肖增瑞+秦會斌+崔佳冬

摘 要：針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中有線網(wǎng)絡(luò)成本高、布線繁瑣、勞動成本高等問題，文中基于TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺、網(wǎng)關(guān)控制中心以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計了一種方便、準(zhǔn)確、高效的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)手機(jī)客戶端及網(wǎng)頁客戶端對農(nóng)業(yè)現(xiàn)場傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制開關(guān)，當(dāng)農(nóng)場中的某項采集數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，通過網(wǎng)關(guān)中心對用戶手機(jī)發(fā)送短信報警信息。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù)期效果且成本低廉，適宜廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；TLink；網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)云平臺

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-04

0 引 言

農(nóng)業(yè)是中國最傳統(tǒng)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，通過信息技術(shù)對地塊的土壤、肥力、氣候等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，然后據(jù)此提供與種植、施肥相關(guān)的解決方案，大大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。基于精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測，利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)進(jìn)行多層次分析，并將分析指令與各種控制設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理。這種智能機(jī)械代替人的農(nóng)業(yè)勞作，不僅解決了農(nóng)業(yè)勞動力日益緊缺的問題，還實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高度規(guī)?；⒓s化、工廠化，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險的應(yīng)對能力，使弱勢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)[1]。

本設(shè)計采用國內(nèi)流行的TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺，基于意法半導(dǎo)體STM32最小系統(tǒng)，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)芯片、WiFi芯片、GSM模塊以及農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器，實現(xiàn)用戶通過手機(jī)客戶端或網(wǎng)頁客戶端實時查詢農(nóng)業(yè)現(xiàn)場傳感器信息以及對農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的通風(fēng)、加濕等設(shè)備進(jìn)行控制[2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)由客戶端、TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

客戶端分為手機(jī)端和網(wǎng)頁端，可以實時查看傳感器信息，TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺作為一個開放的公共物聯(lián)網(wǎng)接入平臺[3]，通過給用戶提供開放的API接口使傳感器數(shù)據(jù)的接入、存儲和展現(xiàn)更加方便簡單。網(wǎng)關(guān)基于STM32嵌入式最小系統(tǒng)可實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換[4]，主要有無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議、無線局域網(wǎng)WiFi協(xié)議和第二代全球移動通信GSM協(xié)議。節(jié)點同樣基于STM32嵌入式最小系統(tǒng)搭建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實時采集傳感器信息并上傳[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)的核心控制部分。網(wǎng)關(guān)以STM32F103RBT6為主控芯片，最多可支持五路串口，在STM32最小系統(tǒng)搭載HLK-RM04 WiFi模塊、CC2530 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、SIM900A GSM模塊。本網(wǎng)關(guān)模塊實現(xiàn)底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換。STM32必須提供外圍相關(guān)電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，包括3.3 V穩(wěn)壓電源、8 MHz晶振時鐘、復(fù)位電路、數(shù)字和模擬間的去耦電路、調(diào)試接口。WiFi模塊與GSM模塊在功能上互補(bǔ)，充分考慮到無WiFi網(wǎng)絡(luò)情況下，數(shù)據(jù)可以通過GSM模塊傳送到用戶手機(jī)。各模塊與網(wǎng)關(guān)底板以插針的方式連接，方便程序升級更新。采用220 V轉(zhuǎn)5 V適配器供電。此外，網(wǎng)關(guān)增加功能設(shè)置按鍵和LED提示功能。按鍵主要功能為復(fù)位和啟動/停止數(shù)據(jù)上傳。網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊采用PCB天線，WiFi模塊采用airgain內(nèi)置天線[6]。

節(jié)點以STM32F103RBT6為主控芯片，最小系統(tǒng)搭載DHT11溫濕度傳感器、BH1750光強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器模塊、松樂SRD-05VDC-SL-C繼電器、CC2530 ZigBee芯片。底層構(gòu)建一個基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[7]。該無線傳感網(wǎng)絡(luò)涵蓋燈光控制、通風(fēng)控制、環(huán)境溫濕度的采集、升溫、加濕控制。硬件供電電源部分電路圖如圖2所示。

電源通過AMS1117-3.3 V芯片實現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V輸出，電源接口為PWR2.5，可接220 V轉(zhuǎn)5 V/2 A的電源適配器獲得。C7、C8、C9為濾波電容，保證電源電壓穩(wěn)定可靠。繼電器電路圖如圖3所示。

節(jié)點板繼電器部分采用PC817光耦隔離芯片，實現(xiàn)信號地和電源地之間的有效隔離。繼電器觸點容量為250 V/10 A（AC）或30 V/10 A（DC）。繼電器輸出為公共端和常閉端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件功能描述

基于STM32嵌入式軟件編程，實現(xiàn)通過一個串口服務(wù)器將芯片的三個串口USART1、USART2、USART3分別接到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、SIM900A GSM模塊、HLK-RM04 WiFi模塊，波特率分別設(shè)置為115 200，9 600，115 200 （Bd/s）。節(jié)點板在主循環(huán)中完成對溫濕度、光照度、土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)定時發(fā)送至串口1，再由與串口1相連接的ZigBee終端節(jié)點向上層網(wǎng)關(guān)板發(fā)送數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)聽接收網(wǎng)關(guān)板下達(dá)的控制命令[8]。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

節(jié)點板與網(wǎng)關(guān)板數(shù)據(jù)交互幀格式（節(jié)點上傳網(wǎng)關(guān)）見表1所列。

節(jié)點上傳網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)總長度為11字節(jié)，幀首和幀尾固定為0XFE和0XFF，數(shù)據(jù)長度占1字節(jié)，數(shù)據(jù)總長度-幀首長度-幀尾長度-1字節(jié)=0X08。源端口號標(biāo)示ZigBee終端節(jié)點用于發(fā)送數(shù)據(jù)所占用的端口。

目的端口標(biāo)示ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點用于接收數(shù)據(jù)所占用的端口。

網(wǎng)關(guān)地址標(biāo)示ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，用2個字節(jié)表示，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

網(wǎng)關(guān)下發(fā)節(jié)點的數(shù)據(jù)幀格式見表2所列。網(wǎng)關(guān)下發(fā)節(jié)點數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)總長度為8字節(jié)，幀首和幀尾固定為0XFE和0XFF。

數(shù)據(jù)長度占1字節(jié)，數(shù)據(jù)總長度-幀首長度-幀尾長度-1字節(jié)=0X05。

源端口號為上傳數(shù)據(jù)幀中的目的端口號，目的端口號為上傳數(shù)據(jù)的源端口號。

節(jié)點地址標(biāo)示在ZigBee網(wǎng)終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，2個字節(jié)表示，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，控制命令占1字節(jié)。

控制命令為0X00表示開第一路繼電器，控制命令為0X01則表示關(guān)第一路繼電器。

控制命令為0X02，表示開第二路繼電器，控制命令為0X03，表示關(guān)第二路繼電器。

網(wǎng)關(guān)板與云平臺數(shù)據(jù)交互幀格式（網(wǎng)關(guān)板上傳云平臺）見表3所列。

幀首、幀尾固定為0X4C和0XFF，分隔符固定為0X2C（對應(yīng)ASCII碼為“，”逗號）。

數(shù)據(jù)依次為溫度、濕度、光照度、土壤濕度。

云平臺與網(wǎng)關(guān)板建立的是一個TCP長連接，云平臺控制命令下發(fā)至網(wǎng)關(guān)板則發(fā)送JSON格式數(shù)據(jù)：{“sensorDatas”：[{“sensorId”：“xxxxxxx”，“value”：“xx”}]}。其中，sensor ID是云平臺中每個開關(guān)型設(shè)備的編號，value是相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，每個設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)分別用00和01表示。

3.3 軟件流程圖

節(jié)點軟件流程圖如圖4所示，網(wǎng)關(guān)軟件流程圖如圖5所示。

4 TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺

4.1 TLink簡介

平臺的主要功能如下：

（1）接入傳感器設(shè)備能夠支持用戶使用Http，MQTT或Socket等方式連入平臺，支持以JSON，XML等標(biāo)準(zhǔn)格式上傳傳感器數(shù)據(jù)，在Socket模式下，能提供傳感器設(shè)備實時反向控制功能（即由Web或App遠(yuǎn)程控制接入設(shè)備），所有數(shù)據(jù)存入和取回等API手冊完全開放，并支持客戶進(jìn)行二次開發(fā)。

（2）RESTful的交互接口設(shè)計使得TLink與開發(fā)者之間的交互非常簡潔、透明，輕松完成數(shù)據(jù)的添加、存儲、設(shè)置狀態(tài)或更新狀態(tài)等操作，能夠很容易的與移動App或企業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行整合。

（3）虛擬儀表功能在一個交互頁面上，以網(wǎng)關(guān)為單位整合和展現(xiàn)多個數(shù)值型傳感器的歷史數(shù)據(jù)和曲線圖，并能夠完成對傳感器的事件觸發(fā)配置。

（4）事件觸發(fā)能力能夠定義多種傳感器的閾值，在達(dá)到特定值時發(fā)送短信，Email或由微信推送。

（5）社交功能能夠在TLink公眾號上查看傳感器的狀態(tài)或歷史曲線，并通過微信共享給好友查看。傳感器數(shù)據(jù)能夠觸發(fā)微信交互，使微信關(guān)注者能夠直接與機(jī)器設(shè)備進(jìn)行交互和控制[9]。

4.2 TLink開發(fā)流程

TLink開發(fā)流程如下：

（1）通過http：//www.tlink.io/地址訪問TLink平臺注冊用戶，并登錄平臺個人中心。

（2）創(chuàng)建設(shè)備，在此處編輯設(shè)備名稱，并追加傳感器設(shè)備，設(shè)置連接協(xié)議，定義數(shù)據(jù)上報周期。

（3）編輯設(shè)備，定義協(xié)議標(biāo)簽。數(shù)據(jù)頭標(biāo)簽：[H：數(shù)據(jù)] [HE：數(shù)據(jù)]，分隔符標(biāo)簽：[S：數(shù)據(jù)][SE：數(shù)據(jù)][SN長度]，數(shù)據(jù)標(biāo)簽：[D？][D[長度]][DE[長度]|數(shù)據(jù)][DEC[長度]|數(shù)據(jù)][DF[長度]|數(shù)據(jù)][GPS]，結(jié)束符標(biāo)簽：[T：數(shù)據(jù)][TE：數(shù)據(jù)] [CRC16][CRC8]。其中H代表字符型數(shù)據(jù)，HE代表16進(jìn)制數(shù)據(jù)，D代表字符型的十進(jìn)制數(shù)，DE代表16進(jìn)制整型數(shù)據(jù)，DEC代表16進(jìn)制整型字符串?dāng)?shù)據(jù)，DF代表16進(jìn)制浮點型數(shù)據(jù)，GPS代表定位數(shù)據(jù)，CRC16和CRC8分別代表CRC16位和8位校驗值。

（4）設(shè)置連接協(xié)議。平臺支持的協(xié)議類型有TCP透傳：數(shù)據(jù)透傳，自定義解析協(xié)議；MQTT：協(xié)議規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)，開發(fā)者集成協(xié)議；HTTP：HTTP RESTful API，開放接口，支持快速擴(kuò)展；Modbus RTU：工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，外接聯(lián)網(wǎng)模塊可直接使用。

（5）等待客戶端連接。

4.3 云端配置

本系統(tǒng)設(shè)計采用了TCP透傳鏈接協(xié)議。協(xié)議標(biāo)簽格式為： [H：@][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][T：#]

實際數(shù)據(jù)示例：@，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx #，一次上傳8個數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)節(jié)點1的溫度、濕度、光照度、土壤濕度和節(jié)點2的溫度、濕度、光照度和土壤濕度。

此外，TLink平臺還提供一些個性化服務(wù)，如觸發(fā)器，可以設(shè)定某個傳感器的閾值范圍，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出這個范圍后，就進(jìn)行微信報警；組態(tài)應(yīng)用，可以編輯個性化的Web界面，通過各式各樣的控件更加直觀、方便地查詢傳感器數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場設(shè)備。

4.4 客戶端

客戶端基于TLink提供的開放API接口實現(xiàn)，用戶根據(jù)自己的需要編輯客戶端界面?？蛻舳朔譃槭謾C(jī)客戶端和網(wǎng)頁客戶端，用戶可通過任意一個客戶端登錄TLink平臺查看傳感器信息以及控制農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備。

5 測試與分析

5.1 系統(tǒng)丟包率測試

本系統(tǒng)采用無線GSM、ZigBee、WiFi三種無線通信技術(shù)。GSM的工作頻段為900 MHz，主要頻率范圍為890～915MHz和935～960 MHz，ZigBee和WiFi的工作頻段均為ISM 2.4 GHz，因此可能會出現(xiàn)ZigBee與WiFi信號沖突的問題。針對此問題做如下測試：

ZigBee模塊和WiFi模塊采用隨機(jī)信道，4個ZigBee模塊分為2組，1組發(fā)送數(shù)據(jù)，1組接收數(shù)據(jù)，2個WiFi模塊同時向云平臺建立TCP連接。測試結(jié)果見表4所列。

5.2 丟包測試分析

基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了16個信道，每個信道寬為2 MHz，然而基于IEEE 802.11協(xié)議的WLAN標(biāo)準(zhǔn)定義了14個信道，每個信道寬為22 MHz。以上兩種標(biāo)準(zhǔn)物理層都基于2.4 GHz ISM頻段，信道存在相互重疊的可能[10]。

ZigBee信道分布圖如圖6所示，WiFi信道無重疊分布圖如圖7所示。

對ZigBee與WiFi協(xié)議信道進(jìn)行不重疊篩選，可有3個信道不發(fā)生重疊，當(dāng)ZigBee與WiFi設(shè)備同時開啟時，通過干預(yù)各自的隨機(jī)動態(tài)信道分配方式，即WiFi信道選用不重疊1，7，13信道，ZigBee選用15，16，21，22信道，可有效避免不同通訊方式占用同一信道的情況，從而降低系統(tǒng)丟包率。

5.3 系統(tǒng)功能性測試

Web網(wǎng)頁客戶端如圖8所示，手機(jī)客戶端以及微信報警界面如圖9所示。

網(wǎng)頁客戶端和手機(jī)App端均可顯示節(jié)點數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點數(shù)據(jù)異常，超過設(shè)定閾值時，本系統(tǒng)設(shè)定溫度值高于30 ℃便觸發(fā)微信報警功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

6 結(jié) 語

本設(shè)計保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠通信，達(dá)到了預(yù)期對系統(tǒng)實時性、穩(wěn)定性的要求。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行在溫室環(huán)境中，實現(xiàn)了對溫室的智能監(jiān)控。

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