基于ZigBee和OneNET云平臺(tái)的智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)

張 萍，胡應(yīng)坤

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510）

0 引 言

我國(guó)雖是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但并非農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，農(nóng)業(yè)信息化水平有待進(jìn)一步提高。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)多為粗放種植，生產(chǎn)效率低下，考慮利用信息化手段對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行改造。文中按照物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建了智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)可對(duì)農(nóng)田進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、精細(xì)管理，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)由四部分組成，即手機(jī)APP，OneNET云平臺(tái)上的虛擬設(shè)備[2]，智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，ZigBee子系統(tǒng)。ZigBee子系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器和終端組成，采用ZigBee無線通信，也可與智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)通過串口通信。智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)流程

數(shù)據(jù)流分為兩類，即采集到的傳感器數(shù)據(jù)（上行數(shù)據(jù)）及用戶通過手機(jī)APP發(fā)出的控制指令（下行數(shù)據(jù)）。智能農(nóng)業(yè)溫控?cái)?shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 智能農(nóng)業(yè)溫控?cái)?shù)據(jù)流程

上行數(shù)據(jù)流：ZigBee采集終端接溫濕度傳感器，采集溫濕度數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信方式發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再經(jīng)OneNET云平臺(tái)發(fā)送給手機(jī)APP，手機(jī)APP展示實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)。

下行數(shù)據(jù)流：手機(jī)APP發(fā)出設(shè)備控制指令，經(jīng)OneNET云平臺(tái)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)通過串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器借助ZigBee無線通信方式將命令發(fā)送至ZigBee控制終端，ZigBee控制終端通過繼電器外接設(shè)備控制設(shè)備運(yùn)行。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 手機(jī)APP

手機(jī)APP以Android Studio作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了登錄、日志、溫濕度顯示、溫濕度控制4個(gè)UI，手機(jī)APP借助EDP協(xié)議與云平臺(tái)通信。手機(jī)APP工作流程如圖3所示。

3.2 OneNET云平臺(tái)上的虛擬設(shè)備

手機(jī)APP、智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用EDP協(xié)議與中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)的物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái)OneNET通信，借助云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP和智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。OneNET云平臺(tái)上虛擬設(shè)備顯示界面如圖4所示。

圖3 手機(jī)APP工作流程

圖4 OneNET云平臺(tái)上虛擬設(shè)備顯示界面

云平臺(tái)上建有2個(gè)虛擬設(shè)備STM32網(wǎng)關(guān)、手機(jī)客戶端，分別對(duì)應(yīng)智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和手機(jī)APP。網(wǎng)關(guān)和手機(jī)APP登錄云平臺(tái)時(shí)，需發(fā)送APIKey和設(shè)備ID[3]至云平臺(tái)。相同的APIKey即表示設(shè)備需要關(guān)聯(lián)到同一個(gè)應(yīng)用，平臺(tái)接收到設(shè)備ID即表示真實(shí)設(shè)備上線。以EDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需在EDP協(xié)議中填入目的設(shè)備ID，云平臺(tái)根據(jù)目的設(shè)備ID轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

3.3 智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)

智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)包括硬件和軟件兩部分。

3.3.1 硬件部分

硬件主要包括五大模塊：無線通信（WiFi）模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、微處理器（主控）模塊、SD卡讀取（存儲(chǔ)）模塊、供電模塊，如圖5所示。

圖5 智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)硬件模塊

微處理器模塊采用STM32F103ZET6作為MCU，其具有64 KB SRAM、512 KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、5個(gè)串口、1個(gè) USB以及112個(gè)通用I/O口等，能滿足現(xiàn)有需求和后續(xù)功能拓展需求。

無線通信模塊采用ALIENTEK推出的高性能UARTWiFi模塊ATK-ESP8266。微處理器模塊只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口配置，即可通過ATK-ESP8266板載的TCP/IP協(xié)議棧傳輸數(shù)據(jù)。

微處理器模塊通過串口外接ZigBee協(xié)調(diào)器，通過SDIO口讀取SD卡數(shù)據(jù)。在ZigBee子系統(tǒng)內(nèi)部，采集終端和控制終端通過協(xié)調(diào)器與微處理器模塊通信。

3.3.2 軟件部分

基于STM32庫(kù)函數(shù)開發(fā)網(wǎng)關(guān)程序，使用中斷和輪詢實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行。程序有3個(gè)串口中斷，功能如下：

（1）串口1是調(diào)試接口，可通過串口1打印調(diào)試信息，在實(shí)際使用時(shí)可關(guān)閉；

（2）串口2連接ZigBee協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)接收采集終端的數(shù)據(jù)及發(fā)送控制信息至控制終端；

（3）串口3連接ATK-ESP8266，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)給云平臺(tái)，并接收云平臺(tái)反饋的信息。

主流程采用輪詢方式，定時(shí)檢查串口2是否有新的溫濕度數(shù)據(jù)，串口3是否有云平臺(tái)發(fā)送的指令，若有新指令則將解析出來的結(jié)果通過串口2發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

SD卡存儲(chǔ)關(guān)鍵配置信息，如設(shè)備ID、目的設(shè)備ID、APIKey、接入熱點(diǎn)名、接入熱點(diǎn)密碼、云服務(wù)器IP地址、云服務(wù)器端口等。

智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)流程如圖6所示。

3.4 ZigBee子系統(tǒng)

ZigBee子系統(tǒng)[4]包含協(xié)調(diào)器、終端和外接模塊。協(xié)調(diào)器和終端的主控芯片為CC2530單片機(jī)，內(nèi)置Z-Stack協(xié)議棧，可實(shí)現(xiàn)ZigBee無線通信。外接模塊包括DHT11溫濕度數(shù)字傳感器和風(fēng)扇控制電路。

協(xié)調(diào)器不但負(fù)責(zé)組建和維護(hù)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還負(fù)責(zé)與外部通信，將采集終端采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至外部，或從外部接收指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制終端。終端使用不同GPIO口外接DHT11溫濕度采集模塊和風(fēng)扇控制電路，具有數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備功能。

文中使用DHT11[5]作為溫濕度傳感器。DHT11是一款能夠采集溫濕度數(shù)據(jù)的數(shù)字傳感器，與單片機(jī)等微處理器進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路連接就能夠?qū)崟r(shí)采集本地濕度和溫度數(shù)據(jù)。DHT11與單片機(jī)之間可采用單總線通信，僅僅需要一個(gè)I/O口即可。采集一次，共產(chǎn)生40 bit的溫濕度數(shù)據(jù)，通過單總線一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。模塊功耗較低，采用5 V電源電壓時(shí)，模塊最大平均工作電流為0.5 mA。終端和DHT11接線如圖7所示。

圖6 智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)流程

圖7 ZigBee終端與DHT11接線圖

采用繼電器控制風(fēng)扇開關(guān)接線如圖8所示，智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)通信流程如圖9所示。

4 通信協(xié)議

智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)中，手機(jī)APP、網(wǎng)關(guān)和OneNET云平臺(tái)通信，底層采用EDP協(xié)議，在EDP數(shù)據(jù)部分使用JSON數(shù)據(jù)格式，在JSON上承載自定義協(xié)議1。網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器之間使用自定義協(xié)議2。在ZigBee子系統(tǒng)內(nèi)部，ZigBee協(xié)議之上承載自定義協(xié)議2。EDP、JSON、ZigBee都是目前使用較為廣泛的協(xié)議或數(shù)據(jù)格式，下面詳細(xì)介紹自定義的兩種協(xié)議。

圖8 利用繼電器控制風(fēng)扇開關(guān)接線圖

圖9 智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)通信流程

4.1 自定義協(xié)義1

自定義協(xié)義1用于終端和云平臺(tái)通信，定義EDP協(xié)議中的消息體格式，主要支持三種功能。

（1）手機(jī)APP登錄內(nèi)容格式如圖10所示。

圖10 手機(jī)APP登錄內(nèi)容格式

（2）手機(jī)APP下發(fā)控制命令格式如圖11所示。

圖11 控制命令內(nèi)容格式

（3）網(wǎng)關(guān)上傳溫濕度數(shù)據(jù)格式如圖12所示。

圖12 溫濕度數(shù)據(jù)格式

4.2 自定義協(xié)義2

自定義協(xié)義2用于網(wǎng)關(guān)和ZigBee子系統(tǒng)內(nèi)部通信。

（1）控制終端的命令，即從網(wǎng)關(guān)→協(xié)調(diào)器→終端。命令格式如圖13所示。

圖13 命令格式

校驗(yàn)（1 B）按字節(jié)進(jìn)行異或操作得到，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生變化。目前功能碼只支持2個(gè)值，后期添加新功能后，可設(shè)定新的功能碼，如圖14所示。

圖14 功能碼

當(dāng)功能碼確定之后，數(shù)據(jù)字段表示具體操作，如功能碼為0x0a，數(shù)字字段1表示關(guān)風(fēng)扇，0表示開風(fēng)扇。

（2）具體某個(gè)終端響應(yīng)，即從終端→協(xié)調(diào)器→網(wǎng)關(guān)，格式如圖15所示。

圖15 終端格式

終端地址即該終端的地址，功能碼與數(shù)據(jù)均來自接收到的命令。比如開啟地址為0001的風(fēng)扇：

命令（協(xié)調(diào)器→終端）為3A 00 01 0A 00 31 23

響應(yīng)（終端→協(xié)調(diào)器）為3A 00 01 0A 00 31 23

（3）查詢傳感器數(shù)據(jù)，即網(wǎng)關(guān)→協(xié)調(diào)器→終端。比如命令為3A 00 FF 01 C4 23，其中3A為起始碼，00FF表示所有傳感器，協(xié)調(diào)器會(huì)將該命令發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，01表示查詢功能，無數(shù)據(jù)字段，C4為校驗(yàn)碼，23為結(jié)束碼。

（4）傳感器數(shù)據(jù)響應(yīng)，終端→協(xié)調(diào)器→網(wǎng)關(guān)。比如數(shù)據(jù)：3A 00 FF 01 1E 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 92 23，其中3A為起始碼，00FF來自收到命令中的地址字段，01為功能碼，表示查詢所有傳感器數(shù)據(jù)，92為校驗(yàn)碼，23為結(jié)束符?？紤]到功能拓展，設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)有一定冗余，16個(gè)字節(jié)表示數(shù)據(jù)來自4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每4個(gè)字節(jié)表示每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)外接4種不同的傳感器，目前只實(shí)現(xiàn)了每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)外接溫濕度傳感器，因此只有1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)是有效的，其他均為0。

5 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

通過智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)串口1輸出調(diào)試信息。采集溫濕度數(shù)據(jù)界面如圖16所示，接收控制命令界面如圖17所示。

圖16 采集溫濕度數(shù)據(jù)界面

圖17 接收控制命令界面

6 結(jié) 語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)構(gòu)建的智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)，可利用手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)作物周邊環(huán)境溫度，遠(yuǎn)程控制降溫設(shè)備（比如風(fēng)扇）的開啟、關(guān)閉。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到后續(xù)功能的拓展，可以外接傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，或外接控制設(shè)備進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，擴(kuò)展性好。