基于物聯網及邊緣網關的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)設計

陳生學 嚴佩升 孟星 李波

摘要：隨著物聯網技術的飛速發(fā)展，將物聯網技術與水果種植相結合，有助于推動水果種植朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，提高水果種植的現代化水平。因此，本文設計了一種基于物聯網及邊緣網關的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物聯網架構，以CC2530芯片為核心，設計無線數據采集及環(huán)境調控節(jié)點；以STM32為核心構建邊緣網關，一是負責融合無線傳感網絡中協(xié)調節(jié)點和攝像頭數據，進行協(xié)議轉換后，通過5G模塊將數據傳送至上位機，同時可向ZigBee節(jié)點發(fā)送控制指令；二是可對土壤環(huán)境進行本地調控。管理用戶可以通過PC端、手機端對果園環(huán)境進行遠程監(jiān)控，上位機軟件能根據數據和圖片信息實現果園病蟲害預警。該系統(tǒng)具有使用便捷、操作簡單、運行成本低等優(yōu)點，能較好地實現果園智慧化管理。

關鍵詞：物聯網技術；水果種植；STM32網關；5G模塊

引言

隨著物聯網技術的快速發(fā)展，ZigBee技術與遠程通信技術在智能家居、遠程監(jiān)控和溫室大棚中的應用逐漸增多，但在智慧果園監(jiān)控方面的應用相對較少[1]。該技術利用傳感器采集果園環(huán)境參數后，通過無線通信技術傳送至上位機，上位機軟件對果園數據進行全面準確的分析與展示，從而提高果園智能化管理水平[2]。

針對果園環(huán)境復雜、不易布線等特點，本文設計的基于物聯網及邊緣網關的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，能實現果園環(huán)境參數的實時采集與本地或遠程調控。采用ZigBee無線傳感網絡，網絡節(jié)點具有自組織、低功耗、低成本等優(yōu)點，網關控制器采用基于STM32的核心控制器，網關模塊與5G模塊連接，實現采集節(jié)點與控制中心數據的雙向通信。同時，果園中攝像頭實時采集果園圖片后，傳送到網關接口，由網關通過5G模塊傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對圖片進行分析處理后，可實現果園病蟲害預警。通過構建智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，可實時對果園進行本地或遠程監(jiān)控及病蟲害預警，提升管理效率，降低管理成本 [3]。

1. 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)可以實現對果園中空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、土壤氮磷鉀含量、土壤pH值、土壤電導率的實時監(jiān)控及果樹病蟲害預警，各節(jié)點將采集到的果園現場環(huán)境數據傳送至上位機軟件進行綜合分析處理，基于STM32的網關可對采集到的數據進行簡單分析處理后實現本地控制，或者通過上位機對果園環(huán)境進行遠程調控。同時，監(jiān)控中心對果園圖片進行分析后，實現果園病蟲害預警等多種功能。系統(tǒng)整體框架主要由果園環(huán)境數據采集模塊、圖片采集模塊、網關模塊、太陽能供電模塊和上位機組成。

系統(tǒng)主要由果園環(huán)境數據采集及控制節(jié)點、圖像采集節(jié)點組成。果園環(huán)境數據采集及控制節(jié)點由基于ZigBee的終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調節(jié)點構成。在果園適當位置布放若干個ZigBee終端節(jié)點和路由節(jié)點，負責果園環(huán)境數據的采集及多跳轉發(fā)，數據經過多跳轉發(fā)后傳送至ZigBee協(xié)調節(jié)點。ZigBee協(xié)調節(jié)點匯聚所有路由節(jié)點數據后，經I/O端口傳給網關。果園圖像由布放在果園中的攝像頭模塊采集后，通過I/O端口傳給網關?；赟TM32F103的網關控制器將融合后的數據通過5G模塊傳送上位機。因本系統(tǒng)采用無線監(jiān)控方式，所以采用太陽能與鋰電池結合的方式供電。系統(tǒng)可實現本地或遠程調控果園土壤環(huán)境及果園病蟲害預警，同時通過遠程的方式可實現各節(jié)點參數設置等功能。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

2. 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)網關以STM32處理器為核心，由基于ZigBee的土壤環(huán)境數據采集及調控模塊、攝像頭模塊、5G通信模塊組成。系統(tǒng)硬件整體結構如圖2所示。

2.1 終端節(jié)點和路由節(jié)點硬件設計

系統(tǒng)的ZigBee終端節(jié)點和路由節(jié)點采用的是TI公司的CC2530芯片作為核心控制器，該芯片是一個支持ZigBee應用的SoC解決方案。該方案能滿足以2.4GHz ISM波段應對低成本、低功耗的要求，同時結合了一個高性能2.4GHz DSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧、高效的8051控制器[4]。ZigBee無線網絡理論傳輸距離為0～400m，傳輸速度高達250kbps，是一種具有自組織、低功耗、短距離、低成本的無線通信技術，因此能夠滿足果園無線監(jiān)控的需求[5]。

ZigBee終端節(jié)點主要是對果園環(huán)境信息進行實時采集、簡單的分析處理，控制電磁繼電器通斷和數據接收或發(fā)送。ZigBee路由節(jié)點和終端節(jié)點硬件電路相同，區(qū)別在于軟件驅動程序。ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調節(jié)點需要采集果園光照度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤氮磷鉀肥含量、土壤電導率和土壤pH值，同時根據數據分析結果控制氮磷鉀肥噴灑和土壤澆水。協(xié)調節(jié)點除與終端節(jié)點一樣要采集數據外，還要將終端節(jié)點傳來的數據與自身采集的數據進行融合后經多跳轉發(fā)至網關模塊。

2.1.1 傳感器模塊

經過對系統(tǒng)功能的分析，選擇了兩種傳感器作為節(jié)點數據采集的感知設備，分別為土壤溫度、濕度、電導率、pH值、氮含量、磷含量、鉀含量七合一傳感器，以及空氣溫度、濕度、光照度三合一傳感器。系統(tǒng)通過傳感器實時監(jiān)測果樹生長的環(huán)境參數，為實現果園監(jiān)控和病蟲害預警提供精準的數據[6]。

2.1.2 土壤溫濕度、電導率、pH值、氮磷鉀含量測量

土壤的溫濕度、電導率、pH值、氮磷鉀含量是果樹生長好壞的重要因素，果樹生長的不同時期、不同季節(jié)，對環(huán)境的需求不同。因此，通過對土壤的溫濕度、電導率、pH值、氮磷鉀含量的實時精確測定，是澆水和噴灑肥料的重要依據。系統(tǒng)采用的七合一傳感器具有測量方便、測量成本低、測量精度高、分辨率高和支持二次開發(fā)等特點。系統(tǒng)對七合一傳感器采集的數據進行綜合分析后，通過控制電磁閥來調控灌溉設施和噴灑氮磷鉀肥的設施，從而將土壤調整到果樹最佳生長的狀態(tài)。

2.1.3 光照度、空氣溫濕度測量

光照度、空氣溫度、濕度是果樹生長的重要氣象數據，將果樹生長的環(huán)境氣象數據與果園圖片相結合，能夠為果園病蟲害預警提供重要參數指標。系統(tǒng)采用三合一傳感器，能夠有效采集光照度、空氣溫度、濕度數據。

2.1.4 攝像頭

攝像頭用于采集較為清晰的果樹圖片，作為果園病蟲害預警的重要信息依據。為了能夠采集到較為清晰的圖片，系統(tǒng)采用海康威視400萬像素監(jiān)控器高清攝像頭實時采集果園圖片。

系統(tǒng)通過綜合分析光照度、空氣溫濕度數據與果園圖片后，可以實現果園病蟲害的預警，提示管理員采取相應的措施，達到及時防治病蟲害的目的。

2.1.5 ZigBee無線通信節(jié)點

ZigBee無線通信節(jié)點采用TI公司的CC2530芯片作為核心控制器，該芯片內置8051單片機，可對節(jié)點的數據采集、土壤環(huán)境控制和數據發(fā)送進行有效控制。ZigBee控制節(jié)點的工作電壓為3.3V，有1個32.768kHz的晶振主要工作于當節(jié)點休眠時工作電流低并且需要精確喚醒的場景，32MHz晶振主要用于天線的無線數據發(fā)送和接收，有1個無線RF收發(fā)電路、1個DUBEG端口、1個REST復位電路、DC-DC電路、TTL轉RS485電路。所有傳感器接到RS485集線器上，通過集線器接到主控節(jié)點RS485上。協(xié)調節(jié)點匯聚所有節(jié)點數據后，通過RS485端口將數據傳送至基于STM32的網關模塊，攝像頭采集的視頻信號傳給基于STM32的網關模塊?；赟TM32的網關模塊將數據融合后通過5G模塊傳至監(jiān)測中心[7]。

2.2 STM32網關設計

系統(tǒng)網關采用了基于STM32F103為核心的主控芯片加5G模塊的硬件平臺方案。其中，STM32F103VBT6主控制器是基于ARM Cortex-M3內核的32位CPU，工作頻率最高可以到72MHz，需要電壓2V-3.6V，工作溫度為-40℃～85℃，片內集成128KB Flash存儲單元、20KB SRAM。5G模塊采用移遠5G通信模塊RM500Q，該模塊支持USB3.0、以太網、串口接口。STM32網關將接收到的數據通過5G模塊傳送至上位機，上位機又通過5G模塊將控制數據發(fā)送至各節(jié)點[8]。

2.3 供電設計

本文設計的基于物聯網及邊緣網關的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)均部署在果園中，不宜敷設有線電線，為避免頻繁更換電池，果園監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點采用太陽能與鋰電池結合供電。使用MPPT對太陽能電池板、鋰電池和傳感器節(jié)點進行充放電管理，當太陽光照充足時，使用太陽能給節(jié)點供電，同時給鋰電池充電，陰雨天時使用鋰電池供電。節(jié)點主控制板上通過AMS117將5V電壓轉為3.3V給芯片供電。因采集數據的傳感器是采用12V供電，因此供電系統(tǒng)只需提供5V和12V直流即可。

3. 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機節(jié)點程序設計

終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調節(jié)點是構成ZigBee無線傳感網絡的三種邏輯設備。協(xié)調節(jié)點運行后選取網絡標識符及信道，隨后協(xié)調節(jié)點啟用允許綁定的狀態(tài)。ZigBee無線網絡建立后，系統(tǒng)開始運行，終端節(jié)點采集數據，進行簡單處理后傳給路由節(jié)點，路由節(jié)點將終端節(jié)點發(fā)送的數據與自身采集的數據進行融合后傳送至協(xié)調節(jié)點，協(xié)調節(jié)點將收到的數據傳送至網關。終端節(jié)點和協(xié)調節(jié)點程序流程較為簡單，不再贅述。

STM32網關能夠通過協(xié)調節(jié)點將控制中心的控制信號發(fā)送至路由節(jié)點和終端節(jié)點，實現遠程調節(jié)土壤環(huán)境，網關也可以對收集的數據進行分析處理，實現本地土壤環(huán)境調節(jié)功能。

ZigBee協(xié)調節(jié)點和攝像頭的數據傳送到網關，經網關融合和協(xié)議轉換后，通過5G模塊傳送至上位機，網關能對協(xié)調節(jié)點傳送來的數據進行分析處理，并向各控制節(jié)點發(fā)送控制命令，實現本地灌溉和噴灑肥料控制。服務器下發(fā)的指令，通過網關解析后下發(fā)到各數據控制節(jié)點，實現遠程灌溉和噴灑肥料控制等功能[9]。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件采用開發(fā)框架QtCreator開發(fā)，具有跨平臺、易擴展、方便開發(fā)等特點，被廣泛運用于嵌入式終端、物聯網、數據采集等系統(tǒng)[10]。PC端和手機端的應用軟件能夠實時顯示果園各區(qū)域的光照度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、pH值、電導率、氮磷鉀含量，實現對果園病蟲害的實時預警；遠程實時控制灌溉系統(tǒng)和氮磷鉀噴灑系統(tǒng)，調節(jié)土壤環(huán)境為果樹生長的最佳環(huán)境。同時，上位機軟件還能對各節(jié)點進行參數設置和遠程手工下發(fā)控制命令。

結語

智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以通過基于STM32核心的網關對果園的土壤環(huán)境進行本地自動調控，還能通過無線的方式實現遠程監(jiān)控及參數設置。上位機軟件根據傳感器數據和攝像頭采集的圖像數據實現病蟲害預警。通過智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，可調節(jié)適合果樹生長的土壤環(huán)境，從而提高水果產量及品質。由于ZigBee節(jié)點與傳感器通過RS485通信，增強了系統(tǒng)的通用性。與傳統(tǒng)的管理方式相比，智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)能夠大幅降低果樹種植的人力成本和管理成本，推動現代農業(yè)朝智慧化方向發(fā)展，有效助力鄉(xiāng)村振興。

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作者簡介：陳生學，碩士研究生，助教，研究方向：電力系統(tǒng)自動化教學；嚴佩升，碩士研究生，副教授，研究方向：區(qū)域地理、高等教育；孟星，碩士研究生，助教，研究方向：測控技術與儀器；李波，碩士研究生，講師，研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制。