基于ZigBee的智慧農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

馬 凱

鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

0 引言

ZigBee技術(shù)是基于小型無線網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的一種新興的無線通信技術(shù)。憑借低功耗、低成本、易操作、低速率等特點，很適宜在農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控領(lǐng)域使用。利用ZigBee控制節(jié)點來控制溫室大棚內(nèi)設(shè)備的開關(guān)，協(xié)調(diào)控制溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)作物的生長提供最佳的溫度、濕度、光照、通風(fēng)和水分等條件，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)溫室大棚中的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制，從而充分滿足農(nóng)業(yè)信息化的要求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

信息技術(shù)被引入和應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)行業(yè)，主要作用是對農(nóng)作物的成長環(huán)境進(jìn)行持續(xù)化、實時化、動態(tài)化監(jiān)測。若監(jiān)測到某參數(shù)異常，或者發(fā)現(xiàn)不適合農(nóng)作物正常成長的因素，管理人員可下達(dá)調(diào)控指令，啟動或者關(guān)停相關(guān)環(huán)境調(diào)控裝置，保證當(dāng)前參數(shù)在允許范圍內(nèi)，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上獲得可觀的收益，同時，推動農(nóng)業(yè)逐步朝著現(xiàn)代化、信息化、自動化方向發(fā)展。

本次設(shè)計的智慧農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)共分為傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其架構(gòu)如圖1所示。其中，傳感層的核心作用是全面、快速地提取并處理信息；網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是將接收到的數(shù)據(jù)信息便捷、高效地傳輸至服務(wù)層，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和質(zhì)量；應(yīng)用層的主要功能是將各相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有效對接及深入融合，共同完成對特定信息的提取、處理及保存，由此構(gòu)建能夠為業(yè)務(wù)的正常運行提供積極支持的數(shù)據(jù)庫。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

2.1 采集器設(shè)計

采集器將CC2530芯片作為主控芯片，在組網(wǎng)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、RS485總線實現(xiàn)和邊緣網(wǎng)關(guān)的持續(xù)化、穩(wěn)定化通信。采集器電路板配備了一個撥碼開關(guān)，其編址為00000bit-11111bit，通過編址實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)各類采集器的精準(zhǔn)化、高效化定位。該系統(tǒng)可以配備32個采集器，有助于實現(xiàn)對棚內(nèi)各類參數(shù)信息的全面采集。

采集電路設(shè)計如圖2所示，其中，1腳與大地相連接，由3個壓敏電阻共同構(gòu)成一個合理、有效的防雷模塊，在電源遭受雷擊的情況下，將電流經(jīng)1腳快速導(dǎo)向大地；電源輸入電路中引入單向二極管，主要功能是避免電源正負(fù)反接并導(dǎo)致電路受損；安全規(guī)范地配置自恢復(fù)保險絲，如果短路，可自動、快速地切斷電路。以上設(shè)計有助于采集電路安全、穩(wěn)定地運行，避免受到各種因素的不利影響。4腳為24 V電壓輸出，主要功能是為土壤水分傳感器保持正常、穩(wěn)定的運行提供持續(xù)的電能；5腳為3.3 V電壓輸出，與LM2595-3.3電路相連接，主要功能是為主控芯片CC2530及其他相關(guān)傳感器提供持續(xù)電能。

圖2 采集電路設(shè)計

大部分傳感器數(shù)據(jù)讀取接口均利用I2C總線或是標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流進(jìn)行輸出，在電路設(shè)計過程中，已設(shè)想提供適用于各類傳感器的接口形式。6腳連接P1.0管腳，可將其視為I2C總線通信的時鐘線SCK，支持若干個傳感器共用一個SCK，既有助于減少芯片資源的投入，又便于電路板合理布線。7、8、9、10這4路引腳不僅能用作I2C總線通信的數(shù)據(jù)線DATA，也能夠用于4～20 mA電流輸入的信號接口。比如7腳，在使用過程中，如果不焊接電阻R16電容C15，那么可將其定義為I2C總線的DATA線，也能夠通過R3、R15決定有無必要上拉電阻；如果不焊電阻R3，那么50 Ω的電阻R16會將4～20 mA電流信號快速、高效地轉(zhuǎn)變?yōu)?.2～1.0 V的電壓信號，其中，管腳P0.4將實時、精準(zhǔn)地采集此信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換處理后，準(zhǔn)確、快速地讀取數(shù)據(jù)。由此，一個采集器可以連接4類傳感器，并且根據(jù)其接口的具體形式自動匹配合適的電路，實現(xiàn)對溫室大棚各類參數(shù)的實時監(jiān)測、快速糾正等。

采集器的運行機制如圖3所示。在接通電源后，第一步，啟動并初始化系統(tǒng)，連接網(wǎng)絡(luò)；第二步，通過時序的當(dāng)前具體值，靈活、準(zhǔn)確地讀取相關(guān)傳感器，確保其監(jiān)測到的數(shù)值實時、精準(zhǔn)、快速地更新。在獲得邊緣網(wǎng)關(guān)的查詢指令時，將接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)快速傳輸至邊緣網(wǎng)關(guān)。查詢指令不僅可以利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速、有效的傳輸，也能夠利用RS485總線進(jìn)行傳遞，采集器在運行過程中能夠自動調(diào)用合適的通道，將獲取到的各種最新數(shù)據(jù)實時、精準(zhǔn)地發(fā)送至邊緣網(wǎng)關(guān)。

圖3 采集器工作流程

2.2 控制器設(shè)計

控制器電路設(shè)計了4路光耦輸出電路，與繼電器輸出電路相連接，共同發(fā)揮作用，可通過調(diào)整繼電器開關(guān)狀態(tài)完成對大棚內(nèi)各類設(shè)備的啟動與關(guān)停，具體如圖4所示。

圖4 控制電路設(shè)計

為增強系統(tǒng)的實用性和可控性，其控制電路設(shè)計需根據(jù)實際應(yīng)用情況科學(xué)、合理地確定卷膜控制規(guī)則，其支持兩種不同的控制模式：精準(zhǔn)的單個控制模式和高效的批量控制模式。軟件控制流程如圖5所示。

圖5 控制器工作流程

（1）單個控制指令，只對溫室大棚內(nèi)指定的卷膜進(jìn)行操作，用戶根據(jù)需要，只對其中的一個或幾個卷膜進(jìn)行控制。在此模式下，系統(tǒng)明確指出，通過定命令0令卷膜保持關(guān)閉狀態(tài)，命令1令其處于打開狀態(tài)。在控制器感應(yīng)到此指令后，會馬上進(jìn)行針對性處理，即根據(jù)感應(yīng)得到的指令運行和關(guān)停卷膜。若在開啟卷膜時感應(yīng)了關(guān)停的指令，控制器就無法有效接收指令，當(dāng)前處理進(jìn)程就會被中斷，并且與其連接的卷膜狀態(tài)會被實時調(diào)整。若在開啟卷膜時感應(yīng)了關(guān)停的指令，控制器無法馬上控制其反轉(zhuǎn)。先調(diào)控卷膜電機暫時中止運行，待數(shù)秒后，即電線圈中的電流為0時，進(jìn)入反轉(zhuǎn)處理環(huán)節(jié)，避免電機受到損害；反之亦然。

（2）批量控制指令，是應(yīng)用比較廣泛的一種操控手段。此模式下的控制指令非常多，其中，指令2是代表所有卷膜處于關(guān)閉狀態(tài)，指令3是代表每個卷膜都需保持打開狀態(tài)。本系統(tǒng)連接24 V電源，電能比較小，若14個電機同步運行，勢必會產(chǎn)生巨大的瞬間電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過系統(tǒng)電能，導(dǎo)致電源受損。因此，為保證電源安全、穩(wěn)定地運行，設(shè)定了如下原則：如果控制器在運行過程中同時接收了大量的控制指令，不可讓所有卷膜馬上響應(yīng)執(zhí)行，而是采取延時執(zhí)行策略。所有控制器均有特定的撥碼編址，可以此為基準(zhǔn)，設(shè)置間隔為25 s，由此實現(xiàn)不同卷膜在不同時間節(jié)點的精準(zhǔn)、有序響應(yīng)。整個過程耗時3 min左右，在第9個卷膜電機進(jìn)入運行狀態(tài)時，首個卷膜電機已處于關(guān)閉狀態(tài)，由此確保系統(tǒng)運行過程中至多有8個卷膜同步執(zhí)行。在此情況下，電源輸出滿足實際應(yīng)用需求，并且不會受到損害。縱然控制器接收到的指令與前一條截然不同，亦需要先令電機終止運行，待3 s后響應(yīng)新指令，以保證卷膜電機處于良好的運行狀態(tài)。

2.3 邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)計

邊緣網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的重要構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)為兩種協(xié)議的不同網(wǎng)絡(luò)提供安全、規(guī)范的接口，扮演“網(wǎng)絡(luò)翻譯器”的角色。在本設(shè)計中，現(xiàn)場采集器、控制器通過ZigBee協(xié)議實現(xiàn)了與RS485總線的穩(wěn)定、有效通信。由于上位機客戶端為網(wǎng)絡(luò)通信，兩種不同的網(wǎng)絡(luò)之間不可直接對接，此時，邊緣網(wǎng)關(guān)即可派上用場，將兩者有效對接。

結(jié)合總設(shè)計結(jié)構(gòu)，為增強系統(tǒng)的安全性、可靠性以及靈活性，本設(shè)計采用了MCGS觸摸屏和邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行規(guī)范、合理的連接，創(chuàng)設(shè)了新的通信鏈路，以實現(xiàn)和邊緣網(wǎng)關(guān)的高效通信，便于管理員在現(xiàn)場直接調(diào)控。這也意味著邊緣網(wǎng)關(guān)的主控芯片USART接口不可少于3個，依次和CDMA模塊、RS485總線、MCGS觸摸屏構(gòu)建穩(wěn)定、持續(xù)的通信關(guān)系。CC2530僅存在兩個USART接口，如果只和前兩個對象進(jìn)行連接通信，在未配置MCGS觸摸屏的情景下能夠發(fā)揮網(wǎng)關(guān)作用。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈活性，本設(shè)計只采用CC2530，無法全面、有效地滿足后期功能擴展的需求，因此，邊緣網(wǎng)關(guān)主控芯片選取了STM32系列芯片STM32F103V ET6。作為當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的微控制器，STM32采用經(jīng)典的ARM-Cortex-M3內(nèi)核，不僅經(jīng)濟性好，并且性能可靠，不會產(chǎn)生較大功耗，兼容性強，表現(xiàn)出廣泛適用性。用STM32替代之前的CC2530，并不只是因為其接口豐富，更重要的原因是其性能可靠，符合設(shè)計要求。STM32F103V ET6含有64 K字節(jié)的RAM和512 K字節(jié)的可編程閃存，明顯優(yōu)于CC2530，所以，STM32的功能更完善，且不會有較大損耗，符合應(yīng)用需求。

STM32芯片包含3個USART接口，其中，USART1和CDMA之間進(jìn)行連接，由此和網(wǎng)路平臺服務(wù)器之間保持穩(wěn)定、持續(xù)的通信關(guān)系。USART2與CC2530芯片之間穩(wěn)定、可靠的連接，由此實現(xiàn)與CC2530的實時化、動態(tài)化信息交互。不同裝置的CC2530芯片之間實現(xiàn)雙向通信，不僅包括ZigBee芯片的無線通信，也涉及基于SN65HVD 11芯片的RS485總線通信。CDMA模塊和CC2530與STM32被集成至相同的電路板上，距離非常近，說明其之間通信距離非常短，故可將數(shù)據(jù)接口相連。USART3利用RS485收發(fā)芯片和MCGS中的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行穩(wěn)定、規(guī)范的連接，和觸摸屏進(jìn)行實時、高效的通信，管理員可直接通過操作觸摸屏下發(fā)命令，由此實現(xiàn)對各相關(guān)裝置的實時調(diào)控。因此，邊緣網(wǎng)關(guān)選取經(jīng)典且高效的雙CPU工作模式，不僅便于功能拓展，也能通過CC2530實現(xiàn)對無線射頻的收發(fā)。電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 邊緣網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計

2.4 MCGS觸摸屏

為增強系統(tǒng)的操作便捷性，本設(shè)計增添了人機操作界面MCGS觸摸屏。MCGS軟件環(huán)境主要包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩種，相互之間均保持較強的獨立性，不過也存在較強的相關(guān)性。用戶能夠自主研發(fā)和構(gòu)建系統(tǒng)，并合理優(yōu)化功能，促進(jìn)目標(biāo)C821順利實現(xiàn)。兩種環(huán)境之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境的關(guān)系

3 結(jié)束語

將現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，能夠改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理模式，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。本文研究的系統(tǒng)自動化程度高，用戶無需親臨溫室大棚現(xiàn)場，就可以觀測到農(nóng)作物生長環(huán)境中的各類環(huán)境參數(shù)，并控制溫室大棚內(nèi)各類設(shè)備的打開或關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。