嚴(yán)鶴軒，袁 衛(wèi)

(渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南 714000)

根據(jù)我國國情，大部分地區(qū)存在著多山少地、土壤不適合種植、氣候的無常、由于收入和付出勞動代價的不匹配導(dǎo)致從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人減少等各種問題。但在當(dāng)今社會，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展促進了社會生產(chǎn)力的提高，對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式產(chǎn)生了重大的影響。然而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在快速發(fā)展的過程中面臨著各種問題，為了能夠有效解決這些問題，可以將物聯(lián)網(wǎng)和智慧農(nóng)業(yè)進行充分的結(jié)合。在種植區(qū)安裝各種無線傳感節(jié)點，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將各個傳感器節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至無線匯聚節(jié)點，進而實現(xiàn)對整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實時有效監(jiān)測，并且還可以根據(jù)采集到的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)過一些簡單的云計算處理和分析之后，就能夠反映在種植過程中出現(xiàn)的一些問題[1-4]。

1 系統(tǒng)功能及框架設(shè)計

智能溫室大棚技術(shù)的應(yīng)用，在滿足用戶需求的同時滿足用戶去自行選擇所需的設(shè)備，將大棚各類設(shè)備連接到用戶設(shè)備，在接入互聯(lián)網(wǎng)中后，大棚內(nèi)的各類傳感器數(shù)據(jù)就會變得智能化。設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖設(shè)計

由圖1可知，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)分為三層，最底層為數(shù)據(jù)采集終端，中間是傳輸模塊，上層是云平臺管理。即可理解為感知層、傳輸層、應(yīng)用層[4-8]。

由采集端去采集一系列的數(shù)據(jù)，這些傳感器信息通過ZigBee以無線的方式傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中，就像人類的眼睛、耳朵、鼻子、手和腳一樣感知著周圍的環(huán)境，網(wǎng)關(guān)收到ZigBee節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，通過無線的方式，比如WIFI，傳輸?shù)椒?wù)器中，網(wǎng)關(guān)就像家中的路由器，連接外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)。上層是云平臺管理，首先需要一個服務(wù)器，與網(wǎng)關(guān)中間建立一個通訊連接，收集傳感器的數(shù)據(jù)，下發(fā)一些執(zhí)行命令。同時會有傳感器數(shù)據(jù)庫，通過這些數(shù)據(jù)做一些軟件，用戶可以通過手機、瀏覽器實時查看數(shù)據(jù)，并通過軟件下發(fā)一些運行參數(shù)，使植物在一個良好的生長環(huán)境中生長[9-11]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32網(wǎng)關(guān)設(shè)計

處理器選用STM32F103RCT6它具備256K的Flash及48K的SRAM，具備1路USB轉(zhuǎn)UART接口，可以接收4路無線傳輸模塊(WIFI，IPV6，藍牙4.0，ZigBee)，使用ZigBee和WIFI模塊。STM32系列相對于其他單片機來說，性價比高，功能強大，完全滿足設(shè)計需求，芯片的技術(shù)成熟廣泛，具有很多開發(fā)套件，對于后續(xù)升級開發(fā)有著很大作用[12-14]。

2.2 傳感器模塊設(shè)計

溫濕度模塊采用DHT11空氣溫濕度傳感器，在進行操作時將CC2530芯片的P0_6引腳和溫濕度傳感器的D2引腳相連，通過無線通信方式，把采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，并對協(xié)議分析顯示相應(yīng)的數(shù)值。

風(fēng)扇傳感器本質(zhì)上是一個直流電機所以只需要把風(fēng)扇的控制引腳D1與CC2530的P1_2引腳相連，只要給P1_2引腳低電平風(fēng)扇就會轉(zhuǎn)起來。

2.3 WIFI模塊設(shè)計

WIFI芯片采用的是ESP高性能無線SOC芯片，支持了M0系列的單片機，這是一款國產(chǎn)芯片，成本低，由于滿足很多智能硬件應(yīng)用，所以被普遍采用。TI有一款芯片CC3200，成本較高，可以用來作路由器。WIFI的工作模式由撥碼開關(guān)控制。有以下幾種模式：1) WIFI模塊燒寫固件。2) 跳過M0，通過串口直接與外部鏈接。3) WIFI模塊的串口與M0相連。在本設(shè)計中需要跳過M0進行開發(fā)，使用時注意撥碼開關(guān)的位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

ZigBee溫濕度節(jié)點定時5s采集溫濕度數(shù)據(jù)，定時5s發(fā)送數(shù)據(jù)到ZigBee協(xié)調(diào)器。

ZigBee風(fēng)扇節(jié)點定時5s采集風(fēng)扇運行狀態(tài)，定時5s發(fā)送數(shù)據(jù)到ZigBee協(xié)調(diào)器，實時接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令，風(fēng)扇響應(yīng)命令執(zhí)行動作。

3.2 STM32網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸

溫濕度數(shù)據(jù)和風(fēng)扇的運行狀態(tài)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容是類Modbus協(xié)議，STM32進行接收，接收到數(shù)據(jù)后進行解析，得到所要的溫濕度數(shù)據(jù)，通過組包發(fā)送到機智云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上行，即手機APP查看溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)上行流程圖

接收機智云發(fā)送的命令數(shù)據(jù)，APP發(fā)送開啟風(fēng)扇，傳到機智云平臺，平臺通過WIFI發(fā)送到STM32，進行事件處理，之后進行組包，形成Modbus協(xié)議，發(fā)送到ZigBee串口，串口通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到風(fēng)扇節(jié)點，這樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)下行，即手機APP控制風(fēng)扇傳感器。數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)下行流程圖

3.3 通訊協(xié)議解析

采用消息隊列的方式進行串口通訊數(shù)據(jù)的接收，在消息隊列中，消息為先入先出，判斷包頭0×21出現(xiàn)，循環(huán)地讀取消息隊列中的數(shù)據(jù)，直到出現(xiàn)CRC8校驗碼，如果是一幀正確的數(shù)據(jù)，就要去判斷傳感器的類型，再根據(jù)傳感器的類型，讀取對應(yīng)數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)節(jié)點上，機智云的數(shù)據(jù)上報任務(wù)會去檢測數(shù)據(jù)是否變化，如果變化，就會去觸發(fā)數(shù)據(jù)上報，這樣就完成了數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)上報任務(wù)。數(shù)據(jù)解析流程如圖4所示。

圖4 通訊協(xié)議的解析

3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

在手機APP界面上可以看到溫度和濕度的數(shù)據(jù)，風(fēng)扇的控制按鈕和狀態(tài)按鈕。打開風(fēng)扇的控制按鈕，在大約5s左右，風(fēng)扇的狀態(tài)發(fā)生改變。如圖5所示。

圖5 手機APP上實現(xiàn)風(fēng)扇狀態(tài)的采集

4 結(jié)束語

本設(shè)計所研究的對象是獨立的溫室大棚，現(xiàn)在上層的STM32和機智云的數(shù)據(jù)傳輸上已經(jīng)完成，在底層的數(shù)據(jù)采集中逐步完成。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，農(nóng)產(chǎn)品的種植面積是很廣泛的，基本上占地面積很大。因此，在傳感器的選取、傳感網(wǎng)絡(luò)的組建、路由器的選擇、現(xiàn)場與中心機房的通信、設(shè)備的選擇等都會更加的復(fù)雜。在溫室大棚中，有些無線通信電子設(shè)備本身的性能與溫度有著必要的聯(lián)系，會導(dǎo)致在夏季處于一個高溫的狀態(tài)，對性能產(chǎn)生一定的影響，以及會損壞設(shè)備。這就要進一步加強對設(shè)備的改進，做一些散熱裝置?，F(xiàn)如今5G、VR開始普及，本設(shè)計還可在今后建立于5G與VR上實施升級改進。