趙善政

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

果園多位于山坡丘陵地帶,面積廣闊,環(huán)境較復(fù)雜。在農(nóng)業(yè)信息化背景下,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)果園進(jìn)行信息化監(jiān)控管理是成本低、維護(hù)便利的一種解決方案。藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按功能分為土壤檢測(cè)氣象檢測(cè)系統(tǒng)、澆灌控制系統(tǒng)、云端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙通信協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比分析處理。當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)小于或大于設(shè)置閾值時(shí),云端平臺(tái)會(huì)向終端下發(fā)指令,用戶也可通過(guò)客戶端下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)澆灌,如圖1所示。

圖1 基本藍(lán)牙Mesh通信灌溉系統(tǒng)

如果按照層次劃分,可將系統(tǒng)分為智慧感知層、大數(shù)據(jù)云平臺(tái)、應(yīng)用層,其中智慧感知層包括溫濕度傳感器、灌溉控制節(jié)點(diǎn)及負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)匯聚并上報(bào)云平臺(tái)的網(wǎng)關(guān),是研究與設(shè)計(jì)的核心任務(wù)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在硬件電路設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)要求有以下幾點(diǎn)：①超低功耗。在農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要布局在荒山野嶺、遠(yuǎn)離電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)的地方,在此區(qū)域能量補(bǔ)充困難,無(wú)法使用市電進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換供電,通常采用可充電電池和太陽(yáng)能板組合進(jìn)行電量補(bǔ)充。在有市電供電的傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域中,為了減少線纜走線布局,盡可能使用電池功能,故在低功耗設(shè)計(jì)中,傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是首要因素,可在軟件設(shè)計(jì)上對(duì)硬件外設(shè)進(jìn)行管理優(yōu)化,達(dá)到降低功耗的目的。如將空閑外設(shè)做掉電處理、設(shè)計(jì)合理的設(shè)備休眠喚醒機(jī)制等,降低節(jié)點(diǎn)功耗。 ②小型化。為了便于傳感器節(jié)點(diǎn)部署,減少安裝節(jié)點(diǎn)對(duì)果園原始作物生長(zhǎng)環(huán)境的干擾,無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的體積應(yīng)盡量小。小體積設(shè)備節(jié)點(diǎn)安裝方便,利于后續(xù)在特定區(qū)域內(nèi)增加節(jié)點(diǎn)的布局密度。 ③低成本。為了提高傳感網(wǎng)絡(luò)信息采集的準(zhǔn)確性,通常需要高密度、大范圍布局設(shè)備節(jié)點(diǎn),設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量規(guī)模較大,為了體現(xiàn)整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的性價(jià)比優(yōu)勢(shì),需要盡可能降低單節(jié)點(diǎn)設(shè)備成本,能不用的外設(shè)就不用。④高可靠性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域決定了其節(jié)點(diǎn)需要在千差萬(wàn)別的工作環(huán)境下完成任務(wù),特別是在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境更加惡劣,需要在設(shè)計(jì)中考慮不同溫度、濕度下的正常運(yùn)行,完成節(jié)點(diǎn)工作任務(wù)[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。

將感知層節(jié)點(diǎn)分為傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),為了降低開發(fā)成本、方便硬件維護(hù),采用Nordic公司的NRF52832 SOC(System On Chip)作為節(jié)點(diǎn)核心進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)選擇的NRF52832芯片是Nordic公司的SOC產(chǎn)品,主要由核心處理器、2.4 GHz射頻收發(fā)模塊、電源管理模塊、通用外設(shè)等部分組成。核心處理器采用設(shè)計(jì)主頻為64 Mhz的ARM CortexTM-M4F 32位CPU內(nèi)核架構(gòu),搭配最大512 KB flash和64 KB RAM,具備強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力,為提升數(shù)據(jù)包處理能力提供了硬件基礎(chǔ)。2.4 GHz射頻模塊最大接收靈敏度為-96 dBm,高接收靈敏度可極大提升兩節(jié)點(diǎn)間的通信距離。射頻最大輸出功率為+4 dBm,可實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為4 dB的功率調(diào)節(jié),輸出功率調(diào)節(jié)范圍為-20 dBm～+4 dBm,可滿足不同的功率等級(jí)需求。NRF52832 soc在1.7～3.6 V供電電壓下均可正常運(yùn)行,通過(guò)SOC電源管理模塊對(duì)SOC外設(shè)模塊進(jìn)行獨(dú)立管理,進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)時(shí)可靈活配置,極大降低SOC功耗。通用外設(shè)部分,NRF52832外設(shè)包含SPI、IIC、UART等通信接口,方便接入其他模塊。8路12位ADC、3路獨(dú)立PWM、32路通用IO便于傳感器信號(hào)接入及多樣的輸出控制。Nordic NRF52832內(nèi)置AES硬件模塊,為數(shù)據(jù)通信信息安全提供硬件支持[2]。NRF52832芯片有QFN48和WLCSP兩種封裝,設(shè)計(jì)選用 QFN48 封裝,最小系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 NRF52832最小系統(tǒng)電路原理

為了方便調(diào)試預(yù)留了SWD(Serial wire debug)接口,僅需兩根數(shù)據(jù)線加兩根供電導(dǎo)線即可完成通信,進(jìn)行代碼的單步仿真調(diào)試,比常用的20pin JTAG調(diào)試接口少了很多,可大大減少硬件面積。

設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)整體電流不大,根據(jù)常規(guī)器件工作電壓,選擇普通4.2 V常用鋰電池供電,選用TI的低壓差線性穩(wěn)壓器TPS73633電源管理芯片。此芯片在輸入1.7～5.5 V條件下即可提供1.2～5.5 V輸出電壓和最大400 mA輸出電流,通過(guò)此電源芯片將 4.2 V電源轉(zhuǎn)換為3.3 V電源給主系統(tǒng)供電,電路原理如圖3所示。

圖3 NRF52832 LDO原理

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括核心處理器NRF52832模塊、傳感器模塊兩部分。NRF52832模塊部分是通用的,傳感器部分需根據(jù)傳感器類型單獨(dú)進(jìn)行電路設(shè)計(jì),傳感器節(jié)點(diǎn)硬件是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分也是核心部分。

1.1.1 空氣溫濕度傳感器

果樹在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)空氣溫濕度有特定的需求。為了采集果園中的空氣溫度、濕度情況,選用DHT11溫濕度傳感器,實(shí)物及電路原理如圖4所示,此型號(hào)溫濕度傳感器價(jià)格低廉,易購(gòu)買,使用簡(jiǎn)單。從左至右依次為 VCC、DATA、NC、GND 4個(gè)引腳,其中第三引腳通常做懸空處理,可以忽略。此傳感器只有一根DATA數(shù)字信號(hào)引腳作為數(shù)據(jù)通信線,采用單總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。傳感器上電工作后的響應(yīng)時(shí)間小于1 ms。DHT11溫濕度傳感器溫度檢測(cè)范圍為0 ℃～50 ℃,分辨率為1 ℃,溫度誤差為±2 ℃;濕度檢測(cè)范圍為20%～90% RH,分辨率為濕度1% RH,誤差為±5% RH,可滿足果園溫度檢測(cè)需求。DHT11溫濕度傳感器采用電阻式感濕元件與NTC測(cè)溫元件,內(nèi)嵌小型低功耗單片機(jī),具有檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間快、所需功耗低、環(huán)境抗干擾能力強(qiáng)、物料成本低等特點(diǎn),可把當(dāng)期溫濕度信息通過(guò)DATA引腳持續(xù)傳輸?shù)街行奶幚砥魈幚碇小?/p>

圖4 DHT11溫濕度傳感器實(shí)物和電路原理

1.1.2 土壤水分傳感器

土壤水含量傳感器選用型號(hào)為MS10的產(chǎn)品,其采用FDR(Frequency domain reflection )原理設(shè)計(jì)土壤水含量傳感,根據(jù)土壤介電常數(shù)來(lái)計(jì)算土壤水分真實(shí)含量,具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、靈敏性好的特點(diǎn),適用于農(nóng)業(yè)種植、科學(xué)試驗(yàn)、節(jié)水灌溉等領(lǐng)域的土壤含水量檢檢[2]。土壤水分傳感器實(shí)物如圖5 所示。此土壤水分傳感器以5 V直流電源作為供電工作電源,在無(wú)外載情況下,最大工作電流為25 mA,平均工作電流為10 mA,采樣結(jié)果輸出為0～2 V直流電壓信號(hào),含水量與電壓成線性關(guān)系,可根據(jù)設(shè)計(jì)需要提供一定的電流輸出功能。檢測(cè)范圍為以檢測(cè)探針為中心直徑7 cm、高10 cm 的圓柱體,傳感器正常工作后0.5 s內(nèi)完成響應(yīng),檢測(cè)精度為±5%,檢測(cè)范圍 0%～100%。通過(guò)NRF52832自帶的12bit ADC模塊檢測(cè)MS10傳感器輸出電壓,根據(jù)檢測(cè)得到的電壓值進(jìn)行計(jì)算,從而得出土壤含水量。土壤含水量計(jì)算公式為：

圖5 MS10型水分傳感器實(shí)物

S=0.5×U×100%

式中,U為傳感器輸出的當(dāng)前電壓,S為換算得到的含水量比值。

1.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件主要包括核心處理器NRF52832最小系統(tǒng)、電源模塊、太陽(yáng)能充電模塊、GPRS模塊、以太網(wǎng)通信模塊、485通信模塊、存儲(chǔ)模塊及人機(jī)交互模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的中心處理器的主要任務(wù)是將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)處理,存儲(chǔ)模塊的任務(wù)是將各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)保存起來(lái),協(xié)調(diào)器模塊的任務(wù)是接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),485模塊和GPRS模塊負(fù)責(zé)將中心處理器處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。以太網(wǎng)通信部分采用W5500方案,核心處理器處理只需通過(guò)SPI接口即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信,電路原理如圖7所示。通常情況下,采用GPRS作為上報(bào)數(shù)據(jù)的方式,以太網(wǎng)只作為一種預(yù)留方案,方便在有線網(wǎng)絡(luò)管理區(qū)使用。

圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊組成

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以太網(wǎng)電路原理

1.3 電磁閥控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)為了滿足低功耗需求,采用雙穩(wěn)態(tài)脈沖式電磁閥開關(guān)對(duì)灌溉進(jìn)行控制。脈沖電磁閥主要由脈沖線圈、閥芯、永磁鐵、行程彈簧、閥盤及閥體等組成。通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)電路向電磁閥內(nèi)部線圈輸入正向脈沖電流,線圈通過(guò)電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生工作磁通,迫使動(dòng)芯吸合,閥門開啟。停止輸入正向脈沖或斷電后閥門繼續(xù)保持當(dāng)前開啟狀態(tài),只有輸入負(fù)向脈沖信號(hào)后才能恢復(fù)到閥門閉合狀態(tài)。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以L9110S芯片作為驅(qū)動(dòng)電路,電路原理如圖8所示。

圖8 脈沖式雙穩(wěn)態(tài)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的終端節(jié)具有Mesh組網(wǎng)功能,根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行各自的軟件功能設(shè)計(jì)。

2.1 藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中將配網(wǎng)過(guò)程定義為配網(wǎng)器把一個(gè)未配網(wǎng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過(guò)配置信息將其配置成Mesh網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。如果未配置的設(shè)備節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)配網(wǎng)器配置后可以接收并成功完成配置數(shù)據(jù),那么這個(gè)設(shè)備便是Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),表示配網(wǎng)過(guò)程的完成[3]。節(jié)點(diǎn)設(shè)備經(jīng)過(guò)Beaconing配網(wǎng)器啟動(dòng)掃描過(guò)程、發(fā)送邀請(qǐng)、交換公鑰、認(rèn)證過(guò)程、分發(fā)配網(wǎng)數(shù)據(jù)5個(gè)過(guò)程后即可完成組網(wǎng),節(jié)點(diǎn)設(shè)備Mesh組成配置流程如圖9所示。

圖9 藍(lán)牙Mesh設(shè)備節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)流程

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)提供的是普通藍(lán)牙設(shè)備的查看功能,即幫助普通的藍(lán)牙設(shè)備及服務(wù)器端之間做一個(gè)藍(lán)牙廣播上報(bào)功能,可遠(yuǎn)程查看設(shè)備狀態(tài)。傳感器類的設(shè)備需要藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)上報(bào)數(shù)據(jù)到服務(wù)器中,藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)相較于藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)多了一個(gè)下行功能,可做命令的下發(fā),即把單行道變成雙行道,對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制操作。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可直接控制電磁控制節(jié)點(diǎn),進(jìn)行灌溉控制。智能手機(jī)通常都有藍(lán)牙功能,除了通過(guò)云平臺(tái)監(jiān)控管理果園外,還可通過(guò)手機(jī)接入Mesh網(wǎng)絡(luò),對(duì)果園進(jìn)行監(jiān)控管理。

2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后,通過(guò)Mesh網(wǎng)關(guān)自動(dòng)加入組網(wǎng)中并上報(bào)節(jié)點(diǎn)信息,按程序設(shè)定的周期進(jìn)行環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集,采集完成后將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處,進(jìn)入低功耗休眠模式,等待下一數(shù)據(jù)采集周期自動(dòng)喚醒。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)匯總處理后再分包傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器,服務(wù)端后接收到上位機(jī)控制是否打開傳感器信息采集范圍內(nèi)的電磁閥信息并發(fā)送到對(duì)應(yīng)位置的電磁閥節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)論

本研究主要設(shè)計(jì)了如下功能：利用溫濕度傳感器及土壤水含量傳感器,設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)精確,實(shí)時(shí)采集果園中的土壤含水量及空氣濕度,獲取生長(zhǎng)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為果實(shí)種植增產(chǎn)等大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。研究藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)過(guò)程,設(shè)計(jì)藍(lán)牙Mesh節(jié)點(diǎn)和Mesh網(wǎng)關(guān),藍(lán)牙Mesh功耗低,傳輸速度快,可提供更大的數(shù)據(jù)傳輸量,在之后的升級(jí)擴(kuò)展中可加入更多其他類型的監(jiān)測(cè)傳感器。