陕南有机稻田种植环境智能化监测系统设计与测试

王战备 韩团军 王桂宝 胡丽丽

摘要：根据陕南汉中有机水稻种植环境智能化监测的需求，基于ZigBee、NB-IoT技术设计有机水稻环境监测系统，利用带射频功率放大的CC2530模块设计ZigBee网络节点和协调器，采用自定义Channel、PanID、MAC等ZigBee协议参数，以此提高ZigBee无线通信距离和抗干扰能力，实现稻田大气环境和土壤环境的自动监测与分析，具有异常状态语音告警、基于OneNET云平台和手机App的稻田环境远程监测功能。测试结果表明，本系统中ZigBee无线传输距离最远可达400 m以上，并对其他ZigBee组网信号具有良好的抗干扰能力，OneNET云平台接入及数据上传通信延迟为5～10 s，系统各项功能运行较为稳定，能够满足汉中有机稻田环境智能化监测的基本需求。

关键词：有机稻田;环境监测;无线传感网;窄带物联网;云平台

中图分类号：S126  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）23-0195-06

收稿日期：2021-03-23

基金项目：国家自然科学基金（编号：61972239）;陕西省教育厅专项科学研究计划（编号：18JK0160）;陕西省社会科学基金（编号：2015R028）。

作者简介：王战备（1977—），男，陕西乾县人，硕士，副教授，主要从事无线传感网、物联网应用等方面的研究。E-mail：263337576@qq.com。

汉中市地处陕西省西南部、汉水上游，是国家南水北调中线水源地，区内气候温润、雨量充沛，是陕西省水稻主产区，也是全国最佳优质稻米适生区[1]。汉中市水稻年种植总面积约8万hm2，年产量近60万t，水稻种植面积和总产量占陕西省的近70%[2]。近几年，为实施南水北调中线水源地的环境保护，确保“一江清水供北京”，汉中市在传统水稻种植基础上积极发展绿色有机水稻种植，有机水稻已成为汉中市绿色农产品中的一张亮丽品牌，有机水稻种植也成为汉中地区实现农民脱贫致富、农村振兴发展的重要支柱产业之一。有机水稻对空气质量、土壤环境等要求较高，精准监测稻田大气和土壤环境、适时采取有效管控措施是保证有机水稻品质和产量的重要基础。近些年，以智能传感器、无线传感网、窄带物联网（NB-IoT）等为基础的物联网应用技术快速发展。利用物联网技术实现农业生产环境和生产过程的自动化、智能化监测已成为现代农业发展的主要方向，也成为农业信息化领域研究的热点。

汪凤珠等利用ZigBee无线传感器网络实现盐碱地中的水质、作物长势、病虫害信息的自动监测，并应用TCP/IP 协议设计盐碱地综合治理信息采集软件和远程信息云服务平台，实现了盐碱地资源信息的智能化监测与调控[3]。方圆等将ZigBee无线传感网和GPRS结合，实现棉田土壤温湿度信息的自动采集分析和远程传输，并利用NI LabVIEW设计上位机监测软件，实现棉田土壤温湿度信息的远程监测与控制功能[4]。韩团军设计了一种山区农田环境监测系统，该系统利用CC2430 ZigBee无线传感网采集农田环境信息，并通过WiFi技术建立无线传感网与远程服务器之间的数据链接，用户基于B/S模式实现农田环境信息的远程监控[5]。刘杰等将CC2530信息采集模块与智能寻迹小车結合，以移动方式采集温室大棚环境数据，并通过WiFi无线方式传输到PC端的LABVIEW监控平台，实现大棚温湿度和光照度的监测与调控[6]。崔红光等以CC2530 ZigBee无线技术设计水稻直播机播种质量无线监测系统，实现水稻播种过程的多点、实时监测，具有漏播、堵种等异常情况告警功能及故障监测点编号显示功能，便于用户及时排除水稻机播过程中的各种故障现象，确保水稻播种质量[7]。盛会等设计了一种基于CC2530的农田滴灌自动控制系统，利用传感器节点采集农田温湿度、光照度等环境参数，并通过ZigBee无线方式发送至控制主机，用户通过上位机软件监测农田环境参数变化，并能通过控制主机向各传感器节点发送控制灌溉控制指令，启动传感器节点上的电磁阀，实施输水灌溉[8]。

本试验在上述研究的基础上，结合汉中有机稻田环境监测的应用需求，基于ZigBee无线通信、窄带物联网（NB-IoT）、OneNET云平台应用等技术设计有机稻田环境监测系统，以满足汉中地区有机稻田环境智能化监测需求，也为物联网技术在陕南农业生产领域的推广应用提供借鉴和参考。

1 系统方案设计

本系统由终端节点和监测主机组成，终端节点采集稻田土壤环境参数和大气环境参数，并通过ZigBee无线通信方式发送至监测主机，由监测主机完成数据分析、显示、异常语音告警等功能。监测主机通过NB-IoT技术实现互联网OneNET云平台的自动接入，能将终端节点检测数据上传至OneNET云平台，用户通过手机App登录云平台，即可实现稻田环境参数的远程监测功能。系统总体设计方案如图1所示。

考虑到普通ZigBee无线模块通信距离短、抗干扰能力弱、难以满足稻田环境下的远距离无线通信需求，系统设计时，终端节点和监测主机的ZigBee无线通信方案采用带射频功率放大（PA）的ZigBee无线模块实现。该模块以TI公司的CC2530F256芯片为核心，内部包含1个增强型8051内核，搭载了RFaxis公司的功率放大芯片（PA）RFX2401C，输出功率+23dbm，理论传输距离可达1 000 m，支持IEEE802.15.4 和ZigBee2007pro协议，能有效增强无线通信距离并拓展带宽，且外围电路简单，是目前ZigBee远距离无线通信设计中最理想的类型[9]。

2 系统硬件设计

2.1 终端节点电路设计

本系统终端节点电路以射频功率放大ZigBee模块（CC2530+RFX2401C）为基础设计，其应用电路如图2所示。系统中设计了3种类型的终端节点，终端节点1为风速风向采集节点，终端节点2为大气温湿度、光照度及土壤温湿度采集节点，终端节点3为土壤pH值采集节点。因终端节点中采用了RS485接口传感器，为实现RS485传感器与CC2530处理器的信号电平转换，以MAX485芯片为核心设计了485接口到UART串口的转换电路[10-11]，满足RS485接口传感器与CC2530处理器的电路连接功能，接口转换电路如图3所示。

终端节点1中的风速风向传感器采用建大仁科的聚碳壳风速传感器和风向传感器[12]。这2种传感器均为RS485接口输出，电路设计时通过接口转换电路与CC2530处理器的UART0和UART1相连。风速传感器的分辨率0.1 m/s，启动风速<0.2 m/s，风向传感器支持8个指示方向和0～360 °连续测量（精度+1 °），风速风向传感器采用默认设备地址1，波特率设置为4 800。

终端节点2中的大气温湿度传感器采用数字式温湿度检测一体化传感器DHT11。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器[13]，采集的温湿度数据通过P0_1端口送往CC2530处理器。光照度传感器采用GY30型数字光照传感器[14]，其光照度检测范围0～65 000 lx，分辨率1 lx，采用I2C接口输出。电路设计时用CC2530的P1_4和P1_5端口模拟时钟线SCL和数据线SDA，实现光照度传感器与CC2530处理器的电路连接。土壤温湿度传感器采用赛通科技ST-TR-WS型的土壤溫度水分一体化传感器[15]。该传感器土壤水分测量范围0～100%，分辨率0.1%，检测精度3%～5%，土壤温度测量范围-40～80 ℃，分辨率0.1 ℃，检测精度±0.5 ℃，RS485接口输出，通过接口转换电路与CC2530处理器的UART0相连。

终端节点3中的土壤pH值传感器采用赛通科技的ST-TR-PH型土壤酸碱度传感器[15]。该传感器土壤pH值测量范围4～10，分辨率为0.1，精度±0.5，采用不锈钢探针，通过土壤埋置方式采集数据，RS485接口方式输出，通过接口转换电路与CC2530处理器的UART0相连。

2.2 监测主机电路设计

监测主机由主机控制器、ZigBee（协调器）模块、显示模块、设置模块、语音模块及NB-IoT模块组成。监测主机设计时，考虑到ZigBee CC2530处理器数据处理和存储能力有限，为满足监测主机功能要求，设计时采用双处理器结构。主机控制器采用ST公司的32位嵌入式微控制器STM32F103ZET6，用于大气环境检测和土壤环境检测等多路传感器接入、检测数据分析显示、异常语音告警、云平台接入与数据上传等控制功能。CC2530作为辅助处理器，主要运行ZigBee无线通信协议，实现ZigBee无线组网与数据传输功能。主机控制器STM32F103ZET6与辅助控制器CC2530之间采用串口通信，连接电路如图4所示。

监测主机中的显示模块采用分辨率320×240的3.2寸HMI 智能串口屏，通过4线SPI串行方式与STM32主机控制器连接。设置模块采用4×4矩阵键盘，实现阈值设置等功能。语音模块采用SYN6288 中文语音合成模块， 以串口通信方式与主机控制器相连，可将任意中文文字转换为中文语音播报，实现语音告警功能。NB-IOT模块由M5310A通信模组、RF 天线、SIM 卡和固件下载接口组成，支持TCP/UDP/COAP/MQTT/LWM2M等协议，可便捷快速地实现与OneNET云平台的连接。本系统中的NB-IoT模块通过串口通信方式与主机控制器相连，连接电路如图5所示。

3 软件设计

3.1 ZigBee无线组网设计

终端节点和监测主机之间ZigBee无线通信基于TI公司的ZigBee Z-Stack 2007协议栈，网络拓扑为星型，试验网络由1个协调器和3个终端节点组成。设计时，为避免其他ZigBee无线网络的信号干扰，在TI SmartRF FLASH软件中将协调器及终端节点的Channel、PanID、MAC地址等网络参数设置为表1所示的自定义值。设置完成后，协调器及各终端节点依次上电启动，按照协议规则自动完成网络创建与节点入网，形成覆盖监测区域的ZigBee无线网络，协调器负责给每个终端节点分配1个16位短地址，作为该终端节点在网络内的识别标志。

3.2 终端节点控制软件设计

各终端节点控制程序基于Z-Stack应用层API接口设计，主要完成节点入网、数据采集与封装、数据发送等功能。节点上电启动并成功入网后，按照系统设置的检测周期，定时采集稻田环境参数，并将采集数据封装后通过ZigBee无线网络发送至监测主机，随后节点进入休眠状态。节点数据封装以ZigBee协议帧结构为基础，结合系统功能要求，增加了节点编号、节点类型、采集时间等字段，数据字段长度根据终端节点采集参数种类的不同而不同，终端节点1（风速风向）的数据字段为6字节，终端节点2（大气温湿度、光照度、土壤温湿度）的数据字段为8字节，终端节点3（土壤pH值）的数据字段为4字节，封装数据格式如表2所示。

3.3 监测主机控制软件设计

主机控制器STM32F103ZET6初始化完成后，通过串口发送AT指令，控制NB-IoT模块（M5310A） 基于LwM2M 协议接入中移物联网OneNET云平台，实现NB-IoT设备注册上线，再由用户根据实际情况设置各参数检测阈值，随后监测主机通过串口接收协调器转发的各节点检测数据，并完成各节点检测数据的分析与显示。所接收的检测数据如有异常，主机控制器控制语音告警模块实施语音告警，播报语音信息包含节点编号和异常参数类型，例如“请注意，1号终端大气温度异常”。1次采集结束后，监测主机将各节点数据封装为1个数据包（封装数据格式如表3所示），再由STM32F103ZET6控制器利用AT指令控制M5310A模块，通过NB-IoT链路将检测数据包上传至OneNET云平台。监测主机控制流程如图6所示。

3.4 OneNET云平台接入设计[16-17]

NB-IoT模块基于LwM2M协议接入OneNET云平台，整个过程包括2个阶段，一是OneNET云平台上的产品创建与设备添加，二是M5310A模组初始化及其与基站和服务器之间连接。用户登录中移物联网OneNET云平台，在“开发者中心”完成产品创建，设置产品名称、类别及接入方式、接入协议等参数。创建成功后添加设备，填写设备名称、IMEI码、IMSI码，并开启自动订阅功能。在模组侧，主机控制器通过AT指令控制M5310A模组实现初始化及网络连接，并完成设备创建及资源配置与订阅（Object 和Resource 配置）。在此基础上，M5310A模组登录OneNET云平台，建立监测主机到OneNET云平台数据通信连接，所有终端节点数据便可通过监测主机上报到OneNET平台。手机App通过OneNET云平台的API接口，实现对数据的读取和控制指令下发功能。

4 系统测试与分析

2020年10月4日，在陕西省汉中市南郑区梁山镇某有机稻种植基地对本系统进行了测试，测试内容包括ZigBee无线通信距离、ZigBee抗干扰性能测试、系统整体功能。

4.1 ZigBee无线通信距离测试

在稻田视距环境下，用1对ZigBee节点（CC2530+RFX2401C），以点对点通信方式测试ZigBee无线通信有效距离，为网络节点位置的设置提供依据，测试结果如表4所示。测试发现，通信距离在300 m内时，数据丢包率较小，无线传输过程基本稳定;当距离超过400 m时，ZigBee无线通信仍可进行，但数据丢包率会大幅度增加，影响系统监测性能;当距离超过485 m时，无数据接收，ZigBee无线通信中断。

4.2 ZigBee抗干扰性能测试

测试过程中协调器和各终端节点的Channel、PanID、MAC等网络参数采用表1所示值，在监测主机旁边设置一个相同器件类型的干扰协调器，干扰协调器采用默认的Channel、PanID、MAC参数值。上电启动后，监测主机中的协调器和各终端节点能够按照ZigBee协议及自定义参数完成ZigBee无线组网及节点入网。组网过程快速、稳定，并能有效排除干扰协调器对ZigBee组网过程的干扰，避免附近其他ZigBee信号对本系统组网和数据传输性能的影响。

4.3 系统功能测试

监测主机和终端节点上电启动并组网后，各个终端节点均能按照既定采集周期完成大气温度、湿度、光照度、土壤温度、湿度、风速、风向等参数采集，并能通过ZigBee无线方式发送到监测主机。监测主机能接收各终端节点数据，并能完成数据分析、显示及异常语音告警控制等功能，同时还将各终端节点检测数据上传至OneNET云平台。用户可以通过手机App远程观察各终端节点的检测数据，系统运行稳定。测试过程中发现，因网络覆盖信号强度、网络稳定性等因素影响，监测主机连接OneNET云平台和检测数据上传更新过程均有5～10 s 不等的通信延迟。监测主机测试结果和手机App测试结果如图7、图8所示。

5 结论

本试验设计了一种基于NB-IoT和ZigBee技术的有机稻田环境参数监测系统。该系统利用终端节点定时采集水稻种植区内的大气和土壤环境参数，并通过ZigBee无线方式发送至监测主机，由监测主机完成数据分析、显示及异常语音告警。监测主机具有基于NB-IoT方式的OneNET云平台自动接入功能，可将各节点检测数据上传至云平台。用户通过手机App远程登录云平台，即可实现稻田环境参数远程监测功能。测试结果说明，本系统可在通信距离不超过400 m的稻田种植区内构建较为稳定的环境监测无线网络，且具有良好抗干扰性能，能够实现稻田大气环境温湿度、风速、风向、光照度、土壤温湿度、土壤pH值等环境参数的采集、分析及无线传输，并能够实现OneNET云平台的自动接入、数据上传及基于手机App的稻田环境参数远程监测功能。系统各项测试指标能够满足有机水稻种植环境参数监测的基本需求，可作为汉中有机水稻种植智能化、精细化管理的有效工具，也可为物联网相关技术在陕南农业环境监测领域内的应用推广提供借鉴与参考。

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