錢春陽(yáng)，王建春，李鳳菊，孫海波,劉 偉，杜彥芳,孫 想

(1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 信息研究所，天津300192；2.天津市農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，天津300384；3.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為從數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化的高級(jí)階段，各類農(nóng)業(yè)智能設(shè)備與傳感器的接入為農(nóng)業(yè)數(shù)字化提供了多元的數(shù)據(jù)、內(nèi)容和相關(guān)推理依據(jù)，有助于解決基于農(nóng)業(yè)復(fù)雜環(huán)境和主體行為的復(fù)雜問題，也為下一代智能農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支撐。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)往往受到地理位置、基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)條件等多方面限制，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化進(jìn)程。本設(shè)計(jì)采用新一代網(wǎng)絡(luò)(5G)的重要分支NB-IOT技術(shù)，并結(jié)合高性能FRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，意在解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化的最后一公里問題，為著力建設(shè)以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和精準(zhǔn)裝備為重點(diǎn)的農(nóng)業(yè)全程信息化提供技術(shù)支撐。

1 處理器單元選型及設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室智能環(huán)境采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示，以低功耗微處理器MSP430FR5x為核心，通過接口電路實(shí)現(xiàn)與外圍模塊之間的連接；NB-IOT模塊實(shí)現(xiàn)傳感器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸；采用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備編號(hào)和傳感器種類設(shè)置，開放的傳感器接口，可實(shí)現(xiàn)具有數(shù)字、模擬及脈沖信號(hào)傳感器連接的隨機(jī)組合；電源采用[10]1節(jié)大容量磷酸鐵鋰電池為系統(tǒng)供電，采用XL4005電源芯片分別為每通道傳感器提供電源，有效減少電源引腳空置對(duì)系統(tǒng)功耗的影響。

圖1 設(shè)施溫室智能環(huán)境采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 FRAM存儲(chǔ)器

FRAM技術(shù)是將微小的鐵電晶體集成進(jìn)電容內(nèi)，通過施加電場(chǎng)使鐵電晶體的電極化在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變，使得FRAM產(chǎn)品能夠像快速非易失性RAM那樣工作，以實(shí)現(xiàn)高或低的邏輯狀態(tài)，保證掉電后仍能將數(shù)據(jù)保存完好。

在設(shè)施溫室環(huán)境中，通過實(shí)時(shí)分析環(huán)境數(shù)據(jù)變化規(guī)律(例如高溫高濕條件下的通風(fēng)與遮陽(yáng)、呼吸作用條件下對(duì)二氧化碳的及時(shí)補(bǔ)充、陰天霧霾條件下的增溫補(bǔ)光等)作為優(yōu)化設(shè)施種植、提效增產(chǎn)的重要依據(jù)。通過使用FRAM來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)改寫頻繁的設(shè)施環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的報(bào)警信息，以及其他配置參數(shù)，以保證需要頻繁讀寫和快速調(diào)用的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。除此之外，用于設(shè)施溫室的智能控制設(shè)備，往往需要使用電池供電，避免受到溫室電力設(shè)施條件的限制，與此同時(shí)，能夠降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間和使用壽命，與傳統(tǒng)的采用FLASH作為存儲(chǔ)器具有明顯優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)RAM與FLASH存儲(chǔ)的區(qū)別見表1。可以看出，F(xiàn)RAM具有高速讀寫、低功耗、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，采用防篡改保護(hù)，提高數(shù)據(jù)安全性。由于不需要輪詢來(lái)完成讀寫操作，程序代碼量可以減少，F(xiàn)RAM不需要代碼做損耗均衡，大大減少對(duì)于芯片的損害。

1.2 主控芯片選型

處理器單元選擇TI公司的MSP430FR5x系列作為系統(tǒng)的主控單元。該控制芯片是超低功耗(ULP)嵌入FRAM的MCU，16位RISC架構(gòu)高達(dá)24 MHz時(shí)鐘，工作電壓范圍2.0～3.6 V，多達(dá)16 KB非易失存儲(chǔ)器工作模式，活動(dòng)模式下典型功耗為103 μA/3 V，系統(tǒng)狀態(tài)保持下功耗是6.4 μA/3 V，掉電模式功耗是5.9 μA/3 V。

表1 FRAM與FLASH存儲(chǔ)技術(shù)比較

2 無(wú)線傳輸單元選型及設(shè)計(jì)

2.1 NB-IOT

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，其業(yè)務(wù)范圍和應(yīng)用市場(chǎng)悄然發(fā)生了改變，一方面高速率、高寬帶、設(shè)計(jì)復(fù)雜的高速路徑來(lái)滿足對(duì)于大流量的需求，一方面低功耗、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、信令簡(jiǎn)化的低速路徑成為萬(wàn)物互聯(lián)的一個(gè)重要分支。

NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于廣覆蓋、強(qiáng)連接、低功耗、低成本。其構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，采用授權(quán)頻譜，基于運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，大部分都可以重用，所以無(wú)論在數(shù)據(jù)安全性、建網(wǎng)成本、產(chǎn)業(yè)鏈和網(wǎng)絡(luò)覆蓋上來(lái)講，相對(duì)于非授權(quán)頻譜的LoRa、Sigfox都有很強(qiáng)的優(yōu)越性。同時(shí)，對(duì)于在主芯片、外圍器件、PCB以及應(yīng)用場(chǎng)景方面的特殊設(shè)計(jì)，讓NB-IOT模塊在功耗和成本方面相較現(xiàn)有的LPWAN通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如LoRa、Sigfox)在競(jìng)爭(zhēng)中顯示出更大的優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用在智能抄表、智慧交通、可穿戴設(shè)備、智能建筑、智慧物流以及智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

2.2 NB-IOT模塊選型

采用低功耗UDP/CoAP/UDC協(xié)議通訊模塊NB73，支持板載天線和內(nèi)置芯片SIM卡，減少體積，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高穩(wěn)定性。該模塊對(duì)內(nèi)部的嵌入式軟件和AT指令進(jìn)行了易用性優(yōu)化，提供透明傳輸U(kuò)DP模式，提供CoAP通訊組件，嚴(yán)格的重傳機(jī)制，保障數(shù)據(jù)發(fā)出必答，不達(dá)報(bào)警，能夠提供透?jìng)髟品?wù)。

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸(圖2)，與傳統(tǒng)2G網(wǎng)絡(luò)相比，為節(jié)省電量，模塊隨時(shí)可以向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，而服務(wù)器對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)行選擇性接收，在無(wú)數(shù)據(jù)交互時(shí)模塊進(jìn)入PSM狀態(tài)，通過定時(shí)激活網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)降低系統(tǒng)功耗。工作電壓為DC 3.5～4.2 V，波特率可調(diào)，峰值功耗為0.5 A/3.8 V，休眠功耗小于20 μA/3.8 V，自定義注冊(cè)包并支持心跳包。

圖2 透?jìng)髂Ｊ骄W(wǎng)絡(luò)接入流程

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)流程主要涉及系統(tǒng)硬件初始化、定時(shí)休眠喚醒、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送4個(gè)步驟進(jìn)行輪詢。本設(shè)計(jì)采用LPM3.5低功耗模式，采用該模式時(shí)喚醒時(shí)間約為0.5 μA，CPU處于關(guān)閉狀態(tài)，不適用與SMCLK、MCLK、ACLK相關(guān)的外設(shè)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)后，通過RTC時(shí)間喚醒系統(tǒng)，進(jìn)行后續(xù)操作，采用該模式時(shí)I總=I晶+I漏+I電源+Irtc≈400 μA。

通過RTC喚醒系統(tǒng)后，進(jìn)入傳感器數(shù)據(jù)采集操作，通過與傳感器探頭進(jìn)行通訊，并判斷數(shù)據(jù)有效性后，將測(cè)量數(shù)據(jù)存入FRAM塊中，同時(shí)發(fā)送無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道應(yīng)答指令，若當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)正常則將FRAM塊中的數(shù)據(jù)取出打包并發(fā)送至上位機(jī)，若當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不正常則連續(xù)偵聽，直至正常發(fā)送，若到下一周期之前均無(wú)法正常發(fā)送，則數(shù)據(jù)保存在FRAM塊中并休眠，進(jìn)入下一個(gè)采集周期時(shí)將上一周期滯留在FRAM中的數(shù)據(jù)一并發(fā)送(圖3)。

3.2 數(shù)據(jù)匯轉(zhuǎn)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯轉(zhuǎn)的作用是將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器相連接，作為物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)當(dāng)中的重要一環(huán)，使用C++ Builder進(jìn)行開發(fā)，結(jié)合Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，作為傳輸層與應(yīng)用層之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線上傳和儲(chǔ)存功能。

3.2.1 初始化 (1)配置數(shù)據(jù)庫(kù)連接

配置數(shù)據(jù)庫(kù)變量見表2。

(2)進(jìn)行串口連接

使用victorcomm控件接收數(shù)據(jù)，通過YbCommDevice1->PortParams設(shè)置串口參數(shù)，通過YbCommDevice1->Active打開串口、YbCommDevice1->Write寫數(shù)據(jù)、YbCommDevice1->Read讀數(shù)據(jù)。串口接收數(shù)據(jù)具有1幀53字節(jié)、9600波特率，由下位機(jī)傳感器設(shè)定數(shù)據(jù)上傳周期。

圖3 系統(tǒng)流程圖

數(shù)據(jù)類型變量名數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器地址UnicodeStringm_data_source數(shù)據(jù)庫(kù)表UnicodeStringm_initial_catalog登陸數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶名UnicodeStringm_user_id登陸數(shù)據(jù)庫(kù)的密碼UnicodeStringm_user_pass-word連接到數(shù)據(jù)庫(kù)的字符串UnicodeStringconnectstr連接到UDP連接的本地ipUnicodeStringus_local_ip連接到UDP連接的本地端口UnicodeStringus_local_port

(3)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)初始化參數(shù)偽代碼如下，

void__fastcall TF_main::FormCreate(TObject*Sender)

{

…

Fr_udp_rs->MyC->Server=m_data_source;

Fr_udp_rs->MyC->Port=3306;

Fr_udp_rs->MyC->Username=m_user_id;

Fr_udp_rs->MyC->Password=m_user_password;

try

{Fr_udp_rs->MyC->Connected=true;}

catch (Exception &exception)

{ShowMessage("無(wú)法正確連接到數(shù)據(jù)庫(kù)或是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器沒有運(yùn)行!");return ;}

ShowMessage("數(shù)據(jù)庫(kù)成功連接!");

Edit_server_ip->Text=us_local_ip;

Edit_server_port->Text=us_local_port;

}

TF_main::dedao_zuihou_zhuangtai(UnicodeString us_cpuid) {…} //傳感器當(dāng)前狀態(tài)

TF_main::chuli_received_Package(UnicodeString us_recv) {…}//處理收到的數(shù)據(jù)包

TF_main::cunchu_zhuangtai(unsigned char get_data_buf[],int ilen) {…}//處理收到的數(shù)據(jù)包并保存

TF_main::chuli_send_Package(UnicodeString ust_wifi_ip,unsigned short ust_cpu_id,UnicodeString us_shuzhi) {…}//處理發(fā)送的數(shù)據(jù)包

3.2.2 處理收到的數(shù)據(jù)包并保存 從傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)具有如下幀結(jié)構(gòu)，程序通過幀頭和幀尾識(shí)別數(shù)據(jù)包，并通過幀類型對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類存儲(chǔ)和執(zhí)行，目標(biāo)器件地址和來(lái)源器件地址分別采用自動(dòng)識(shí)別主控芯片出廠ID，以保證地址的唯一性，40字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度包含空氣溫度、空氣濕度、光照度、土壤溫度、土壤濕度數(shù)據(jù)及類別標(biāo)志，以便在數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)位置進(jìn)行存儲(chǔ)(表3)。

表3 幀結(jié)構(gòu)

4 測(cè)試與結(jié)論

設(shè)備測(cè)試于2018年5月15～20日在天津市農(nóng)科院試驗(yàn)基地進(jìn)行。首先，配置本地虛擬服務(wù)器IP地址和端口號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手測(cè)試數(shù)據(jù)接收情況，然后使用自主開發(fā)的服務(wù)器監(jiān)聽程序接收軟件進(jìn)行測(cè)試，通過設(shè)定工作串口頻率、設(shè)定公網(wǎng)IP地址、UDP端口號(hào)、心跳包頻率和注冊(cè)包字段后，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并開啟檢測(cè)設(shè)備；硬件部分?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)定每30分鐘采集空氣溫度、空氣濕度、光照度、土壤溫度、土壤濕度數(shù)據(jù)，用于檢測(cè)設(shè)施溫室生產(chǎn)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，累計(jì)采集測(cè)試數(shù)據(jù)793組，均正常接收，無(wú)數(shù)據(jù)包丟失，為設(shè)施溫室內(nèi)的合理灌溉提供指導(dǎo)依據(jù)。

采用FRAM和NB-IOT架構(gòu)搭建設(shè)施溫室智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠合理處置滯留數(shù)據(jù)，并有效保證數(shù)據(jù)采集上傳的連貫性，同時(shí)確保掉電數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；NB-IOT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建，能夠適應(yīng)在農(nóng)業(yè)智慧生產(chǎn)條件下低頻率、小數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸，有效減少數(shù)據(jù)傳輸過程產(chǎn)生的費(fèi)用，同時(shí)從整體上降低系統(tǒng)功耗(圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)測(cè)試及實(shí)物圖