基于ZigBee和NBIoT融合網(wǎng)絡(luò)的ぶ腔叟┮蕩笈錛囁叵低成杓樸朧迪

銀文通 銀文達(dá) 饒萬賢 謝永盛

摘?要：農(nóng)業(yè)大棚已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，但對于大棚內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)控大多還是采用人工的方式，傳統(tǒng)的管理模式浪費(fèi)大量的人力物力，智能化、信息化、數(shù)字化程度不高?；赯igBee和NBIoT技術(shù)構(gòu)建了一套融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，以STC15F2K6032為核心處理單元，在大棚內(nèi)部署各類傳感器，實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，通過構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺(tái)。通過手機(jī)App和PC端實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境的可視化管理，通過手動(dòng)和自動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對大棚環(huán)境的控制，為農(nóng)作物的生長提供最佳環(huán)境。有效減少資源的浪費(fèi)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，拓展了無線傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ZigBee；NBIoT；STC15F2K6032；農(nóng)業(yè)大棚；智能監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TN92??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

農(nóng)業(yè)大棚是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向之一，可以解決因地域、季節(jié)、天氣等制約因素帶來的影響。提高農(nóng)作物產(chǎn)量的前提是要保證農(nóng)業(yè)大棚能夠?yàn)檗r(nóng)作物的生長條件提供最佳的環(huán)境，具備合適的光照、溫濕度、營養(yǎng)成分等。目前，為了獲取農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境參數(shù)，大多采用傳統(tǒng)采集方式，即人工實(shí)地測量的方式，這種傳統(tǒng)的采集方式不僅會(huì)消耗大量的人力和物力，而且不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，讀取精度不高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)更新不及時(shí)。此外，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚在對農(nóng)作物進(jìn)行環(huán)境控制時(shí)還是采用人工方式，如：溫度控制、灌溉、施肥等各項(xiàng)管理工作，工作效率低，人力成本高，不利于大規(guī)模種植。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的高效管理，精確監(jiān)控大棚中農(nóng)作物生長環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，涌現(xiàn)出了大量的基于無線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能管理方案，如：WiFi、Bluetooth、ZigBee、LoRa、NBIoT。WiFi和Bluetooth雖然傳輸速率快，但由于穿透性差，輻射范圍有限，穩(wěn)定性差，不同設(shè)備間存在協(xié)議不兼容的問題，并不適合地形復(fù)雜、分布范圍廣的場景。Zigbee是一種基于IEEE?802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)，具有復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本等技術(shù)特點(diǎn)，適用于近距離數(shù)據(jù)傳輸［12］。NBIoT技術(shù)，中文名窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種可移動(dòng)、范圍大、廣連接的低功耗廣域網(wǎng)［3］。

近年來，如何將無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來并充分地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化，以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，成為不少學(xué)者的研究方向。例如，文獻(xiàn)［45］中作者將WiFi和ZigBee相結(jié)合組成混合網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測。但存在相互干擾的問題，且WiFi的耗能大，傳輸距離有限。文獻(xiàn)［6］作者設(shè)計(jì)出了基于ZigBee+GPRS模塊的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，克服了WiFi傳輸距離短的缺點(diǎn)。本文提出基于ZigBee技術(shù)和NBIoT技術(shù)，有效利用ZigBee的短距離傳輸和NBIoT的長距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，構(gòu)建無線融合網(wǎng)絡(luò)，將無線通信和智能控制系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)大棚結(jié)合起來，用以探究農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和智能控制，以獲取更佳的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控效果。

1?系統(tǒng)整體框架

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體架構(gòu)時(shí)參考了物聯(lián)網(wǎng)分層模型，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四層，即感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。環(huán)境參數(shù)采集傳感器如氣象采集傳感器、土壤參數(shù)采集傳感器以及ZigBee節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器組成感知層，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，部署在農(nóng)業(yè)大棚的各個(gè)區(qū)域中，負(fù)責(zé)對大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，傳感器通過RS485轉(zhuǎn)TTL模塊與ZigBee節(jié)點(diǎn)對接，再通過無線電磁波的形式與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳輸層主要負(fù)責(zé)向上層傳遞感知信息和向下層傳輸命令，本系統(tǒng)采用ZigBee和NBIoT融合網(wǎng)絡(luò)的方式組成傳輸層，利用NBIoT實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)的對接，充分考慮這兩種無線通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以及農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)用場景，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗、廣覆蓋的目標(biāo)。平臺(tái)層包括服務(wù)器和云平臺(tái)，平臺(tái)層接收傳感器通過傳輸層上傳過來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)信息類型的不同進(jìn)行存儲(chǔ)，集中管理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)偏離設(shè)定的閾值時(shí)，服務(wù)器將自動(dòng)向應(yīng)用層客戶端發(fā)送預(yù)警消息，以此完成預(yù)警［7］。應(yīng)用層包括PC端和手機(jī)APP終端，可以通過云平臺(tái)的查詢接口，查詢傳感器采集的數(shù)據(jù)，接收服務(wù)器發(fā)送過來的預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測和智能控制。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

2?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1?主控制器模塊（MCU）

ZigBee模塊和NBIoT模塊，通過串口與微控制器相連接，實(shí)現(xiàn)兩種模塊的信息交互以及向續(xù)電器下發(fā)操作命令，該MCU需具備對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的各類信息進(jìn)行快速采集和處理，并向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，在設(shè)計(jì)MCU的選擇時(shí)，應(yīng)考慮使用運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)，同時(shí)具有雙串口的MCU，以滿足同時(shí)插入ZigBee模塊和NBIoT模塊的需求。本文選取宏晶公司STC15系列單片機(jī)STC15F2K6032作為MCU，該芯片價(jià)格低，性能滿足要求，其內(nèi)部集成了高精度的R/C時(shí)鐘，數(shù)據(jù)處理的速度比普通8051內(nèi)核單片機(jī)快8～12倍［8］，性價(jià)比高。

2.2?傳感器模塊

2.2.1?氣象參數(shù)采集模塊

對于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)空氣環(huán)境的采集，使用的是氣象固定式的多合一環(huán)境自動(dòng)觀測傳感器設(shè)備，采用標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU協(xié)議，接口類型為RS485，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)2千米。采集的參數(shù)主要包括空氣的溫濕度、CO2濃度、光照度。

2.2.2?土壤參數(shù)采集模塊

對于農(nóng)業(yè)大棚中土壤參數(shù)的采集，使用RS485型土壤EC水分溫度三合一傳感器，可同時(shí)對土壤中的水分含量、溫度以及鹽度（電導(dǎo)率）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該傳感器具有精度高、響應(yīng)快、輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)。受土壤中含鹽量的影響較小，適用于各種土質(zhì)。

2.2.3?土壤pH采集模塊

土壤酸堿度是農(nóng)作物生長的重要參數(shù)之一，對農(nóng)作物的生長起著關(guān)鍵性的作用。本文使用的土壤酸堿度傳感器探頭采用pH電極，精度高，信號(hào)穩(wěn)定，具有防水性能好、使用方便、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、測量范圍廣等特點(diǎn)［9］。

選用的這幾種傳感器使用RS485通信協(xié)議，電源接口為寬電壓電源輸入，12～24V的輸入均可。采用ModbusRTU通信規(guī)約，編碼方式為8位的二進(jìn)制編碼，錯(cuò)誤校準(zhǔn)采用CRC冗長循環(huán)碼，波特率可選擇：2400bps、4800bps、9600bps，默認(rèn)值為9600bps。

2.3?ZigBee模塊

本系統(tǒng)采用的是德州儀器生產(chǎn)的CC2530作為主控芯片，該模塊具有功耗小的特點(diǎn)，它的接收電流小于30mA，發(fā)射電流小于50mA，具有16個(gè)傳輸信道，可以根據(jù)環(huán)境切換可靠通信信道，從而保證數(shù)據(jù)能夠正常傳輸。該模塊使用2.4G全向天線，可靠傳輸距離達(dá)250m，斷開自動(dòng)重連距離高達(dá)110m［10］。

2.4?NBIoT模塊

在設(shè)計(jì)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對接的無線連接模塊時(shí)，選擇移遠(yuǎn)的BC95，是一款低功耗、高靈敏度、工作溫度分布范圍廣的無線通信模塊。BC95模塊支持FDDLTE?B3（1800MHz）/B5（850MHz）/B8（900MHz）/B20（800MHz）頻段的數(shù)據(jù)傳輸。B95模塊具有3種正常工作模式，即：連接模式（CONNECT）、休眠模式（IDLE）、省電模式（PSM），滿足3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)BC95模塊處于CONNECT模式時(shí)，所有功能均能夠正常使用，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，在此狀態(tài)下，沒有數(shù)據(jù)交互時(shí)間達(dá)核心網(wǎng)設(shè)定的時(shí)間后（默認(rèn)時(shí)間為20s），模塊進(jìn)入IDLE模式。當(dāng)模塊處于IDLE模式時(shí)，模塊處于淺休眠狀態(tài)，此狀態(tài)下，模塊仍處于網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)，可接收下行數(shù)據(jù)。當(dāng)模塊處于PSM模式時(shí)，電流功耗低至5μA，只有RTC工作，模塊處于網(wǎng)絡(luò)非連接狀態(tài)，不能接收下行數(shù)據(jù)，模塊與服務(wù)器處于斷開狀態(tài)。當(dāng)DTE（Data?Terminal?Equipment）主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)或者無數(shù)據(jù)交互時(shí)（默認(rèn)時(shí)間為54min）超時(shí)后，模塊才會(huì)被喚醒［11］。

2.5?ZigBee和NBIoT融合網(wǎng)絡(luò)

NBIoT和ZigBee是兩種不同的無線通信技術(shù)，為保障兩種不同技術(shù)能夠正常融合，且在融合后的組網(wǎng)能夠正常運(yùn)行，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要控制好無線組網(wǎng)的時(shí)隙和網(wǎng)絡(luò)定時(shí)。其中，時(shí)隙的控制主要是將NBIoT和ZigBee兩種技術(shù)內(nèi)的時(shí)間軸進(jìn)行劃分，將時(shí)間軸劃分成由多個(gè)時(shí)隙組成的等長時(shí)元。時(shí)隙承擔(dān)著信息發(fā)送的任務(wù)，是農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集及其傳輸?shù)年P(guān)鍵，為農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控提供良好的網(wǎng)絡(luò)支撐。傳感器與ZigBee節(jié)點(diǎn)通過串口進(jìn)行連接，通過TTL/485轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。節(jié)點(diǎn)采集傳感數(shù)據(jù)后以電磁波的形式將數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與核心控制單元MCU以串口的方式對接，再通過串口的對接方式與NBIoT通信，ZigBee協(xié)調(diào)器與NBIoT兩者之間通過AT指令進(jìn)行通信，通過NBIoT將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺(tái)。

3?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1?系統(tǒng)功能

針對智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，傳感器將農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云平臺(tái)服務(wù)器，并保存在服務(wù)器中，管理人員可以在云平臺(tái)上查詢到各傳感器采集到的數(shù)據(jù)，以及這些參數(shù)的歷史值，可以導(dǎo)出作為建立植物生長模型的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。此外，還可以通過PC端或者手機(jī)App對大棚內(nèi)的風(fēng)機(jī)、遮陽簾、噴/滴灌、水肥一體機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度、光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴/滴灌、施肥等操作，并具有人工控制和自動(dòng)控制等操作方式。具體功能如下：

（1）傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對大棚環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并通過485轉(zhuǎn)TTL接口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)向ZigBee節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過ZigBee和NBIoT融合網(wǎng)絡(luò)以無線傳輸?shù)姆绞缴蟼髦猎破脚_(tái)服務(wù)器。

（2）可以通過PC端或手機(jī)App登錄云平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)。

（3）可以對大棚內(nèi)的空氣、土壤等參數(shù)進(jìn)行閾值設(shè)置，如果超過設(shè)定的閾值范圍，云平臺(tái)自動(dòng)發(fā)布信息提示，并能夠通過控制器自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)、電磁閥，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降溫、調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、自動(dòng)噴/滴灌、施肥等操作。

（4）傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)保存至云平臺(tái)服務(wù)器，PC端能夠?qū)С鰵v史數(shù)據(jù)，用以數(shù)據(jù)分析。

3.2?網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)采集匯總，完成ZigBee模塊協(xié)議與NBIoT技術(shù)轉(zhuǎn)換。使用傳感器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)NBIoT模塊的初始化、NBIoT連接、NBIoT數(shù)據(jù)包的收發(fā)功能［12］。多路傳感器與ZigBee節(jié)點(diǎn)通過RS485轉(zhuǎn)TTL模塊相連，傳感器采集數(shù)據(jù)后通過串口傳輸至ZigBee節(jié)點(diǎn)，再以無線電磁波的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在接收到數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行解析，并封裝成NBIoT數(shù)據(jù)包，NB模塊初始化后與運(yùn)營商基站建立數(shù)據(jù)連接，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

3.3?NBIoT初始化

NBIoT模塊與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商基站之間通過CoAP協(xié)議進(jìn)行無線通信，各類傳感器通過NBIoT模塊將數(shù)據(jù)傳送至云平臺(tái)，并接收和解析來自云平臺(tái)的指令。NBIoT模塊激活入網(wǎng)后通過AT指令進(jìn)行初始化，初始化完畢后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的上行與下行。

4?系統(tǒng)測試

完成硬件設(shè)備的搭建后即可接入云平臺(tái)進(jìn)行軟件測試。服務(wù)器程序通過創(chuàng)建Socket服務(wù)類，與監(jiān)測終端建立TCP連接，接收各類傳感器上傳的數(shù)據(jù)并完成解析，解析完成后分類存儲(chǔ)在云服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)監(jiān)測軟件基于C語言開發(fā)，通過訪問數(shù)據(jù)庫，獲取農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)。管理人員通過PC端和手機(jī)App可訪問云平臺(tái)實(shí)時(shí)查看農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各類傳感器上傳過來的信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化管理。智慧農(nóng)業(yè)大棚云平臺(tái)可視化管理界面如圖2所示。

在對傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性測試方面，采取與現(xiàn)場測試對比的方式，比如，進(jìn)行溫度傳感器模塊的性能測試時(shí)，選用傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)和電子溫度計(jì)作為參考，取不同時(shí)段對大棚空氣溫度進(jìn)行現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，溫度傳感器通過無線傳感網(wǎng)傳送至云平臺(tái)的測試結(jié)果與采用不同的傳統(tǒng)溫度計(jì)測量結(jié)果數(shù)值接近，誤差控制在0.3℃范圍內(nèi)，符合對溫度傳感器的精度要求。在進(jìn)行濕度傳感器模塊測試時(shí)，選用傳統(tǒng)的電子濕度計(jì)作為實(shí)際濕度的參考進(jìn)行比較，取不同時(shí)段對大棚空氣濕度進(jìn)行現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)值接近，誤差控制在3%RH范圍內(nèi)，符合對濕度傳感器的精度要求。

通過對MCU設(shè)定控制策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)控制的功能，如提前向續(xù)電器下發(fā)定時(shí)任務(wù)，設(shè)定設(shè)備啟動(dòng)工作時(shí)間以及連續(xù)工作時(shí)間；設(shè)定閾值，當(dāng)某個(gè)參數(shù)偏離預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，云平臺(tái)自動(dòng)發(fā)布告警信息提示。此外，還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的自動(dòng)控制，如大棚內(nèi)的溫度超過了設(shè)定的閾值，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打開風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫；土壤中濕度過低，則系統(tǒng)會(huì)通過開啟電磁閥進(jìn)行自動(dòng)噴/滴灌。

結(jié)語

本文基于ZigBee和NBIoT技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮兩種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢。以STC15F2K6032單片機(jī)為核心處理單元，通過在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署各類傳感器將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。手機(jī)App和PC端可以遠(yuǎn)程訪問云平臺(tái)，實(shí)時(shí)掌握農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化管理。此外，還可以通過手動(dòng)和自動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對大棚環(huán)境的控制，遠(yuǎn)程開啟風(fēng)機(jī)、電磁閥，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降溫、調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、自動(dòng)噴/滴灌、施肥等操作。達(dá)到調(diào)節(jié)大棚環(huán)境參數(shù)的目的，為農(nóng)作物提供最佳的生長環(huán)境，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

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