基于物联网及边缘网关的智慧果园监控系统设计

陈生学 严佩升 孟星 李波

摘要：随着物联网技术的飞速发展，将物联网技术与水果种植相结合，有助于推动水果种植朝着自动化、智能化的方向发展，提高水果种植的现代化水平。因此，本文设计了一种基于物联网及边缘网关的智慧果园监控系统，该系统基于物联网架构，以CC2530芯片为核心，设计无线数据采集及环境调控节点；以STM32为核心构建边缘网关，一是负责融合无线传感网络中协调节点和摄像头数据，进行协议转换后，通过5G模块将数据传送至上位机，同时可向ZigBee节点发送控制指令；二是可对土壤环境进行本地调控。管理用户可以通过PC端、手机端对果园环境进行远程监控，上位机软件能根据数据和图片信息实现果园病虫害预警。该系统具有使用便捷、操作简单、运行成本低等优点，能较好地实现果园智慧化管理。

关键词：物联网技术；水果种植；STM32网关；5G模块

引言

随着物联网技术的快速发展，ZigBee技术与远程通信技术在智能家居、远程监控和温室大棚中的应用逐渐增多，但在智慧果园监控方面的应用相对较少[1]。该技术利用传感器采集果园环境参数后，通过无线通信技术传送至上位机，上位机软件对果园数据进行全面准确的分析与展示，从而提高果园智能化管理水平[2]。

针对果园环境复杂、不易布线等特点，本文设计的基于物联网及边缘网关的智慧果园监控系统，能实现果园环境参数的实时采集与本地或远程调控。采用ZigBee无线传感网络，网络节点具有自组织、低功耗、低成本等优点，网关控制器采用基于STM32的核心控制器，网关模块与5G模块连接，实现采集节点与控制中心数据的双向通信。同时，果园中摄像头实时采集果园图片后，传送到网关接口，由网关通过5G模块传送至监控中心，监控中心对图片进行分析处理后，可实现果园病虫害预警。通过构建智慧果园监控系统，可实时对果园进行本地或远程监控及病虫害预警，提升管理效率，降低管理成本 [3]。

1. 系统整体设计

系统可以实现对果园中空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、土壤氮磷钾含量、土壤pH值、土壤电导率的实时监控及果树病虫害预警，各节点将采集到的果园现场环境数据传送至上位机软件进行综合分析处理，基于STM32的网关可对采集到的数据进行简单分析处理后实现本地控制，或者通过上位机对果园环境进行远程调控。同时，监控中心对果园图片进行分析后，实现果园病虫害预警等多种功能。系统整体框架主要由果园环境数据采集模块、图片采集模块、网关模块、太阳能供电模块和上位机组成。

系统主要由果园环境数据采集及控制节点、图像采集节点组成。果园环境数据采集及控制节点由基于ZigBee的终端节点、路由节点、协调节点构成。在果园适当位置布放若干个ZigBee终端节点和路由节点，负责果园环境数据的采集及多跳转发，数据经过多跳转发后传送至ZigBee协调节点。ZigBee协调节点汇聚所有路由节点数据后，经I/O端口传给网关。果园图像由布放在果园中的摄像头模块采集后，通过I/O端口传给网关。基于STM32F103的网关控制器将融合后的数据通过5G模块传送上位机。因本系统采用无线监控方式，所以采用太阳能与锂电池结合的方式供电。系统可实现本地或远程调控果园土壤环境及果园病虫害预警，同时通过远程的方式可实现各节点参数设置等功能。系统整体框架如图1所示。

2. 系统硬件设计

系统网关以STM32处理器为核心，由基于ZigBee的土壤环境数据采集及调控模块、摄像头模块、5G通信模块组成。系统硬件整体结构如图2所示。

2.1 终端节点和路由节点硬件设计

系统的ZigBee终端节点和路由节点采用的是TI公司的CC2530芯片作为核心控制器，该芯片是一个支持ZigBee应用的SoC解决方案。该方案能满足以2.4GHz ISM波段应对低成本、低功耗的要求，同时结合了一个高性能2.4GHz DSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧、高效的8051控制器[4]。ZigBee无线网络理论传输距离为0～400m，传输速度高达250kbps，是一种具有自组织、低功耗、短距离、低成本的无线通信技术，因此能够满足果园无线监控的需求[5]。

ZigBee终端节点主要是对果园环境信息进行实时采集、简单的分析处理，控制电磁继电器通断和数据接收或发送。ZigBee路由节点和终端节点硬件电路相同，区别在于软件驱动程序。ZigBee终端节点和协调节点需要采集果园光照度、空气温湿度、土壤温湿度、土壤氮磷钾肥含量、土壤电导率和土壤pH值，同时根据数据分析结果控制氮磷钾肥喷洒和土壤浇水。协调节点除与终端节点一样要采集数据外，还要将终端节点传来的数据与自身采集的数据进行融合后经多跳转发至网关模块。

2.1.1 传感器模块

经过对系统功能的分析，选择了两种传感器作为节点数据采集的感知设备，分别为土壤温度、湿度、电导率、pH值、氮含量、磷含量、钾含量七合一传感器，以及空气温度、湿度、光照度三合一传感器。系统通过传感器实时监测果树生长的环境参数，为实现果园监控和病虫害预警提供精准的数据[6]。

2.1.2 土壤温湿度、电导率、pH值、氮磷钾含量测量

土壤的温湿度、电导率、pH值、氮磷钾含量是果树生长好坏的重要因素，果树生长的不同时期、不同季节，对环境的需求不同。因此，通过对土壤的温湿度、电导率、pH值、氮磷钾含量的实时精确测定，是浇水和喷洒肥料的重要依据。系统采用的七合一传感器具有测量方便、测量成本低、测量精度高、分辨率高和支持二次开发等特点。系统对七合一传感器采集的数据进行综合分析后，通过控制电磁阀来调控灌溉设施和喷洒氮磷钾肥的设施，从而将土壤调整到果树最佳生长的状态。

2.1.3 光照度、空气温湿度测量

光照度、空气温度、湿度是果树生长的重要气象数据，将果树生长的环境气象数据与果园图片相结合，能够为果园病虫害预警提供重要参数指标。系统采用三合一传感器，能够有效采集光照度、空气温度、湿度数据。

2.1.4 摄像头

摄像头用于采集较为清晰的果树图片，作为果园病虫害预警的重要信息依据。为了能够采集到较为清晰的图片，系统采用海康威视400万像素监控器高清摄像头实时采集果园图片。

系统通过综合分析光照度、空气温湿度数据与果园图片后，可以实现果园病虫害的预警，提示管理员采取相应的措施，达到及时防治病虫害的目的。

2.1.5 ZigBee无线通信节点

ZigBee无线通信节点采用TI公司的CC2530芯片作为核心控制器，该芯片内置8051单片机，可对节点的数据采集、土壤环境控制和数据发送进行有效控制。ZigBee控制节点的工作电压为3.3V，有1个32.768kHz的晶振主要工作于当节点休眠时工作电流低并且需要精确唤醒的场景，32MHz晶振主要用于天线的无线数据发送和接收，有1个无线RF收发电路、1个DUBEG端口、1个REST复位电路、DC-DC电路、TTL转RS485电路。所有传感器接到RS485集线器上，通过集线器接到主控节点RS485上。协调节点汇聚所有节点数据后，通过RS485端口将数据传送至基于STM32的网关模块，摄像头采集的视频信号传给基于STM32的网关模块。基于STM32的网关模块将数据融合后通过5G模块传至监测中心[7]。

2.2 STM32网关设计

系统网关采用了基于STM32F103为核心的主控芯片加5G模块的硬件平台方案。其中，STM32F103VBT6主控制器是基于ARM Cortex-M3内核的32位CPU，工作频率最高可以到72MHz，需要电压2V-3.6V，工作温度为-40℃～85℃，片内集成128KB Flash存储单元、20KB SRAM。5G模块采用移远5G通信模块RM500Q，该模块支持USB3.0、以太网、串口接口。STM32网关将接收到的数据通过5G模块传送至上位机，上位机又通过5G模块将控制数据发送至各节点[8]。

2.3 供电设计

本文设计的基于物联网及边缘网关的智慧果园监控系统均部署在果园中，不宜敷设有线电线，为避免频繁更换电池，果园监测系统节点采用太阳能与锂电池结合供电。使用MPPT对太阳能电池板、锂电池和传感器节点进行充放电管理，当太阳光照充足时，使用太阳能给节点供电，同时给锂电池充电，阴雨天时使用锂电池供电。节点主控制板上通过AMS117将5V电压转为3.3V给芯片供电。因采集数据的传感器是采用12V供电，因此供电系统只需提供5V和12V直流即可。

3. 系统软件设计

3.1 下位机节点程序设计

终端节点、路由节点、协调节点是构成ZigBee无线传感网络的三种逻辑设备。协调节点运行后选取网络标识符及信道，随后协调节点启用允许绑定的状态。ZigBee无线网络建立后，系统开始运行，终端节点采集数据，进行简单处理后传给路由节点，路由节点将终端节点发送的数据与自身采集的数据进行融合后传送至协调节点，协调节点将收到的数据传送至网关。终端节点和协调节点程序流程较为简单，不再赘述。

STM32网关能够通过协调节点将控制中心的控制信号发送至路由节点和终端节点，实现远程调节土壤环境，网关也可以对收集的数据进行分析处理，实现本地土壤环境调节功能。

ZigBee协调节点和摄像头的数据传送到网关，经网关融合和协议转换后，通过5G模块传送至上位机，网关能对协调节点传送来的数据进行分析处理，并向各控制节点发送控制命令，实现本地灌溉和喷洒肥料控制。服务器下发的指令，通过网关解析后下发到各数据控制节点，实现远程灌溉和喷洒肥料控制等功能[9]。

3.2 上位机软件设计

上位机软件采用开发框架QtCreator开发，具有跨平台、易扩展、方便开发等特点，被广泛运用于嵌入式终端、物联网、数据采集等系统[10]。PC端和手机端的应用软件能够实时显示果园各区域的光照度、空气温湿度、土壤温湿度、pH值、电导率、氮磷钾含量，实现对果园病虫害的实时预警；远程实时控制灌溉系统和氮磷钾喷洒系统，调节土壤环境为果树生长的最佳环境。同时，上位机软件还能对各节点进行参数设置和远程手工下发控制命令。

结语

智慧果园监控系统不仅可以通过基于STM32核心的网关对果园的土壤环境进行本地自动调控，还能通过无线的方式实现远程监控及参数设置。上位机软件根据传感器数据和摄像头采集的图像数据实现病虫害预警。通过智慧果园监控系统，可调节适合果树生长的土壤环境，从而提高水果产量及品质。由于ZigBee节点与传感器通过RS485通信，增强了系统的通用性。与传统的管理方式相比，智慧果园监控系统能够大幅降低果树种植的人力成本和管理成本，推动现代农业朝智慧化方向发展，有效助力乡村振兴。

参考文献：

[1]潘鹤立，景林，钟凤林，等.基于ZigBee和3G/4G技术的分布式果园远程环境监控系统的设计[J].福建农林大学学报（自然科学版），2014，43（6）：661-667.

[2]陆猛.基于LPWAN物联网的果园监控系统研究与设计[D].南宁：广西大学，2021.

[3]程力，郭晓金，谭洋.智能农业大棚环境远程监控系统的设计与实现[J].中国农机化学报，2019，40（6）：173-178.

[4]许毅.无线传感器网络技术原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2021.

[5]弓海鹏.基于物联网的农业大棚环境远程智能监控系统的设计与实现[D].沈阳：东北大学，2015.

[6]昂韶宇.基于物联网技术的果园病虫害监测研究[D].合肥：安徽农业大学，2021.

[7]黄充，汪兆栋，王发良，等.基于STM32 +ZigBee技术的农业环境监控系统的研究与设计[J].农业与技术，2020，40（23）：56-58.

[8]柴西林，张婧，邵照勇，等.基于无线传感网及边缘网关的智慧农业大棚监控系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2024（1）：13-17，33.

[9]李通.农业病虫害远程智能一体化监测系统[D].北京：北京工业大学，2021.

[10]史东繁，熊瑞平，杨荣松.果园监控与果实品质优化滴灌系统设计[J].物联网技术，2022，12（6）：89-92.

作者简介：陈生学，硕士研究生，助教，研究方向：电力系统自动化教学；严佩升，硕士研究生，副教授，研究方向：区域地理、高等教育；孟星，硕士研究生，助教，研究方向：测控技术与仪器；李波，硕士研究生，讲师，研究方向：电力系统分析与控制。