陳高磊 佟國香 張紅巖

摘 要：為了實現(xiàn)對高山農(nóng)作物的智能化監(jiān)控，設計了基于低功耗藍牙的農(nóng)業(yè)智能化無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)選擇CYPRESS公司的CYBLE-022001-00模組作為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，實時監(jiān)控環(huán)境參數(shù)。通過手機APP軟件，可以動態(tài)組網(wǎng)并獲得附近工作區(qū)域的環(huán)境參數(shù)信息，完成數(shù)據(jù)的存儲與分析，并以報表方式發(fā)送到遠端，以方便與云服務平臺對接。通過實驗驗證了該系統(tǒng)低功耗方案的可行性。

關鍵詞：低功耗藍牙；無線傳感網(wǎng)絡；云服務；環(huán)境監(jiān)測

DOI：10.11907/rjdk.173057

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）005-0065-04

Abstract：In order to realize the intelligent monitoring of the alpine crop， an agricultural intelligent wireless sensor network monitoring system based on bluetooth low energy is designed. The system chooses CYPRESS company′s CYBLE-022001-00 module as a wireless sensor network node to realize real-time monitoring of environmental parameters. With the phone APP software， it can group a network dynamically and acquire environmental parameter information of nearby workspace，meanwhile， it can also complete data storage and analysis， and send the data to the remote site in the form of report， facilitating the connectivity with the cloud service platform.The experiment proves the feasibility of this system with low power consumption. It can be extended to meet higher power consumption requirements.

Key Words：lower-power bluetooth； wireless sensing network； cloud platform；environmental monitoring

0 引言

蔬菜大棚是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)環(huán)境配套工程技術領域進行了大量研究。由于大棚種植的重要性，農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究逐漸成為我國科研的一項重要課題?？梢姽?、紫外線、溫度、濕度與氣壓是影響大棚蔬菜的5大要素。我國的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)大多設施結構簡單，種植、管理主要依賴于傳統(tǒng)經(jīng)驗，只能進行簡單的監(jiān)測和報警，且測量精度低，布線復雜。

傳統(tǒng)監(jiān)控方案普遍使用Zigbee通訊，傳輸距離短，無線傳輸路由復雜[1]，且經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況，對環(huán)境的調(diào)節(jié)和控制十分有限。目前市場上比較成熟的無線通信技術還有WiFi和藍牙，兩者同樣應用廣泛。在傳輸速度方面，WiFi比藍牙更有優(yōu)勢，而在低功耗[2]和成本方面，藍牙優(yōu)勢更加明顯。

為克服傳統(tǒng)監(jiān)測方案的缺陷，降低監(jiān)測成本，實現(xiàn)多樣化的監(jiān)控，本文設計了基于CYBLE的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大棚環(huán)境的組網(wǎng)監(jiān)控。

BLE4.2出現(xiàn)以后，MESH組網(wǎng)[3-5]技術彌補了藍牙組網(wǎng)的短板，能夠實現(xiàn)多對多連接，且功耗只有Zigbee的1/20，無需網(wǎng)關。本設計方案采用的微微網(wǎng)組網(wǎng)方案[6]，通過手機APP端最多能夠同時連接7個BLE模塊，可為以后擴展為藍牙MESH網(wǎng)作準備。

1 網(wǎng)絡層體系結構

環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡層是環(huán)境監(jiān)測區(qū)域的網(wǎng)絡結構[7]，由位于大棚的具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)收發(fā)的節(jié)點以自組網(wǎng)方式組成。本方案采用5個從設備（Slave）作為手機（Master）的子節(jié)點組成微微網(wǎng)，組網(wǎng)拓撲圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)由BLE節(jié)點與上位機組成。節(jié)點的主要功能是與主設備建立連接后，隨機分布在監(jiān)控區(qū)域，通過模塊上的不同傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理。各個模塊以Indication方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到Master。上位機（手機APP）的主要功能是接收不同Slaver發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲等。

根據(jù)整個系統(tǒng)的需求分析和產(chǎn)品定位，系統(tǒng)用例如圖2所示。

2 BLE節(jié)點硬件設計

2.1 BLE節(jié)點硬件結構

傳感器節(jié)點通常由傳感器模塊、主控芯片、射頻模塊及供電模塊組成。硬件結構設計如圖3所示。

每個模塊配備了3種不同傳感器：溫濕度傳感器、可見光紫外光傳感器與氣壓傳感器。傳感器模組自動完成模擬到數(shù)字的轉換，通過IIC總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控芯片。主控芯片對數(shù)據(jù)進行濾波處理后，再通過BLE模塊發(fā)送到手機APP上。能量收集模塊采用紐扣電池和太陽能電板供電方案，供電電壓為1.9～3.3V。

2.1.1 藍牙模塊

主控芯片模組采用CYBLE-022001-00模組，尺寸大小為10mm*10mm*1.8mm。該模組符合藍牙4.1認證，基于Cortex M0內(nèi)核，集成多功能串口模塊，包括I2C、SPI和UART等；128KB的flash和16KB的SRAM，集成24MHz和32.768KHz晶振；4個16位多功能定時器，集成2.4GHz板載陶瓷天線及匹配網(wǎng)絡。主控芯片電路如圖4所示。

2.1.2 能量收集模塊

電源處理采用電池供電和能量收集模塊雙重供電選擇，以應用于不同場景。能量收集IC采用Cypress系列產(chǎn)品中的S6AE101A，該系列能量收集IC采用單芯片設計，體積小、功耗低，適用于無線傳感網(wǎng)絡。具有兩路電源輸入，即太陽能板和電池，能量收集IC通過監(jiān)控兩路供電電源狀態(tài)，自動選擇其中之一作為系統(tǒng)供電輸入。該設計方案既能保證有效利用太陽能，達到節(jié)約能源的目的，又能保證在沒有太陽光照情況下的系統(tǒng)供電。

2.1.3 傳感器模塊

傳感器模塊可實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)采集的功能，由感知電路和信號電路組成，本系統(tǒng)每個BLE模塊有3個傳感器[8]。

溫濕度IC采用夏普QM1H0P0073，工作電壓為1.8V～5.5V，尺寸為3mm*3mm，14bit ADC，I2C通信接口，上電后15ms開始采集，40ms采集完畢，喚醒時間為0.1ms。

可見光紫外光測量IC采用夏普GA1AAUV100WP，工作電壓為2.2V～5.5V，尺寸大小2.0mm*1.6mm，16bit ADC，I2C通信接口，可以工作在低功耗模式、可見光測量模式和紫外光測量模式下，上電后等待1ms開始采集數(shù)據(jù)。

氣壓測量IC采用夏普QM1HOP0075，工作電壓為1.7V～3.6V，尺寸大小2.78mm*2.23mm，16bit ADC，具有I2C和SPI通信接口，工作模式下將SEL引腳拉高工作在I2C通信模式，上電后采集時間為10ms，喚醒時間為2.5ms。

2.2 低功耗設計方案

從以下幾方面對整體功耗進行優(yōu)化：選擇Cypress低功耗藍牙模組作為傳感節(jié)點，支持低功耗模式[9]。在BLE低功耗設計中，存在兩種工作狀態(tài)：一是未連接時，不斷發(fā)送廣播包，等待APP連接；二是連接中，CY的BLE支持WDT喚醒功能，BLE模塊進入Deep Sleep模式后，可以通過WDT和Bless功能喚醒。藍牙工作時采用ECO（24Mhz）時鐘，在低功耗模式下采用WCO（32.768Khz）時鐘。進入低功耗前ECO時鐘停止工作，開始使用WCO時鐘，僅用于維持連接。廣播方式有快速和慢速兩種，其中Fast advertising interval的廣播時間間隔比較短，一般是30ms，廣播持續(xù)時間設定為60s，timeout后進入低功耗。下次喚醒采用WDT定時實現(xiàn)，可根據(jù)需要設置，這里選擇180s。而Slow advertising interval的廣播時間間隔比較長，一般是1s，持續(xù)時間可選擇永久，或設定90s、120s等。Timeout后的處理和以上相同，設備在非連接廣播狀態(tài)下，增大廣播間隔可以降低功耗。此外，應用方案還提供STOP模式用于非連接狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗。在此模式下，電流消耗可以降低到60mA，需要檢測時通過系統(tǒng)板上的RESET按鍵啟動系統(tǒng)。

3個傳感器通過供電引腳連接到模塊GPIO輸出引腳，通過模塊3個強驅動的GPIO口為3個傳感器供電。為降低功耗，每次只允許一個傳感器IC工作，另外兩個IC關閉。

在采集間隔的低功耗時間設置上，為了保證太陽能電板的充電時間，時間設置為10s，一個周期工作流程如下：

（1）模塊和APP建立連接后進入低功耗，此時系統(tǒng)處于Deep Sleep模式，WCO時鐘工作，維持連接，WDT定時10s。

（2）第一個10s中斷到來時，拉高溫濕度傳感器供電引腳，另外兩個傳感器模塊供電引腳處于關閉狀態(tài)，延時30ms，通過IIC讀取采集到的溫濕度值，并將數(shù)據(jù)保存下來，拉低溫濕度傳感器模塊供電引腳。

（3）第二個10s中斷到來時，拉高可見光、紫外光傳感器模塊供電引腳，另外兩個傳感器模塊處于關閉狀態(tài)，延時5ms，采集參數(shù)，通過IIC串口讀取采集到的數(shù)值并保存，拉低供電引腳。

（4）第三個10s中斷到來時，開始采集氣壓傳感器參數(shù)，并將其保存。

（5）3組傳感器數(shù)值采集完畢后，把5組數(shù)據(jù)組包，定義一個數(shù)組，每組數(shù)據(jù)占用2Byte，有效數(shù)據(jù)為10Byte，切換到ECO時鐘，喚醒藍牙模塊。

（6）處理BLE事件，通過Indication方式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包格式為：包頭+句柄+長度+數(shù)據(jù)+CRC校驗。

（7）BLE事件處理完后，由ECO時鐘切換到WCO時鐘，立即進入低功耗模式。

2.3 模塊功耗測量

由于藍牙模塊工作電流非常小，為了測量平均電流消耗，在電源供電處串聯(lián)一個 10Ω的電阻，用示波器的電壓探頭測量電阻兩端電壓，通過測量電壓值間接測量出電流值。

實際測量過程為：藍牙上電開始廣播，將傳感器的供電引腳全部拉低，測量廣播平均電流，建立連接后，測量傳感器模塊在非工作模式下，藍牙模塊在低功耗模式、休眠模式、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模式下的平均電流，或3個傳感器分別工作時的平均電流，最后得到不同工作模式下的平均電流和對應時間功耗參數(shù)。

通過實際的功耗測量，模塊每天建立10次連接，能夠供電一個月時間，滿足了紐扣電池和太陽能小電板的供電需求。

3 系統(tǒng)APP設計

APP設計基于Android版本5.0以上，支持BLE4.0。本套系統(tǒng)設計的APP界面分為4部分：連接設備、數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能調(diào)控、歷史記錄。

APP端在連接設備界面能夠同時連接5個藍牙模塊，藍牙模塊建立連接后，連接成功的設備在連接設備界面顯示，并可隨時與設備斷開連接。模塊向手機端發(fā)送數(shù)據(jù)，解析出溫度、濕度、可見光、紫外光、氣壓等5組數(shù)值，在數(shù)據(jù)監(jiān)測界面顯示不同模塊的數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)以二進制方式存儲到本地，存儲格式為：類型+時間+數(shù)值+空位（0）。

在數(shù)據(jù)監(jiān)測界面實時顯示不同大棚采集到的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)以折線圖方式顯示如圖7所示，溫度vs時間、濕度vs時間等，實時更新數(shù)據(jù)，直觀地顯示不同時間段的數(shù)據(jù)走勢，推薦一些適合果蔬生長的數(shù)值范圍，并對一些異常數(shù)據(jù)報警顯示。