王戰(zhàn)備 韓團(tuán)軍 王桂寶 胡麗麗

摘要：根據(jù)陜南漢中有機(jī)水稻種植環(huán)境智能化監(jiān)測(cè)的需求，基于ZigBee、NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)有機(jī)水稻環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用帶射頻功率放大的CC2530模塊設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，采用自定義Channel、PanID、MAC等ZigBee協(xié)議參數(shù)，以此提高ZigBee無(wú)線通信距離和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)稻田大氣環(huán)境和土壤環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析，具有異常狀態(tài)語(yǔ)音告警、基于OneNET云平臺(tái)和手機(jī)App的稻田環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)中ZigBee無(wú)線傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)400 m以上，并對(duì)其他ZigBee組網(wǎng)信號(hào)具有良好的抗干擾能力，OneNET云平臺(tái)接入及數(shù)據(jù)上傳通信延遲為5～10 s，系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行較為穩(wěn)定，能夠滿足漢中有機(jī)稻田環(huán)境智能化監(jiān)測(cè)的基本需求。

關(guān)鍵詞：有機(jī)稻田;環(huán)境監(jiān)測(cè);無(wú)線傳感網(wǎng);窄帶物聯(lián)網(wǎng);云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：S126? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）23-0195-06

收稿日期：2021-03-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61972239）;陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃（編號(hào)：18JK0160）;陜西省社會(huì)科學(xué)基金（編號(hào)：2015R028）。

作者簡(jiǎn)介：王戰(zhàn)備（1977—），男，陜西乾縣人，碩士，副教授，主要從事無(wú)線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面的研究。E-mail：263337576@qq.com。

漢中市地處陜西省西南部、漢水上游，是國(guó)家南水北調(diào)中線水源地，區(qū)內(nèi)氣候溫潤(rùn)、雨量充沛，是陜西省水稻主產(chǎn)區(qū)，也是全國(guó)最佳優(yōu)質(zhì)稻米適生區(qū)[1]。漢中市水稻年種植總面積約8萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量近60萬(wàn)t，水稻種植面積和總產(chǎn)量占陜西省的近70%[2]。近幾年，為實(shí)施南水北調(diào)中線水源地的環(huán)境保護(hù)，確?！耙唤逅┍本?，漢中市在傳統(tǒng)水稻種植基礎(chǔ)上積極發(fā)展綠色有機(jī)水稻種植，有機(jī)水稻已成為漢中市綠色農(nóng)產(chǎn)品中的一張亮麗品牌，有機(jī)水稻種植也成為漢中地區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)民脫貧致富、農(nóng)村振興發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。有機(jī)水稻對(duì)空氣質(zhì)量、土壤環(huán)境等要求較高，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)稻田大氣和土壤環(huán)境、適時(shí)采取有效管控措施是保證有機(jī)水稻品質(zhì)和產(chǎn)量的重要基礎(chǔ)。近些年，以智能傳感器、無(wú)線傳感網(wǎng)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)快速發(fā)展。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化監(jiān)測(cè)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向，也成為農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

汪鳳珠等利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)鹽堿地中的水質(zhì)、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并應(yīng)用TCP/IP 協(xié)議設(shè)計(jì)鹽堿地綜合治理信息采集軟件和遠(yuǎn)程信息云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了鹽堿地資源信息的智能化監(jiān)測(cè)與調(diào)控[3]。方圓等將ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)和GPRS結(jié)合，實(shí)現(xiàn)棉田土壤溫濕度信息的自動(dòng)采集分析和遠(yuǎn)程傳輸，并利用NI LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)棉田土壤溫濕度信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制功能[4]。韓團(tuán)軍設(shè)計(jì)了一種山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用CC2430 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)采集農(nóng)田環(huán)境信息，并通過(guò)WiFi技術(shù)建立無(wú)線傳感網(wǎng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)鏈接，用戶基于B/S模式實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。劉杰等將CC2530信息采集模塊與智能尋跡小車結(jié)合，以移動(dòng)方式采集溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)WiFi無(wú)線方式傳輸?shù)絇C端的LABVIEW監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度和光照度的監(jiān)測(cè)與調(diào)控[6]。崔紅光等以CC2530 ZigBee無(wú)線技術(shù)設(shè)計(jì)水稻直播機(jī)播種質(zhì)量無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水稻播種過(guò)程的多點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有漏播、堵種等異常情況告警功能及故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)顯示功能，便于用戶及時(shí)排除水稻機(jī)播過(guò)程中的各種故障現(xiàn)象，確保水稻播種質(zhì)量[7]。盛會(huì)等設(shè)計(jì)了一種基于CC2530的農(nóng)田滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)田溫濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線方式發(fā)送至控制主機(jī)，用戶通過(guò)上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化，并能通過(guò)控制主機(jī)向各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制灌溉控制指令，啟動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)上的電磁閥，實(shí)施輸水灌溉[8]。

本試驗(yàn)在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合漢中有機(jī)稻田環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，基于ZigBee無(wú)線通信、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、OneNET云平臺(tái)應(yīng)用等技術(shù)設(shè)計(jì)有機(jī)稻田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以滿足漢中地區(qū)有機(jī)稻田環(huán)境智能化監(jiān)測(cè)需求，也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在陜南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)主機(jī)組成，終端節(jié)點(diǎn)采集稻田土壤環(huán)境參數(shù)和大氣環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線通信方式發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，由監(jiān)測(cè)主機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、顯示、異常語(yǔ)音告警等功能。監(jiān)測(cè)主機(jī)通過(guò)NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)的自動(dòng)接入，能將終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)，用戶通過(guò)手機(jī)App登錄云平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)稻田環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

考慮到普通ZigBee無(wú)線模塊通信距離短、抗干擾能力弱、難以滿足稻田環(huán)境下的遠(yuǎn)距離無(wú)線通信需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)主機(jī)的ZigBee無(wú)線通信方案采用帶射頻功率放大（PA）的ZigBee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊以TI公司的CC2530F256芯片為核心，內(nèi)部包含1個(gè)增強(qiáng)型8051內(nèi)核，搭載了RFaxis公司的功率放大芯片（PA）RFX2401C，輸出功率+23dbm，理論傳輸距離可達(dá)1 000 m，支持IEEE802.15.4 和ZigBee2007pro協(xié)議，能有效增強(qiáng)無(wú)線通信距離并拓展帶寬，且外圍電路簡(jiǎn)單，是目前ZigBee遠(yuǎn)距離無(wú)線通信設(shè)計(jì)中最理想的類型[9]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)電路以射頻功率放大ZigBee模塊（CC2530+RFX2401C）為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，其應(yīng)用電路如圖2所示。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了3種類型的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)1為風(fēng)速風(fēng)向采集節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)2為大氣溫濕度、光照度及土壤溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)3為土壤pH值采集節(jié)點(diǎn)。因終端節(jié)點(diǎn)中采用了RS485接口傳感器，為實(shí)現(xiàn)RS485傳感器與CC2530處理器的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，以MAX485芯片為核心設(shè)計(jì)了485接口到UART串口的轉(zhuǎn)換電路[10-11]，滿足RS485接口傳感器與CC2530處理器的電路連接功能，接口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

終端節(jié)點(diǎn)1中的風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用建大仁科的聚碳?xì)わL(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器[12]。這2種傳感器均為RS485接口輸出，電路設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)接口轉(zhuǎn)換電路與CC2530處理器的UART0和UART1相連。風(fēng)速傳感器的分辨率0.1 m/s，啟動(dòng)風(fēng)速<0.2 m/s，風(fēng)向傳感器支持8個(gè)指示方向和0～360 °連續(xù)測(cè)量（精度+1 °），風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用默認(rèn)設(shè)備地址1，波特率設(shè)置為4 800。

終端節(jié)點(diǎn)2中的大氣溫濕度傳感器采用數(shù)字式溫濕度檢測(cè)一體化傳感器DHT11。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器[13]，采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)P0_1端口送往CC2530處理器。光照度傳感器采用GY30型數(shù)字光照傳感器[14]，其光照度檢測(cè)范圍0～65 000 lx，分辨率1 lx，采用I2C接口輸出。電路設(shè)計(jì)時(shí)用CC2530的P1_4和P1_5端口模擬時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA，實(shí)現(xiàn)光照度傳感器與CC2530處理器的電路連接。土壤溫濕度傳感器采用賽通科技ST-TR-WS型的土壤溫度水分一體化傳感器[15]。該傳感器土壤水分測(cè)量范圍0～100%，分辨率0.1%，檢測(cè)精度3%～5%，土壤溫度測(cè)量范圍-40～80 ℃，分辨率0.1 ℃，檢測(cè)精度±0.5 ℃，RS485接口輸出，通過(guò)接口轉(zhuǎn)換電路與CC2530處理器的UART0相連。

終端節(jié)點(diǎn)3中的土壤pH值傳感器采用賽通科技的ST-TR-PH型土壤酸堿度傳感器[15]。該傳感器土壤pH值測(cè)量范圍4～10，分辨率為0.1，精度±0.5，采用不銹鋼探針，通過(guò)土壤埋置方式采集數(shù)據(jù)，RS485接口方式輸出，通過(guò)接口轉(zhuǎn)換電路與CC2530處理器的UART0相連。

2.2 監(jiān)測(cè)主機(jī)電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)主機(jī)由主機(jī)控制器、ZigBee（協(xié)調(diào)器）模塊、顯示模塊、設(shè)置模塊、語(yǔ)音模塊及NB-IoT模塊組成。監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到ZigBee CC2530處理器數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力有限，為滿足監(jiān)測(cè)主機(jī)功能要求，設(shè)計(jì)時(shí)采用雙處理器結(jié)構(gòu)。主機(jī)控制器采用ST公司的32位嵌入式微控制器STM32F103ZET6，用于大氣環(huán)境檢測(cè)和土壤環(huán)境檢測(cè)等多路傳感器接入、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示、異常語(yǔ)音告警、云平臺(tái)接入與數(shù)據(jù)上傳等控制功能。CC2530作為輔助處理器，主要運(yùn)行ZigBee無(wú)線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸功能。主機(jī)控制器STM32F103ZET6與輔助控制器CC2530之間采用串口通信，連接電路如圖4所示。

監(jiān)測(cè)主機(jī)中的顯示模塊采用分辨率320×240的3.2寸HMI 智能串口屏，通過(guò)4線SPI串行方式與STM32主機(jī)控制器連接。設(shè)置模塊采用4×4矩陣鍵盤，實(shí)現(xiàn)閾值設(shè)置等功能。語(yǔ)音模塊采用SYN6288 中文語(yǔ)音合成模塊， 以串口通信方式與主機(jī)控制器相連，可將任意中文文字轉(zhuǎn)換為中文語(yǔ)音播報(bào)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音告警功能。NB-IOT模塊由M5310A通信模組、RF 天線、SIM 卡和固件下載接口組成，支持TCP/UDP/COAP/MQTT/LWM2M等協(xié)議，可便捷快速地實(shí)現(xiàn)與OneNET云平臺(tái)的連接。本系統(tǒng)中的NB-IoT模塊通過(guò)串口通信方式與主機(jī)控制器相連，連接電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無(wú)線組網(wǎng)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)主機(jī)之間ZigBee無(wú)線通信基于TI公司的ZigBee Z-Stack 2007協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切停囼?yàn)網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)協(xié)調(diào)器和3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。設(shè)計(jì)時(shí)，為避免其他ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)干擾，在TI SmartRF FLASH軟件中將協(xié)調(diào)器及終端節(jié)點(diǎn)的Channel、PanID、MAC地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置為表1所示的自定義值。設(shè)置完成后，協(xié)調(diào)器及各終端節(jié)點(diǎn)依次上電啟動(dòng)，按照協(xié)議規(guī)則自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建與節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，形成覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分配1個(gè)16位短地址，作為該終端節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的識(shí)別標(biāo)志。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)控制軟件設(shè)計(jì)

各終端節(jié)點(diǎn)控制程序基于Z-Stack應(yīng)用層API接口設(shè)計(jì)，主要完成節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與封裝、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)并成功入網(wǎng)后，按照系統(tǒng)設(shè)置的檢測(cè)周期，定時(shí)采集稻田環(huán)境參數(shù)，并將采集數(shù)據(jù)封裝后通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，隨后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)封裝以ZigBee協(xié)議幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)功能要求，增加了節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)類型、采集時(shí)間等字段，數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)采集參數(shù)種類的不同而不同，終端節(jié)點(diǎn)1（風(fēng)速風(fēng)向）的數(shù)據(jù)字段為6字節(jié)，終端節(jié)點(diǎn)2（大氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度）的數(shù)據(jù)字段為8字節(jié)，終端節(jié)點(diǎn)3（土壤pH值）的數(shù)據(jù)字段為4字節(jié)，封裝數(shù)據(jù)格式如表2所示。

3.3 監(jiān)測(cè)主機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)控制器STM32F103ZET6初始化完成后，通過(guò)串口發(fā)送AT指令，控制NB-IoT模塊（M5310A） 基于LwM2M 協(xié)議接入中移物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)NB-IoT設(shè)備注冊(cè)上線，再由用戶根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各參數(shù)檢測(cè)閾值，隨后監(jiān)測(cè)主機(jī)通過(guò)串口接收協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的各節(jié)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并完成各節(jié)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析與顯示。所接收的檢測(cè)數(shù)據(jù)如有異常，主機(jī)控制器控制語(yǔ)音告警模塊實(shí)施語(yǔ)音告警，播報(bào)語(yǔ)音信息包含節(jié)點(diǎn)編號(hào)和異常參數(shù)類型，例如“請(qǐng)注意，1號(hào)終端大氣溫度異?！?。1次采集結(jié)束后，監(jiān)測(cè)主機(jī)將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)封裝為1個(gè)數(shù)據(jù)包（封裝數(shù)據(jù)格式如表3所示），再由STM32F103ZET6控制器利用AT指令控制M5310A模塊，通過(guò)NB-IoT鏈路將檢測(cè)數(shù)據(jù)包上傳至OneNET云平臺(tái)。監(jiān)測(cè)主機(jī)控制流程如圖6所示。

3.4 OneNET云平臺(tái)接入設(shè)計(jì)[16-17]

NB-IoT模塊基于LwM2M協(xié)議接入OneNET云平臺(tái)，整個(gè)過(guò)程包括2個(gè)階段，一是OneNET云平臺(tái)上的產(chǎn)品創(chuàng)建與設(shè)備添加，二是M5310A模組初始化及其與基站和服務(wù)器之間連接。用戶登錄中移物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)，在“開發(fā)者中心”完成產(chǎn)品創(chuàng)建，設(shè)置產(chǎn)品名稱、類別及接入方式、接入?yún)f(xié)議等參數(shù)。創(chuàng)建成功后添加設(shè)備，填寫設(shè)備名稱、IMEI碼、IMSI碼，并開啟自動(dòng)訂閱功能。在模組側(cè)，主機(jī)控制器通過(guò)AT指令控制M5310A模組實(shí)現(xiàn)初始化及網(wǎng)絡(luò)連接，并完成設(shè)備創(chuàng)建及資源配置與訂閱（Object 和Resource 配置）。在此基礎(chǔ)上，M5310A模組登錄OneNET云平臺(tái)，建立監(jiān)測(cè)主機(jī)到OneNET云平臺(tái)數(shù)據(jù)通信連接，所有終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)便可通過(guò)監(jiān)測(cè)主機(jī)上報(bào)到OneNET平臺(tái)。手機(jī)App通過(guò)OneNET云平臺(tái)的API接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和控制指令下發(fā)功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

2020年10月4日，在陜西省漢中市南鄭區(qū)梁山鎮(zhèn)某有機(jī)稻種植基地對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括ZigBee無(wú)線通信距離、ZigBee抗干擾性能測(cè)試、系統(tǒng)整體功能。

4.1 ZigBee無(wú)線通信距離測(cè)試

在稻田視距環(huán)境下，用1對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)（CC2530+RFX2401C），以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式測(cè)試ZigBee無(wú)線通信有效距離，為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置的設(shè)置提供依據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表4所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，通信距離在300 m內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)丟包率較小，無(wú)線傳輸過(guò)程基本穩(wěn)定;當(dāng)距離超過(guò)400 m時(shí)，ZigBee無(wú)線通信仍可進(jìn)行，但數(shù)據(jù)丟包率會(huì)大幅度增加，影響系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能;當(dāng)距離超過(guò)485 m時(shí)，無(wú)數(shù)據(jù)接收，ZigBee無(wú)線通信中斷。

4.2 ZigBee抗干擾性能測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中協(xié)調(diào)器和各終端節(jié)點(diǎn)的Channel、PanID、MAC等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)采用表1所示值，在監(jiān)測(cè)主機(jī)旁邊設(shè)置一個(gè)相同器件類型的干擾協(xié)調(diào)器，干擾協(xié)調(diào)器采用默認(rèn)的Channel、PanID、MAC參數(shù)值。上電啟動(dòng)后，監(jiān)測(cè)主機(jī)中的協(xié)調(diào)器和各終端節(jié)點(diǎn)能夠按照Z(yǔ)igBee協(xié)議及自定義參數(shù)完成ZigBee無(wú)線組網(wǎng)及節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。組網(wǎng)過(guò)程快速、穩(wěn)定，并能有效排除干擾協(xié)調(diào)器對(duì)ZigBee組網(wǎng)過(guò)程的干擾，避免附近其他ZigBee信號(hào)對(duì)本系統(tǒng)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸性能的影響。

4.3 系統(tǒng)功能測(cè)試

監(jiān)測(cè)主機(jī)和終端節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)并組網(wǎng)后，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)均能按照既定采集周期完成大氣溫度、濕度、光照度、土壤溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)采集，并能通過(guò)ZigBee無(wú)線方式發(fā)送到監(jiān)測(cè)主機(jī)。監(jiān)測(cè)主機(jī)能接收各終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并能完成數(shù)據(jù)分析、顯示及異常語(yǔ)音告警控制等功能，同時(shí)還將各終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)。用戶可以通過(guò)手機(jī)App遠(yuǎn)程觀察各終端節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因網(wǎng)絡(luò)覆蓋信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等因素影響，監(jiān)測(cè)主機(jī)連接OneNET云平臺(tái)和檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳更新過(guò)程均有5～10 s 不等的通信延遲。監(jiān)測(cè)主機(jī)測(cè)試結(jié)果和手機(jī)App測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。

5 結(jié)論

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT和ZigBee技術(shù)的有機(jī)稻田環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集水稻種植區(qū)內(nèi)的大氣和土壤環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線方式發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，由監(jiān)測(cè)主機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、顯示及異常語(yǔ)音告警。監(jiān)測(cè)主機(jī)具有基于NB-IoT方式的OneNET云平臺(tái)自動(dòng)接入功能，可將各節(jié)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。用戶通過(guò)手機(jī)App遠(yuǎn)程登錄云平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)稻田環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，本系統(tǒng)可在通信距離不超過(guò)400 m的稻田種植區(qū)內(nèi)構(gòu)建較為穩(wěn)定的環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，且具有良好抗干擾性能，能夠?qū)崿F(xiàn)稻田大氣環(huán)境溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照度、土壤溫濕度、土壤pH值等環(huán)境參數(shù)的采集、分析及無(wú)線傳輸，并能夠?qū)崿F(xiàn)OneNET云平臺(tái)的自動(dòng)接入、數(shù)據(jù)上傳及基于手機(jī)App的稻田環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)能夠滿足有機(jī)水稻種植環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的基本需求，可作為漢中有機(jī)水稻種植智能化、精細(xì)化管理的有效工具，也可為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在陜南農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用推廣提供借鑒與參考。

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