基于物联网的宽光谱多参数实时监测系统

雷勇

摘要：针对农业大棚的现状，为快速掌握大棚内主要环境参数的变化情况，设计了基于物联网的宽光谱多参数实时监测系统，以CC2531和STM32WB芯片作为主控芯片，采用ZigBee-4G技术实现终端分布式组网，以及与监控中心之间的通信，实现对大棚常规环境参数的远程实时监控以及植物生长土壤成分含量的光谱分析，从而更加全面地动态掌握植物的生长和培育状况。试验结果证明了系统的可靠性和有效性，有利于快速掌握大棚培育环境的特性，为大棚培育优化提供参考。

关键词：ZigBee；4G；物联网；大棚；监测系统

中图分类号：TP391.8文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）06-62-4

0引言

随着科学技术的不断进步，我国温室栽培呈现规模化发展的趋势，温室系统的环境参数对植物的生长至关重要，传统的温室环境参数主要包括温湿度、CO2浓度等，面对种类复杂的植物，只对这些指标进行监测已经不能满足要求，本文将物联网以及现代光谱学技术相结合，开发出一套基于物联网的宽光谱多参数实时监测系统，可以实现对温室系统的温湿度、CO2浓度、光照强度以及土壤成分含量等温室植物生长指标进行实时监测。通过后台监控中心对植物生长环境进行实时了解，确保植物处于合理高效的生长环境，提高经济收益。

1系统总体设计

基于物联网的宽光谱多参数实时监测系统主要由大棚群监测节点、中间服务器和监控中心三部分组成，大棚群监测节点采用ZigBee-4G技术[1-3]，协调器作为主节点，终端节点作为从节点，实行一主多从的形式来实现多点分布式监测。终端节点完成各参数的采集，并通过ZigBee协议将数据传送至协调器；协调器负责接收终端节点的数据，并按照自定义协议对数据进行组装和缓存，协调器分析服务器通过4G网络下发的命令，根据命令的类型完成数据采集或对终端节点的控制操作，最后在监控中心实现对基本环境数据的显示以及光谱数据的分析、曲线绘制以及建立模型等功能，如图1所示。

2硬件設计

系统在硬件设计上采用模块式的设计方式[4]，硬件主要包括终端节点和协调器两部分，整个系统硬件原理图如图2所示。

终端节点采用TI公司的低功耗、低成本的CC2531系列芯片最为主控芯片，芯片内嵌8051微控制器，具有256 KB Flash，以及SPI，USB，UART等常见外围接口，支持ZigBee3.0协议，满足应用设计要求。

在终端节点中使用DHT11作为温湿度传感器来完成环境参数中温湿度的采集，该传感器检测灵敏度高、接口简单，符合低成本、低功耗的设计要求。CO2传感器采用英国GSS型的MINIR[5]，是一款低功耗的红外CO2传感器，采用UART进行信号输出。

光谱传感器则采用AMS公司的AS7265X系列传感器，通过UART与主控制器相连，主控芯片只需要通过简单的几条AT指令便可以控制传感器，高效完成光谱数据的采集，LED检测灯采用高光源非损耗LED，实现数据采集中背光的补偿。

协调器采用支持多无线通信协议的STM32WB55系列芯片作为主控芯片，该芯片支持BLE5.0，ZigBee3.0，2.4 GHz等无线通信，运行主频高达64 MHz，存储容量可达1 MByte，完全满足进行大量数据处理和缓存的要求，协调器与终端节点之间通过ZigBee协议进行通信，将终端节点采集的数据按照自定义协议格式进行封装和缓存。4G无线通信模块采用SIM7600CE[6-7]，实现与中间服务器进行命令和数据交互。

3系统软件设计

3.1嵌入式软件设计

系统的软件设计包括嵌入式软件和PC端应用软件两部分，嵌入式软件主要包括以CC2531为核心的数据采集软件和以STM32WB为核心的数据处理与传输的嵌入式软件，本系统嵌入式软件均是在Keil平台上采用C语言，结合STM32和CC2531库函数，采用从上至下模块化的设计模式，嵌入式软件工作流程如图3所示。

协调器的一个主要任务是对终端节点进行组网操作，从而实现对终端节点的数据进行接收，由于采用的是一对多的设计方式。因此，存在终端节点接入发生碰撞的问题，为解决碰撞问题，设计了专门的盘点算法。盘点就是协调器识读工作范围内所有的终端节点。盘点模式工作过程包括就绪期、接入期、收集期和会话期，盘存过程主要在接入期和收集期完成，终端接入期时序示意图，如图4所示。