基于物聯網云平臺的智慧農業溫室系統設計

肖增瑞+秦會斌+崔佳冬

摘 要：針對傳統農業中有線網絡成本高、布線繁瑣、勞動成本高等問題，文中基于TLink物聯網云平臺、網關控制中心以及無線傳感網絡節點設計了一種方便、準確、高效的智慧農業系統。該系統可實現手機客戶端及網頁客戶端對農業現場傳感器設備數據的采集和控制開關，當農場中的某項采集數據發生異常時，通過網關中心對用戶手機發送短信報警信息。實驗結果表明，該系統可以實現預期效果且成本低廉，適宜廣泛推廣。

關鍵詞：智慧農業；TLink；網關；物聯網云平臺

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-04

0 引 言

農業是中國最傳統的基礎產業，物聯網技術的出現提升了農業生產效率，通過信息技術對地塊的土壤、肥力、氣候等進行大數據分析，然后據此提供與種植、施肥相關的解決方案，大大提升了農業生產效率。基于精準的農業傳感器進行實時監測，利用云計算、數據挖掘等技術進行多層次分析，并將分析指令與各種控制設備進行聯動完成農業生產、管理。這種智能機械代替人的農業勞作，不僅解決了農業勞動力日益緊缺的問題，還實現了農業生產的高度規模化、集約化、工廠化，提高了農業生產對自然環境風險的應對能力，使弱勢的傳統農業成為具有高效率的現代產業[1]。

本設計采用國內流行的TLink物聯網云平臺，基于意法半導體STM32最小系統，ZigBee無線傳感網絡芯片、WiFi芯片、GSM模塊以及農業數據采集傳感器，實現用戶通過手機客戶端或網頁客戶端實時查詢農業現場傳感器信息以及對農業現場的通風、加濕等設備進行控制[2]。

1 系統整體設計

該系統由客戶端、TLink物聯網云平臺、網關、節點組成。系統整體框圖如圖1所示。

客戶端分為手機端和網頁端，可以實時查看傳感器信息，TLink物聯網云平臺作為一個開放的公共物聯網接入平臺[3]，通過給用戶提供開放的API接口使傳感器數據的接入、存儲和展現更加方便簡單。網關基于STM32嵌入式最小系統可實現多種網絡協議的轉換[4]，主要有無線傳感網絡ZigBee協議、無線局域網WiFi協議和第二代全球移動通信GSM協議。節點同樣基于STM32嵌入式最小系統搭建ZigBee無線傳感網絡，實時采集傳感器信息并上傳[5]。

2 系統硬件設計

網關是本系統的核心控制部分。網關以STM32F103RBT6為主控芯片，最多可支持五路串口，在STM32最小系統搭載HLK-RM04 WiFi模塊、CC2530 ZigBee協調器模塊、SIM900A GSM模塊。本網關模塊實現底層ZigBee網絡、GSM網絡和Internet網絡協議轉換。STM32必須提供外圍相關電路構成最小系統，包括3.3 V穩壓電源、8 MHz晶振時鐘、復位電路、數字和模擬間的去耦電路、調試接口。WiFi模塊與GSM模塊在功能上互補，充分考慮到無WiFi網絡情況下，數據可以通過GSM模塊傳送到用戶手機。各模塊與網關底板以插針的方式連接，方便程序升級更新。采用220 V轉5 V適配器供電。此外，網關增加功能設置按鍵和LED提示功能。按鍵主要功能為復位和啟動/停止數據上傳。網關ZigBee模塊采用PCB天線，WiFi模塊采用airgain內置天線[6]。

節點以STM32F103RBT6為主控芯片，最小系統搭載DHT11溫濕度傳感器、BH1750光強度傳感器、土壤濕度傳感器模塊、松樂SRD-05VDC-SL-C繼電器、CC2530 ZigBee芯片。底層構建一個基于ZigBee協議的無線傳感網絡[7]。該無線傳感網絡涵蓋燈光控制、通風控制、環境溫濕度的采集、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AMS1117-3.3 V芯片實現5 V轉3.3 V輸出，電源接口為PWR2.5，可接220 V轉5 V/2 A的電源適配器獲得。C7、C8、C9為濾波電容，保證電源電壓穩定可靠。繼電器電路圖如圖3所示。

節點板繼電器部分采用PC817光耦隔離芯片，實現信號地和電源地之間的有效隔離。繼電器觸點容量為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 系統軟件設計

3.1 軟件功能描述

基于STM32嵌入式軟件編程，實現通過一個串口服務器將芯片的三個串口USART1、USART2、USART3分別接到ZigBee協調器節點、SIM900A GSM模塊、HLK-RM04 WiFi模塊，波特率分別設置為115 200，9 600，115 200 （Bd/s）。節點板在主循環中完成對溫濕度、光照度、土壤濕度傳感器數據的采集，并將數據定時發送至串口1，再由與串口1相連接的ZigBee終端節點向上層網關板發送數據，并實時監聽接收網關板下達的控制命令[8]。

3.2 數據幀格式

節點板與網關板數據交互幀格式（節點上傳網關）見表1所列。

節點上傳網關數據幀數據總長度為11字節，幀首和幀尾固定為0XFE和0XFF，數據長度占1字節，數據總長度-幀首長度-幀尾長度-1字節=0X08。源端口號標示ZigBee終端節點用于發送數據所占用的端口。

目的端口標示ZigBee協調器節點用于接收數據所占用的端口。

網關地址標示ZigBee協調器節點的網絡地址，用2個字節表示，低字節在前，高字節在后。

網關下發節點的數據幀格式見表2所列。網關下發節點數據幀格式數據總長度為8字節，幀首和幀尾固定為0XFE和0XFF。

數據長度占1字節，數據總長度-幀首長度-幀尾長度-1字節=0X05。

源端口號為上傳數據幀中的目的端口號，目的端口號為上傳數據的源端口號。

節點地址標示在ZigBee網終端節點的網絡地址，2個字節表示，低字節在前，高字節在后，控制命令占1字節。

控制命令為0X00表示開第一路繼電器，控制命令為0X01則表示關第一路繼電器。

控制命令為0X02，表示開第二路繼電器，控制命令為0X03，表示關第二路繼電器。

網關板與云平臺數據交互幀格式（網關板上傳云平臺）見表3所列。

幀首、幀尾固定為0X4C和0XFF，分隔符固定為0X2C（對應ASCII碼為“，”逗號）。

數據依次為溫度、濕度、光照度、土壤濕度。

云平臺與網關板建立的是一個TCP長連接，云平臺控制命令下發至網關板則發送JSON格式數據：{“sensorDatas”：[{“sensorId”：“xxxxxxx”，“value”：“xx”}]}。其中，sensor ID是云平臺中每個開關型設備的編號，value是相應設備的狀態，每個設備的開關狀態分別用00和01表示。

3.3 軟件流程圖

節點軟件流程圖如圖4所示，網關軟件流程圖如圖5所示。

4 TLink物聯網云平臺

4.1 TLink簡介

平臺的主要功能如下：

（1）接入傳感器設備能夠支持用戶使用Http，MQTT或Socket等方式連入平臺，支持以JSON，XML等標準格式上傳傳感器數據，在Socket模式下，能提供傳感器設備實時反向控制功能（即由Web或App遠程控制接入設備），所有數據存入和取回等API手冊完全開放，并支持客戶進行二次開發。

（2）RESTful的交互接口設計使得TLink與開發者之間的交互非常簡潔、透明，輕松完成數據的添加、存儲、設置狀態或更新狀態等操作，能夠很容易的與移動App或企業管理系統進行整合。

（3）虛擬儀表功能在一個交互頁面上，以網關為單位整合和展現多個數值型傳感器的歷史數據和曲線圖，并能夠完成對傳感器的事件觸發配置。

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

（5）社交功能能夠在TLink公眾號上查看傳感器的狀態或歷史曲線，并通過微信共享給好友查看。傳感器數據能夠觸發微信交互，使微信關注者能夠直接與機器設備進行交互和控制[9]。

4.2 TLink開發流程

TLink開發流程如下：

（1）通過http：//www.tlink.io/地址訪問TLink平臺注冊用戶，并登錄平臺個人中心。

（2）創建設備，在此處編輯設備名稱，并追加傳感器設備，設置連接協議，定義數據上報周期。

（3）編輯設備，定義協議標簽。數據頭標簽：[H：數據] [HE：數據]，分隔符標簽：[S：數據][SE：數據][SN長度]，數據標簽：[D？][D[長度]][DE[長度]|數據][DEC[長度]|數據][DF[長度]|數據][GPS]，結束符標簽：[T：數據][TE：數據] [CRC16][CRC8]。其中H代表字符型數據，HE代表16進制數據，D代表字符型的十進制數，DE代表16進制整型數據，DEC代表16進制整型字符串數據，DF代表16進制浮點型數據，GPS代表定位數據，CRC16和CRC8分別代表CRC16位和8位校驗值。

（4）設置連接協議。平臺支持的協議類型有TCP透傳：數據透傳，自定義解析協議；MQTT：協議規范嚴謹，開發者集成協議；HTTP：HTTP RESTful API，開放接口，支持快速擴展；Modbus RTU：工業協議標準，外接聯網模塊可直接使用。

（5）等待客戶端連接。

4.3 云端配置

本系統設計采用了TCP透傳鏈接協議。協議標簽格式為： [H：@][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][T：#]

實際數據示例：@，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx #，一次上傳8個數據，分別對應節點1的溫度、濕度、光照度、土壤濕度和節點2的溫度、濕度、光照度和土壤濕度。

此外，TLink平臺還提供一些個性化服務，如觸發器，可以設定某個傳感器的閾值范圍，當采集到的數據超出這個范圍后，就進行微信報警；組態應用，可以編輯個性化的Web界面，通過各式各樣的控件更加直觀、方便地查詢傳感器數據和控制現場設備。

4.4 客戶端

客戶端基于TLink提供的開放API接口實現，用戶根據自己的需要編輯客戶端界面。客戶端分為手機客戶端和網頁客戶端，用戶可通過任意一個客戶端登錄TLink平臺查看傳感器信息以及控制農業現場的設備。

5 測試與分析

5.1 系統丟包率測試

本系統采用無線GSM、ZigBee、WiFi三種無線通信技術。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，因此可能會出現ZigBee與WiFi信號沖突的問題。針對此問題做如下測試：

ZigBee模塊和WiFi模塊采用隨機信道，4個ZigBee模塊分為2組，1組發送數據，1組接收數據，2個WiFi模塊同時向云平臺建立TCP連接。測試結果見表4所列。

5.2 丟包測試分析

基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網絡協議ZigBee標準定義了16個信道，每個信道寬為2 MHz，然而基于IEEE 802.11協議的WLAN標準定義了14個信道，每個信道寬為22 MHz。以上兩種標準物理層都基于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信道無重疊分布圖如圖7所示。

對ZigBee與WiFi協議信道進行不重疊篩選，可有3個信道不發生重疊，當ZigBee與WiFi設備同時開啟時，通過干預各自的隨機動態信道分配方式，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，從而降低系統丟包率。

5.3 系統功能性測試

Web網頁客戶端如圖8所示，手機客戶端以及微信報警界面如圖9所示。

網頁客戶端和手機App端均可顯示節點數據，當節點數據異常，超過設定閾值時，本系統設定溫度值高于30 ℃便觸發微信報警功能。經測試，系統運行穩定、可靠。

6 結 語

本設計保證了數據的準確可靠通信，達到了預期對系統實時性、穩定性的要求。測試結果表明，系統可以穩定運行在溫室環境中，實現了對溫室的智能監控。

參考文獻

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