兌志魁 ，嚴(yán) 曙 ，汪六三 ，黃 偉 ，胡曉波

（1.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 智能機械研究所，合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

物聯(lián)網(wǎng)IOT概念，自1999年美國麻省理工學(xué)院Ashton教授提出以來，其與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸緊密結(jié)合，形成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用[1]。隨著當(dāng)今移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用，勢必引導(dǎo)農(nóng)業(yè)進行一次全新的革命，徹底顛覆我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

從技術(shù)角度看，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指應(yīng)用射頻識別、傳感、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)設(shè)備，按照約定協(xié)議，把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動植物生命體、環(huán)境要素、生產(chǎn)工具等物理部件和各種虛擬“物件”與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)對象和過程智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。全面感知、可靠傳輸和智能處理是物聯(lián)網(wǎng)具備的三大特征[3]。在此，以STC12C5A60S2芯片為主控芯片[4]，結(jié)合土壤溫濕度、電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)[5]傳輸，實現(xiàn)了渦陽農(nóng)田信息的采集與處理。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)中心、工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、ZigBee底層數(shù)據(jù)傳輸組成。其中，由網(wǎng)關(guān)采集點和路由采集點組成[6]的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集農(nóng)田土壤溫濕度、電導(dǎo)率、鹽分等數(shù)據(jù)，通過ZigBee底層數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至網(wǎng)關(guān)，再通過工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU將底層數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，并由數(shù)據(jù)服務(wù)中心負(fù)責(zé)對農(nóng)田數(shù)據(jù)做進一步處理。系統(tǒng)的組成及連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成Fig.1 Farmland IOT system componsition

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 農(nóng)田信息采集板總體設(shè)計

農(nóng)田信息采集板負(fù)責(zé)農(nóng)田環(huán)境信息的采集和處理，采集板連接著傳感器、蜂鳴器報警電路和ZigBee通訊模塊。通過各功能模塊的相互配合從而獲得底層的原始數(shù)據(jù)和實現(xiàn)故障報警。采集板的組成模塊如圖2所示。

圖2 農(nóng)田信息采集板組成Fig.2 Farmland information acquisition board composition

2.1.1 信號采集電路

信號采集電路是傳感器采集的溫濕度、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)進入采集板的通道。這部分電路的設(shè)計運用了單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能。為了便于以后的擴展和維護，所設(shè)計的采集板預(yù)留了供備用和擴展的數(shù)據(jù)采集端口。信號采集電路如圖3所示。

圖3 傳感器信號采集電路Fig.3 Sensor signal acquisition circuit

2.1.2 ZigBee無線通訊接口

ZigBee無線通訊接口是農(nóng)田數(shù)據(jù)采集點之間進行數(shù)據(jù)分享交換的組成部分，為農(nóng)田數(shù)據(jù)采集點數(shù)據(jù)與工控數(shù)據(jù)采集點的重要紐帶。

ZigBee無線通訊接口在具體應(yīng)用中分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點和路由節(jié)點。路由節(jié)點負(fù)責(zé)本數(shù)據(jù)采集點采集數(shù)據(jù)的上傳和其他采集點數(shù)據(jù)的中繼路由以及接收上層傳遞的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負(fù)責(zé)收集下層數(shù)據(jù)和將上層數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的農(nóng)田采集點。ZigBee無線通訊接口部分的電路如圖4所示，為了便于ZigBee無線通訊模塊的維護，特添加了復(fù)位按鍵。

圖4 ZigBee無線通訊接口電路Fig.4 ZigBee wireless communication interface circuit

2.1.3 電源模塊電路

由于農(nóng)田現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在較多無法預(yù)料的可能性，為了保證系統(tǒng)的魯棒性，電源模塊采用了廣州秦師科技的QS-2405 CBD-3A電壓轉(zhuǎn)換模塊。該模塊的輸入電壓為4.5～35 V，輸出電壓為1.2～30 V。通過撥動位于模塊背部的可變電阻，可以實現(xiàn)輸入輸出電壓的調(diào)節(jié)。電源模塊的電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路Fig.5 Power module circuit

2.1.4 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器報警電路[7]的功能，是在當(dāng)土壤溫濕度、電導(dǎo)率、鹽分等出現(xiàn)與正常的情況存在較大偏差和當(dāng)采集板電路出現(xiàn)某些故障時，進行報警指示。蜂鳴器報警電路如圖6所示。

圖6 蜂鳴器報警電路Fig.6 Buzzer alarm circuit

2.1.5 串口通訊接口電路

串口通訊接口電路的作用是便于開發(fā)維護過程中程序的下載和調(diào)試驗證。串口通訊接口采用典型的RS232通訊接口。串口通訊接口的電路如圖7所示。

圖7 串口通訊接口電路Fig.7 Serial communication interface circuit

2.1.6 傳感器

該農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集農(nóng)田土壤溫濕度、電導(dǎo)率和鹽分?jǐn)?shù)據(jù)。基于所采用的單片機芯片A/D采集通道的特點，本系統(tǒng)的采集傳感器選用了雷神電子的TDR-5土壤溫濕度傳感器和ST-YF土壤電導(dǎo)率傳感器。這兩種傳感器具有穩(wěn)定可靠、低功耗的特點。

2.2 工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU

在農(nóng)田數(shù)據(jù)采集板采集到農(nóng)田數(shù)據(jù)采集點的傳感器數(shù)據(jù)之后，要將底層的數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)便于物聯(lián)網(wǎng)的控制，故需要應(yīng)用工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。選用的是宏電H7210，其外觀如圖8所示[9]，圖中標(biāo)號的含義見表1[9]。

圖8 宏電H7210DTUFig.8 Hongdian H7210DTU

表1 DTU外觀標(biāo)號名稱說明Tab.1 DTU appearance label name description

工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集點之間通過RS232串口連接，在DTU上加裝SIM卡后經(jīng)過配置之后即可以將數(shù)據(jù)采集點采集的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心。網(wǎng)關(guān)節(jié)點負(fù)責(zé)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊和GPRS/GSM DTU網(wǎng)絡(luò)間的通信[10]。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)中心

數(shù)據(jù)服務(wù)中心是位于互聯(lián)網(wǎng)上的一臺Web服務(wù)器。通過和工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU的配合經(jīng)相應(yīng)的配置實現(xiàn)將農(nóng)田數(shù)據(jù)采集板采集的農(nóng)田信息數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，供互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序遠程訪問和處理。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 農(nóng)田數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計

STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機的 A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.7—P1.0），有8路10位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器，速度可達到250 kHz（25×10 s-1）[11]。對于所設(shè)計的農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可采集土壤溫濕度、電導(dǎo)率和鹽分?jǐn)?shù)據(jù)，滿足需求。系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集主程序和中斷處理程序兩部分構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集點和路由數(shù)據(jù)采集點的程序在中斷處理上稍有不同。程序分為測試模式和工作模式2個模式，其區(qū)別在于2次數(shù)據(jù)采集間隔的差別。為了降低功耗，在采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苌喜捎弥袛嗵幚?。?shù)據(jù)采集主程序在流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主程序流程Fig.9 System data acquisition main program flow chart

中斷程序的主要功能是數(shù)據(jù)的收發(fā)，為了提高程序的運行效率，故串口程序采用中斷的方式進行處理。在接收中斷到來之后，首先清除中斷標(biāo)志位中斷程序的流程如圖10所示。

圖10 中斷處理程序流程Fig.10 Interrupt handler flow chart

3.2 DTU和數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件

DTU需要根據(jù)所在服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來進行相應(yīng)的配置，其配置軟件使用宏電DTU配套的配置軟件。在數(shù)據(jù)服務(wù)中心的服務(wù)器上運行演示程序和后續(xù)開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序即可在互聯(lián)網(wǎng)上查詢處理農(nóng)田數(shù)據(jù)采集板采集到的農(nóng)田環(huán)境信息。

4 系統(tǒng)運行實驗與驗證

通過STC單片機提供的程序下載軟件，將通過KEIL編譯的用戶程序下載到所設(shè)計的農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)信息采集板上；接入相應(yīng)的農(nóng)田信息傳感器，用RS232串口線與PC相連接[12]；打開串口調(diào)試助手，可以看到采集板采集的信息，通過ZigBee無線通訊模塊傳遞給與ZigBee網(wǎng)關(guān)相連接的信息采集板。

將工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU，通過RS232串口線與PC連接后，根據(jù)其所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置DTU的參數(shù)信息。再通過RS232串口線與信息采集板連接，插入SIM卡，打開網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心服務(wù)器，運行農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，配置好相關(guān)的參數(shù)，即可看到信息已經(jīng)傳遞到互聯(lián)網(wǎng)。這時可以通過外網(wǎng)訪問控制采集終端。

系統(tǒng)所采用的農(nóng)田信息采集終端如圖11所示。數(shù)據(jù)服務(wù)中心服務(wù)器上運行的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序所接收到的農(nóng)田信息采集數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 農(nóng)田數(shù)據(jù)采集終端Fig.11 Farmland data collection terminal

圖12 數(shù)據(jù)服務(wù)中心接收數(shù)據(jù)Fig.12 Data service center receives data

5 結(jié)語

所設(shè)計的農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運用ZigBee無線通訊模塊進行通訊[13]，采用C語言對采集板進行開發(fā)，在設(shè)計中運用工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU模塊，在實驗室及現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)出可靠性高、穩(wěn)定性強的特點。在軟硬件設(shè)計中采用功能模塊化的思想，便于實際應(yīng)用中的維護和擴展。經(jīng)過農(nóng)田現(xiàn)場的功能驗證，該系統(tǒng)可以滿足設(shè)計和用戶的要求。

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