基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

于泓博，李靜輝，陶佰睿

（1.齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué) 現(xiàn)代教育中心，齊齊哈爾161006）

近年來農(nóng)業(yè)的發(fā)展也緊跟時代的腳步隨之變遷，有機(jī)農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)的興起極大程度地將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)相融合，為行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。農(nóng)田的監(jiān)測信息是分析的重要數(shù)據(jù)來源，其迅速、實時和連續(xù)采集是實現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。但是農(nóng)業(yè)具有地域分散、對象多樣、遠(yuǎn)離都市、通信條件落后、環(huán)境因子不確定和受環(huán)境影響明顯等特點，這些都給農(nóng)田環(huán)境信息的快速獲取帶來了困難[1]。本設(shè)計提出了基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，選取針對農(nóng)田環(huán)境的主要幾種傳感器，通過ZigBee模塊進(jìn)行無線組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)匯總到ARM模塊處理，并通過北斗導(dǎo)航模塊進(jìn)行定位從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，其中ZigBee是一種非常適合農(nóng)田實時監(jiān)測的無線網(wǎng)通訊技術(shù)，而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)與ZigBee技術(shù)融合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測上，具有一定的創(chuàng)新性，推動實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為智慧農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)起到一定的推動作用[2]。

1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，繼美國全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯和歐盟衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后第四個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成[3]。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其構(gòu)成的衛(wèi)星系統(tǒng)向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Beidou satellite navigation system

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)促進(jìn)了衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成了完善的國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動了衛(wèi)星導(dǎo)航在國民經(jīng)濟(jì)社會各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)并兼具短報文通信能力[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要包括PM2.5傳感器模塊、土壤濕度檢測模塊、空氣溫度檢測模塊、ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點、ARM主控模塊、北斗定位模塊和LCD顯示模塊，系統(tǒng)具體方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案框圖Fig.2 System scheme block diagram

主控模塊采用ARM7中STM32模塊，該芯片屬于32位的微控制器，主要負(fù)責(zé)對北斗模塊和顯示模塊進(jìn)行相關(guān)初始化，并接收和處理ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，處理好的信息將在LCD屏中顯示，同時北斗衛(wèi)星模塊將這些數(shù)據(jù)實時地發(fā)送至農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控中心。由于ZigBee具有自動組網(wǎng)功能，所以系統(tǒng)采用多個ZigBee終端節(jié)點組成大規(guī)模監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使監(jiān)控范圍增加，多個終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終匯聚到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中只有一個，負(fù)責(zé)ZigBee無線傳感網(wǎng)的建立及維護(hù)[5]。同時接收各終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給主控模塊。終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集所需的測量參數(shù)。每個節(jié)點都與PM2.5傳感器模塊、空氣溫度傳感器模塊和土壤濕度傳感器相連接，實現(xiàn)對空氣中的懸浮顆粒物濃度、空氣的溫度以及土壤濕度進(jìn)行實時檢測和傳輸。本系統(tǒng)采用UM220北斗芯片模塊，完成地理坐標(biāo)定位，得到所在點的經(jīng)緯度，在主控模塊的控制下，將定位信息和傳感器采集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)發(fā)送至監(jiān)控中心[6]，同時這些信息將顯示到LCD屏幕上。

2.2 北斗模塊接口電路設(shè)計

本文采用基于雙系統(tǒng)多頻率的高性能SOC芯片和芯星通UM220-III N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能夠同時支持BD2、B1、GPS L1兩個頻點。UM220是針對車輛監(jiān)控、氣象探測和電信電力授時等應(yīng)用推出的BD2/GPS雙系統(tǒng)模塊，其工作電壓為2～3.7 VDC，工作溫度為-40～+85℃，定位精度為 2.5 m，是市場上尺寸最小的BD2/GPS模塊，集成度高、功耗低，非常適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。

作為相互通信需要，將北斗UM220的TXD2引腳連接嵌入式ARM 7模塊STM32的PA10引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，將北斗UM220的RXD2引腳連接嵌入式STM32的PA9引腳接收數(shù)據(jù)。UM220的接口電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 UM220接口電路Fig.3 UM220 interface circuit diagram

2.3 LCD顯示模塊接口電路設(shè)計

采用ILI9326LCD顯示屏，該模塊與主控模塊直接相連，主要負(fù)責(zé)動態(tài)顯示來自主控模塊的測量數(shù)據(jù)和定位信息，接口電路設(shè)計如圖4所示，LCD的DB0到DB15引腳連接到STM32的D0到D15引腳，用于傳輸顯示數(shù)據(jù)，LCD+和-用來調(diào)節(jié)顯示屏背光燈的亮度。

2.4 ZigBee模塊硬件接口設(shè)計

圖4 LCD接口電路Fig.4 LCD interface circuit diagram

本設(shè)計中，CC2530終端節(jié)點作為測量終端，也是任務(wù)的真正執(zhí)行者，除了具有基本的最小電路外，必須要同任務(wù)相關(guān)的DS18b20溫度傳感器、PM2.5空氣質(zhì)量傳感器、YL-69土壤濕度傳感器相連接，終端節(jié)點接口電路如圖5所示，其中P05與YL-69的模擬輸出AO相連接，P06與PM2.5傳感器的模擬輸出AO相連接，P07與DS18B20的數(shù)據(jù)輸出DQ相連接。在本設(shè)計中均采用采集其模擬量的辦法，并通過CC2530內(nèi)部的ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）功能模塊，進(jìn)行采集量從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。DS18B20采用1-WIRE通信方式，其余CC2530僅通過DQ-P07連接。節(jié)點通過DQ根據(jù)協(xié)議發(fā)出不同的電平變化即可操作相關(guān)寄存器，進(jìn)行初始化及讀取測量值。

圖5 終端節(jié)點模塊電路Fig.5 Terminal node module circuit diagram

CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點因為其主要任務(wù)是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并與ARM主控模塊進(jìn)行串口通信，所以協(xié)調(diào)器上并未安置其他傳感器，本設(shè)計中選用其最小系統(tǒng)電路來作為CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點的基本電路設(shè)計。

2.5 濕度傳感器YL-69接口電路設(shè)計

YL-69土壤濕度傳感器可用于檢測土壤的水分含量，接口電路如圖6所示。當(dāng)土壤水分含量低到預(yù)先設(shè)定的閾值時，傳感器輸出一個高電平，反之輸出低電平。傳感器的比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定，其工作電壓為3.3 V～5 V，靈敏度可調(diào)。

圖6 濕度傳感器YL-69電路Fig.6 Humidity sensor YL-69 circuit diagram

本文中YL-69的探頭將探測到的數(shù)據(jù)傳由LM393比較芯片進(jìn)行電壓的比較，將比較的結(jié)果通過OUT1引腳輸出至ZigBee CC2530的P0引腳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案

系統(tǒng)的軟件分為3大部分，分別是ZigBee、ARM和北斗。從上電開始，系統(tǒng)分別進(jìn)入初始化，傳感器節(jié)點將檢測到的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，同時，北斗也將其定位信息發(fā)送到ARM，ARM在解析數(shù)據(jù)后，將其顯示在LCD屏幕上，系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

3.2 路由與終端節(jié)點工作流程設(shè)計

由于系統(tǒng)外接模塊較多，所以每個功能獨立設(shè)計成子函數(shù)的形式，再由主程序依次調(diào)用每個子函數(shù)，從而實現(xiàn)不同的功能[7]。在編程語言上，本文采用適合將程序模塊化的C語言來實現(xiàn)，這樣不但可以提高編程速率，也方便了各個程序之間的調(diào)用和嵌套，使整個應(yīng)用系統(tǒng)能更穩(wěn)定地運(yùn)行下去[8]。該系統(tǒng)中的核心部分就是路由與終端節(jié)點算法，此算法決定系統(tǒng)整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的組成和信息的傳輸[9]，算法流程如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程Fig.7 Schematic flow chart of system software

圖8 路由與終端節(jié)點工作流程Fig.8 Routing and terminal node work flow chart

系統(tǒng)初始化主要是在上電后，對各個模塊完成初始化，以便之后的程序加載[10]，首先，加載頭文件#include"MT_UART.h"來進(jìn)行串口的初始化、#inclu de"ds18b20.h"來進(jìn)行溫度傳感器DS18B20的初始化、#include"hal_adc.h"來進(jìn)行芯片內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的初始化，#include"SampleApp.h"來進(jìn)行ZigBee軟件的初始化，對各個采集模塊進(jìn)行宏定義：

4 實驗結(jié)果及分析

選取不同時間段對大田的溫度、土壤的濕度以及空氣的PM2.5進(jìn)行測量，驗證系統(tǒng)準(zhǔn)確度，該系統(tǒng)測得的測量值與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備計量得的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并進(jìn)行誤差分析，具體如表1所示。

表1 溫度、濕度及PM2.5標(biāo)準(zhǔn)值、測量值及誤差Tab.1 Temperature，humidity and PM2.5 standard value，measured value and error

從表1中可以看出，實驗中分別測量了7個不同時刻的溫、濕度及PM2.5數(shù)據(jù)，對測得數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)測量的溫濕度存在一定的誤差，溫度的相對誤差值在±2%的范圍之內(nèi)，測量值比實際值偏小；濕度誤差值小于2%，測量值比實際值偏大；PM2.5實際值比測量值偏小，相對誤差在±2.5%之間，在傳感器的允許的范圍之內(nèi)。以上的實驗數(shù)據(jù)說明，系統(tǒng)誤差值在允許的誤差范圍之內(nèi)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性達(dá)到要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線農(nóng)田環(huán)境主要數(shù)據(jù)的采集，其中ZigBee終端可以自由組成無線傳感器網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)和可擴(kuò)展等特點，可以對大面積農(nóng)田的土壤濕度、空氣溫度以及空氣質(zhì)量PM2.5進(jìn)行實時性遠(yuǎn)程監(jiān)測，與傳統(tǒng)的監(jiān)測方式相比，不受時間和空間的限制，從而提高管理人員的工作效率，更加及時地了解農(nóng)作物的生長環(huán)境。本文采用的北斗通信技術(shù)是我國未來衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的主流，不受地域、時域和周邊環(huán)境限制，實現(xiàn)對農(nóng)田的遠(yuǎn)程監(jiān)測，系統(tǒng)具有測量誤差小、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定以及效率高等特點，其應(yīng)用領(lǐng)域和前景廣闊。

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