一种农业物联网无线通信控制器的设计

孟成伟 李湘球 彭君 王小风

摘 要：本文设计了一种基于ZigBee技术的农业物联网无线通信控制器。选用以无线通信ZigBee技术的CC2530芯片作为控制器的主控芯片，针对农业生产上对控制的特殊要求，从软硬件进行了详细的设计和说明。

关键词：农业物联网;无线通信;控制器;ZigBee;分布式控制

一、概述

农业物联网应用中有大量设备需要控制，如：卷膜器、风机、水泵和遮阳棚等等。这些设备数量多价格低廉且传输信息的数据量小、数据传输速率要求不高。针对这一特点设计了一种农业物联网控制器，可与网关一起组成一个分布式控制的系统，以低成本高可靠性满足农业生产的需求。

二、通信技术及主控芯片的选择

（一）通信技术的选择

ZigBee技术具有自组织、低成本、低功耗、网络节点多等特点，可以充分地在应用在大面积农业监控系统当中。ZigBee网络最多可以支持65535个节点，具体应用节点数视温室面积而定，每个节点之间通信距离最大可以达到100m。同时250kbps的传输速率完全可以满足数据传输的需要。农业物联网系统传输的数据量小，传输速率要求较低，传输距离不大，并且对低成本、低功耗有一定要求，所以采用ZigBee技术方案是一个很好的选择。

（二）主控芯片的选择

CC2530是TI公司最新推出的新一代ZigBee标准芯片。该芯片体积小巧，采用6mm×6mm的QFN40封装，内部集成了存储、加密、无线收发等多种功能，性能非常可靠。德州仪器业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack）配备使用CC2530，解决了传统无线模块容易丢数据或模块数量多时容易受到干扰等问题，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。CC2530芯片总成本低，能够建立强大的网络节点，其内部集成了工业标准增强型8051微控制器内核，具有8KBRAM，256KB可编程闪存。该芯片无线射频工作在2.4GHz频段，接收灵敏度高，抗干扰性能强。其外围接口能够满足农业物联网控制器的要求。

采用ZigBee技术的农业物联网控制器以CC2530作为农业物联网控制器的主控芯片，可以简化无线组网设计，其自组网功能可以满足农业物联网分布式控制的要求。

三、控制器主控芯片应用电路设计

（一）CC2530电路设计

CC2530芯片共有40个引脚，其中包括了电源接口、晶振接口、I/O接口和RF射頻接口等。CC2530总共有21个通用I/O端口，其中有些端口还可以作为特殊用途，用来连接其他的外设。CC2530芯片的应用电路比较简单，只需要少数的外接元件即可实现。

1.虽然CC2530内部集成了一个16MHz的RC震荡电路，用来给芯片正常工作时提供时钟，但RF射频模块必须工作在32MHz的频率，所以要使用CC2530的无线射频功能，就必须在电路中设计一个32MHz的晶振。

2.看门狗时钟独立于系统时钟，可以防止系统出错;睡眠时钟独立于系统时钟，可以在芯片休眠时起作用。

3.系统复位电路采用上电复位的方式，将该引脚与3.3V电源直接相连，中间加一个10k的电阻，从而实现芯片的上电复位。

（二）CC2591功率放大电路

CC2530芯片本身的发射功率很小，且接收灵敏度也固定在某一水平，限制了该芯片无线射频通信距离。为了加大发射功率，延长通讯距离，系统在CC2530射频发射前端增加了一个CC2591功率放大器。CC2591是德州仪器（TI）公司为了提高CC2500系列芯片的射频功能而专门开发生产的一块高性价比、低成本的RF收发器，工作在2.4GHz频段，可以与CC2530芯片实现无缝对接。CC2591通过功率放大器提供较高的发射功率，通过噪声放大器提高接收机的灵敏度，再借助外接棒状电线的作用，从而可以提高系统的通讯质量，延长通信距离。同CC2530芯片一样，CC2591也是高度集成的芯片，因此可用极少的外接元件实现高性价比的功率输出。

在实验条件下，设备间通信距离5m，对不同的发射电路信号强度进行测试，可以看出，使用CC2591和外接天线后信号强度明显提高，从而可以提高节点间通信质量，延长节点间通信距离。

四、农业物联网控制器的设计

农业物联网控制器以CC2530芯片为主控芯片，利用CC2530控制与之相连的设备打开或关闭，同时参与系统组网，通过ZigBee网络与边缘网关进行通信。控制器电路板上设计了一个六位的拨码开关，其编址为000000bit-111111bit，用拨码开关的编址来区分温室大棚内不同的控制器，所以系统最多可以安装64个控制器，满足了不同面积大棚的需求。

（一）控制电路设计

控制器电路中设计了四路光耦输出电路，配合继电器输出电路使用，用继电器的开关状态就可以控制温室内相关设备的打开和关闭。

对于温室大棚内无正反转、只有开关两种状态的设备（如滴灌、风机、水泵等），每路光耦输出通道可以控制一路这类设备，当继电器触点与24V相连时，设备打开，当继电器触点与GND相连时，设备关闭。所以一个控制器可以控制四路这类设备。实际中这些设备一般都使用220V交流电机或380V三相电机，光耦继电器输出电路输出电压只有24V，则需要在电路中另加一个交流接触器。

对于温室大棚内需要正反转控制的设备，则采用两路光耦输出通道（例如编号为1，2）控制一个设备。当1号触点与24V相连且2号触点与GND相连时，电机正转。反之，电机反转。当1、2两个触点均与GND相连时，电机停止。以温室大棚内卷膜控制为例，系统卷膜电机额定电压24V，可以直接用该光耦继电器输出电路进行控制。

（二）控制器软件设计

以温室大棚内卷膜的控制为例进行控制器软件说明。系统使用的卷膜电机供电电压为24V，低于人体安全电压，在满足正常应用需求的情况下更能保证人畜的安全，使系统更具有安全性。电机正常工作电流3.2A，额定功率76W。卷膜在温室大棚内的使用频率非常高，正常情况下几乎每天都要对其进行操作，早上将卷膜全部打开进行散热，晚上将卷膜全部關闭进行保温，以维持温室大棚内的农作物生长所需的正常温度。若规定卷膜打开时卷膜电机为正转状态，则卷膜关闭时卷膜电机即为反转状态。以一个八联体的现代化温室大棚为例，其中共有14个顶部卷膜，根据前述一个控制器可以控制两路带正反转状态的设备，系统总共需要安装7个控制器，每个控制器控制两个卷膜电机。温室大棚管理人员早上将卷膜全部打开，晚上将卷膜全部关闭，有时则根据具体的天气情况只对其中特定的几个卷膜进行打开或关闭操作。

系统为了满足用户需求，规定了卷膜控制规则：单个控制和批量控制，然后依据此规则规定了通信协议，具体说明如下：

1.单个控制指令只对温室大棚内指定的卷膜进行操作，用户根据需要，只对其中的一个或几个卷膜进行控制。对于单个控制指令，系统规定命令0表示卷膜关闭，命令1表示卷膜打开。当控制器收到此类命令时，会立即执行相应的操作，将与之相连的卷膜打开或关闭。若卷膜正在打开的过程中收到了关闭的命令时，控制器不能立即控制卷膜电机进行反转操作，应该先让卷膜电机停下来，等待3秒钟使电机线圈内的电流完全被消耗掉，然后再执行反转操作，防止烧坏电机。反之，卷膜正在关闭的过程中收到了打开的命令，也应该这样。

2.批量控制指令对温室大棚内全部卷膜进行操作，实际应用中最常用的也是这类操作。对于批量控制指令，系统规定命令2表示全部卷膜关闭，命令3表示全部卷膜打开。由于系统采用24V电源统一供电，若系统中14个电机同时工作，瞬间电流会超出系统电源的输出能力，从而烧坏电源。为了避免这种情况保护电源，我们规定当控制器收到批量控制的命令时，不能立即同时控制所有14个卷膜执行相应的操作，而是采用延时执行的方案。每个控制器根据自己的拨码编址，以25s为间隔，确定延时的时间。第一个控制器的第一个卷膜延时0s，第一个控制器的第二个卷膜延时25s，第二个控制器的第一个卷膜延时50s，第二个控制器的第一个卷膜延时75s……，以此类推。由于每个卷膜从完全打开到完全关闭的整个过程中大约需要3min时间，所以当第9个卷膜电机开始工作时，第一个卷膜电机已到达最大行程开关而停止，从而保证系统最多只有8个卷膜电机同时工作。此时，系统电源的输出能力完全可以满足要求，在满足系统控制要求的同时保护了系统的工作电源。同样，当控制器收到与上一条控制指令相反的命令时，也要先控制电机停止转动，3s后再执行相反的操作，从而保护卷膜电机。

对于温室大棚内无正反转、只有开关两种状态的设备（如滴灌、风机、水泵等），系统规定，命令0表示设备打开，命令1表示设备关闭。控制节点收到该类命令时，不需要等待延时，直接执行相应的操作，控制设备打开或关闭。

（三）控制器手动/自动切换功能

与控制器相连接的设备通过接收边缘网关下发的控制指令而工作，边缘网关在整个系统中起着至关重要的作用。这样的设计有一个弊端，就是当边缘网关出现故障无法正常工作时，无法对整个系统进行控制，因而无法调节农作物生长环境，这对于整个温室大棚系统将会造成很大的影响。为了使系统更加具有灵活性，在边缘网关出现故障的时候能够暂时地采用应急预案维持系统正常运行，降低由此而带来的影响和经济损失，在每个控制器上设计了一套手自动操作切换按钮。设计原理如图

该设计采用一个两档开关来决定设备的控制状态是处于手动状态还是自动状态。设备的电源负端已经与供电电源负端相连，供电电源正端则与一个两档开关公共端相接，当两档开关公共端打到1位时，规定为手动状态，此时设备只能通过旁路的一个按钮开关来进行控制，设备的打开或关闭需要现场手动操作该按钮开关;当两档开关打到2位时，规定为自动状态，此时设备的电源正端与控制节点相连，利用控制节点来控制设备的打开或关闭。正常情况下两档开关打到自动状态，控制节点通过接收边缘网关发送的指令控制设备。当边缘网关出现故障暂时无法进行操控时，则将两档开关拨到手动状态，然后再操作旁边的摁钮开关使设备正常工作。该设计作为一个应急预案，保证了温室大棚内农作物生长环境的稳定，使系统更加具有适用性。

五、结束语

农业物联网无线通信控制器以CC2530芯片为核心，采用ZigBee自组网技术实现了对农业大棚的卷膜器、遮阳棚、通风机、水泵等设备的分布式控制。在实际应用过程中，系统能够稳定工作，基本满足了智慧农业生产的要求。该控制器具有自动和手动控制切换，提高了农业大棚设备的可控性，保证了控制系统稳定可靠的运行。

参考文献：

[1]冯莉，董桂梅，林玉池.短距离无线通信技术及其在仪器通信中的应用[J].仪表技术与传感器，2007，12（2）：31-32.

[2]王锐华，益晓新，于全.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析[J].测控技术，2005，24（6）：50-52.

基金项目：江西省重点研发计划（20181ACF60026）和江西省现代农业产业技术体系（JXARS-06）。