一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信控制器的設(shè)計

孟成偉 李湘球 彭君 王小風(fēng)

摘 要：本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信控制器。選用以無線通信ZigBee技術(shù)的CC2530芯片作為控制器的主控芯片，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上對控制的特殊要求，從軟硬件進行了詳細的設(shè)計和說明。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng);無線通信;控制器;ZigBee;分布式控制

一、概述

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有大量設(shè)備需要控制，如：卷膜器、風(fēng)機、水泵和遮陽棚等等。這些設(shè)備數(shù)量多價格低廉且傳輸信息的數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高。針對這一特點設(shè)計了一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器，可與網(wǎng)關(guān)一起組成一個分布式控制的系統(tǒng)，以低成本高可靠性滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。

二、通信技術(shù)及主控芯片的選擇

（一）通信技術(shù)的選擇

ZigBee技術(shù)具有自組織、低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多等特點，可以充分地在應(yīng)用在大面積農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)當中。ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以支持65535個節(jié)點，具體應(yīng)用節(jié)點數(shù)視溫室面積而定，每個節(jié)點之間通信距離最大可以達到100m。同時250kbps的傳輸速率完全可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰＾r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率要求較低，傳輸距離不大，并且對低成本、低功耗有一定要求，所以采用ZigBee技術(shù)方案是一個很好的選擇。

（二）主控芯片的選擇

CC2530是TI公司最新推出的新一代ZigBee標準芯片。該芯片體積小巧，采用6mm×6mm的QFN40封裝，內(nèi)部集成了存儲、加密、無線收發(fā)等多種功能，性能非?？煽俊５轮輧x器業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）配備使用CC2530，解決了傳統(tǒng)無線模塊容易丟數(shù)據(jù)或模塊數(shù)量多時容易受到干擾等問題，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。CC2530芯片總成本低，能夠建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其內(nèi)部集成了工業(yè)標準增強型8051微控制器內(nèi)核，具有8KBRAM，256KB可編程閃存。該芯片無線射頻工作在2.4GHz頻段，接收靈敏度高，抗干擾性能強。其外圍接口能夠滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器的要求。

采用ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器以CC2530作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器的主控芯片，可以簡化無線組網(wǎng)設(shè)計，其自組網(wǎng)功能可以滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)分布式控制的要求。

三、控制器主控芯片應(yīng)用電路設(shè)計

（一）CC2530電路設(shè)計

CC2530芯片共有40個引腳，其中包括了電源接口、晶振接口、I/O接口和RF射頻接口等。CC2530總共有21個通用I/O端口，其中有些端口還可以作為特殊用途，用來連接其他的外設(shè)。CC2530芯片的應(yīng)用電路比較簡單，只需要少數(shù)的外接元件即可實現(xiàn)。

1.雖然CC2530內(nèi)部集成了一個16MHz的RC震蕩電路，用來給芯片正常工作時提供時鐘，但RF射頻模塊必須工作在32MHz的頻率，所以要使用CC2530的無線射頻功能，就必須在電路中設(shè)計一個32MHz的晶振。

2.看門狗時鐘獨立于系統(tǒng)時鐘，可以防止系統(tǒng)出錯;睡眠時鐘獨立于系統(tǒng)時鐘，可以在芯片休眠時起作用。

3.系統(tǒng)復(fù)位電路采用上電復(fù)位的方式，將該引腳與3.3V電源直接相連，中間加一個10k的電阻，從而實現(xiàn)芯片的上電復(fù)位。

（二）CC2591功率放大電路

CC2530芯片本身的發(fā)射功率很小，且接收靈敏度也固定在某一水平，限制了該芯片無線射頻通信距離。為了加大發(fā)射功率，延長通訊距離，系統(tǒng)在CC2530射頻發(fā)射前端增加了一個CC2591功率放大器。CC2591是德州儀器（TI）公司為了提高CC2500系列芯片的射頻功能而專門開發(fā)生產(chǎn)的一塊高性價比、低成本的RF收發(fā)器，工作在2.4GHz頻段，可以與CC2530芯片實現(xiàn)無縫對接。CC2591通過功率放大器提供較高的發(fā)射功率，通過噪聲放大器提高接收機的靈敏度，再借助外接棒狀電線的作用，從而可以提高系統(tǒng)的通訊質(zhì)量，延長通信距離。同CC2530芯片一樣，CC2591也是高度集成的芯片，因此可用極少的外接元件實現(xiàn)高性價比的功率輸出。

在實驗條件下，設(shè)備間通信距離5m，對不同的發(fā)射電路信號強度進行測試，可以看出，使用CC2591和外接天線后信號強度明顯提高，從而可以提高節(jié)點間通信質(zhì)量，延長節(jié)點間通信距離。

四、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器的設(shè)計

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制器以CC2530芯片為主控芯片，利用CC2530控制與之相連的設(shè)備打開或關(guān)閉，同時參與系統(tǒng)組網(wǎng)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與邊緣網(wǎng)關(guān)進行通信?？刂破麟娐钒迳显O(shè)計了一個六位的撥碼開關(guān)，其編址為000000bit-111111bit，用撥碼開關(guān)的編址來區(qū)分溫室大棚內(nèi)不同的控制器，所以系統(tǒng)最多可以安裝64個控制器，滿足了不同面積大棚的需求。

（一）控制電路設(shè)計

控制器電路中設(shè)計了四路光耦輸出電路，配合繼電器輸出電路使用，用繼電器的開關(guān)狀態(tài)就可以控制溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的打開和關(guān)閉。

對于溫室大棚內(nèi)無正反轉(zhuǎn)、只有開關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備（如滴灌、風(fēng)機、水泵等），每路光耦輸出通道可以控制一路這類設(shè)備，當繼電器觸點與24V相連時，設(shè)備打開，當繼電器觸點與GND相連時，設(shè)備關(guān)閉。所以一個控制器可以控制四路這類設(shè)備。實際中這些設(shè)備一般都使用220V交流電機或380V三相電機，光耦繼電器輸出電路輸出電壓只有24V，則需要在電路中另加一個交流接觸器。

對于溫室大棚內(nèi)需要正反轉(zhuǎn)控制的設(shè)備，則采用兩路光耦輸出通道（例如編號為1，2）控制一個設(shè)備。當1號觸點與24V相連且2號觸點與GND相連時，電機正轉(zhuǎn)。反之，電機反轉(zhuǎn)。當1、2兩個觸點均與GND相連時，電機停止。以溫室大棚內(nèi)卷膜控制為例，系統(tǒng)卷膜電機額定電壓24V，可以直接用該光耦繼電器輸出電路進行控制。

（二）控制器軟件設(shè)計

以溫室大棚內(nèi)卷膜的控制為例進行控制器軟件說明。系統(tǒng)使用的卷膜電機供電電壓為24V，低于人體安全電壓，在滿足正常應(yīng)用需求的情況下更能保證人畜的安全，使系統(tǒng)更具有安全性。電機正常工作電流3.2A，額定功率76W。卷膜在溫室大棚內(nèi)的使用頻率非常高，正常情況下幾乎每天都要對其進行操作，早上將卷膜全部打開進行散熱，晚上將卷膜全部關(guān)閉進行保溫，以維持溫室大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長所需的正常溫度。若規(guī)定卷膜打開時卷膜電機為正轉(zhuǎn)狀態(tài)，則卷膜關(guān)閉時卷膜電機即為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。以一個八聯(lián)體的現(xiàn)代化溫室大棚為例，其中共有14個頂部卷膜，根據(jù)前述一個控制器可以控制兩路帶正反轉(zhuǎn)狀態(tài)的設(shè)備，系統(tǒng)總共需要安裝7個控制器，每個控制器控制兩個卷膜電機。溫室大棚管理人員早上將卷膜全部打開，晚上將卷膜全部關(guān)閉，有時則根據(jù)具體的天氣情況只對其中特定的幾個卷膜進行打開或關(guān)閉操作。

系統(tǒng)為了滿足用戶需求，規(guī)定了卷膜控制規(guī)則：單個控制和批量控制，然后依據(jù)此規(guī)則規(guī)定了通信協(xié)議，具體說明如下：

1.單個控制指令只對溫室大棚內(nèi)指定的卷膜進行操作，用戶根據(jù)需要，只對其中的一個或幾個卷膜進行控制。對于單個控制指令，系統(tǒng)規(guī)定命令0表示卷膜關(guān)閉，命令1表示卷膜打開。當控制器收到此類命令時，會立即執(zhí)行相應(yīng)的操作，將與之相連的卷膜打開或關(guān)閉。若卷膜正在打開的過程中收到了關(guān)閉的命令時，控制器不能立即控制卷膜電機進行反轉(zhuǎn)操作，應(yīng)該先讓卷膜電機停下來，等待3秒鐘使電機線圈內(nèi)的電流完全被消耗掉，然后再執(zhí)行反轉(zhuǎn)操作，防止燒壞電機。反之，卷膜正在關(guān)閉的過程中收到了打開的命令，也應(yīng)該這樣。

2.批量控制指令對溫室大棚內(nèi)全部卷膜進行操作，實際應(yīng)用中最常用的也是這類操作。對于批量控制指令，系統(tǒng)規(guī)定命令2表示全部卷膜關(guān)閉，命令3表示全部卷膜打開。由于系統(tǒng)采用24V電源統(tǒng)一供電，若系統(tǒng)中14個電機同時工作，瞬間電流會超出系統(tǒng)電源的輸出能力，從而燒壞電源。為了避免這種情況保護電源，我們規(guī)定當控制器收到批量控制的命令時，不能立即同時控制所有14個卷膜執(zhí)行相應(yīng)的操作，而是采用延時執(zhí)行的方案。每個控制器根據(jù)自己的撥碼編址，以25s為間隔，確定延時的時間。第一個控制器的第一個卷膜延時0s，第一個控制器的第二個卷膜延時25s，第二個控制器的第一個卷膜延時50s，第二個控制器的第一個卷膜延時75s……，以此類推。由于每個卷膜從完全打開到完全關(guān)閉的整個過程中大約需要3min時間，所以當?shù)?個卷膜電機開始工作時，第一個卷膜電機已到達最大行程開關(guān)而停止，從而保證系統(tǒng)最多只有8個卷膜電機同時工作。此時，系統(tǒng)電源的輸出能力完全可以滿足要求，在滿足系統(tǒng)控制要求的同時保護了系統(tǒng)的工作電源。同樣，當控制器收到與上一條控制指令相反的命令時，也要先控制電機停止轉(zhuǎn)動，3s后再執(zhí)行相反的操作，從而保護卷膜電機。

對于溫室大棚內(nèi)無正反轉(zhuǎn)、只有開關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備（如滴灌、風(fēng)機、水泵等），系統(tǒng)規(guī)定，命令0表示設(shè)備打開，命令1表示設(shè)備關(guān)閉。控制節(jié)點收到該類命令時，不需要等待延時，直接執(zhí)行相應(yīng)的操作，控制設(shè)備打開或關(guān)閉。

（三）控制器手動/自動切換功能

與控制器相連接的設(shè)備通過接收邊緣網(wǎng)關(guān)下發(fā)的控制指令而工作，邊緣網(wǎng)關(guān)在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。這樣的設(shè)計有一個弊端，就是當邊緣網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障無法正常工作時，無法對整個系統(tǒng)進行控制，因而無法調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境，這對于整個溫室大棚系統(tǒng)將會造成很大的影響。為了使系統(tǒng)更加具有靈活性，在邊緣網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障的時候能夠暫時地采用應(yīng)急預(yù)案維持系統(tǒng)正常運行，降低由此而帶來的影響和經(jīng)濟損失，在每個控制器上設(shè)計了一套手自動操作切換按鈕。設(shè)計原理如圖

該設(shè)計采用一個兩檔開關(guān)來決定設(shè)備的控制狀態(tài)是處于手動狀態(tài)還是自動狀態(tài)。設(shè)備的電源負端已經(jīng)與供電電源負端相連，供電電源正端則與一個兩檔開關(guān)公共端相接，當兩檔開關(guān)公共端打到1位時，規(guī)定為手動狀態(tài)，此時設(shè)備只能通過旁路的一個按鈕開關(guān)來進行控制，設(shè)備的打開或關(guān)閉需要現(xiàn)場手動操作該按鈕開關(guān);當兩檔開關(guān)打到2位時，規(guī)定為自動狀態(tài)，此時設(shè)備的電源正端與控制節(jié)點相連，利用控制節(jié)點來控制設(shè)備的打開或關(guān)閉。正常情況下兩檔開關(guān)打到自動狀態(tài)，控制節(jié)點通過接收邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)送的指令控制設(shè)備。當邊緣網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障暫時無法進行操控時，則將兩檔開關(guān)撥到手動狀態(tài)，然后再操作旁邊的摁鈕開關(guān)使設(shè)備正常工作。該設(shè)計作為一個應(yīng)急預(yù)案，保證了溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境的穩(wěn)定，使系統(tǒng)更加具有適用性。

五、結(jié)束語

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信控制器以CC2530芯片為核心，采用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)大棚的卷膜器、遮陽棚、通風(fēng)機、水泵等設(shè)備的分布式控制。在實際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，基本滿足了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。該控制器具有自動和手動控制切換，提高了農(nóng)業(yè)大棚設(shè)備的可控性，保證了控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

參考文獻：

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基金項目：江西省重點研發(fā)計劃（20181ACF60026）和江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（JXARS-06）。