基于設施農業的嵌入式網關設計

凌啟東 王鴻磊 高 媛

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140）

0 引言

設施農業作為是現代農業發展的重要標志，與物聯網技術、自動控制技術和現代管理技術緊密結合，對充分利用農業資源、降低農產品成本、改善生態環境、提升農產品安全保障發揮了很大的作用，有效提升了現代化農業集約化和精細化程度，近年來發展迅速，是未來農業發展的重要方向。

如何將植物的生長情況、土壤的具體成分和植物的生長環境（空氣、水分、溫度、日照等）信息及時掌握，對于我們更好的實施設施農業工程起著至關重要的作用，因此對于農業現場的信息采集和智能控制是設施農業發展的關鍵技術，是我們研究的重要方向。傳感器節點采集現場各種農業現場信息，通過無線局域網、有線網絡傳輸到網關，再由網關將信息處理后傳輸到后臺控制服務器，用以作為分析農作物生長情況和調整農業措施的根據。目前在這方面的農業溫度檢測系統研究較多[1-2]，例如，陳智偉等人設計了一種基于CC2430 的農業溫度控制系統[1]，通過zigbee 網絡傳輸數據，實現了對農業溫室相關參數的采集及一些基本的控制。但是在網關采用串口與上位機連接，限制了信息傳輸速率，且沒有考慮到農業生產過程中控制室不會一直有人值守的實際情況，限制了實際的應用效果。為此，本文提出了一種針對設施農業監控系統的嵌入式網關，選擇自帶MAC 控制器和CAN 控制器的STM32 處理器，擴展了移動通信控制模塊，簡化了電路設計，減少了系統的復雜度，確保了信息傳輸的可靠性。

1 網關設計的重要性

網關在設施農業監控系統中起著至關重要的作用，要協調上位機和下位機關系。網關的主要功能：一，負責接受下位機或者節點的采集信息數據，或者接受上位機的控制信息；二，對于接受到的信息進行處理，根據不同的目的地進行封裝；三，當信息傳輸繁忙時，根據信息優先級進行按序轉發；另外，網關的設計還需要考慮系統的穩定性和擴展性。

2 硬件系統設計

根據設施農業的需求，設計了一種嵌入式網關系統，主要由GPRS模塊、ZigBee 模塊、以太網接口模塊、CAN 接口模塊、鍵盤電路報警電路等部分組成。嵌入式網關系統結構圖如圖1 所示。

圖1 嵌入式網關系統

考慮到網關的數據處理能力要求較高，選用32 位處理器STM32F107VC，芯片工頻72MHz，高達256K 字節的片上閃存和64K字節的SRAM，芯片攜帶有1 路10/100M 以太網接口，2 路CAN 通道，5 個UART 接口；還含有ADC、DAC、US 等豐富的外設資源[3]。可以穩定地進行數據處理和通信，同時也能保證嵌入式操作系統的運行。

2.1 ZigBee 模塊的設計

圖2 ZegBee 功能模塊

ZigBee 技術作為新興的一種短距離無線傳感器網絡通信標準，具有低功耗、低延遲、自組織等優點[4]，近年來開始逐漸應用到設施農業中，由于其突出的低功耗特點，節點電池的使用壽命可以達到6～24 個月，完全可以滿足農業生產中的需要。為了與ZigBee 網絡無縫對接，網關選用TI 公司的CC2530-F256 芯片實現ZigBee 網絡功能，芯片帶有256KB 的flash 空間和8KB RAM，將無線通信模塊和處理器系統集成，其電路設計如圖2 所示。

2.2 GPRS 模塊的設計

圖3 GPRS 通信模塊

GPRS 是在GSM 全球移動通信網絡之上發展起來的一種新的承載業務，為用戶提供高速的分組數據業務的一種的網絡[5]。網關系統設計了GPRS 通信模塊，與移動平臺的通信，實現無人值守情況下對生產現場的及管理。GPRS 模塊選用SIEMENS 公司的SIM900D 芯片，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。GPRS 通信模塊電路如圖3 所示，主要包括串口通信電路、SIM 卡電路、天線電路等。SIM900D 通過串口通信電路從STM32 接收待發送信息，通過天線電路發送至移動網絡。

2.3 其他模塊的設計

在網關系統中設計了以太網通信模塊和CAN 通信模塊，STM32F107VC 內部集成了專用DMA 的MAC 模塊，選用PHY 芯片控制器DP83848，實現與上位機平臺進行以太網通信。STM32F107VC 內部都集成了CAN 控制器，選用芯片CTM1050T，設計CAN 驅動電路，實現CAN 通信功能，擴展系統的接入。另外，主節點設計了電源模塊、存儲電路、鍵盤電路、聲光報警模塊等。

3 軟件系統設計

系統的軟件設計移植了嵌入式操作系統μCOS-II，主要修改了與處理器相關的幾個文件：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等。將系統的具體實現功能劃分任務，確定任務優先級，系統按照優先級對任務進行調度，提高了系統的性能和實時性的要求。

4 結語

本文設計了一種基于STM32 的嵌入式網關系統，主要應用于設施農業中，可以穩定地實現農業現場的下位機與控制室的上位機之間的通信，保證了對了農業現場情況的精確掌握和實時控制，為國內外農業物聯網體系建設提供借鑒。

［1］陳智偉，蘇維均，等.基于WSNs 的農業溫度監控系統的設計[J].傳感器與微系統，2011，30(7)：82-85.

［2］王軍，孫健程，等.基于ZigBee 的蔬菜大棚無線監控系統設計[J].計算機工程與設計，2013，34(3)：1126-1130.

［3］STMicroelectronics.STM32F107xx datasheet[DB/OL].http：//www.st.com，2010.

［4］尹慧琳，王磊，等.無線傳感器網絡節點分布式信息融合算法研究[J].計算機工程與應用，2007，43(173)：18-20.

［5］潘端云.安全駕駛車載終端系統設計[D].南京：南京工業大學，2013.