基于ZigBee的智慧农业网络监测系统设计

2021-11-17马凯

江苏通信 2021年5期

马凯

盐城生物工程高等职业技术学校

0 引言

ZigBee技术是基于小型无线网络而开发的一种新兴的无线通信技术。凭借低功耗、低成本、易操作、低速率等特点，很适宜在农业温室大棚监控领域使用。利用ZigBee控制节点来控制温室大棚内设备的开关，协调控制温室大棚的环境参数，为农作物的生长提供最佳的温度、湿度、光照、通风和水分等条件，从而提高农作物的产量和质量。本文设计的基于ZigBee技术的智慧农业管理系统可以很好地实现温室大棚中的数据采集和远程控制，从而充分满足农业信息化的要求。

1 系统总体架构

信息技术被引入和应用于智慧农业行业，主要作用是对农作物的成长环境进行持续化、实时化、动态化监测。若监测到某参数异常，或者发现不适合农作物正常成长的因素，管理人员可下达调控指令，启动或者关停相关环境调控装置，保证当前参数在允许范围内，在提高农作物产量的基础上获得可观的收益，同时，推动农业逐步朝着现代化、信息化、自动化方向发展。

本次设计的智慧农业网络监测系统共分为传感层、网络层、应用层，其架构如图1所示。其中，传感层的核心作用是全面、快速地提取并处理信息；网络层的主要作用是将接收到的数据信息便捷、高效地传输至服务层，提高数据的传输效率和质量；应用层的主要功能是将各相关技术进行有效对接及深入融合，共同完成对特定信息的提取、处理及保存，由此构建能够为业务的正常运行提供积极支持的数据库。

图1 系统整体架构

2 系统各模块设计

2.1 采集器设计

采集器将CC2530芯片作为主控芯片，在组网环节发挥重要作用，利用ZigBee无线网络、RS485总线实现和边缘网关的持续化、稳定化通信。采集器电路板配备了一个拨码开关，其编址为00000bit-11111bit，通过编址实现对温室大棚内各类采集器的精准化、高效化定位。该系统可以配备32个采集器，有助于实现对棚内各类参数信息的全面采集。

采集电路设计如图2所示，其中，1脚与大地相连接，由3个压敏电阻共同构成一个合理、有效的防雷模块，在电源遭受雷击的情况下，将电流经1脚快速导向大地；电源输入电路中引入单向二极管，主要功能是避免电源正负反接并导致电路受损；安全规范地配置自恢复保险丝，如果短路，可自动、快速地切断电路。以上设计有助于采集电路安全、稳定地运行，避免受到各种因素的不利影响。4脚为24 V电压输出，主要功能是为土壤水分传感器保持正常、稳定的运行提供持续的电能；5脚为3.3 V电压输出，与LM2595-3.3电路相连接，主要功能是为主控芯片CC2530及其他相关传感器提供持续电能。

图2 采集电路设计

大部分传感器数据读取接口均利用I2C总线或是标准4～20 mA电流进行输出，在电路设计过程中，已设想提供适用于各类传感器的接口形式。6脚连接P1.0管脚，可将其视为I2C总线通信的时钟线SCK，支持若干个传感器共用一个SCK，既有助于减少芯片资源的投入，又便于电路板合理布线。7、8、9、10这4路引脚不仅能用作I2C总线通信的数据线DATA，也能够用于4～20 mA电流输入的信号接口。比如7脚，在使用过程中，如果不焊接电阻R16电容C15，那么可将其定义为I2C总线的DATA线，也能够通过R3、R15决定有无必要上拉电阻；如果不焊电阻R3，那么50 Ω的电阻R16会将4～20 mA电流信号快速、高效地转变为0.2～1.0 V的电压信号，其中，管脚P0.4将实时、精准地采集此信号，经AD转换处理后，准确、快速地读取数据。由此，一个采集器可以连接4类传感器，并且根据其接口的具体形式自动匹配合适的电路，实现对温室大棚各类参数的实时监测、快速纠正等。

采集器的运行机制如图3所示。在接通电源后，第一步，启动并初始化系统，连接网络；第二步，通过时序的当前具体值，灵活、准确地读取相关传感器，确保其监测到的数值实时、精准、快速地更新。在获得边缘网关的查询指令时，将接收到的监测数据快速传输至边缘网关。查询指令不仅可以利用ZigBee无线网络进行快速、有效的传输，也能够利用RS485总线进行传递，采集器在运行过程中能够自动调用合适的通道，将获取到的各种最新数据实时、精准地发送至边缘网关。

图3 采集器工作流程

2.2 控制器设计

控制器电路设计了4路光耦输出电路，与继电器输出电路相连接，共同发挥作用，可通过调整继电器开关状态完成对大棚内各类设备的启动与关停，具体如图4所示。

图4 控制电路设计

为增强系统的实用性和可控性，其控制电路设计需根据实际应用情况科学、合理地确定卷膜控制规则，其支持两种不同的控制模式：精准的单个控制模式和高效的批量控制模式。软件控制流程如图5所示。

图5 控制器工作流程

（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。在此模式下，系统明确指出，通过定命令0令卷膜保持关闭状态，命令1令其处于打开状态。在控制器感应到此指令后，会马上进行针对性处理，即根据感应得到的指令运行和关停卷膜。若在开启卷膜时感应了关停的指令，控制器就无法有效接收指令，当前处理进程就会被中断，并且与其连接的卷膜状态会被实时调整。若在开启卷膜时感应了关停的指令，控制器无法马上控制其反转。先调控卷膜电机暂时中止运行，待数秒后，即电线圈中的电流为0时，进入反转处理环节，避免电机受到损害；反之亦然。

（2）批量控制指令，是应用比较广泛的一种操控手段。此模式下的控制指令非常多，其中，指令2是代表所有卷膜处于关闭状态，指令3是代表每个卷膜都需保持打开状态。本系统连接24 V电源，电能比较小，若14个电机同步运行，势必会产生巨大的瞬间电流，远远超过系统电能，导致电源受损。因此，为保证电源安全、稳定地运行，设定了如下原则：如果控制器在运行过程中同时接收了大量的控制指令，不可让所有卷膜马上响应执行，而是采取延时执行策略。所有控制器均有特定的拨码编址，可以此为基准，设置间隔为25 s，由此实现不同卷膜在不同时间节点的精准、有序响应。整个过程耗时3 min左右，在第9个卷膜电机进入运行状态时，首个卷膜电机已处于关闭状态，由此确保系统运行过程中至多有8个卷膜同步执行。在此情况下，电源输出满足实际应用需求，并且不会受到损害。纵然控制器接收到的指令与前一条截然不同，亦需要先令电机终止运行，待3 s后响应新指令，以保证卷膜电机处于良好的运行状态。

2.3 边缘网关设计

边缘网关是系统设计中不可或缺的重要构成，主要负责为两种协议的不同网络提供安全、规范的接口，扮演“网络翻译器”的角色。在本设计中，现场采集器、控制器通过ZigBee协议实现了与RS485总线的稳定、有效通信。由于上位机客户端为网络通信，两种不同的网络之间不可直接对接，此时，边缘网关即可派上用场，将两者有效对接。

结合总设计结构，为增强系统的安全性、可靠性以及灵活性，本设计采用了MCGS触摸屏和边缘网关进行规范、合理的连接，创设了新的通信链路，以实现和边缘网关的高效通信，便于管理员在现场直接调控。这也意味着边缘网关的主控芯片USART接口不可少于3个，依次和CDMA模块、RS485总线、MCGS触摸屏构建稳定、持续的通信关系。CC2530仅存在两个USART接口，如果只和前两个对象进行连接通信，在未配置MCGS触摸屏的情景下能够发挥网关作用。为进一步提高系统的灵活性，本设计只采用CC2530，无法全面、有效地满足后期功能扩展的需求，因此，边缘网关主控芯片选取了STM32系列芯片STM32F103V ET6。作为当前应用比较广泛的微控制器，STM32采用经典的ARM-Cortex-M3内核，不仅经济性好，并且性能可靠，不会产生较大功耗，兼容性强，表现出广泛适用性。用STM32替代之前的CC2530，并不只是因为其接口丰富，更重要的原因是其性能可靠，符合设计要求。STM32F103V ET6含有64 K字节的RAM和512 K字节的可编程闪存，明显优于CC2530，所以，STM32的功能更完善，且不会有较大损耗，符合应用需求。

STM32芯片包含3个USART接口，其中，USART1和CDMA之间进行连接，由此和网路平台服务器之间保持稳定、持续的通信关系。USART2与CC2530芯片之间稳定、可靠的连接，由此实现与CC2530的实时化、动态化信息交互。不同装置的CC2530芯片之间实现双向通信，不仅包括ZigBee芯片的无线通信，也涉及基于SN65HVD 11芯片的RS485总线通信。CDMA模块和CC2530与STM32被集成至相同的电路板上，距离非常近，说明其之间通信距离非常短，故可将数据接口相连。USART3利用RS485收发芯片和MCGS中的数据接口进行稳定、规范的连接，和触摸屏进行实时、高效的通信，管理员可直接通过操作触摸屏下发命令，由此实现对各相关装置的实时调控。因此，边缘网关选取经典且高效的双CPU工作模式，不仅便于功能拓展，也能通过CC2530实现对无线射频的收发。电路设计如图6所示。