基于HC-12的水果栽培信息采集系統①

徐小玲,劉凌云

(廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院,茂名 525000)

1 引言

我國水果栽培面積很大,但設施裝備的水平低下,90%以上的設施仍以簡易型為主.土地利用率低,保溫、采光性能差,作業空間小,不便于機械操作,更談不上對設施內的溫、光、水、肥等環境因子的綜合調控[1].為了提高水果種植栽培的信息化水平,實現現代水果栽培系統采集基本信息采集,課題采用無線通信模塊完成水果栽培信息采集系統開發,實現自動采集信息、上傳數據、上位機接收數據處理并存儲等功能.

HC-12串口無線通信模塊是新一代的多通道嵌入式無線通信模塊.無線工作頻段為 433.4–473.0 MHz,可設置多個頻道,步進為 400 KHz,總共 100 個.模塊最大發射功率為 100 mW,5000 bps 空中波特率下接收靈敏度為–116 dBm,在曠野平地或海邊測試有1000 m的通信距離,在有少量車及樹和燈柱的馬路上測試距離有500 m,在各種高樓間一樓地面直線測試距離是 250 m,在室內則可以覆蓋一棟樓,有少量死角,不能穿鋼筋地板.因此適用于種植業信息采集.

2 系統硬件結構設計

系統硬件框圖如圖1所示.電路設計采用了四路傳感器來分別測量4個參數,環境變化被傳感器感知后阻值發生變化,從而引起電阻兩端電壓變化,通過與芯片自帶的標準電壓進行比較后,從ADC端口獲取到一個數值,通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉化為數字量,在下位機芯片中寫入一個與傳感器阻值所對應的表格,在讀取ADC值之后通過查詢表格得出此時外界環境的溫度、濕度、照度、土壤濕度等參數打包通過無線方式發送給上位機.其中,以ATmega48芯片為核心的主控電路模塊設計如圖2所示[2,3].

圖1 系統硬件框圖

圖2 主控模塊電路設計

2.1 傳感器模塊電路設計

在傳感器電路中,每一個傳感器都有阻值并有對應電阻與之并聯分壓,通過ADC讀取獲得傳感器采集的數值[4].空氣濕度傳感器需要一個標準變化的1 k方波,實現對外界濕度的采集.采用 R25=10 KΩ/1%,B25/85=3435 K/1% 的 NTC熱敏電阻,型號為 MST103C1-87MM,圖3[5]中RT1為溫度傳感器,與10K電阻并聯,C1濾波電容來去除噪聲,TMP-ADC連接到ATMEG48芯片PC2號針腳.圖3中HR202為濕度傳感器,濕度傳感器兩端接RH-IO1和RH-IO2,通過I/O高低電平的變化提供一個電壓變化的方波,實現濕度傳感器一次檢測,與HR202并連一個1M的大電阻,C2濾波電容去掉噪聲,RH-ADC連接芯片獲取傳感器信息.其中溫度傳感器和濕度傳感器的阻值變化是非線性的變化,在下位機中寫入對照表來查詢所測的ADC變化的值相對應的參數.土壤濕度傳感器和光照強度傳感器的阻值是隨著環境的變化發生線性的變化,通過查詢技術手冊參數得出該傳感器的數值變化計算公式,在獲取ADC值后帶入公式計算獲得測量的數據.光照傳感器采用SGPT324P,圖4[6]中土壤濕度傳感器采用FC-28傳感器模塊,通過電位器調節濕度控制閾值,濕度低于設定值時,DO 輸出高電平,高于設定值時,DO 輸出低電平; 模擬量輸出AO可以和AD模塊相連,通過AD轉換,可以獲得土壤濕度更精確的數值,由此來檢測土壤濕度.

圖3 溫度傳感器、濕度傳感器、照度傳感器電路圖

圖4 土壤濕度傳感器模塊電路圖

2.2 無線通信模塊設計

HC-12[7]無線串口通信模塊是新一代的多通道嵌入式無線數據傳輸模塊,通信模塊工作頻段為433.4–473.0 MHz,最大發射功率為 100 mW,20 dBm.在 5000 bps空中波特率下接收靈敏度–116 dBm,開闊地 1000 m的通信距離.圖5是HC-12模塊工作電路圖,主芯片是 STM8S103 和 RFIC 芯片,STM8S103 芯片是程序存儲器,在無數據發送時處于等待狀態,活躍后經過一段時間停機,低功耗模式,使用外設的時鐘還可以單獨關閉.HC-12模塊使用無線通信代替傳統通信時的連線,MCU、PC設備向模塊發送數據,模塊接收信息并通過天線將信息發送到空中,右側的模塊接收到左側模塊的信息,通過TXD接口將左側設備的數據還原到右側PC端.一個模塊只能工作于接收或發送模式,不能同時收發數據.

HC-12模塊有4種通信模式,分別用FU1、FU2、FU3和FU4表示.各個模塊之間只需要調節好通信模式和保持模塊間的波特率相同,收發另一個模塊的信息即可.我們將多傳感器信息監測系統在FU3模式下工作,FU3模式優點是可根據串口波特率自動調節空中波特率,保證在低波特率下通信距離最遠.每一個下位機模塊分別使用一個通信模塊與同ID的高能節點實現對接,高能節點通過數據包將數據發送到上位機.使用透傳模式,空中波特率、無線通信頻道保持一致.此模塊不限制一次連續往串口發送的字節數.但因為外部環境復雜,且空中有很多干擾因素的存在,在接收到傳感器發送來的數據時往往會出現丟失數據、收到的字節是錯亂的、收不到數據等等各種意外情況.所以在上位機和下位機之間建立了一套簡單的通信協議,上位機與下位機采用校驗通信,下位機收到特定的數據,校驗之后向上位機發送采集到的數據.這樣避免了信息丟失且延長了系統的壽命.

圖5 HC-12 模塊工作電路圖

2.3 電源模塊設計

電源供電電路采用干電池供電或USB供電,ATmega48芯片在低壓時會掉電停止工作,而1.5 V的鋰電池不能對芯片采取直接供電,必須經過升壓電路之后得到穩定的5V電壓對芯片和傳感器監測部分進行供電,或者是采用模塊上的USB供電器模塊直接利用可充電設備對模塊進行充電[8].

提供USB充電電源模式,正向電流通過USB的VIN引腳進入AP5056芯片,AP5056是單片機鋰離子電池恒壓線性管理芯片,是適用于USB供電的完整性充電器.AP5056基于內部MOSFET結構的芯片,預設充電電壓固定4.2 V,AP5056是充電提供穩壓電源的芯片,與芯片連接的C4和C7是濾波電容,芯片5引腳BAT輸出電壓,經過LED之后顯示4.2 V電壓狀態輸出 BAT+級.7號干電池提供電源時,直接從BAT+和 BAT–進行供電,經過 DW01 芯片,DW01+是鋰電池專用保護芯片,單體鋰電池充電時接在B+和B-之間,在充電過程中,鋰電池兩端電壓超過4.35 V時鋰電池立即停止充電,DW01的OC腳輸出信號使充電控制MOS管M2關斷.電池包從P+和P–輸出穩定電壓.電池或USB接口提供電源,首先對經過PNP三極管和 19N10L后輸出到 QX-2303芯片中,PNP和19N10L是電源電路的保護開關,起過流保護的作用.QX2303是高效率低紋波的PFM升壓DC-DC變化器,QX2303與L1、C5、C6、C8就可以完成將低輸入的干電池電壓轉換為所需要的5 V標準電壓.

3 軟件設計

3.1 監測程序設計

首先讀取ADC口的數值,根據查表或者計算得出傳感器當時所測量到的環境數據,針對于不同種類的傳感器,所使用的表格和計算公式是完全不同.以溫度傳感器為例,是用二分法逐漸逼近表格中我們所測量到的溫度的值,可以精確到小數點后兩位有效數字,而照度的計算則是利用照度傳感器的說明書通過計算得出公式,然后和照度儀所測量的結果進行比較,修正計算公式,得出比較準確的數值.得出公式之后將采集到的信息編寫代碼計算后發送到上位機,在上位機中經過數據還原就可以使用下位機采集四個參數,監測是實時進行的,只有在接收到上位機發送的代碼經過校驗自身ID后才開始向上位機發送數據.

3.2 通信程序設計

下位機代碼由 ICCV7 for AVR 程序編寫,主要分為通信和傳感器監測兩個部分.由于單片機和電腦的處理速度差別巨大,需要對收到的數據進行整合判斷.下位機和上位機對于通信協議部分代碼的校驗、邏輯判斷處理思路上很類似,區別在于下位機C語言不是面對對象開發,上位機C#是面向對象的語言,可以運用相同的邏輯判斷來處理通信協議[8].

圖6 電源供電模塊

數據采集及通信流程圖如圖7所示.為了保證上位機和下位機穩定運行,也為了保證在復雜環境下實現遠距離的通信,系統采用通信協議和數據包的格式,采用校驗碼的通信協議,下位機一次性發送一個數據包,增加了數據傳輸的可靠性和穩定性.每一個下位機在燒錄程序是給予一個獨有的ID號碼用于區別于其他下位機,ID內有若干傳感器節點,通過通信協議來實現對不同ID號的下位機控制.經過實驗可知,使用通信協議后,無線通信的容錯率、可靠性、通信距離大大提高,系統工作持續進行.下位機一次性發送9個byte給上位機,

起始位為0xAA,第2位到第8位是我們需要的數據位,第9位為0xBB其中照度占用2位,土壤濕度占用 1 位,溫度占用 2 位,空氣濕度占用 1 位,所有的數據均小于0x80,便于校驗.接收到數據之后,需要對下位機發送的16進制數據整理和計算得到所需要的數值.

3.3 上位機軟件程序設計

上位機軟件采用 Microsoft Visual Studio 2010 程序編寫.上位機通信采用和下位機無線模式的串行通信.調用串口接收函數DataReceived對傳輸的數據進行整理,建立新的數組接收數據,在通信部分與下位機類似,因為上位機和下位機運行速度的不同,每次收到不同的數據時需要進行校驗分析,提取相應的數據通過文字顯示到相應的位置,通過C#中的控件來實現畫圖模式,實現對數據的直觀體現.采集機號采用下拉菜單的選擇模式,當選擇某一ID號碼時,上位機同該ID號對應的下位機群組開始建立通信,下位機工作并發送數據去上位機實現對農業信息的監測功能.上位機數據處理流程圖如圖8所示.

圖7 數據采集及通信流程圖

圖8 上位機數據處理流程圖

上位機軟件部分: I/O口操作、定時設定、波形顯示、通信模塊、數據保存以及結果顯示六大部分.上位機調用系統的I/O口函數,在程序初始運行時訪問計算機I/O并獲取計算機I/O顯示到combox1的下拉菜單中.選擇不同的I/O口和不同的波特率對應下位機.numericUpDown1中設置定時時間,定時向下位機發送Send_data函數,Send_data中包括與下位機的通信協議,下位機根據上位機發送的通信協議通過自己獨有的ID號來判斷是否為自己開始發送監測到的數據,如果判斷為否,那么下位機處于休眠狀態,上位機兩秒接收一次來自下位機發送的數據,定時器的內容為依據定時時間將接收到的數據添加到richtextbox1中,同時兩秒發送一次Send_data,而保存操作是將richtextbox1中的數據同監測當時的溫度添加到指定位置的TXT文本中.

繪制圖線操作為采集到的四個傳感器圖線,分別為照度 (lux); 環境溫度 (℃); 土壤濕度 (%); 空氣濕度(%)四個函數,其中環境溫度根據實際測量一般在25 ℃左右,照度根據白天和夜晚的不同會有較大的差別,環境濕度線是隨著環境溫度來變化的一條曲線,日常溫度是25 ℃時,一般環境濕度的曲線呈線性曲線.在環境溫度發生變化是環境濕度曲線會變化,所以采集環境濕度一般是先獲取溫度傳感器的參數,然后獲取溫度傳感器的溫度,根據不同的溫度利用不同的衰減曲線進行計算最后得出環境濕度值.在上位機中,點擊按鍵選取不同的傳感器曲線,利用點畫線的方式在panel1中繪制曲線,曲線縱坐標為曲線值的大小分布,曲線橫坐標是系統時間,因為隨著時間推進曲線會占滿屏幕,當曲線畫圖充滿屏幕后把曲線的初始坐標清零,即清空屏幕大小的曲線橫坐標長度,在新的畫布上根據獲取到的參數不同來畫線直觀的體現此時環境的變化.溫度繪制曲線如圖9所示.實際溫度以觸摸溫度傳感器導致變化顯示.

圖9 溫度繪制曲線

4 實際數據采集及通信實驗

傳感器節點安裝在種植環境中,節點同節點、上位機之間的通信受到外界干擾較大,例如農作物高度,投放節點的高度會影響通信距離.為了保證節點之間通信可以進行可靠的通信和覆蓋大部分的種植環境,為投放傳感器節點,實現節點的優化投放需要做傳感器節點有效通信距離的實驗獲取節點有效傳輸距離[9].

實驗是在空曠的地表進行,周圍無高大建筑、無電磁信號干擾.實驗時有微風,氣溫為 28 ℃ 左右,天氣晴朗,將傳感器節點放置在約0.3 m的高度來測量該位置的各項參數,種植土壤環境使用采集到的土壤來模擬種植環境.節點標準工作電壓為 5.0 V,使用 HC-12作為通信模塊,焊接信號天線來增強通信的距離.有效通信實驗為上位機在離節點1 m處采集到的信號為初始的測量值,調整HC-12的通信模式使其在FU3下進行,一人持上位機步行離開節點,以20 m為一個基點.每隔 10 s停止等待節點發送 10次數據,觀察數據的完整性以及是否出現了錯誤數據等,直至上位機無法接受到傳感器節點發送的數據停止行程,獲得單個節點在通信距離的衰減表格如表1所示.

表1 單個節點在通信距離的衰減表

通過實驗得知,使用HC-12在空曠地點通信時,通信距離可達300米左右,這在傳統的農業信息無線傳感器節點監測是一個巨大的突破.其次,嘗試使用新的算法,給一個獨特的ID群組簇,5個傳感器節點全部設置為ID=1; 上位機遍歷發送數據給下位機命令ID=1的節點開始工作時,將ID=1的群組將某一個節點設置為該ID群組的高能節點,用來發送數據節點,其余4個節點發送數據給高能節點,由高能節點四次求平均值得出該區域內的參數發送給上位機,這樣大大減少傳感器節點給上位機發送的數據量,延長了普通節點的壽命,并且普通節點離高能節點的距離是比較近的,可以保證每一次發送的數據接收效果好.高能節點只需要接收ID群組內的信息保存并求平均值然后發送給上位機,高能節點不需要傳感器,需要大量的存儲空間方便查詢數據,大大減少了能源消耗,高能節點是傳感器節點群組中和上位機進行聯系的橋梁,所以高能節點的HC-12模塊使用可充電的電源模塊,HC-12模塊的信號線也被加強,普通節點在地表位置就可以接觸測量種植信息,高能節點需要在0.5 m或者1.0 m的高度,這樣可以使通信距離大大增加.

5 結論

根據已有的研究發現,傳感器節點的布置位置,節點布置方式,節點數量多少都影響我們對于農業信息監測的準確性,保證足夠少的節點數量監測到足夠多的距離是農業信息監測永遠的課題.在保證節點監測覆蓋率的情況下,正六邊形放置的節點要比正四邊形放置的節點放置的數量少,從文獻[10]分析可得在相同傳輸距離下,我們在長時間放置傳感器節點監測時,采用正六邊形方式放置的傳感器節點耗能比正四邊形節點的耗能少,節點電壓也高于正四邊形,這為我們傳感器節點部署指明了道路.

參考文獻

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