肖增瑞+秦會(huì)斌+崔佳冬

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成本高、布線(xiàn)繁瑣、勞動(dòng)成本高等問(wèn)題，文中基于TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)控制中心以及無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種方便、準(zhǔn)確、高效的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶(hù)端及網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)農(nóng)場(chǎng)中的某項(xiàng)采集數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)中心對(duì)用戶(hù)手機(jī)發(fā)送短信報(bào)警信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果且成本低廉，適宜廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；TLink；網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-00-04

0 引 言

農(nóng)業(yè)是中國(guó)最傳統(tǒng)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，通過(guò)信息技術(shù)對(duì)地塊的土壤、肥力、氣候等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，然后據(jù)此提供與種植、施肥相關(guān)的解決方案，大大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率?；诰珳?zhǔn)的農(nóng)業(yè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)進(jìn)行多層次分析，并將分析指令與各種控制設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理。這種智能機(jī)械代替人的農(nóng)業(yè)勞作，不僅解決了農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力日益緊缺的問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高度規(guī)模化、集約化、工廠(chǎng)化，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)能力，使弱勢(shì)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)[1]。

本設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)流行的TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，基于意法半導(dǎo)體STM32最小系統(tǒng)，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)芯片、WiFi芯片、GSM模塊以及農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端或網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端實(shí)時(shí)查詢(xún)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信息以及對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)、加濕等設(shè)備進(jìn)行控制[2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由客戶(hù)端、TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

客戶(hù)端分為手機(jī)端和網(wǎng)頁(yè)端，可以實(shí)時(shí)查看傳感器信息，TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)作為一個(gè)開(kāi)放的公共物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)[3]，通過(guò)給用戶(hù)提供開(kāi)放的API接口使傳感器數(shù)據(jù)的接入、存儲(chǔ)和展現(xiàn)更加方便簡(jiǎn)單。網(wǎng)關(guān)基于STM32嵌入式最小系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換[4]，主要有無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WiFi協(xié)議和第二代全球移動(dòng)通信GSM協(xié)議。節(jié)點(diǎn)同樣基于STM32嵌入式最小系統(tǒng)搭建ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集傳感器信息并上傳[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)的核心控制部分。網(wǎng)關(guān)以STM32F103RBT6為主控芯片，最多可支持五路串口，在STM32最小系統(tǒng)搭載HLK-RM04 WiFi模塊、CC2530 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、SIM900A GSM模塊。本網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換。STM32必須提供外圍相關(guān)電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，包括3.3 V穩(wěn)壓電源、8 MHz晶振時(shí)鐘、復(fù)位電路、數(shù)字和模擬間的去耦電路、調(diào)試接口。WiFi模塊與GSM模塊在功能上互補(bǔ)，充分考慮到無(wú)WiFi網(wǎng)絡(luò)情況下，數(shù)據(jù)可以通過(guò)GSM模塊傳送到用戶(hù)手機(jī)。各模塊與網(wǎng)關(guān)底板以插針的方式連接，方便程序升級(jí)更新。采用220 V轉(zhuǎn)5 V適配器供電。此外，網(wǎng)關(guān)增加功能設(shè)置按鍵和LED提示功能。按鍵主要功能為復(fù)位和啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)上傳。網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊采用PCB天線(xiàn)，WiFi模塊采用airgain內(nèi)置天線(xiàn)[6]。

節(jié)點(diǎn)以STM32F103RBT6為主控芯片，最小系統(tǒng)搭載DHT11溫濕度傳感器、BH1750光強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器模塊、松樂(lè)SRD-05VDC-SL-C繼電器、CC2530 ZigBee芯片。底層構(gòu)建一個(gè)基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)[7]。該無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)涵蓋燈光控制、通風(fēng)控制、環(huán)境溫濕度的采集、升溫、加濕控制。硬件供電電源部分電路圖如圖2所示。

電源通過(guò)AMS1117-3.3 V芯片實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V輸出，電源接口為PWR2.5，可接220 V轉(zhuǎn)5 V/2 A的電源適配器獲得。C7、C8、C9為濾波電容，保證電源電壓穩(wěn)定可靠。繼電器電路圖如圖3所示。

節(jié)點(diǎn)板繼電器部分采用PC817光耦隔離芯片，實(shí)現(xiàn)信號(hào)地和電源地之間的有效隔離。繼電器觸點(diǎn)容量為250 V/10 A（AC）或30 V/10 A（DC）。繼電器輸出為公共端和常閉端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能描述

基于STM32嵌入式軟件編程，實(shí)現(xiàn)通過(guò)一個(gè)串口服務(wù)器將芯片的三個(gè)串口USART1、USART2、USART3分別接到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、SIM900A GSM模塊、HLK-RM04 WiFi模塊，波特率分別設(shè)置為115 200，9 600，115 200 （Bd/s）。節(jié)點(diǎn)板在主循環(huán)中完成對(duì)溫濕度、光照度、土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送至串口1，再由與串口1相連接的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)向上層網(wǎng)關(guān)板發(fā)送數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)接收網(wǎng)關(guān)板下達(dá)的控制命令[8]。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

節(jié)點(diǎn)板與網(wǎng)關(guān)板數(shù)據(jù)交互幀格式（節(jié)點(diǎn)上傳網(wǎng)關(guān)）見(jiàn)表1所列。

節(jié)點(diǎn)上傳網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為11字節(jié)，幀首和幀尾固定為0XFE和0XFF，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度占1字節(jié)，數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度-幀首長(zhǎng)度-幀尾長(zhǎng)度-1字節(jié)=0X08。源端口號(hào)標(biāo)示ZigBee終端節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送數(shù)據(jù)所占用的端口。

目的端口標(biāo)示ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)所占用的端口。

網(wǎng)關(guān)地址標(biāo)示ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，用2個(gè)字節(jié)表示，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

網(wǎng)關(guān)下發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表2所列。網(wǎng)關(guān)下發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為8字節(jié)，幀首和幀尾固定為0XFE和0XFF。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度占1字節(jié)，數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度-幀首長(zhǎng)度-幀尾長(zhǎng)度-1字節(jié)=0X05。

源端口號(hào)為上傳數(shù)據(jù)幀中的目的端口號(hào)，目的端口號(hào)為上傳數(shù)據(jù)的源端口號(hào)。

節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)示在ZigBee網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，2個(gè)字節(jié)表示，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，控制命令占1字節(jié)。

控制命令為0X00表示開(kāi)第一路繼電器，控制命令為0X01則表示關(guān)第一路繼電器。

控制命令為0X02，表示開(kāi)第二路繼電器，控制命令為0X03，表示關(guān)第二路繼電器。

網(wǎng)關(guān)板與云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互幀格式（網(wǎng)關(guān)板上傳云平臺(tái)）見(jiàn)表3所列。

幀首、幀尾固定為0X4C和0XFF，分隔符固定為0X2C（對(duì)應(yīng)ASCII碼為“，”逗號(hào)）。

數(shù)據(jù)依次為溫度、濕度、光照度、土壤濕度。

云平臺(tái)與網(wǎng)關(guān)板建立的是一個(gè)TCP長(zhǎng)連接，云平臺(tái)控制命令下發(fā)至網(wǎng)關(guān)板則發(fā)送JSON格式數(shù)據(jù)：{“sensorDatas”：[{“sensorId”：“xxxxxxx”，“value”：“xx”}]}。其中，sensor ID是云平臺(tái)中每個(gè)開(kāi)關(guān)型設(shè)備的編號(hào)，value是相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，每個(gè)設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別用00和01表示。

3.3 軟件流程圖

節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示，網(wǎng)關(guān)軟件流程圖如圖5所示。

4 TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

4.1 TLink簡(jiǎn)介

平臺(tái)的主要功能如下：

（1）接入傳感器設(shè)備能夠支持用戶(hù)使用Http，MQTT或Socket等方式連入平臺(tái)，支持以JSON，XML等標(biāo)準(zhǔn)格式上傳傳感器數(shù)據(jù)，在Socket模式下，能提供傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)反向控制功能（即由Web或App遠(yuǎn)程控制接入設(shè)備），所有數(shù)據(jù)存入和取回等API手冊(cè)完全開(kāi)放，并支持客戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

（2）RESTful的交互接口設(shè)計(jì)使得TLink與開(kāi)發(fā)者之間的交互非常簡(jiǎn)潔、透明，輕松完成數(shù)據(jù)的添加、存儲(chǔ)、設(shè)置狀態(tài)或更新?tīng)顟B(tài)等操作，能夠很容易的與移動(dòng)App或企業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行整合。

（3）虛擬儀表功能在一個(gè)交互頁(yè)面上，以網(wǎng)關(guān)為單位整合和展現(xiàn)多個(gè)數(shù)值型傳感器的歷史數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)圖，并能夠完成對(duì)傳感器的事件觸發(fā)配置。

（4）事件觸發(fā)能力能夠定義多種傳感器的閾值，在達(dá)到特定值時(shí)發(fā)送短信，Email或由微信推送。

（5）社交功能能夠在TLink公眾號(hào)上查看傳感器的狀態(tài)或歷史曲線(xiàn)，并通過(guò)微信共享給好友查看。傳感器數(shù)據(jù)能夠觸發(fā)微信交互，使微信關(guān)注者能夠直接與機(jī)器設(shè)備進(jìn)行交互和控制[9]。

4.2 TLink開(kāi)發(fā)流程

TLink開(kāi)發(fā)流程如下：

（1）通過(guò)http：//www.tlink.io/地址訪(fǎng)問(wèn)TLink平臺(tái)注冊(cè)用戶(hù)，并登錄平臺(tái)個(gè)人中心。

（2）創(chuàng)建設(shè)備，在此處編輯設(shè)備名稱(chēng)，并追加傳感器設(shè)備，設(shè)置連接協(xié)議，定義數(shù)據(jù)上報(bào)周期。

（3）編輯設(shè)備，定義協(xié)議標(biāo)簽。數(shù)據(jù)頭標(biāo)簽：[H：數(shù)據(jù)] [HE：數(shù)據(jù)]，分隔符標(biāo)簽：[S：數(shù)據(jù)][SE：數(shù)據(jù)][SN長(zhǎng)度]，數(shù)據(jù)標(biāo)簽：[D？][D[長(zhǎng)度]][DE[長(zhǎng)度]|數(shù)據(jù)][DEC[長(zhǎng)度]|數(shù)據(jù)][DF[長(zhǎng)度]|數(shù)據(jù)][GPS]，結(jié)束符標(biāo)簽：[T：數(shù)據(jù)][TE：數(shù)據(jù)] [CRC16][CRC8]。其中H代表字符型數(shù)據(jù)，HE代表16進(jìn)制數(shù)據(jù)，D代表字符型的十進(jìn)制數(shù)，DE代表16進(jìn)制整型數(shù)據(jù)，DEC代表16進(jìn)制整型字符串?dāng)?shù)據(jù)，DF代表16進(jìn)制浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，GPS代表定位數(shù)據(jù)，CRC16和CRC8分別代表CRC16位和8位校驗(yàn)值。

（4）設(shè)置連接協(xié)議。平臺(tái)支持的協(xié)議類(lèi)型有TCP透?jìng)鳎簲?shù)據(jù)透?jìng)?，自定義解析協(xié)議；MQTT：協(xié)議規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)，開(kāi)發(fā)者集成協(xié)議；HTTP：HTTP RESTful API，開(kāi)放接口，支持快速擴(kuò)展；Modbus RTU：工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，外接聯(lián)網(wǎng)模塊可直接使用。

（5）等待客戶(hù)端連接。

4.3 云端配置

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了TCP透?jìng)麈溄訁f(xié)議。協(xié)議標(biāo)簽格式為： [H：@][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][T：#]

實(shí)際數(shù)據(jù)示例：@，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx #，一次上傳8個(gè)數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)1的溫度、濕度、光照度、土壤濕度和節(jié)點(diǎn)2的溫度、濕度、光照度和土壤濕度。

此外，TLink平臺(tái)還提供一些個(gè)性化服務(wù)，如觸發(fā)器，可以設(shè)定某個(gè)傳感器的閾值范圍，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出這個(gè)范圍后，就進(jìn)行微信報(bào)警；組態(tài)應(yīng)用，可以編輯個(gè)性化的Web界面，通過(guò)各式各樣的控件更加直觀(guān)、方便地查詢(xún)傳感器數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

4.4 客戶(hù)端

客戶(hù)端基于TLink提供的開(kāi)放API接口實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)根據(jù)自己的需要編輯客戶(hù)端界面?？蛻?hù)端分為手機(jī)客戶(hù)端和網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端，用戶(hù)可通過(guò)任意一個(gè)客戶(hù)端登錄TLink平臺(tái)查看傳感器信息以及控制農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。

5 測(cè)試與分析

5.1 系統(tǒng)丟包率測(cè)試

本系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)GSM、ZigBee、WiFi三種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。GSM的工作頻段為900 MHz，主要頻率范圍為890～915MHz和935～960 MHz，ZigBee和WiFi的工作頻段均為ISM 2.4 GHz，因此可能會(huì)出現(xiàn)ZigBee與WiFi信號(hào)沖突的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題做如下測(cè)試：

ZigBee模塊和WiFi模塊采用隨機(jī)信道，4個(gè)ZigBee模塊分為2組，1組發(fā)送數(shù)據(jù)，1組接收數(shù)據(jù)，2個(gè)WiFi模塊同時(shí)向云平臺(tái)建立TCP連接。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4所列。

5.2 丟包測(cè)試分析

基于IEEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了16個(gè)信道，每個(gè)信道寬為2 MHz，然而基于IEEE 802.11協(xié)議的WLAN標(biāo)準(zhǔn)定義了14個(gè)信道，每個(gè)信道寬為22 MHz。以上兩種標(biāo)準(zhǔn)物理層都基于2.4 GHz ISM頻段，信道存在相互重疊的可能[10]。

ZigBee信道分布圖如圖6所示，WiFi信道無(wú)重疊分布圖如圖7所示。

對(duì)ZigBee與WiFi協(xié)議信道進(jìn)行不重疊篩選，可有3個(gè)信道不發(fā)生重疊，當(dāng)ZigBee與WiFi設(shè)備同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)干預(yù)各自的隨機(jī)動(dòng)態(tài)信道分配方式，即WiFi信道選用不重疊1，7，13信道，ZigBee選用15，16，21，22信道，可有效避免不同通訊方式占用同一信道的情況，從而降低系統(tǒng)丟包率。

5.3 系統(tǒng)功能性測(cè)試

Web網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端如圖8所示，手機(jī)客戶(hù)端以及微信報(bào)警界面如圖9所示。

網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端和手機(jī)App端均可顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)異常，超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)定溫度值高于30 ℃便觸發(fā)微信報(bào)警功能。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

6 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠通信，達(dá)到了預(yù)期對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性的要求。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行在溫室環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室的智能監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

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