農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換模塊硬件設(shè)計(jì)①

李相博, 莊子堯, 朱世偉, 邱學(xué)華, 華秀萍,*

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；黑龍江 佳木斯 154007;2.新鈳電子(上海)有限公司,上海 200000)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IOT)概念是美國(guó)麻省理工大學(xué)執(zhí)行董事提出來(lái)的，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，與農(nóng)業(yè)技術(shù)不斷契合，逐漸出現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)種植實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、收集，能夠控制農(nóng)業(yè)設(shè)備相應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)，可提高我國(guó)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，使農(nóng)民在種植過(guò)程中，種植更加科學(xué)、合理、有效[1-3]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展。目前以色列在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面表現(xiàn)尤為突出，開(kāi)發(fā)的植物生理及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了12種傳感器，對(duì)植物生長(zhǎng)的狀況、土壤、空氣質(zhì)量、光合作用、蒸騰速度等信息進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，極大地提升了農(nóng)業(yè)種植的信息化水平，提高了農(nóng)業(yè)種植的精準(zhǔn)程度[4-6]。我國(guó)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊功能過(guò)于單一[7-9]。

通過(guò)對(duì)傳輸方式進(jìn)行改進(jìn)，借鑒無(wú)線生物傳感器技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)新型數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了各種農(nóng)業(yè)作物資源和生產(chǎn)信息的本地實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸，并添加抗干擾強(qiáng)的4G天線作為通訊天線，改善了傳輸過(guò)程中信號(hào)的覆蓋問(wèn)題。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)方案通過(guò)集中獨(dú)立的系統(tǒng)環(huán)境，采用獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案，不需要其他控制器配合使用，大大縮短了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)方案開(kāi)發(fā)時(shí)間和硬件資源。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的交互和遠(yuǎn)程獨(dú)立的IO控制。本系統(tǒng)的硬件總規(guī)劃圖如圖1所示，系統(tǒng)采用4G網(wǎng)絡(luò)模組ML302模塊進(jìn)行控制，通過(guò)EP32模組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)會(huì)話功能的同時(shí)，可通過(guò)2路ADC接口搜集采樣數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制主要依靠8路通用IO口控制高低電平的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模塊的控制功能。

圖1 模塊硬件總規(guī)劃圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的方案中主要使用5V電源作為系統(tǒng)的供電電源。4G網(wǎng)絡(luò)模組功耗比較高，在設(shè)計(jì)中采用了硬件喚醒的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，在使用串行數(shù)據(jù)通訊中可以在需要收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候喚醒模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

電源設(shè)計(jì)中采用USB外部供電，其中為了讓電路能穩(wěn)定運(yùn)行，采用了一個(gè)10μF和100μF的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)。其中模組的主要工作電壓是3.3V，為了給模組環(huán)境提供穩(wěn)定的3.3V電源，方案中采用了AMS117-3.3V的穩(wěn)壓降壓芯片來(lái)為電路提供穩(wěn)定的3.3V電源。模塊電源電路圖如圖2所示。

圖2 模塊電源電路設(shè)計(jì)

為了給模塊燒錄程序和進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，電路中采用了CH340C芯片作為USB轉(zhuǎn)串口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊與電腦之間的數(shù)據(jù)通訊和調(diào)試接口監(jiān)控。串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

3 模塊硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案中采用了ESP32芯片作為系統(tǒng)的主控模組。該模組具有低廉的價(jià)格，有豐富的外部中斷接口和其他IO接口資源。擁有240MHz的工作頻率。能快速的驅(qū)動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)模組和作出相應(yīng)的響應(yīng)，并且ESP32模組有較大的緩存，在串口通訊中，能一次性發(fā)送大量的數(shù)據(jù)的同時(shí)還能兼容快速讀取到串口緩存中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)方案中采用了串口和4G網(wǎng)絡(luò)模組進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和外部會(huì)話。因此需要兩組串口作為數(shù)據(jù)交互接口。ESP32的128Mb的緩存空間，能夠?qū)崿F(xiàn)兩組數(shù)據(jù)接口的同級(jí)數(shù)據(jù)緩存。主控模塊組電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 主控模塊組電路設(shè)計(jì)

4G網(wǎng)絡(luò)模組采用中國(guó)移動(dòng)出品的ML302物聯(lián)網(wǎng)模組作為通訊模組，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。該模組采用ARM核心和移動(dòng)設(shè)備專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)芯片作為主要的控制芯片，具有較高的網(wǎng)絡(luò)實(shí)用性和多元化的外部資源，是目前主要的移動(dòng)類(lèi)4G網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)模組。

圖5 ML302通訊模塊

4G網(wǎng)絡(luò)模組采用中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊，在使用中需要使用移動(dòng)數(shù)據(jù)作為設(shè)備通訊的渠道，這里采用卡扣設(shè)計(jì)。讓設(shè)備可以使用中國(guó)移動(dòng)類(lèi)的物理網(wǎng)卡和移動(dòng)4G卡。SIM卡座電路圖如圖6所示。

圖6 4G網(wǎng)絡(luò)模組SIM卡座設(shè)計(jì)

由于4G網(wǎng)絡(luò)模組的外部資源參考電平是1.8V，外部模組常規(guī)參考電平都是3.3V，為了保證模組之間的正常通訊，需要在串行數(shù)據(jù)接口之間增加電平轉(zhuǎn)換芯片如圖7所示，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖7 4G網(wǎng)絡(luò)模組串口電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

4G網(wǎng)絡(luò)模組作為主要的通訊模組，在設(shè)計(jì)中需要添加抗干擾強(qiáng)的4G天線作為通訊天線，電路圖如圖8所示。這里采用了外置天線座的方式來(lái)作為天線接口，方便在使用中添加不同的天線。

圖8 4G網(wǎng)絡(luò)模組天線設(shè)計(jì)

4G網(wǎng)絡(luò)模組在工作中使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，為了顯示模組工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，電路中設(shè)計(jì)了兩個(gè)LED燈作為電路的指示燈，如圖9所示。

圖9 4G網(wǎng)絡(luò)模組狀態(tài)指示電路

4 硬件PCB設(shè)計(jì)

為了提高物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性，方案采用了集成PCB電路設(shè)計(jì)。板卡主要集成了ESP32主控和一些常用的可插拔的接口和天線。為了增加頻域和射頻準(zhǔn)確性，需要穩(wěn)定的天線電路，在板卡設(shè)計(jì)中，采用了π型電路設(shè)計(jì)，在保證質(zhì)量的同時(shí)能最大限度的保證頻射廣域角度。

板卡設(shè)計(jì)的正面集成了易于操作的SIM卡接口和串行接口選擇撥碼開(kāi)關(guān)，主要用來(lái)選擇板卡的串行輸出信號(hào)。此外還需要通過(guò)串行轉(zhuǎn)換芯片，將USB轉(zhuǎn)換為URAT信號(hào)，為主控模組系統(tǒng)的燒錄和調(diào)試接口。將麥克風(fēng)、插針和狀態(tài)指示燈設(shè)計(jì)在前端，方便代碼調(diào)試的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)方案的驗(yàn)證和檢查網(wǎng)絡(luò)狀況。PCB板正面設(shè)計(jì)仿真圖如圖10所示。

圖10 電路板正面仿真圖

電路板的背面主要集成了4G網(wǎng)絡(luò)模組和電平轉(zhuǎn)換芯片。為了良好的散熱性能和獨(dú)立的工作環(huán)境，板卡4G模組的周?chē)鷽](méi)有放置其他器件。通過(guò)貼片機(jī)焊接后能穩(wěn)定的運(yùn)行和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)仿真圖如圖11所示。

圖11 電路板背面仿真圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

在硬件方案設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行硬件電路焊接試驗(yàn)，成品圖如圖12所示。

圖12 硬件電路焊接成品圖

在板卡實(shí)驗(yàn)中，主要通過(guò)AT指令實(shí)現(xiàn)板卡的調(diào)試和功能驗(yàn)證。由于板卡帶有通訊接口轉(zhuǎn)換撥碼開(kāi)關(guān)，可以實(shí)時(shí)切換到調(diào)試接口和對(duì)4G模組的AT指令控制接口。在通過(guò)中國(guó)移動(dòng)提供的模組調(diào)試軟件進(jìn)行指令調(diào)試，可以在指令調(diào)試助手中，先實(shí)現(xiàn)指令控制后再通過(guò)ESP32模組對(duì)4G模組進(jìn)行指令控制。串口指令調(diào)試圖如圖13所示。

圖13 串口指令調(diào)試圖

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的改進(jìn)，在采用TCP協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換模塊，采用4G模組提升了信息的傳輸速度，采用移動(dòng)通訊卡作為傳輸載體，改善了傳輸過(guò)程中信號(hào)的覆蓋問(wèn)題，對(duì)于不同距離傳感器，均能憑借移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。提高了數(shù)據(jù)的傳輸能力，減少各種影響因素對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)的影響，改進(jìn)了傳輸?shù)男阅堋?/p>

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)方案通過(guò)集中獨(dú)立的系統(tǒng)環(huán)境，采用獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案，不需要其他控制器配合使用，大大縮短了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)方案開(kāi)發(fā)時(shí)間和硬件資源，是一種便捷高效的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案。對(duì)實(shí)現(xiàn)小型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸和遠(yuǎn)程控制具有重大意義。