一種農業物聯網無線通信控制器的設計

孟成偉 李湘球 彭君 王小風

摘 要：本文設計了一種基于ZigBee技術的農業物聯網無線通信控制器。選用以無線通信ZigBee技術的CC2530芯片作為控制器的主控芯片，針對農業生產上對控制的特殊要求，從軟硬件進行了詳細的設計和說明。

關鍵詞：農業物聯網;無線通信;控制器;ZigBee;分布式控制

一、概述

農業物聯網應用中有大量設備需要控制，如：卷膜器、風機、水泵和遮陽棚等等。這些設備數量多價格低廉且傳輸信息的數據量小、數據傳輸速率要求不高。針對這一特點設計了一種農業物聯網控制器，可與網關一起組成一個分布式控制的系統，以低成本高可靠性滿足農業生產的需求。

二、通信技術及主控芯片的選擇

（一）通信技術的選擇

ZigBee技術具有自組織、低成本、低功耗、網絡節點多等特點，可以充分地在應用在大面積農業監控系統當中。ZigBee網絡最多可以支持65535個節點，具體應用節點數視溫室面積而定，每個節點之間通信距離最大可以達到100m。同時250kbps的傳輸速率完全可以滿足數據傳輸的需要。農業物聯網系統傳輸的數據量小，傳輸速率要求較低，傳輸距離不大，并且對低成本、低功耗有一定要求，所以采用ZigBee技術方案是一個很好的選擇。

（二）主控芯片的選擇

CC2530是TI公司最新推出的新一代ZigBee標準芯片。該芯片體積小巧，采用6mm×6mm的QFN40封裝，內部集成了存儲、加密、無線收發等多種功能，性能非常可靠。德州儀器業界領先的ZigBee協議棧（Z-Stack）配備使用CC2530，解決了傳統無線模塊容易丟數據或模塊數量多時容易受到干擾等問題，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。CC2530芯片總成本低，能夠建立強大的網絡節點，其內部集成了工業標準增強型8051微控制器內核，具有8KBRAM，256KB可編程閃存。該芯片無線射頻工作在2.4GHz頻段，接收靈敏度高，抗干擾性能強。其外圍接口能夠滿足農業物聯網控制器的要求。

采用ZigBee技術的農業物聯網控制器以CC2530作為農業物聯網控制器的主控芯片，可以簡化無線組網設計，其自組網功能可以滿足農業物聯網分布式控制的要求。

三、控制器主控芯片應用電路設計

（一）CC2530電路設計

CC2530芯片共有40個引腳，其中包括了電源接口、晶振接口、I/O接口和RF射頻接口等。CC2530總共有21個通用I/O端口，其中有些端口還可以作為特殊用途，用來連接其他的外設。CC2530芯片的應用電路比較簡單，只需要少數的外接元件即可實現。

1.雖然CC2530內部集成了一個16MHz的RC震蕩電路，用來給芯片正常工作時提供時鐘，但RF射頻模塊必須工作在32MHz的頻率，所以要使用CC2530的無線射頻功能，就必須在電路中設計一個32MHz的晶振。

2.看門狗時鐘獨立于系統時鐘，可以防止系統出錯;睡眠時鐘獨立于系統時鐘，可以在芯片休眠時起作用。

3.系統復位電路采用上電復位的方式，將該引腳與3.3V電源直接相連，中間加一個10k的電阻，從而實現芯片的上電復位。

（二）CC2591功率放大電路

CC2530芯片本身的發射功率很小，且接收靈敏度也固定在某一水平，限制了該芯片無線射頻通信距離。為了加大發射功率，延長通訊距離，系統在CC2530射頻發射前端增加了一個CC2591功率放大器。CC2591是德州儀器（TI）公司為了提高CC2500系列芯片的射頻功能而專門開發生產的一塊高性價比、低成本的RF收發器，工作在2.4GHz頻段，可以與CC2530芯片實現無縫對接。CC2591通過功率放大器提供較高的發射功率，通過噪聲放大器提高接收機的靈敏度，再借助外接棒狀電線的作用，從而可以提高系統的通訊質量，延長通信距離。同CC2530芯片一樣，CC2591也是高度集成的芯片，因此可用極少的外接元件實現高性價比的功率輸出。

在實驗條件下，設備間通信距離5m，對不同的發射電路信號強度進行測試，可以看出，使用CC2591和外接天線后信號強度明顯提高，從而可以提高節點間通信質量，延長節點間通信距離。

四、農業物聯網控制器的設計

農業物聯網控制器以CC2530芯片為主控芯片，利用CC2530控制與之相連的設備打開或關閉，同時參與系統組網，通過ZigBee網絡與邊緣網關進行通信。控制器電路板上設計了一個六位的撥碼開關，其編址為000000bit-111111bit，用撥碼開關的編址來區分溫室大棚內不同的控制器，所以系統最多可以安裝64個控制器，滿足了不同面積大棚的需求。

（一）控制電路設計

控制器電路中設計了四路光耦輸出電路，配合繼電器輸出電路使用，用繼電器的開關狀態就可以控制溫室內相關設備的打開和關閉。

對于溫室大棚內無正反轉、只有開關兩種狀態的設備（如滴灌、風機、水泵等），每路光耦輸出通道可以控制一路這類設備，當繼電器觸點與24V相連時，設備打開，當繼電器觸點與GND相連時，設備關閉。所以一個控制器可以控制四路這類設備。實際中這些設備一般都使用220V交流電機或380V三相電機，光耦繼電器輸出電路輸出電壓只有24V，則需要在電路中另加一個交流接觸器。

對于溫室大棚內需要正反轉控制的設備，則采用兩路光耦輸出通道（例如編號為1，2）控制一個設備。當1號觸點與24V相連且2號觸點與GND相連時，電機正轉。反之，電機反轉。當1、2兩個觸點均與GND相連時，電機停止。以溫室大棚內卷膜控制為例，系統卷膜電機額定電壓24V，可以直接用該光耦繼電器輸出電路進行控制。

（二）控制器軟件設計

以溫室大棚內卷膜的控制為例進行控制器軟件說明。系統使用的卷膜電機供電電壓為24V，低于人體安全電壓，在滿足正常應用需求的情況下更能保證人畜的安全，使系統更具有安全性。電機正常工作電流3.2A，額定功率76W。卷膜在溫室大棚內的使用頻率非常高，正常情況下幾乎每天都要對其進行操作，早上將卷膜全部打開進行散熱，晚上將卷膜全部關閉進行保溫，以維持溫室大棚內的農作物生長所需的正常溫度。若規定卷膜打開時卷膜電機為正轉狀態，則卷膜關閉時卷膜電機即為反轉狀態。以一個八聯體的現代化溫室大棚為例，其中共有14個頂部卷膜，根據前述一個控制器可以控制兩路帶正反轉狀態的設備，系統總共需要安裝7個控制器，每個控制器控制兩個卷膜電機。溫室大棚管理人員早上將卷膜全部打開，晚上將卷膜全部關閉，有時則根據具體的天氣情況只對其中特定的幾個卷膜進行打開或關閉操作。

系統為了滿足用戶需求，規定了卷膜控制規則：單個控制和批量控制，然后依據此規則規定了通信協議，具體說明如下：

1.單個控制指令只對溫室大棚內指定的卷膜進行操作，用戶根據需要，只對其中的一個或幾個卷膜進行控制。對于單個控制指令，系統規定命令0表示卷膜關閉，命令1表示卷膜打開。當控制器收到此類命令時，會立即執行相應的操作，將與之相連的卷膜打開或關閉。若卷膜正在打開的過程中收到了關閉的命令時，控制器不能立即控制卷膜電機進行反轉操作，應該先讓卷膜電機停下來，等待3秒鐘使電機線圈內的電流完全被消耗掉，然后再執行反轉操作，防止燒壞電機。反之，卷膜正在關閉的過程中收到了打開的命令，也應該這樣。

2.批量控制指令對溫室大棚內全部卷膜進行操作，實際應用中最常用的也是這類操作。對于批量控制指令，系統規定命令2表示全部卷膜關閉，命令3表示全部卷膜打開。由于系統采用24V電源統一供電，若系統中14個電機同時工作，瞬間電流會超出系統電源的輸出能力，從而燒壞電源。為了避免這種情況保護電源，我們規定當控制器收到批量控制的命令時，不能立即同時控制所有14個卷膜執行相應的操作，而是采用延時執行的方案。每個控制器根據自己的撥碼編址，以25s為間隔，確定延時的時間。第一個控制器的第一個卷膜延時0s，第一個控制器的第二個卷膜延時25s，第二個控制器的第一個卷膜延時50s，第二個控制器的第一個卷膜延時75s……，以此類推。由于每個卷膜從完全打開到完全關閉的整個過程中大約需要3min時間，所以當第9個卷膜電機開始工作時，第一個卷膜電機已到達最大行程開關而停止，從而保證系統最多只有8個卷膜電機同時工作。此時，系統電源的輸出能力完全可以滿足要求，在滿足系統控制要求的同時保護了系統的工作電源。同樣，當控制器收到與上一條控制指令相反的命令時，也要先控制電機停止轉動，3s后再執行相反的操作，從而保護卷膜電機。

對于溫室大棚內無正反轉、只有開關兩種狀態的設備（如滴灌、風機、水泵等），系統規定，命令0表示設備打開，命令1表示設備關閉。控制節點收到該類命令時，不需要等待延時，直接執行相應的操作，控制設備打開或關閉。

（三）控制器手動/自動切換功能

與控制器相連接的設備通過接收邊緣網關下發的控制指令而工作，邊緣網關在整個系統中起著至關重要的作用。這樣的設計有一個弊端，就是當邊緣網關出現故障無法正常工作時，無法對整個系統進行控制，因而無法調節農作物生長環境，這對于整個溫室大棚系統將會造成很大的影響。為了使系統更加具有靈活性，在邊緣網關出現故障的時候能夠暫時地采用應急預案維持系統正常運行，降低由此而帶來的影響和經濟損失，在每個控制器上設計了一套手自動操作切換按鈕。設計原理如圖

該設計采用一個兩檔開關來決定設備的控制狀態是處于手動狀態還是自動狀態。設備的電源負端已經與供電電源負端相連，供電電源正端則與一個兩檔開關公共端相接，當兩檔開關公共端打到1位時，規定為手動狀態，此時設備只能通過旁路的一個按鈕開關來進行控制，設備的打開或關閉需要現場手動操作該按鈕開關;當兩檔開關打到2位時，規定為自動狀態，此時設備的電源正端與控制節點相連，利用控制節點來控制設備的打開或關閉。正常情況下兩檔開關打到自動狀態，控制節點通過接收邊緣網關發送的指令控制設備。當邊緣網關出現故障暫時無法進行操控時，則將兩檔開關撥到手動狀態，然后再操作旁邊的摁鈕開關使設備正常工作。該設計作為一個應急預案，保證了溫室大棚內農作物生長環境的穩定，使系統更加具有適用性。

五、結束語

農業物聯網無線通信控制器以CC2530芯片為核心，采用ZigBee自組網技術實現了對農業大棚的卷膜器、遮陽棚、通風機、水泵等設備的分布式控制。在實際應用過程中，系統能夠穩定工作，基本滿足了智慧農業生產的要求。該控制器具有自動和手動控制切換，提高了農業大棚設備的可控性，保證了控制系統穩定可靠的運行。

參考文獻：

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基金項目：江西省重點研發計劃（20181ACF60026）和江西省現代農業產業技術體系（JXARS-06）。