基于ZigBee和NB-IOT的智慧垂直农业系统设计

姜士璇，李淮江，吴瑞瑞，李东

（1.淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北，235000；2.安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽合肥，230000）

0 引言

随着我国经济和城市化进程的高速发展，城市人口流动速度加快，耕地面积减少，导致粮食短缺和土地资源紧张。与传统农业相比，垂直农业能源消耗低，产量高[1]；减小农作物生产过程中的自然环境因素的影响，系统具有可控性、可预测性和可复制性。

系统以STM32[2-3]单片机为主控制器，利用物联网的感知层、传输层、平台层和应用层结构设计[4]。感知层采集环境信息；传输层分为ZigBee通讯和NB-IOT通讯，ZigBee通讯是终端将采集的数据通过协调器传输至主控制器；NB-IOT通讯是控制器将终端数据打包上传到云平台；平台层应用物联网开放云平台，保存和显示数据、智能调控终端设备；应用层是用户能够通过手机应用程序和云平台网页访问数据，并能发送控制指令。

1 系统的总体设计

本系统采用模块化设计，由采集模块、通信模块、控制模块、报警模块和应用客户端组成。采集模块采用多路传感器采集温室内的环境信息；通信模块将传感器采集的数据传输至OneNET云平台进行存储和管理，底层设备和云平台的数据交互利用ZigBee和NB-IOT通讯技术；控制模块由LED灯、水泵、窗帘、加湿器和通风扇等组成，当传感器采集数据超出或者低于阈值，控制模块调节温室内的环境指数，报警模块报警。应用客户端是指Android和PC两种人机监控界面，用户可远程实时监视温室内的环境信息或发送控制指令远程调节温室内的环境参数。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

1.1 主控制器最小系统设计

主控制器最小系统由微控制器、复位电路、供电电路、2个外部晶振构成，微控制器采用高性能低功耗的STM32F103嵌入式微控制器，芯片内部集成了一颗基于FPU的ARM的32位Cortex-M4内核，丰富的外设资源，运行速度较快。

1.2 空气温湿度采集电路

采集空气温度和湿度的复合型传感器DHT11[5]，功耗低体积小，响应速度快且抗干扰能力强。DHT11的DATA引脚与ZigBee终端节点1的P0.7端口相连，DHT11空气温湿度采集电路如图2所示。

图2 DHT11空气温湿度采集电路

1.3 土壤湿度采集电路

土壤湿度采集采用湿度计检测模块，包含LM393比较器和电阻电容。模块具有双输出方式，系统输出方式选择模拟量输出，精确。土壤湿度传感器模块的AO引脚与ZigBee终端节点1的P0.6端口相连。土壤湿度采集电路如图3所示。

图3 土壤湿度采集电路

1.4 光照强度采集电路

光照强度采集采用光敏电阻传感器，包含光敏电阻，LM393比较器，指示灯和电阻电容。输出数字信号，且驱动能力强。光敏电阻传感器模块的AO引脚与ZigBee终端节点2的P0.6端口相连，光照强度采集电路如图4表示。

图4 光照强度采集电路

1.5 C02浓度采集电路

采用MG811[6]模块采集CO2浓度，受外界环境影响较小，灵敏度高。DO引脚是数字量输出，当温室内的CO2浓度高于1000 ppm，输出高电平，否则，输出低电平。MG811的DO引脚与ZigBee终端节点2的P0.4端口相连，CO2浓度采集电路如图5所示。

图5 CO2浓度采集电路

1.6 通信模块电路

通信模块包括ZigBee通讯和NB-IOT通讯。ZigBee[7]通讯选用CC2530[8]为核心芯片，具有8051处理器内核，自组建无线网络和数据传输的功能。系统采用无线网络拓扑结构为星型网络，拓扑结构如图6所示。多路传感器与ZigBee构成终端节点，ZigBee协调器自组网络并接收终端节点采集的数据，然后通过串口通讯将数据传输至控制器。ZigBee数据流如图7所示。

图6 ZigBee星型拓扑图

图7 ZigBee数据流图

NB-IOT[9-10]通信模块的核心板是BC20，支持COAP、UDP透传模式，且兼容GPRS/4G模块硬件封装。NB-IOT模组能够实现微控制器和云平台进行数据交互的功能。控制器通过串口通讯将数据打包发送给NB-IOT模组，再通过IOT平台和核心网与OneNET云平台进行数据交互。NB-IOT模块数据流如图8所示。

图8 NB-IOT数据流图

2 软件系统设计

系统软件设计通过采集数据、控制终端、ZigBee通讯以及NB-IOT通讯完成组建终端无线网络和数据收发功能。控制器接收数据后先判断数据类型，即来自协调器节点或云平台后实时处理数据，并判断是否超过阈值，来判断是否报警且在OLED屏显示。最后将各节点数据打包通过NB-IOT技术上传到上位机。系统总软件流程如图9所示。

图9 系统总软件流程图

2.1 数据采集软件设计

传感器首先初始化，初始化之后采集数据，采集的数据传输给ZigBee终端。传感器数据采集软件流程如图10所示。

图10 数据采集软件流程图

2.2 ZigBee通讯软件设计

ZigBee构建底端无线通信网络包含终端节点[11]、协调器节点[12]。多路传感器与终端节点相连，终端节点采集数据并发送至协调器，协调器接收终端节点的数据并将数据通过串口通讯传输至控制器。终端节点软件流程如图11所示，协调器软件流程如图12所示。

图11 终端节点软件流程图

图12 协调器软件流程图

2.3 NB-IOT通讯软件设计

NB-IOT模块与OneNET云平台建立设备数据交互，首先要获取iP地址，然后创建LWM2M[13]通信，接着启动连接引导程序，启动成功之后能和OneNET云平台数据通讯。NB-IOT软件流程如图13所示。

图13 NB-IOT软件流程图

2.4 OneNET云平台

系统接入物联网开放平台[14]是利用IOT平台和核心网。云平台解决了终端设备与上位机相互通信的问题，实现服务器与终端设备的跨网数据交互，方便用户快速的获取终端设备的数据。用户使用OneNET平台进行实时监控环境数据和智能调控，首先要注册用户，利用无线网络和服务器建立TCP连接，数据传输和上传至OneNet平台需要遵守通络通信协议。云平台设备ID为131658，注册用户账号的登陆网址：http://open.iot.10086.cn/，创建设备的设备号为989QNqTLA9JuhE1S。用户接入OneNET平台的过程如图14所示。

图14 用户接入OneNET平台的过程图

3 系统测试与分析

系统测试环境是实验室，用亚克力板搭建垂直农业温室模型（单层），模拟垂直农业温室的实际环境。系统硬件包括一个DHT11温湿度传感器、一个土壤湿度传感器、一个CO2浓度传感器、一个光照强度传感器、1个LED灯、2个通风扇、1个水泵、3个继电器、1个加湿器和1个步进电机，实物如图15所示。硬件搭建完成后，将终端设备接入OneNET云平台。OneNET云平台界面如图16所示。

图15 实物图

图16 OneNET平台界面图

3.1 验证系统数据传输准确性以及稳定性

为了验证系统实验数据传输的准确性以及稳定性，对基于ZigBee和NB-IOT的智能垂直农业系统进行测试。测试环境为传感器，协调器，控制器，NB-IOT模组，云服务平台。空气温湿度传感器DHT11和土壤湿度传感器与ZigBee模块相连构成终端节点1，CO2浓度传感器和光敏电阻与ZigBee模块相连构成终端节点2。终端节点1采集温室内的温湿度和土壤湿度并通过OLED液晶屏1实时显示，如图17所示。终端节点2采集温室内的光照强度和CO2浓度并通过OLED液晶屏2实时显示，如图18所示。

图17 终端节点1测试

图18 终端节点2测试

协调器通过网络协议自组建无线传输网络，与终端节点1和终端节点2构建星型网络结构。协调器接收终端节点1和终端节点2传输的数据并通过串口4将数据传输至控制器，控制器接收数据并通过NB-IOT模组将数据上传到云服务平台。协调器实时显示数据在OLED液晶屏3，如图19所示。控制器实时显示数据在OLED液晶屏4，如图20所示。

图19 ZigBee协调器测试

图20 云服务平台测试

上图测试数据表明系统的数据采集、传输以及上传功能均正常并且表明本系统在数据传输过程中NB模组和ZigBee模块传输速率较快且准确，极少出现丢包现象，证明了系统的可行性和稳定性。

3.2 验证系统功能的可行性

系统的功能是调节温室环境，为种植农作物提供适宜的生长环境。温室环境主要指数为空气温湿度、土壤湿度、光照强度和CO2浓度。调节方法是利用传感器采集的数据通过控制器的响应调节环境指数。控制设备为LED灯、水泵、模拟窗户、加湿器、通风扇和报警模块。测试功能如表1所示。通过下表的测试结果表明系统通过控制设备调控温室环境的功能可行、准确。

表1 测试功能表

4 结论

本文设计基于ZigBee和NB-IOT的智能垂直农业系统，STM32F103单片机为核心处理器，利用ZigBee和NB-IOT技术构建无线传输网络，并通过核心网和NB-IOT平台将底端数据上传至OneNET云平台。ZigBee和NB-IOT通讯技术为系统优化了数据传输速率以及降低功耗。利用OneNET云平台个性化服务拓展了网页界面以及手机APP，用户可以远程监控系统参数。同时，系统设计时预留传感器的插口，以便添加摄像头以及更全面监测环境数据的传感器，达到系统自身的优化和场景适应能力。