通過試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)在不同信噪比下均能捕獲目標(biāo)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場環(huán)境參數(shù)的采集。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)； ZigBee； 自組織網(wǎng)絡(luò)； NFC

農(nóng)業(yè)是我國保障國計(jì)民生的戰(zhàn)略性與支柱性產(chǎn)業(yè),與發(fā)達(dá)國家相比,我國農(nóng)業(yè)種植方式為粗放型,導(dǎo)致自然資源利用率低下、不少農(nóng)作物品質(zhì)不高和單產(chǎn)低等問題。許多發(fā)達(dá)國家借助農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),廣泛施行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)種植,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率得到了顯著提高[1-4]。對(duì)于我國而言,精細(xì)化農(nóng)業(yè)種植和科學(xué)農(nóng)業(yè)種植正處于起步階段,研究重要農(nóng)作物在獲得較高產(chǎn)量情況下所處的生長環(huán)境因素(如空氣溫濕度、土壤溫度、光照度等)信息具有重要意義[5-7]。通過對(duì)農(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和跟蹤,可得到該作物在高產(chǎn)量和高品質(zhì)情況下的某些環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于種植者而言,有助于優(yōu)化種植過程、提高種植效率,從而有望在較大程度上提高作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益[8-13]。近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了多種借助RS485、WIFI或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參數(shù)采集系統(tǒng)[14-16]。但上述研究通常需要農(nóng)場集控中心對(duì)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行通信、保存、計(jì)算等工作,除此之外,還需在監(jiān)控點(diǎn)中添加網(wǎng)絡(luò)管理功能,增加了采集系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度[17-22]。為了解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)布線困難、操作復(fù)雜、多傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)相互干擾等問題,本研究采用由ZigBee抗干擾網(wǎng)絡(luò)和近場通信(NFC)技術(shù)構(gòu)成的兩級(jí)農(nóng)業(yè)監(jiān)測信息物聯(lián)通信方案,通過Zigbee抗擾網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)到集控中心的抗干擾遠(yuǎn)場無線傳輸；采用NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)集控中心系統(tǒng)與NFC移動(dòng)終端的近距離無線傳輸,大大降低布線的復(fù)雜性,在有限資源條件下提高農(nóng)場環(huán)境參數(shù)集控監(jiān)測的安全性、可靠性。

1 基于NFC的抗干擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于NFC的抗干擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)由1個(gè)集控中心系統(tǒng)和多個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)成,數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)信息通過ZigBee抗干擾網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至集控中心系統(tǒng),然后通過NFC無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至RFID射頻掃描移動(dòng)終端,該系統(tǒng)總體框架如圖1所示。其中,集控中心系統(tǒng)主要包括微機(jī)系統(tǒng)和ZigBee抗干擾通信系統(tǒng)(圖2)。微機(jī)系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,在對(duì)各種數(shù)字信號(hào)進(jìn)行判斷、分析后,合理地調(diào)度各個(gè)功能模塊的運(yùn)作以保證各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)等操作的實(shí)現(xiàn)。各數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)主要包括空氣溫濕度、土壤溫度、日照強(qiáng)度, 并以數(shù)字信號(hào)的形式傳送至微機(jī)系統(tǒng)。ZigBee抗干擾網(wǎng)絡(luò)采用基于匹配濾波的目標(biāo)信號(hào)捕獲技術(shù)設(shè)計(jì),用于實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)到集控中心的抗干擾遠(yuǎn)場無線傳輸。

圖1 基于NFC的抗干擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

圖2 數(shù)據(jù)采集集控中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的抗干擾設(shè)計(jì)

為了解決ZigBee遠(yuǎn)距離通訊網(wǎng)絡(luò)在通信過程中存在的多類型、多尺度參數(shù)數(shù)據(jù)之間的相互干擾,本研究采用匹配濾波方法對(duì)收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化,通信中使用的載波頻率根據(jù)偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地捕獲ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)哪繕?biāo)信號(hào)。

1.2.1 匹配濾波器算法 匹配濾波器是頻率響應(yīng)與輸入的信號(hào)頻譜相一致的濾波器,其功能是將不同相位的本地碼與輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,得到不同碼相位的相關(guān)能量。本研究采用迭代計(jì)算匹配濾波器[23],該匹配濾波器具有速度快、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2 基于匹配濾波的目標(biāo)信號(hào)捕獲 利用本地載波數(shù)字控制振蕩器(NCO)將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)獲得的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)經(jīng)過變頻傳輸?shù)交鶐?同本地?cái)U(kuò)頻偽碼一起傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信,并在接收端采用上述匹配濾波器算法捕獲目標(biāo)信號(hào)。當(dāng)接收信號(hào)的偽碼和本地偽碼相位對(duì)齊時(shí),部分匹配濾波器輸出結(jié)果是頻率值,為收發(fā)雙方頻差的復(fù)正弦信號(hào),用時(shí)短且為定值,此固定頻率即為載波多普勒頻率。將匹配濾波器組輸出的部分相關(guān)值進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),從而獲得功率譜分析結(jié)果。由于一個(gè)固定頻率的正、余弦信號(hào)在頻譜圖上是一條單一的譜線,而高斯白噪聲含有所有的頻率,其進(jìn)行快速傅里葉變換后是無限寬的頻譜。因此,對(duì)該復(fù)正弦信號(hào)進(jìn)行最大似然概率最優(yōu)檢測[23],檢測是否含有該頻率成分。若含有該頻率成分,則收發(fā)雙方碼相位對(duì)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)碼捕獲,并計(jì)算多普勒頻率；若不含該頻率成分,則收發(fā)雙方碼相位未對(duì)準(zhǔn),從而將原來的頻率、相位的二維搜索變成一維搜索,大大減少了捕獲時(shí)間。

1.3 NFC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高NFC的可靠性和效率,本研究對(duì)NFC設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),主要包括NFC線圈電感、反射系數(shù),這些參數(shù)的優(yōu)化配置有助于提高發(fā)射效率、降低源噪聲的引入。

本研究使用HFSS天線仿真軟件優(yōu)化配置NFC線圈參數(shù)。在電感耦合中,天線線圈可被等效成串聯(lián)諧振電路進(jìn)行分析。LC串聯(lián)諧振電路的諧振點(diǎn)與NFC天線的工作頻率一樣為13.56 MHz。一般13.56 MHz天線線圈的2個(gè)重要參數(shù)電感L和電阻R分別介于300 nH～3 μH和0.5～5 Ω。圖3為HFSS軟件中的線圈仿真圖,本研究的所有線圈仿真試驗(yàn)都是以此為基礎(chǔ)通過2種變量的設(shè)置來探討天線線圈的特性。

圖3 NFC線圈的仿真結(jié)果

1.3.1 NFC線圈電感參數(shù)配置 設(shè)置線圈長度Al=120 mm,線圈寬度Aw=46 mm,線圈直徑Lw分別為0.4、0.6、0.8 mm,觀察線圈直徑對(duì)線圈電感的影響。由圖4可知,隨著Lw的增大,線圈電感隨之減小,但減幅不是很大,因此可以認(rèn)為線圈直徑對(duì)線圈電感的影響不大。在天線的工作頻率13.56 MHz處,對(duì)應(yīng)Lw分別為0.4、0.6、0.8 mm的電感為2.289 7、1.942 2、1.634 4 mH。

圖4 Lw的電感仿真結(jié)果

1.3.2 NFC線圈反射系數(shù)配置 設(shè)置Al=120 mm,Aw=40 mm,Lw分別0.4、0.6、0.8 mm,觀察線圈走線的寬度對(duì)線圈反射系數(shù)的影響。由圖5可知,隨著Lw的增大,天線線圈的反射系數(shù)的最小值離工作頻率13.56 MHz變遠(yuǎn),能量傳遞效果變差,Lw的大小對(duì)天線線圈的反射系數(shù)的影響較為明顯。其中,m1點(diǎn)的反射系數(shù)最小值的頻率為13.15 MHz,最接近工作頻率13.49 MHz。

圖5 Lw的反射系數(shù)仿真結(jié)果

1.3.3 NFC線圈參數(shù)優(yōu)化配置 綜合以上觀察分析和多次調(diào)試發(fā)現(xiàn),在Lw=0.6498 2 mm,Aw=46 mm,Al=122 mm時(shí)取得的諧振點(diǎn)最接近13.56 MHz(反射系數(shù)最小時(shí)的頻率值),且天線線圈的2個(gè)重要參數(shù)L和R分別介于300 nH至3 μH和0.5 Ω至5 Ω,都滿足工藝要求的取值范圍,且反射系數(shù)在13.6 MHz處達(dá)到最小值(圖6—7)。

圖6 反射系數(shù)仿真結(jié)果

圖7 電感系數(shù)仿真結(jié)果

2 基于NFC的抗干擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的測試

為了驗(yàn)證ZigBee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離通信的抗干擾性能,本研究通過試驗(yàn)檢驗(yàn)不同信噪比下目標(biāo)信號(hào)的捕獲質(zhì)量以及NFC近場數(shù)據(jù)監(jiān)測的性能,分別設(shè)置信噪比為-25、-25、-30 dB。

2.1 數(shù)據(jù)抗干擾試驗(yàn)

2.1.1 時(shí)頻分析 通過對(duì)不同信噪比下的捕獲信號(hào)時(shí)頻分析可以檢驗(yàn)檢測系統(tǒng)的抗干擾能力。CIC濾波器抽取因子D為9,捕獲頻率搜索范圍介于-100 kHz～100 kHz,頻率搜索間隔為1 kHz,碼相位搜索精度為1/2碼片；相關(guān)積分時(shí)間為1個(gè)碼周期,未進(jìn)行非相干累加；分別仿真了在不同信噪比下時(shí)域、頻域和時(shí)頻二維內(nèi)的捕獲相關(guān)值,都能夠準(zhǔn)確地捕獲到頻率和碼相位。其中,頻率搜索是從-100 kHz開始,70 kHz為第171個(gè)頻點(diǎn)；碼相位顯示刻度從1開始,相關(guān)峰值所在相位為403。

從仿真結(jié)果(圖8—11)可以看出,當(dāng)信噪比從-25 dB降低到-30 dB時(shí),各個(gè)頻點(diǎn)下的相關(guān)峰值幾乎未變,表明運(yùn)用PMF-FFT捕獲算法能夠提高二維搜索速度,獲得的信號(hào)相關(guān)度高。

圖8 信噪比為-25 dB時(shí)的時(shí)頻分析

圖9 信噪比為-25 dB時(shí)的兩維時(shí)頻分析

圖10 信噪比為-30 dB時(shí)的時(shí)頻分析

圖11 信噪比為-30 dB時(shí)的兩維時(shí)頻分析

2.1.2 FFT頻偏估計(jì) CIC濾波器抽取因子D為9,每9個(gè)點(diǎn)取1個(gè),所以1個(gè)碼周期做FFT的點(diǎn)數(shù)為2 048,頻率估計(jì)精度為Fs/(2×9×2 048)=1.5 kHz。頻偏估計(jì)模塊的加入大大縮短了后續(xù)捕獲模塊所需搜索的頻率點(diǎn)數(shù),也為后續(xù)進(jìn)一步縮小搜索頻率間隔提供了充足時(shí)間。分別仿真在不同信噪比和相關(guān)累加次數(shù)下的頻率估計(jì)性能,搜索到的頻率為70.5 KHz,誤差為0.5 KHz,在SNR為-30 dB的情況下相關(guān)累加20次已不能正確估計(jì)頻率。

從圖12—15可以看出,當(dāng)信噪比從-25 dB降低到-30 dB時(shí),30次累加后的頻偏估計(jì)幅度有了明顯增加,這說明頻偏估計(jì)模塊的加入不僅縮短了后續(xù)捕獲模塊所需搜索的頻率點(diǎn)數(shù),而且該方法能在較低信噪比下準(zhǔn)確地估計(jì)出信號(hào)頻率和碼相位。

圖12 信噪比為-25 dB時(shí)20次累加結(jié)果

圖13 信噪比為-25 dB時(shí)30次累加結(jié)果

圖14 信噪比為-30 dB時(shí)20次累加結(jié)果

圖15 信噪比為-30 dB時(shí)30次累加結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果

通過系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì),移動(dòng)智能設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)通過NFC來查看各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集回的數(shù)據(jù),如圖16為帶NFC功能的移動(dòng)終端收到的來自其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)。由此可見,NFC能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)場環(huán)境參數(shù)的采集。

圖16 移動(dòng)終端數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)論

本研究在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了由Zigbee抗擾網(wǎng)絡(luò)與NFC構(gòu)成的二級(jí)抗擾農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、抗干擾通訊,采用NFC實(shí)現(xiàn)近場數(shù)據(jù)采集,從而克服了數(shù)據(jù)采集過程中的難以布線、操作復(fù)雜、多傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)相互干擾等問題,節(jié)約了成本,降低了復(fù)雜性,并且能夠在有限資源條件下提高農(nóng)場環(huán)境參數(shù)集控監(jiān)測的安全性與可靠性。

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[23] 彭宇,高志峰,彭喜元. 最小方差譜估計(jì)中匹配濾波器迭代求解算法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2013, 34(7)：1479-1484.

Development of Anti-disturbance Agricultural Internet of Things Monitoring System Based on NFC

MA Ling1,SUN Hongmin2*
(1.Department of Information engineering,Chongqing Industry Vocational Technical College,Chongqing 401120,China; 2.Department of Electrical and Information,Northeast Agriculture University,Harbin 150030,China)

By means of agricultural Internet of Things,agricultural production can achieve fine management and efficient operation.However,there are some problems such as difficulty in routing and operation of Internet of Things in agriculture.In this paper,the anti-disturbance agricultural Internet of Things monitoring system based on close range wireless communication (NFC) was constructed.The communication scheme of the agricultural monitoring which was composed of ZigBee self organizing network and NFC technology was adapted.In this scheme,the ZigBee self organization network realized the anti-interference far-distance wireless transmission from the data acquisition node to the host module;the NFC technology realized the close range wireless transmission of the whole system and the NFC mobile terminal,thus decreased the complexity in routing,improved the monitoring security, reliability of the farm environment parameter under the condition of limited resource.Through a set of experiments,the proposed communication scheme could capture a target signal under different SNR, realize the collection of the farm environment parameters.

agricultural Internet of Things; ZigBee; self organizing network; NFC

2016-01-20

國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA102303)

麻 靈(1985-)，女，重慶人，講師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)方面的研究。E-mail:maling450@163.com

*通訊作者：孫紅敏(1971-)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)方面的研究。 E-mail：Sunhongmin111@126.com

S685

A

1004-3268(2016)08-0149-06