基于GPRS和Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的作物生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

(天津市武清區(qū)職業(yè)中等教育學(xué)校，天津 301709)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的全面進(jìn)步，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正在向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展。我國(guó)雖然是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體自動(dòng)化水平與生產(chǎn)方式還處于較低階段。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)引起并受到了國(guó)家的高度重視，“智能農(nóng)業(yè)”作為一種提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化水平的方式，受到了國(guó)家的極大關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IOT)是一種集傳感技術(shù)、射頻技術(shù)(RFID)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)于一體的綜合性技術(shù)體系，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行信息采集、處理和傳輸，實(shí)現(xiàn)物體“智能化”。獲取準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息并加以信息處理與分析，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率有重要的意義。

一、總體設(shè)計(jì)方案

基于GPRS與Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的作物生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。由主控節(jié)點(diǎn)以及信息采集節(jié)點(diǎn)組成，主控節(jié)點(diǎn)以ARM處理器STM32為核心組成主控系統(tǒng)，搭配GPRS模塊，完成數(shù)據(jù)信息的上傳；信息采集節(jié)點(diǎn)采用Arduino控制器，通過(guò)配置溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度等傳感器以及ZigBee模塊，完成自然環(huán)境的溫度、濕度和光照等信息的采集與傳輸，通過(guò)GPRS模塊借助互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到Y(jié)eelink平臺(tái)，以便在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的查看信息和調(diào)用。同時(shí)記錄下的數(shù)據(jù)建立一個(gè)庫(kù)將作物的生長(zhǎng)情況錄制下來(lái)，這樣就可以對(duì)作物的育苗、生長(zhǎng)等研究進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。也可在互聯(lián)網(wǎng)上將提前設(shè)定好的參數(shù)和控制命令通過(guò)GPRS進(jìn)行操作，這也保證了對(duì)作物生長(zhǎng)的無(wú)人干擾。在環(huán)境變化的同時(shí)自行的進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)的分析，確定了基于GPRS與Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的作物生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)總體方案。主要包括主控單元模塊、傳感器模塊、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及電源等模塊的電路設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

二、硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)單元采用芯片為STM32F103VBT6，其工作電壓為3.3V，外部采用8M無(wú)源石英晶體震蕩器為高速主時(shí)鐘震蕩器，采用32768手表晶體震動(dòng)器為低速時(shí)鐘。

作物生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)采集從機(jī)單元采用Arduino控制器，控制器采用的處理器核心是ATmega328，ATmega328處理器包含14路的I/O端口，其中包括6路作為AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端口，6路可作為PWM輸出的數(shù)字輸出端口；ATmega328處理器采用16MHz的晶振頻率，運(yùn)行速度相比普通AVR單片機(jī)有較大提高；同時(shí)ATmega328還包含1個(gè)方向USB接口，1個(gè)電源輸入接口，1個(gè)ICSP接口以及一個(gè)復(fù)位按鈕。

紅外測(cè)溫傳感器采用非接觸式類型 TN901模塊，數(shù)據(jù)接口采用串行外設(shè)接口SPI，將Arduino控制器配置為從機(jī)，這與實(shí)際意義的從機(jī)有所不同，只是在SPI同步串行通信時(shí)是作為從機(jī)接收數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中還是通過(guò)處理器拉低TNR紅外測(cè)溫傳感器的測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)引腳A，從而TNR紅外測(cè)溫傳感器通過(guò)SPI同步串行的方式給單片機(jī)發(fā)送測(cè)量溫度數(shù)據(jù)，這里采用Arduino控制器的SPI接口，測(cè)溫啟動(dòng)信號(hào)引腳接Arduino控制器的PB1接口。

溫濕度傳感器選用的是含有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11，內(nèi)含14位 A/D 轉(zhuǎn)換器并采用準(zhǔn)I2C接口傳輸數(shù)據(jù)，這里采用Arduino控制器自帶的I2C通信接口。

二氧化碳傳感器選用對(duì)二氧化碳具有良好靈敏性的NDIR紅外型CO2傳感器COZIR-A，該傳感器自帶溫、濕度補(bǔ)償功能，有效提高了檢測(cè)精度；數(shù)據(jù)通信接口采用串口通信方式，方便各種控制器的連接。本文選擇的Arduino控制器可以通過(guò)串口直接與COZIR-A相連而獲取二氧化碳數(shù)據(jù)。

模擬信號(hào)采集模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)為模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。本作物生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)采集從機(jī)單元中的模擬傳感器包括光照、土壤溫濕度傳感器。獲取這些傳感器的數(shù)據(jù)需要通過(guò)Arduino控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到最終的光照及土壤溫濕度信息。

在作物生長(zhǎng)研究中負(fù)責(zé)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的為Yeelink GPRS Connected是一款RS232/RS485/TTL 接口的GPRS模塊，只需通過(guò)3種接口輸入簡(jiǎn)單的命令即可將數(shù)據(jù)上傳到Y(jié)eelink平臺(tái)或者下載Yeelink歷史數(shù)據(jù)，并提供添加設(shè)備、刪除設(shè)備、添加傳感器、刪除傳感器等全部API命令。Yeelink GPRS 模塊擁有寬電壓范圍的電源管理芯片(電源接口工作電壓范圍 5V-12V)。Yeelink GPRS模塊提供的RS-232 9針接口還可以直接連在電腦上，用上位機(jī)控制模塊，為二次開發(fā)提供便利。GPRS模塊的主要功能是將現(xiàn)場(chǎng)采集到的作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)上傳到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或?qū)⒔邮盏降倪h(yuǎn)端監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后，通過(guò)不同的串行接口方式(RS232、RS485、TTL等)傳遞給Arduino控制器實(shí)現(xiàn)整體控制功能。

三、軟件設(shè)計(jì)

作物生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)，兩者缺一不可，軟件系統(tǒng)建立在硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，兩者結(jié)合在一起，共同完成相應(yīng)的功能。本設(shè)計(jì)中的軟件系統(tǒng)根據(jù)硬件系統(tǒng)的配置采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)軟件系統(tǒng)主要包括主機(jī)單元、從機(jī)單元應(yīng)用程序以及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

主機(jī)單元的初始化程序首先是要將處理器自身初始化，在之后要對(duì)GPRS進(jìn)行初始化配置，成功完成后再將GPRS連網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功之后便可以向?qū)?yīng)從機(jī)單元發(fā)送地址進(jìn)行呼喚，呼喚完成后自動(dòng)進(jìn)入接收模式，等待對(duì)應(yīng)從機(jī)上傳的數(shù)據(jù)包，在接完數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解壓處理，將處理分析所得結(jié)果用GPRS模塊向Yeelink平臺(tái)無(wú)線上傳數(shù)據(jù)。主機(jī)單元系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主機(jī)單元主程序流程圖

圖4 從機(jī)單元主程序流程圖

從機(jī)單元的主要功能是完成作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸，因此主程序首先是要將處理器自身初始化，然后響應(yīng)主機(jī)信號(hào)，收到信號(hào)后按照標(biāo)志位去執(zhí)行相應(yīng)的子程序，從機(jī)單元系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

本作物生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中采用的數(shù)字傳感器包括紅外測(cè)溫傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器。紅外測(cè)溫傳感器的數(shù)據(jù)輸出采用的接口為SPI接口，利用串行協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。因?yàn)锳rduino控制器自帶SPI通信接口，因此可以很方便的進(jìn)行測(cè)溫程序的設(shè)計(jì)，將傳感器內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)。當(dāng)需要進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，只需將Arduino控制器的SPI選擇引腳拉低即可。當(dāng)啟動(dòng)測(cè)溫后，Arduino控制器會(huì)接收到5個(gè)字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)，其中：Item為0x4c表示測(cè)量目標(biāo)溫度；MSB為接收溫度的高八位數(shù)據(jù)；LSB為接收溫度的低八位數(shù)據(jù)；Sum為驗(yàn)證碼，接收正確時(shí)Sum=Item+MSB+LSB；CR為結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)CR為0x0dH時(shí)表示完成一次溫度數(shù)據(jù)接收。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度的變換才能夠得到正確的溫度數(shù)值，轉(zhuǎn)換公式如公式(1)所示：

其中，Temp代表采集到的十進(jìn)制溫度值，而測(cè)量結(jié)果為16進(jìn)制，把它直接轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制即可。

溫濕度傳感器SHT11的數(shù)據(jù)通信接口為二線制數(shù)字串口，通信協(xié)議由芯片生產(chǎn)商仔細(xì)定義。獲取SHT11傳感器的溫濕度信息需要控制器產(chǎn)生與之相匹配的工作時(shí)序來(lái)完成。本系統(tǒng)中，Arduino處理器的I/O口PC4、PC5分別與SHT11傳感器的SCL、SDA接口相連，依據(jù)SHT11的工作時(shí)序，Arduino處理器模擬產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)采集。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通常需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償轉(zhuǎn)換，溫度轉(zhuǎn)換公式為：

Temperature=0.01*SOT-39.60其中SOT為傳感器采集的溫度值；

濕度傳感器的輸出非線性補(bǔ)償公式：

RH_linear=0.0405*SO_RH-2.8*(SO_RH)2-4.0

相對(duì)濕度對(duì)于溫度依賴性的補(bǔ)償公式：

RH_true=(T-25.0)*(0.01*0.00008*SO_RH)+RH_Linear

其中SO_RH為傳感器輸出的濕度值。

二氧化碳濃度傳感器與微控制器的連接采用數(shù)字串口通信接口，因此只需利用Arduino的串口即可完成二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)接收。

在應(yīng)用的Yeelink平臺(tái)當(dāng)中，用戶不需要對(duì)網(wǎng)頁(yè)IP地址進(jìn)行獲取，所以也不會(huì)存在搜索、設(shè)置IP地址，只需要獲取該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)用戶自身的鑰匙KEY便可以。所以在GPRS 遠(yuǎn)程通信模塊和用戶網(wǎng)絡(luò)鑰匙KEY配置一致便能夠?qū)崿F(xiàn)成功連接，形成一條數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線鏈路，且用戶可以不受地點(diǎn)、不受服務(wù)器IP地址的影響隨時(shí)隨地對(duì)用戶自己的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行登錄。所有的配置工作完成后，GPRS設(shè)備通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，完成與上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

通過(guò)GPRS的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸后，數(shù)據(jù)將自動(dòng)存儲(chǔ)到物聯(lián)網(wǎng)公共平臺(tái)Yeelink當(dāng)中，在Yeelink中對(duì)數(shù)據(jù)曲線的繪制記錄，用戶可以在任意有網(wǎng)絡(luò)的地方更方便地對(duì)其查看、分析。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)一款提供免費(fèi)接入數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)Yeelink。Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)用于給普通用戶提供一個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出的網(wǎng)站平臺(tái)，用戶在網(wǎng)站上可以接入采集到的傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)曲線和數(shù)字將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)；同時(shí)在網(wǎng)站上可以通過(guò)按鈕、對(duì)話框等實(shí)現(xiàn)控制指令的下發(fā)，用于遠(yuǎn)程操作設(shè)備。該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)借助于各種通信網(wǎng)絡(luò)，只要能夠接入網(wǎng)絡(luò)，就能夠隨時(shí)隨地的查看我們自己網(wǎng)站上的傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)控制遠(yuǎn)程開關(guān)。本作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)單元配置有GPRS模塊，通過(guò)GPRS模塊借助移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)就可以接入到Y(jié)eelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，然后將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳并在網(wǎng)站上顯示出來(lái)。使用Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)首先需要注冊(cè)個(gè)人賬號(hào)，創(chuàng)建屬于自己的個(gè)人網(wǎng)站，然后添加相應(yīng)的傳感器設(shè)備，獲取唯一的設(shè)備編號(hào)(Api-Key)，這樣使用任意的瀏覽器打開網(wǎng)站就能夠看到傳感器采集到的數(shù)據(jù)了。

主機(jī)單元為了能夠向Yeelink平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)需要在程序中，將主機(jī)單元本身設(shè)置為WEB服務(wù)器，此時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建服務(wù)器對(duì)象，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)通信模塊的IP地址設(shè)置成合適的地址，主要程序如下所示：

#include

#include

Byte Internet_mac [0x7E,0x5D,0xAE,0xEF,0xFF,0x2A]

Server_IPAddress_ip(192.168.1.124)

四、系統(tǒng)調(diào)試

該系統(tǒng)選擇在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試并成功，正常運(yùn)行一定的時(shí)間，并在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)記錄溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。表1為一個(gè)作物生長(zhǎng)柜的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 物生長(zhǎng)柜的部分實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

五、結(jié)論

本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置多個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)，同時(shí)作用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的空氣溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤濕度等參數(shù)，從而達(dá)到通過(guò)各類各類傳感器技術(shù)、GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的方法，建立遠(yuǎn)程的作物環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)公共平臺(tái)，對(duì)參數(shù)繪制曲線圖，以此來(lái)研究作物生長(zhǎng)所處的環(huán)境對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，并建立農(nóng)業(yè)研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的目的。本文將作物生長(zhǎng)環(huán)境的模擬硬件設(shè)計(jì)方面和軟件人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方面結(jié)合起來(lái)，并進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試與試驗(yàn)研究。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，Yeelink平臺(tái)中數(shù)據(jù)繪制的曲線準(zhǔn)確、直觀，為用戶提供了大量數(shù)據(jù)支撐。