基于物聯(lián)網(wǎng)的甘蔗農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計*

廣西民族師范學(xué)院，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點實驗室 楊秀增

為了實現(xiàn)甘蔗種植的信息化和網(wǎng)絡(luò)化管理，設(shè)計一套物聯(lián)網(wǎng)甘蔗農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由甘蔗田間節(jié)點，數(shù)據(jù)集中器、服務(wù)器和監(jiān)控數(shù)據(jù)中心四大部分組成。采用TI公司的CC2530芯片與技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用“STC15單片機”+“CC2530單片機”雙核設(shè)計結(jié)構(gòu)。甘蔗采集節(jié)點把采集到的空氣溫度、濕度、光強強度和土壤濕度值，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控數(shù)據(jù)中心。用戶通過手機App界面查看數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、滿足設(shè)計要求。

蔗糖在人們生活中占有極其重要的地位，逐漸成為是一種重要戰(zhàn)略物資。廣西是我國最大的蔗糖生產(chǎn)基地，種植面積和產(chǎn)量占全國的 60%以上。但是， 目前我國的甘蔗種植業(yè)生產(chǎn)技術(shù)比較落后，產(chǎn)業(yè)運營成本高，信息化管理水平還比較低。

甘蔗的生長與空氣溫度、濕度、光照強度、土壤濕度等因素息息相關(guān)。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-2]，設(shè)計一套甘蔗農(nóng)田數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]。采用ZigBee無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)甘蔗田間環(huán)境參數(shù)的無線傳輸，首先把甘蔗田間環(huán)境參數(shù)傳回到集中器，集中器再通過RGPS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器，實現(xiàn)蔬甘蔗田間環(huán)境參數(shù)遠程采集，為以后開展甘蔗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖1為甘蔗田間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖?？驁D采集四層設(shè)計結(jié)構(gòu)，主要由甘蔗田間節(jié)點、數(shù)據(jù)集中器、服務(wù)器和監(jiān)控數(shù)據(jù)中心四大部分組成。

圖1 設(shè)計總框圖Fig.1 Design the general block diagram

甘蔗采集節(jié)點由環(huán)境傳感器組、單片機控制器和ZigBee通信模塊組成。環(huán)境傳感器組包括空氣溫濕度傳感器、光照強度和土壤溫濕度傳感器。這些傳感器被部署在甘蔗田間中，能實時采集甘蔗田間的各項環(huán)境參數(shù)。單片機采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信模塊，發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器進行數(shù)據(jù)匯集。然后匯總數(shù)據(jù)再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器和用戶數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

2 硬件設(shè)計

2.1 采集節(jié)點硬件設(shè)計

圖2為甘蔗農(nóng)田采集節(jié)點硬件設(shè)計框圖。本設(shè)計主要由單片機、RS232/485接口轉(zhuǎn)換電路、土壤水分傳感器、光照傳感器、空氣濕度傳感器、空氣溫度傳感器、驅(qū)動電路、輸入鍵盤、ZigBee通信模塊、LCD液晶顯示模塊組成。單片機采用型號為STC15W4K32S4單片機，此單片機是STC公司的高速單片機，內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，不用外接晶振電路，其次，單片機內(nèi)部還集成4組獨立的高速異步串行口。節(jié)點硬件連接電路如圖2所示，P1.0～P1.7連接輸入鍵盤，P3.0～P3.1連接Zigbee通信模塊，P3.6～P3.7連接LCD液晶顯示模塊；P1.0～P1.1連接連接RS232/485接口轉(zhuǎn)換電路，P2.0連接驅(qū)動電路。當土壤濕度低于濕度設(shè)置值時，灌溉開關(guān)被打開,灌溉電機工作，對甘蔗田間土壤進行灌溉。傳感器采用標準ModBus-RTU485通信協(xié)議，傳感器通信地址及波特率可通過廠家的上位機軟件進行設(shè)置，通信可靠高、抗干擾能力強，可靠傳輸距離可達2000m。傳感器的外形如圖3所示。

圖2 甘蔗田間采集節(jié)點設(shè)計框圖Fig.2 Block diagram of field acquisition node

圖3 傳感器的外形Fig.3 Sensor profile

2.2 集中器硬件電路設(shè)計

集中器的主要作用是，接收并匯集甘蔗農(nóng)田各個傳感器的數(shù)據(jù)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把匯集數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)中心。圖4為數(shù)據(jù)集中器硬件框圖，主要由STC15W4K32S4單片機、觸摸屏顯示器、MAX232接口、GPRS通信模塊、ZigBee通信模塊等組成。主控芯片采用STC15W4K32S4型單片機，ZigBee無線通信模塊采用CC2530單片機芯片。主控單片機的UART0與MAX232接口芯片相連，主要用于程序下載和設(shè)備調(diào)試；主控單片機UART1與ZigBee無線通信模塊相連；主控單片機的UART2與觸摸屏顯示器相連，用于顯示數(shù)據(jù)。UART3與GPRS通信模塊相連，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖4 數(shù)據(jù)集中器硬件原理圖Fig.4 Hardware schematic of concentrator

3 軟件設(shè)計

3.1 協(xié)議棧移植及應(yīng)用程序開發(fā)

圖5為數(shù)主控單片機的主程序算法流程圖。當單片機加電時，首先對系統(tǒng)的外圍設(shè)備進行初始化，然后執(zhí)行協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)程序，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)查詢是否有新節(jié)點要加入網(wǎng)絡(luò)，如果查有新節(jié)點，給新加入的節(jié)點分配16位網(wǎng)絡(luò)地址，允許節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。然后再查詢是否收到節(jié)點數(shù)據(jù)，如果收到新的數(shù)據(jù)，執(zhí)行解析數(shù)據(jù)程序，對收到數(shù)據(jù)包進行處理，設(shè)置串口傳送數(shù)據(jù)事件，通過GPRS通信模塊發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖5 數(shù)據(jù)集中器程序算法流程圖Fig.5 Algorithm flow chart of concentrator

3.2 采集節(jié)點程序設(shè)計

采集節(jié)點采用“STC15單片機”+“CC2530單片機”雙核設(shè)計結(jié)構(gòu)，STC15單片機負責(zé)數(shù)據(jù)的甘蔗田間數(shù)據(jù)的采集，CC2530單片機負責(zé)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立、路由和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，CC2530單片機這些功能是通過移植TI公司的ZStack協(xié)議棧來實現(xiàn)。這兩種單片機之間通過串口進行通信。圖6為STC15單片機序工作流程圖。第一步系統(tǒng)初始化，并打開串口中斷和啟動數(shù)據(jù)采集定時器。第二步判斷數(shù)據(jù)采集時間是否到，如果時間到，則設(shè)置數(shù)據(jù)采集事件，操作系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集事件，并分析數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之后，判斷土壤中的濕度是否低于設(shè)置值，如果低于設(shè)置值，打開灌溉電機電源，如果土壤濕度高于設(shè)置值，則關(guān)掉灌溉電機。最后，判斷是否收到數(shù)據(jù)集中器發(fā)數(shù)據(jù)命令，如果收到命令，則把采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式，發(fā)到數(shù)據(jù)集中器。

圖6 采集終端算法流程圖Fig.6 Algorithm flow chart of acquisition terminal

4 系統(tǒng)測試

我們根據(jù)以上技術(shù)方案設(shè)計樣機，并對樣機進行測試，把設(shè)計好的采集節(jié)點部署在甘蔗田間不同區(qū)域。裝置上機以后，在數(shù)據(jù)采集器的LCD顯示屏上顯示了各個節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)，顯示界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)集中器采集數(shù)據(jù)顯示界面Fig.7 Display interface for collecting data of concentrator

5 結(jié)語

蔗糖產(chǎn)業(yè)是推動我國農(nóng)村經(jīng)濟增長的主要驅(qū)動力之一，近些年來，隨著我國食品工業(yè)的發(fā)展,目需糖量越來越大，蔗糖產(chǎn)業(yè)對于甘蔗作物的需求量逐年增加。傳統(tǒng)的低產(chǎn)能的種植方式，不能適應(yīng)目前形勢的發(fā)展，甘蔗作物信息化網(wǎng)絡(luò)化管理模式是未來的發(fā)展方向。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一套物聯(lián)網(wǎng)甘蔗農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)甘蔗農(nóng)田數(shù)據(jù)自動采集和傳輸，為下一步的甘蔗農(nóng)作物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究打下良好的基礎(chǔ)。

本項目得到2019年度廣西民族師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點實驗室資助。