基于WSN的設施農業智能移動監控系統研制

梁裕巧，李洪兵*，羅 洋，康云川，劉 莎，劉子路，陳立萬

(1.智能信息處理與控制重慶高校市級重點實驗室，重慶 404120；2.物聯網與智能控制技術重慶市工程研究中心，重慶 404120；3.三峽庫區地質環境監測與災害預警協同創新分中心，重慶 404120)

0 引 言

在信息化發展飛速的時代，傳統的農業已經與這個社會不相匹配，且落后于其他產業。而中國的農業必須從傳統農業的實踐方式逐步升級到以產業化、信息化為指導的智慧農業管理方式[1]。中國的自然災害相對比較頻繁，災害的發生尤其對農民的影響特別大，外部環境因素具有很大的不可預測性。設施農業智能移動監控系統能夠在可控的情況下對農作物進行生產監控，有效防止自然災害、土質情況、病蟲的控制等。設施農業移動監控系統主要是以ZigBee通信技術、物聯網傳感器技術等進行開發。

隨著農業物聯網的誕生，ZigBee無線通信技術應用到智能農業監控已經成為必然趨勢[2-7]。它是基于IEEE.802.15.4標準的低功耗局域網協議，ZigBee協議棧是建立在IEEE.802.15.4的PHY層和MAC子層規范之上，無線通信頻段設置為2.4 GHz。與其他無線網絡相比，它具有低功耗、低成本、自組織、穩定性強等特點。因此，本系統采用有高達256 KB的閃存和20 KB的擦除周期以支持無限更新和大型應用程序，8 KB的RAM適用于復雜的ZigBee應用的CC2530為主芯片。在掉電模式下，當睡眠定時器運行時電流損耗不到1 μA，還具有強大的地址識別和數據包處理等功能[3-15]。

通過終端傳感器進行數據采集，協調器將采集的信息通過WIFI網關傳輸到PC端和手機端，對數據進行分析處理，實現設施農業智能管理和移動監控。對農作物生長進行實時精準感知，及時反饋作物信息，提高相關人員的決策能力，并且降低生產成本，節約資源。

1 系統總體設計

1.1 系統組成

設施農業智能移動監控系統以CC2530為核心控制器，結合ZigBee無線傳感器網絡移動監控設施農業的系統開發。系統主體構架分為監控終端節點、ZigBee轉WIFI網關、PC端和手機端四部分。其中監控終端節點分為4個移動節點，每個節點分別搭載不同類型的傳感設備，監控終端節點1搭載了空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、蜂鳴器、繼電器和光照燈；監控終端節點2搭載了土壤濕度傳感器、土壤PH值傳感器、繼電器控制和水泵；監控終端節點3搭載了土壤硝酸根離子類傳感器、葉面濕度傳感器、土壤金屬類傳感器；監控終端節點4搭載了煙霧傳感器和卷簾電機。

1.2 系統功能

將監控終端節點采集的信息通過ZigBee無線組網傳輸到協調器，協調器通過ZigBee傳輸鏈路將信息傳輸到ZigBee轉WIFI網關，而PC端和手機端通過WIFI傳輸鏈路連接網關的IP地址，實現對設施農業智能監控。當空氣溫濕度超過預設值，蜂鳴器自動報警，主控芯片給繼電器發送控制信號，打開排風扇；當土壤濕度過低時，主控芯片也給發送控制信號，打開水泵，實現灌溉；當光照強度不足時，可以通過PC端和手機端控制光照強度，也可以控制卷簾電機。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

在ZigBee網絡下的設施農業智能移動監控系統的硬件設計采用Altium Designer 14軟件繪制CC2530主板核心的原理圖，然后導入繪制PCB圖，最后印刷成電路板。本系統硬件主要包括四個ZigBee終端節點、一個協調器節點和ZigBee轉WIFI網關。終端節點和協調器是由CC2530最小系統、TFT液晶顯示屏、串口通訊模塊、電源模塊組成。ZigBee轉WIFI網關主控芯片采用RT5350設計。

2.1 無線傳感器選擇

溫濕度傳感器采用DHT11傳感器，它是溫濕度集于一身的復合型傳感器，采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，傳感器內部由一個電阻式感應濕度元件和測量溫度元件組成，惡劣環境下具有極高的可靠性和長期的穩定性。DHT11傳感器具有響應快、抗干擾能力強、功耗低、體積小等特點。DHT11傳感器工作電壓為3.3 V～5.5 V，一般為4針單排引腳封裝，連接簡單。

煙霧傳感器型號為MQ-2,具有電源指示和TTL信號輸出指示，具有DO開關信號(TTL)輸出和AO模擬信號輸出。本系統設計采用的是DO開關信號輸出模式，TTL輸出有效信號為低電平，具有長期的使用壽命和可靠的穩定性，響應恢復特性快，輸入電源5V-DC,功耗為150 mA。

土壤濕度傳感器采用Moisture Sensor，工作電壓為2.0 V～5.0 V，采用叉形設計，方便插入土壤，檢測深度為38 mm，輸出電壓隨著土壤濕度升高而增大。土壤PH值傳感器型號為HAD-TPH，采用了國際固體電解質和大面積四氟乙烯結界，不易堵塞免于維護，HAD-TPH的測量范圍為0 pH～14 pH，準確度為±0.1 pH，分辨率為0.01 pH，采用12V-DC供電，可使信號輸出長度達20米以上無干擾，具有低成本、高性能、體積小、功耗低、集成度高等特點，支持二次開發，廣泛用于農業灌溉、土壤速測、科學試驗等。

2.2 CC2530主控芯片配置

CC2530是前Chipcon公司推出基于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系統(SOC)。此次系統CC2530芯片選用CC2530F256版本，內置集成業界領先的2.4 GHz的RF收發器，并與增強型的8051MCU相結合。具有可編程的256字節閃存、8 KB RAM和兩個UART接口和可復用的SPI接口、8通道可配置分辨率12的ADC和21個GPIO等。

2.3 串口通訊模塊

數據通訊時，可以根據CPU的連線結構和數據傳送方式不同分為并行通信和串行通信。并行通信是指數據發送和接收時，每個數據單獨用一根導線進行同時傳送，速度快，效率高但是成本也高，容易受干擾；串行通信是指按順序一位一位進行數據發送和接收，只需要一根導線即可，傳送數據慢，但成本低，易于較長距離的數據傳送。串行通信又分為同步和異步兩種方式。CC2530內有兩個串行通信接口USART1和USART2,能夠分別運用于異步USART模式或者同步SPI模式，兩個USART具有相同功能并可以設置獨立的I/O引腳。協調器節點上的串口通信電路采用CH340G芯片實現USB轉串口電路，CH340G可以提供串口全雙工異步通信與USB接口相連接的解決方案。

3 系統軟件設計

本系統以IAR Embedded Workbench V8.13作為開發平臺，基于TI公司的ZStack-2.5.1a協議棧進行設計。軟件設計主要包括終端傳感器數據采集程序、閥門控制程序、協調器節點流程設計、上位機監控管理軟件設計。系統上電工作時，先設置PC機和協調器和終端節點的連接串口號，比特率設置為115 200 Hz；然后協調器進行組建ZigBee網絡，等待終端節點申請加入組網；組網成功后終端采集數據，并將采集的數據發送給協調器。系統總體工作流程如圖2所示。

圖2 系統總體工作流程

3.1 協調器節點軟件設計

協調器在ZigBee網絡中擁有最高的權限，節點可以有多個，但協調器在整個網絡中只有一個。協調器的主要作用是維護整個網絡保持整個設備的通信，對整個系統實施管理和監控，還可以對整個網絡進行安全加密。當有終端節點申請加入組網時，協調器會給終端節點配置16位短地址且允許加入網絡。協調器入網流程如圖3所示。

3.2 終端節點軟件設計

終端節點上連接各種傳感器設備，當一些節點在沒有用到時都處于睡眠模式，需要用到時節點被喚醒，所以只需用一節電池供電即可，并且存儲空間(RAM)較小。主要功能是將傳感器采集的數據顯示出來，終端節點主要負責與協調器節點進行通訊，終端節點開始初始化，并向協調器節點發送一個加入網絡的申請，終端節點介紹協調器16位網路短地址，并采集數據發送給協調器。終端節點入網流程如圖4所示。

圖3 協調器入網流程

圖4 終端節點入網流程

3.3 PC端監控軟件設計

上位機管理平臺的主要功能是對終端各個節點采集的數據通過協調器發送到PC端實施管理及監控。上位機的監控界面采用Microsoft Visual Studio 2017軟件進行開發設計。

打開上位機界面，開始執行程序時，首先進行串口設置，實現管理和監控終端采集的數據信息。如果有異常情況，上位機的顯示部分會亮紅并給發送一個信息通過蜂鳴器實現警報處理。

3.4 ZigBee與WIFI網關設計

通過分析ZigBee與WIFI協議，文中采用雙模無線網關設計。ZigBee轉WIFI網關主控芯片采用RT5350，內部集成了基帶處理器、射頻放大器、高性能的CPU內核、一個擁有五端口的百兆以太網交換機。它沒有很多的外圍電路，就可以實現無線傳輸，并提供更大的覆蓋范圍和更高的無線吞吐量。在ZigBee自定義通信協議幀基礎上設計Linux和CC2530串口傳輸協議，設計總體分為通信模型建立、協議解析和轉換、驗證三個部分。

4 智能移動監控設計

對于錯綜復雜的農田環境，如果只對設施農田部分點進行數據采集監控則不夠全面，不能完全實時監控整個設施農田的信息。本次研究考慮對終端節點的移動性，采用智能小車進行自動循跡移動采集信息，并將各個傳感器安裝在智能小車上，實現不間斷或定時移動采集監控農作物信息。智能小車采用STM32為主控芯片，通過PC和手機端控制智能小車在設施農田中自動尋軌、測距、避障和采集信息等。

智能小車電機驅動模塊采用BTN7960芯片構成集成雙H橋驅動電路；循跡檢測利用紅外傳感器對設施農田鋪好的黑色軌跡的反射系數不同掃描I/O口，檢測到I/O有信號輸出判斷處理，完成小車自動循跡功能；本次無線傳輸通信同樣采用2.4 GHz的ZigBee技術；舵機速度采用PWM脈寬調制技術，控制舵機的轉向和速度。

根據PID增量式控制算法對智能小車舵機的轉角和速度進行調整。增量式PID控制算法如圖5所示。

圖5 PID增量式算法簡化圖

PID控制器基本微分方程為：

(1)

由式(1)得到控制器第k-1個采樣時刻輸出值：

(2)

將式(1)與式(2)相減整理得到增量式PID控制算法公式：

Aek+Bek-1+Cek-2

(3)

從式(3)中可以得到：

(4)

其中，uk為控制器輸出值，ek為控制器輸入與設定值之間的誤差，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，T為調節周期。

5 系統性能測試

對各個模塊經過一系列測試，該系統能夠通過ZigBee組網正常地收發數據，數據能在TFT液晶顯示屏中正常顯示，智能小車能在預定收發范圍內正常循跡、避障和采集監控信息。

在室外空曠的場景下測試，網絡傳輸范圍在100 m左右，通過了測試并且無丟包現象。終端節點和協調器節點的耗能小，且工作時長達半年左右。該系統實現了低功耗傳輸，穩定性能好，成本低。系統測試結果如表1所示。

表1 系統測試結果

6 結束語

該系統是以CC2530為主芯片基于ZigBee無線網絡進行傳輸，以智能小車移動實時監測農田環境信息。實現對設施農業進行智能移動監控的作用，為傳統農業向現代化、信息化、智能化發展提供重要的基礎。農業智能移動監控能有效解決傳統管理監測系統的布線復雜問題。該系統是通過ZigBee無線網絡組網進行數據傳輸，系統具有模塊化、功耗低、性能好、可擴展性強等特點，能最大化降低農業應用的成本。