基于物联网的甘蔗农田数据采集系统设计*

广西民族师范学院，物联网技术集成与应用重点实验室 杨秀增

为了实现甘蔗种植的信息化和网络化管理，设计一套物联网甘蔗农田数据采集系统。该系统由甘蔗田间节点，数据集中器、服务器和监控数据中心四大部分组成。采用TI公司的CC2530芯片与技术组建无线网络。系统采用“STC15单片机”+“CC2530单片机”双核设计结构。甘蔗采集节点把采集到的空气温度、湿度、光强强度和土壤湿度值，通过无线网络发送到数据集中器。数据集中器再通过GPRS网络把数据发送到监控数据中心。用户通过手机App界面查看数据。测试结果表明，本系统工作稳定、满足设计要求。

蔗糖在人们生活中占有极其重要的地位，逐渐成为是一种重要战略物资。广西是我国最大的蔗糖生产基地，种植面积和产量占全国的 60%以上。但是， 目前我国的甘蔗种植业生产技术比较落后，产业运营成本高，信息化管理水平还比较低。

甘蔗的生长与空气温度、湿度、光照强度、土壤湿度等因素息息相关。本文利用物联网技术[1-2]，设计一套甘蔗农田数据采集及监控系统[3-4]。采用ZigBee无线传输技术，实现甘蔗田间环境参数的无线传输，首先把甘蔗田间环境参数传回到集中器，集中器再通过RGPS网络数据传到服务器，实现蔬甘蔗田间环境参数远程采集，为以后开展甘蔗物联网应用打下良好的基础。

1 系统总体方案设计

图1为甘蔗田间数据采集系统的总体设计框图。框图采集四层设计结构，主要由甘蔗田间节点、数据集中器、服务器和监控数据中心四大部分组成。

图1 设计总框图Fig.1 Design the general block diagram

甘蔗采集节点由环境传感器组、单片机控制器和ZigBee通信模块组成。环境传感器组包括空气温湿度传感器、光照强度和土壤温湿度传感器。这些传感器被部署在甘蔗田间中，能实时采集甘蔗田间的各项环境参数。单片机采集到的数据通过ZigBee通信模块，发送到数据集中器进行数据汇集。然后汇总数据再通过GPRS网络发送到服务器和用户数据监控中心。

2 硬件设计

2.1 采集节点硬件设计

图2为甘蔗农田采集节点硬件设计框图。本设计主要由单片机、RS232/485接口转换电路、土壤水分传感器、光照传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器、驱动电路、输入键盘、ZigBee通信模块、LCD液晶显示模块组成。单片机采用型号为STC15W4K32S4单片机，此单片机是STC公司的高速单片机，内部集成高精度R/C时钟，不用外接晶振电路，其次，单片机内部还集成4组独立的高速异步串行口。节点硬件连接电路如图2所示，P1.0～P1.7连接输入键盘，P3.0～P3.1连接Zigbee通信模块，P3.6～P3.7连接LCD液晶显示模块；P1.0～P1.1连接连接RS232/485接口转换电路，P2.0连接驱动电路。当土壤湿度低于湿度设置值时，灌溉开关被打开,灌溉电机工作，对甘蔗田间土壤进行灌溉。传感器采用标准ModBus-RTU485通信协议，传感器通信地址及波特率可通过厂家的上位机软件进行设置，通信可靠高、抗干扰能力强，可靠传输距离可达2000m。传感器的外形如图3所示。

图2 甘蔗田间采集节点设计框图Fig.2 Block diagram of field acquisition node

图3 传感器的外形Fig.3 Sensor profile

2.2 集中器硬件电路设计

集中器的主要作用是，接收并汇集甘蔗农田各个传感器的数据，并通过GPRS网络把汇集数据发到数据中心。图4为数据集中器硬件框图，主要由STC15W4K32S4单片机、触摸屏显示器、MAX232接口、GPRS通信模块、ZigBee通信模块等组成。主控芯片采用STC15W4K32S4型单片机，ZigBee无线通信模块采用CC2530单片机芯片。主控单片机的UART0与MAX232接口芯片相连，主要用于程序下载和设备调试；主控单片机UART1与ZigBee无线通信模块相连；主控单片机的UART2与触摸屏显示器相连，用于显示数据。UART3与GPRS通信模块相连，把采集到的数据发到数据监控中心。

图4 数据集中器硬件原理图Fig.4 Hardware schematic of concentrator

3 软件设计

3.1 协议栈移植及应用程序开发

图5为数主控单片机的主程序算法流程图。当单片机加电时，首先对系统的外围设备进行初始化，然后执行协议栈网络层相关程序，建立无线传感器网络。系统查询是否有新节点要加入网络，如果查有新节点，给新加入的节点分配16位网络地址，允许节点加入网络。然后再查询是否收到节点数据，如果收到新的数据，执行解析数据程序，对收到数据包进行处理，设置串口传送数据事件，通过GPRS通信模块发到数据监控中心。

图5 数据集中器程序算法流程图Fig.5 Algorithm flow chart of concentrator

3.2 采集节点程序设计

采集节点采用“STC15单片机”+“CC2530单片机”双核设计结构，STC15单片机负责数据的甘蔗田间数据的采集，CC2530单片机负责无线传感网络的建立、路由和数据的传输等，CC2530单片机这些功能是通过移植TI公司的ZStack协议栈来实现。这两种单片机之间通过串口进行通信。图6为STC15单片机序工作流程图。第一步系统初始化，并打开串口中断和启动数据采集定时器。第二步判断数据采集时间是否到，如果时间到，则设置数据采集事件，操作系统执行数据采集事件，并分析数据，分析数据之后，判断土壤中的湿度是否低于设置值，如果低于设置值，打开灌溉电机电源，如果土壤湿度高于设置值，则关掉灌溉电机。最后，判断是否收到数据集中器发数据命令，如果收到命令，则把采集到的数据以数据包的形式，发到数据集中器。

图6 采集终端算法流程图Fig.6 Algorithm flow chart of acquisition terminal

4 系统测试

我们根据以上技术方案设计样机，并对样机进行测试，把设计好的采集节点部署在甘蔗田间不同区域。装置上机以后，在数据采集器的LCD显示屏上显示了各个节点传回的数据，显示界面如图7所示。

图7 数据集中器采集数据显示界面Fig.7 Display interface for collecting data of concentrator

5 结语

蔗糖产业是推动我国农村经济增长的主要驱动力之一，近些年来，随着我国食品工业的发展,目需糖量越来越大，蔗糖产业对于甘蔗作物的需求量逐年增加。传统的低产能的种植方式，不能适应目前形势的发展，甘蔗作物信息化网络化管理模式是未来的发展方向。本文利用物联网技术，设计一套物联网甘蔗农田数据采集系统，实现甘蔗农田数据自动采集和传输，为下一步的甘蔗农作物物联网应用研究打下良好的基础。

本项目得到2019年度广西民族师范学院物联网技术集成与应用重点实验室资助。