基于WSN的土壤參數(shù)測量系統(tǒng)*

慕燈聰， 闞 卓， 李 崢， 朱 旋

(淮北師范大學物理與電子信息學院，235000，安徽省淮北市)

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開肥沃的土地. 如今，土壤酸堿化、板結(jié)、水分流失等問題日益突出，嚴重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量[1]. 因此，能夠準確的檢測出土壤各項參數(shù)，及時了解土壤環(huán)境參數(shù)信息，對于提高作物產(chǎn)量和倡導精準農(nóng)業(yè)有著深遠的意義[2]. 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，市面上已具有能夠測量土壤參數(shù)的各種傳感器.利用ZigBee組建網(wǎng)絡的優(yōu)點和土壤參數(shù)傳感器相結(jié)合，提出并設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks)WSN的土壤參數(shù)測量系統(tǒng).

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于WSN的土壤參數(shù)測量系統(tǒng)，由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和STM32網(wǎng)關(guān)組成，無線傳感器網(wǎng)絡包括ZigBee采集節(jié)點，ZigBee路由節(jié)點以及ZigBee協(xié)調(diào)器[3]；STM32網(wǎng)關(guān)包含STM32L151RET6核心板、ESP8266 WIFI模塊以及M5311A NB-IoT模塊[4][5]. 數(shù)據(jù)采集節(jié)點連接土壤溫度、濕度、PH以及氮磷鉀傳感器，負責原始數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送；路由節(jié)點本身也可以采集并處理數(shù)據(jù)，除此之外，當終端節(jié)點在通信范圍內(nèi)搜索不到協(xié)調(diào)器節(jié)點時，可借助路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)的多跳；協(xié)調(diào)器節(jié)點負責無線傳感器網(wǎng)絡的組建，并維護整個網(wǎng)絡的運行，接收采集節(jié)點或者路由節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送給STM32網(wǎng)關(guān)，進一步通過NB-IoT或者ESP8266將數(shù)據(jù)發(fā)送給OneNET進行存儲、顯示，用戶可通過電腦端網(wǎng)頁或者手機端APP實時查看測量的數(shù)據(jù). 系統(tǒng)整體框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源管理模塊

電源是系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作以及測量參數(shù)精度的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)硬件需要使用12 V,5 V,3.3 V電壓，ZigBee終端節(jié)點的工作電壓為3.3 V，土壤pH,溫度、濕度以及氮磷鉀傳感器的工作電壓需要5 V，考慮到土壤測量市電供電不便的原因，因此設(shè)計12 V太陽能供電，方便用戶使用. 陽光充足、太陽能板輸出電壓穩(wěn)定時，采用太陽能板供電，夜晚或者陰天時采用12 V蓄電池供電，同時預留12 V適配器和12 V開關(guān)電源接口，在有市電條件下可采用市電供電. 研究設(shè)計采用芯龍公司的XL1509-5.0電源管理芯片將12 V穩(wěn)壓至5 V，設(shè)計XC6206P332MR將5 V穩(wěn)壓至3.3 V. XL1509具有寬電壓輸入(4.5 V～40 V)，2 A負載驅(qū)動能力，XC6206P332MR最大輸出0.5 A電流，二者完全能夠滿足該系統(tǒng)使用. 設(shè)計電路如圖2所示.

圖2 電源管理模塊設(shè)計

2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責土壤參數(shù)的測量、信號的調(diào)理與發(fā)送. 包括CC2530 ZigBee主控單元、土壤溫度、濕度傳感器、土壤PH傳感器、土壤氮磷鉀傳感器以及相應的信號調(diào)理電路. 同時帶有電池電量監(jiān)測，當采用電池供電時負責監(jiān)控電池是否處于缺電狀態(tài)，方便用戶實時掌握電池狀態(tài)；土壤參數(shù)測量異常時會發(fā)出聲光報警，用戶可手動關(guān)閉報警的開啟與否；液晶顯示電路采用1.3寸OLED液晶，用于顯示土壤參數(shù)以及電池電路等基本信息，用戶亦可控制液晶顯示的開啟與關(guān)閉從而達到節(jié)約能源的目的. 其整體框圖如圖3所示.

圖3 采集節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 土壤溫、濕度電路設(shè)計

土壤溫度傳感器采用防水型DS18B20，其結(jié)構(gòu)可以直接插進土壤里使用，與主控通訊方式為單總線方式，只需占用一個IO口，硬件設(shè)計接在CC2530主控模塊的P1.5引腳上. 土壤濕度采用電容式土壤濕度傳感器，區(qū)別于市面上電阻式土壤濕度傳感器，避免了極易被腐蝕的問題，極大的延長了使用壽命，其輸出為模擬信號輸出，接在CC2530的ADC接口P0.6上. 設(shè)計電路圖如圖4所示.

圖4 土壤溫、濕度檢測電路

2.2.2 pH信號調(diào)理電路設(shè)計

土壤pH傳感器選用PR-3000-TR-PH-05，模擬量輸出0～5 V，量程為3～9 pH，ZigBee的AD的測量范圍為0～3.3 V，因此設(shè)計0～5 V轉(zhuǎn)換為0～3 V轉(zhuǎn)換電路，采用2個高精密、低溫漂的電阻分壓來實現(xiàn)電壓信號的轉(zhuǎn)換，電壓轉(zhuǎn)換輸出后采用LM358設(shè)計了電壓跟隨電路，起到隔離信號的作用，設(shè)計電路如圖5所示.

圖5 PH信號調(diào)理電路

2.2.3 氮磷鉀電路設(shè)計

氮磷鉀傳感器采用VMS-3000-TR-NPK-N01，插入土壤中可快速測量土壤氮磷鉀含量，從而有助于用戶判斷土壤的肥沃程度，其量程0 mg/kg～1999 mg/kg，響應時間快，精度高，信號輸出方式為RS485(ModBus-RTU協(xié)議)輸出，485芯片選用3.3 V 工作電壓的低功耗SP3485芯片，RO和DI端口分別接在ZigBee的P0.2和P0.3引腳上，SP3485輸入輸出使能端并聯(lián)接在P1.7引腳上，設(shè)計電路如圖6所示.

圖6 SP3485電路

2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點以STM32L151RET6作為主控單元，通過串口1(PA9，PA10)和ZigBee協(xié)調(diào)器進行通訊，接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的土壤傳感器數(shù)據(jù)信息；串口4(PC10，PC11)和M5311A NB-IoT模塊通訊；串口3(PB10，PB11)和ESP8266 WIFI模塊通訊. 用戶開機時可以通過按鍵選擇使用NB-IoT或者WIFI模塊來和OneNET云平臺進行通訊，以此來適用于不同的場所. 同時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點本地端也設(shè)計了聲光報警和OLED液晶顯示電路，OLED液晶屏用于顯示實時土壤參數(shù)、電池電量、各終端節(jié)點的在線情況以及NB-IoT的網(wǎng)絡狀態(tài)；當出現(xiàn)參數(shù)異常、電量異常、終端掉線或者NB-IoT模塊掉網(wǎng)不工作時，會啟動聲光報警. 結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示.

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 STM32L151RET6主控

網(wǎng)關(guān)節(jié)點選擇STM32L151RET6作為主控芯片，STM32L151RET6是意法半導體公司推出的超低功耗處理器，超低功耗模式電流能夠達到280 nA，內(nèi)部資源豐富，具有512-KB Flash存儲器，非常適合土壤參數(shù)測量系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計要求.

2.3.2 M5311A NB-IoT模塊

該系統(tǒng)選用M5311A NB-IoT模塊，M5311是中移動公司推出的NB-IoT模塊，工作電壓范圍廣，常采用3.3V供電，功耗較低，適合電池供電的環(huán)境，其內(nèi)置MTK2625，也支持OPENCPU功能，通訊協(xié)議上支持UDP/TCP-IP/HTTP以及MQTT，接入OneNET云平臺穩(wěn)定可靠，協(xié)議簡單[6].

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡的程序設(shè)計選擇IAR Embedded Workbench軟件，采用Z-Stack_2.5.3.1協(xié)議棧進行程序的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送等任務. STM32網(wǎng)關(guān)板程序開發(fā)采用 Keil MDK5集成開發(fā)環(huán)境，使用較為成熟的庫函數(shù)進行編程，同時移植了嵌入式物聯(lián)網(wǎng)實時操作系統(tǒng)RT-Thread，使得任務處理、調(diào)度更加流暢. 整個開發(fā)過程采取模塊化編程思路，分別編寫并調(diào)試完成了ZigBee組網(wǎng)程序、采集節(jié)點數(shù)據(jù)驅(qū)動采集程序、STM32網(wǎng)關(guān)程序以及OneNET云平臺的搭建.

3.1 采集端程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責土壤原始數(shù)據(jù)的采集并處理，主要包含網(wǎng)絡的加入，防水型DS18B20的單總線驅(qū)動程序，土壤濕度、PH傳感器以及電池電量采集的三路ADC初始化程序，氮磷鉀傳感器的ModBus-RTU協(xié)議，串口初始化等程序，主控采集到數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否異常，如有異常，啟動聲光報警電路用于警示，反之，則將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點. 其流程圖如下頁圖8所示.

圖8 采集節(jié)點程序流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)程序主要包含ZigBee協(xié)調(diào)器程序以及STM32網(wǎng)關(guān)程序. 協(xié)調(diào)器程序負責整個無線傳感器網(wǎng)絡的組建、維護以及節(jié)點的加入等工作. 組網(wǎng)完成后等待節(jié)點的加入，加入網(wǎng)絡過后則判斷是否接收到數(shù)據(jù)，判斷處理數(shù)據(jù)是否異常，最終將數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送給STM32網(wǎng)關(guān)，程序流程圖如圖9所示. STM32網(wǎng)關(guān)程序，負責接收協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，驅(qū)動NB-IoT模塊和ESP8266 WIFI模塊，將接收到的數(shù)據(jù)處理后顯示在OLED液晶上、判斷是否有異常數(shù)據(jù)、啟動報警，并傳輸給OneNET云平臺進行顯示存儲，流程如圖10所示.

圖9 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖10 STM32網(wǎng)關(guān)程序流程圖

3.3 OneNET界面設(shè)計

一般終端界面設(shè)計相對來說是個復雜的過程，需要掌握相應的編程語言，代碼一步步調(diào)試完善，開發(fā)周期較長，但OneNET云平臺為用戶提供了一套完整的流程，用戶注冊號OneNET賬號，按照要求設(shè)置好產(chǎn)品概況、配置完數(shù)據(jù)點后即可在應用管理界面編輯自己的應用[7]. OneNET云平臺給用戶提供了拖拉式的控件，設(shè)置好屬性參數(shù)，即可完成界面設(shè)計. 該系統(tǒng)借助OneNET云平臺構(gòu)建了WEB網(wǎng)頁顯示界面以及手機APP客戶端，用于對土壤參數(shù)的實時查詢，在數(shù)據(jù)流展示界面，用戶可以以EXCEL格式導出各個時間段的土壤參數(shù)的歷史數(shù)據(jù).

4 系統(tǒng)測試

4.1 ZigBee丟包率測試

測試時在學校操場和學校主干道旁各布置了一個采集節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點連接電腦串口調(diào)試助手，用于顯示接收到的數(shù)據(jù)；采集節(jié)點每次發(fā)送100個字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)測試完后改變采集節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的距離，測試結(jié)果如表1和表2所示.

表1 學校操場測試結(jié)果

通過表格1,2可以得知，隨著通信距離的增加以及障礙物的增加，都會給ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信的丟包率造成影響，距離越遠和障礙物越多，丟包率都會增加. 對于土壤參數(shù)的測量，遮擋環(huán)境較少，區(qū)域內(nèi)短距離組網(wǎng)，對數(shù)據(jù)實時性要求不高，該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求. 當通信距離過大時，可以通過增加路由節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳，可進一步減少數(shù)據(jù)丟包率.

表2 學校主干道測試結(jié)果

4.2 完整功能測試

ZigBee采集節(jié)點接入土壤參數(shù)傳感器，插在操場的土壤里，網(wǎng)關(guān)節(jié)點距離采集節(jié)點100 m處，網(wǎng)關(guān)和采集節(jié)點皆采用12 V太陽能板供電. 在實驗室進入OneNET控制臺，設(shè)備列表顯示設(shè)備為在線狀態(tài)，說明硬件正常接入了云平臺，可進行數(shù)據(jù)的接收顯示. 進入OneNET云平臺應用界面，可實時查詢土壤參數(shù)，如圖11所示.

圖11 OneNET界面

5 結(jié) 語

本文將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用在土壤參數(shù)測量系統(tǒng)中，采用ZigBee組建無線傳感器網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集土壤溫度、濕度、pH值以及氮磷鉀參數(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口傳輸給STM32網(wǎng)關(guān)，最終通過NB-IoT或者WIFI把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET云平臺，用戶可遠程通過PC端網(wǎng)頁或者手機APP查看歷史數(shù)據(jù)和土壤實時參數(shù). 本文對基于WSN的土壤參數(shù)測量系統(tǒng)的整體方案以及軟硬件設(shè)計進行了詳細的分析說明，并對系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，實用性強，非常適合應用于土壤參數(shù)測量，為實時了解土壤環(huán)境狀態(tài)提供了切實可行的方案，具有廣闊的應用前景.