基于ZigBee的分布式農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

劉飛飛, 徐隆姬, 馬禮然

(江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,江西 贛州 341000)

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)越來越精準(zhǔn)化,對農(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境的要求越來越嚴(yán)格才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。其中溫濕度、光照強度和空氣中CO2含量是影響農(nóng)作物生長的主要因素,對這些因素進(jìn)行定量實時監(jiān)測具有重要意義,由于農(nóng)業(yè)的分布區(qū)域廣泛,如何把各個區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和集中監(jiān)測是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個研究熱點。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測靠人工用精密工具現(xiàn)場測量記錄,也有的采用布線式或無線的傳感器采集后將數(shù)據(jù)發(fā)送到專門制作好的監(jiān)測界面的上位機或者購買專門的服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)等[1～7],這些方案在成本和工作效率上都還有很大的改進(jìn)空間。

本文設(shè)計出一種通過中國移動發(fā)布的開放OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺[8,9]結(jié)合ZigBee自由組網(wǎng)和4 G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)環(huán)境的數(shù)據(jù)的實時采集和監(jiān)測系統(tǒng),相比較以往的監(jiān)測系統(tǒng)更加高效、節(jié)能、成本低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文采用星形結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測系統(tǒng)主要由ZigBee采集終端傳感節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、4 G網(wǎng)絡(luò)模塊等部分組成。采集的主要數(shù)據(jù)是土壤的濕度、空氣中CO2濃度、區(qū)域的光照強度和溫度。通過安放在農(nóng)業(yè)區(qū)域的各個位置的無線采集終端傳感節(jié)點將采集到信息傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過與4 G模塊進(jìn)行串口通信,再將數(shù)據(jù)通過4 G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中國移動OneNet云平臺數(shù)據(jù)服務(wù)器,用戶使用連接網(wǎng)絡(luò)的PC上位機或者移動終端登陸OneNet管理平臺就可以觀察到現(xiàn)場反饋回來的實時和歷史數(shù)據(jù)。ZigBee的組網(wǎng)有三種結(jié)構(gòu)分別是星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)型。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 采集終端和協(xié)調(diào)器電路

目前市場出現(xiàn)很多ZigBee芯片,但是TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片因其性價比高、通信組網(wǎng)能力強、功耗低等優(yōu)點被廣泛使用。該芯片內(nèi)核為8位的8051并內(nèi)置射頻模塊,具備2個USART通信口、21個通用I/O引腳、P0端口可設(shè)置為單端或者差分輸入的8個ADC通道,轉(zhuǎn)換精度可達(dá)12位、8 kB的SRAM和256 kB的ROM,滿足對現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理的速度要求和數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)送。采集終端和協(xié)調(diào)器主板相同,為了滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸和采集設(shè)計如圖2所示的最小系統(tǒng)主板硬件電路。

圖2 最小系統(tǒng)主板電路

2.2 采集終端傳感器

本文選用具有I2C和模擬量輸出端口的傳感器進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。傳感器型號具體參數(shù)如表1所示。CC2530內(nèi)部自帶有A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換精度最高12位。模擬量使用單端電壓輸入模式,并且模擬量輸入只能是P0端口。由CC2530采集終端將傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換和存儲。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

2.3 電源模塊

為了保證農(nóng)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的硬件系統(tǒng)能夠正常長時間工作,本文選用12 V的18節(jié)直流鋰電池模組,配置供電模塊,其容量為16 800 mAn,最大輸出電流為20 A,可重復(fù)充電使用。為了提供給采集終端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、4 G模塊供電還需設(shè)計如圖3，圖4所示的電壓轉(zhuǎn)換電路對設(shè)備提供3.3 V和5 V供電。

圖3 12 V轉(zhuǎn)5 V電路

圖4 12 V轉(zhuǎn)3.3 V電路

2.4 4 G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

使用4 G網(wǎng)絡(luò)模塊相比于傳統(tǒng)GPRS網(wǎng)絡(luò)在速度上更快、信息發(fā)送量大能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的精確度且通信費用低。本文使用4 G模塊型號為ZSD3410,主要由STM32單片機與SIM7600 LTE模組構(gòu)成,預(yù)留多種串口方便與外部通信。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

整個軟件設(shè)計分為ZigBee模組和4 G模塊兩部分,分別在IAR和Keil uVision5 軟件平臺使用C語言編寫開發(fā)。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā),是監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要部分。

協(xié)調(diào)器上電以后,程序首次初始化CC2530硬件模塊,然后掃描信道,之后會檢查是否建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功。成功以后進(jìn)入無線監(jiān)控模式,當(dāng)有終端節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)成功,便會自動分配唯一16位網(wǎng)絡(luò)地址,并將終端節(jié)點的地址和更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。協(xié)調(diào)器將從終端節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)通過串口函數(shù)傳遞給4 G模塊。

3.2 采集終端節(jié)點軟件設(shè)計

本文采集終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)是通過采集節(jié)點發(fā)起關(guān)聯(lián)信號加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)上電初始化CC2530模塊便開始信道掃描,檢查協(xié)調(diào)器的存在,檢測到協(xié)調(diào)器之后再發(fā)送關(guān)聯(lián)請求,等待確認(rèn)幀和分配到的網(wǎng)絡(luò)短地址,包含新連接和連接狀態(tài)的響應(yīng)命令,至此子節(jié)點和協(xié)調(diào)器便成功連接可進(jìn)行通信。連接網(wǎng)絡(luò)成功之后CC2530進(jìn)行休眠低功耗模式,通過定時器中斷的方式處理采集傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲然后發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

3.3 4 G模塊程序的設(shè)計

使用OneNet云平臺需要進(jìn)行登陸注冊、新建項目、新增設(shè)備、新增數(shù)據(jù)流、幾個步驟。在云項目創(chuàng)建中會生成設(shè)備ID、產(chǎn)品ID、接入密匙、鑒權(quán)信息。OneNet支持的接入的協(xié)議很多,如HTTP、增強設(shè)備協(xié)議(enhanced device protocol,EDP)、消息隊列遙測傳輸(message queuing telemetry transport,MQTT)協(xié)議等。選用MQTT協(xié)議,因MQTT協(xié)議的特點是輕量級、開放性強、通信高、代碼少。

模塊上電以后系統(tǒng)硬件初始化首先檢測SIM卡是否存在,然后申請加入4 G網(wǎng)絡(luò),入網(wǎng)成功以后,按照MQTT協(xié)議封裝好的創(chuàng)建項目生成相關(guān)數(shù)據(jù)如IP地址和端口號等請求包登陸OneNet服務(wù)器,成功登陸以后即可發(fā)送串口寄存器數(shù)據(jù),每次發(fā)送完成數(shù)據(jù)之后云平臺返回確認(rèn)包,否則系統(tǒng)報錯。

4 系統(tǒng)測試與分析

為了驗證本系統(tǒng)的有效性,將制作好的硬件模塊放在相距在200 m左右的兩個蔬菜大棚之內(nèi)。系統(tǒng)上電之后,通過PC客戶端登陸云平臺項目創(chuàng)建時生成的http鏈接地址訪問中國移動云平臺,可以清楚的看到如圖5所示的監(jiān)測界面,上面顯示實時大棚內(nèi)部的溫度、CO2濃度、土壤濕度、還有光照強度信息。

圖5 環(huán)境監(jiān)測界面

為了方便用戶查看關(guān)于環(huán)境監(jiān)測日志,OneNet還提供歷史數(shù)據(jù)記錄和導(dǎo)出功能,導(dǎo)出部分環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)CO2濃度和溫度如表2所示。

表2 CO2與溫度數(shù)據(jù)表

通過人工對現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比,誤差僅在5 %以內(nèi),滿足對監(jiān)測精度的要求。系統(tǒng)設(shè)計的部分硬件實物如圖6所示。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)ZigBee采集終端

5 結(jié)束語

本文通過設(shè)計ZigBee現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器結(jié)合4 G模塊,利用中國移動免費的OneNet云物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)了分布式農(nóng)業(yè)環(huán)境的高效、精確的采集,為農(nóng)業(yè)監(jiān)測提供可靠有力的技術(shù)方案,與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測方案相比更加靈活和高性價比,具有相當(dāng)?shù)慕梃b和使用價值前景,是中國制造2025具體表現(xiàn)。