基于ZigBee的分布式农业环境监测系统设计*

刘飞飞, 徐隆姬, 马礼然

(江西理工大学 电气工程与自动化学院,江西 赣州 341000)

0 引 言

随着农业的生产越来越精准化,对农产品生长环境的要求越来越严格才能保证产品的质量。其中温湿度、光照强度和空气中CO2含量是影响农作物生长的主要因素,对这些因素进行定量实时监测具有重要意义,由于农业的分布区域广泛,如何把各个区域的环境数据进行采集和集中监测是农业现代化的一个研究热点。传统农业监测靠人工用精密工具现场测量记录,也有的采用布线式或无线的传感器采集后将数据发送到专门制作好的监测界面的上位机或者购买专门的服务器存储数据等[1～7],这些方案在成本和工作效率上都还有很大的改进空间。

本文设计出一种通过中国移动发布的开放OneNet物联网云平台[8,9]结合ZigBee自由组网和4 G网络技术实现对农环境的数据的实时采集和监测系统,相比较以往的监测系统更加高效、节能、成本低。

1 系统总体设计

本文采用星形结构,系统的总体设计结构如图1所示。

图1 系统结构图

监测系统主要由ZigBee采集终端传感节点、网络协调器、4 G网络模块等部分组成。采集的主要数据是土壤的湿度、空气中CO2浓度、区域的光照强度和温度。通过安放在农业区域的各个位置的无线采集终端传感节点将采集到信息传送给网络协调器,由协调器将数据通过与4 G模块进行串口通信,再将数据通过4 G网络发送至中国移动OneNet云平台数据服务器,用户使用连接网络的PC上位机或者移动终端登陆OneNet管理平台就可以观察到现场反馈回来的实时和历史数据。ZigBee的组网有三种结构分别是星型、树型和网状网型。

2 监测系统的硬件设计

2.1 采集终端和协调器电路

目前市场出现很多ZigBee芯片,但是TI公司生产的CC2530芯片因其性价比高、通信组网能力强、功耗低等优点被广泛使用。该芯片内核为8位的8051并内置射频模块,具备2个USART通信口、21个通用I/O引脚、P0端口可设置为单端或者差分输入的8个ADC通道,转换精度可达12位、8 kB的SRAM和256 kB的ROM,满足对现场数据处理的速度要求和数据的存储与发送。采集终端和协调器主板相同,为了满足现场数据的传输和采集设计如图2所示的最小系统主板硬件电路。

图2 最小系统主板电路

2.2 采集终端传感器

本文选用具有I2C和模拟量输出端口的传感器进行现场环境数据的采集。传感器型号具体参数如表1所示。CC2530内部自带有A/D转换器,转换精度最高12位。模拟量使用单端电压输入模式,并且模拟量输入只能是P0端口。由CC2530采集终端将传感器的数据进行有效转换和存储。

表1 传感器技术参数

2.3 电源模块

为了保证农业现场环境的硬件系统能够正常长时间工作,本文选用12 V的18节直流锂电池模组,配置供电模块,其容量为16 800 mAn,最大输出电流为20 A,可重复充电使用。为了提供给采集终端、网络协调器、4 G模块供电还需设计如图3，图4所示的电压转换电路对设备提供3.3 V和5 V供电。

图3 12 V转5 V电路

图4 12 V转3.3 V电路

2.4 4 G网络传输模块

使用4 G网络模块相比于传统GPRS网络在速度上更快、信息发送量大能够保持数据采集的精确度且通信费用低。本文使用4 G模块型号为ZSD3410,主要由STM32单片机与SIM7600 LTE模组构成,预留多种串口方便与外部通信。

3 系统的软件设计

整个软件设计分为ZigBee模组和4 G模块两部分,分别在IAR和Keil uVision5 软件平台使用C语言编写开发。

3.1 协调器节点软件设计

协调器主要负责网络节点的数据收集和转发,是监测系统网络的重要部分。

协调器上电以后,程序首次初始化CC2530硬件模块,然后扫描信道,之后会检查是否建立ZigBee网络成功。成功以后进入无线监控模式,当有终端节点请求加入网络成功,便会自动分配唯一16位网络地址,并将终端节点的地址和更新的数据进行存储。协调器将从终端节点传回的数据通过串口函数传递给4 G模块。

3.2 采集终端节点软件设计

本文采集终端节点加入网络是通过采集节点发起关联信号加入协调器网络。系统上电初始化CC2530模块便开始信道扫描,检查协调器的存在,检测到协调器之后再发送关联请求,等待确认帧和分配到的网络短地址,包含新连接和连接状态的响应命令,至此子节点和协调器便成功连接可进行通信。连接网络成功之后CC2530进行休眠低功耗模式,通过定时器中断的方式处理采集传感器的数据进行转换和存储然后发送到协调器。

3.3 4 G模块程序的设计

使用OneNet云平台需要进行登陆注册、新建项目、新增设备、新增数据流、几个步骤。在云项目创建中会生成设备ID、产品ID、接入密匙、鉴权信息。OneNet支持的接入的协议很多,如HTTP、增强设备协议(enhanced device protocol,EDP)、消息队列遥测传输(message queuing telemetry transport,MQTT)协议等。选用MQTT协议,因MQTT协议的特点是轻量级、开放性强、通信高、代码少。

模块上电以后系统硬件初始化首先检测SIM卡是否存在,然后申请加入4 G网络,入网成功以后,按照MQTT协议封装好的创建项目生成相关数据如IP地址和端口号等请求包登陆OneNet服务器,成功登陆以后即可发送串口寄存器数据,每次发送完成数据之后云平台返回确认包,否则系统报错。

4 系统测试与分析

为了验证本系统的有效性,将制作好的硬件模块放在相距在200 m左右的两个蔬菜大棚之内。系统上电之后,通过PC客户端登陆云平台项目创建时生成的http链接地址访问中国移动云平台,可以清楚的看到如图5所示的监测界面,上面显示实时大棚内部的温度、CO2浓度、土壤湿度、还有光照强度信息。

图5 环境监测界面

为了方便用户查看关于环境监测日志,OneNet还提供历史数据记录和导出功能,导出部分环境监测数据CO2浓度和温度如表2所示。

表2 CO2与温度数据表

通过人工对现场的环境数据和监测数据的对比,误差仅在5 %以内,满足对监测精度的要求。系统设计的部分硬件实物如图6所示。

图6 传感器数据ZigBee采集终端

5 结束语

本文通过设计ZigBee现场数据采集终端和网络协调器结合4 G模块,利用中国移动免费的OneNet云物联网平台实现了分布式农业环境的高效、精确的采集,为农业监测提供可靠有力的技术方案,与传统农业环境监测方案相比更加灵活和高性价比,具有相当的借鉴和使用价值前景,是中国制造2025具体表现。