陜南有機稻田種植環境智能化監測系統設計與測試

王戰備 韓團軍 王桂寶 胡麗麗

摘要：根據陜南漢中有機水稻種植環境智能化監測的需求，基于ZigBee、NB-IoT技術設計有機水稻環境監測系統，利用帶射頻功率放大的CC2530模塊設計ZigBee網絡節點和協調器，采用自定義Channel、PanID、MAC等ZigBee協議參數，以此提高ZigBee無線通信距離和抗干擾能力，實現稻田大氣環境和土壤環境的自動監測與分析，具有異常狀態語音告警、基于OneNET云平臺和手機App的稻田環境遠程監測功能。測試結果表明，本系統中ZigBee無線傳輸距離最遠可達400 m以上，并對其他ZigBee組網信號具有良好的抗干擾能力，OneNET云平臺接入及數據上傳通信延遲為5～10 s，系統各項功能運行較為穩定，能夠滿足漢中有機稻田環境智能化監測的基本需求。

關鍵詞：有機稻田;環境監測;無線傳感網;窄帶物聯網;云平臺

中圖分類號：S126? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）23-0195-06

收稿日期：2021-03-23

基金項目：國家自然科學基金（編號：61972239）;陜西省教育廳專項科學研究計劃（編號：18JK0160）;陜西省社會科學基金（編號：2015R028）。

作者簡介：王戰備（1977—），男，陜西乾縣人，碩士，副教授，主要從事無線傳感網、物聯網應用等方面的研究。E-mail：263337576@qq.com。

漢中市地處陜西省西南部、漢水上游，是國家南水北調中線水源地，區內氣候溫潤、雨量充沛，是陜西省水稻主產區，也是全國最佳優質稻米適生區[1]。漢中市水稻年種植總面積約8萬hm2，年產量近60萬t，水稻種植面積和總產量占陜西省的近70%[2]。近幾年，為實施南水北調中線水源地的環境保護，確保“一江清水供北京”，漢中市在傳統水稻種植基礎上積極發展綠色有機水稻種植，有機水稻已成為漢中市綠色農產品中的一張亮麗品牌，有機水稻種植也成為漢中地區實現農民脫貧致富、農村振興發展的重要支柱產業之一。有機水稻對空氣質量、土壤環境等要求較高，精準監測稻田大氣和土壤環境、適時采取有效管控措施是保證有機水稻品質和產量的重要基礎。近些年，以智能傳感器、無線傳感網、窄帶物聯網（NB-IoT）等為基礎的物聯網應用技術快速發展。利用物聯網技術實現農業生產環境和生產過程的自動化、智能化監測已成為現代農業發展的主要方向，也成為農業信息化領域研究的熱點。

汪鳳珠等利用ZigBee無線傳感器網絡實現鹽堿地中的水質、作物長勢、病蟲害信息的自動監測，并應用TCP/IP 協議設計鹽堿地綜合治理信息采集軟件和遠程信息云服務平臺，實現了鹽堿地資源信息的智能化監測與調控[3]。方圓等將ZigBee無線傳感網和GPRS結合，實現棉田土壤溫濕度信息的自動采集分析和遠程傳輸，并利用NI LabVIEW設計上位機監測軟件，實現棉田土壤溫濕度信息的遠程監測與控制功能[4]。韓團軍設計了一種山區農田環境監測系統，該系統利用CC2430 ZigBee無線傳感網采集農田環境信息，并通過WiFi技術建立無線傳感網與遠程服務器之間的數據鏈接，用戶基于B/S模式實現農田環境信息的遠程監控[5]。劉杰等將CC2530信息采集模塊與智能尋跡小車結合，以移動方式采集溫室大棚環境數據，并通過WiFi無線方式傳輸到PC端的LABVIEW監控平臺，實現大棚溫濕度和光照度的監測與調控[6]。崔紅光等以CC2530 ZigBee無線技術設計水稻直播機播種質量無線監測系統，實現水稻播種過程的多點、實時監測，具有漏播、堵種等異常情況告警功能及故障監測點編號顯示功能，便于用戶及時排除水稻機播過程中的各種故障現象，確保水稻播種質量[7]。盛會等設計了一種基于CC2530的農田滴灌自動控制系統，利用傳感器節點采集農田溫濕度、光照度等環境參數，并通過ZigBee無線方式發送至控制主機，用戶通過上位機軟件監測農田環境參數變化，并能通過控制主機向各傳感器節點發送控制灌溉控制指令，啟動傳感器節點上的電磁閥，實施輸水灌溉[8]。

本試驗在上述研究的基礎上，結合漢中有機稻田環境監測的應用需求，基于ZigBee無線通信、窄帶物聯網（NB-IoT）、OneNET云平臺應用等技術設計有機稻田環境監測系統，以滿足漢中地區有機稻田環境智能化監測需求，也為物聯網技術在陜南農業生產領域的推廣應用提供借鑒和參考。

1 系統方案設計

本系統由終端節點和監測主機組成，終端節點采集稻田土壤環境參數和大氣環境參數，并通過ZigBee無線通信方式發送至監測主機，由監測主機完成數據分析、顯示、異常語音告警等功能。監測主機通過NB-IoT技術實現互聯網OneNET云平臺的自動接入，能將終端節點檢測數據上傳至OneNET云平臺，用戶通過手機App登錄云平臺，即可實現稻田環境參數的遠程監測功能。系統總體設計方案如圖1所示。

考慮到普通ZigBee無線模塊通信距離短、抗干擾能力弱、難以滿足稻田環境下的遠距離無線通信需求，系統設計時，終端節點和監測主機的ZigBee無線通信方案采用帶射頻功率放大（PA）的ZigBee無線模塊實現。該模塊以TI公司的CC2530F256芯片為核心，內部包含1個增強型8051內核，搭載了RFaxis公司的功率放大芯片（PA）RFX2401C，輸出功率+23dbm，理論傳輸距離可達1 000 m，支持IEEE802.15.4 和ZigBee2007pro協議，能有效增強無線通信距離并拓展帶寬，且外圍電路簡單，是目前ZigBee遠距離無線通信設計中最理想的類型[9]。

2 系統硬件設計

2.1 終端節點電路設計

本系統終端節點電路以射頻功率放大ZigBee模塊（CC2530+RFX2401C）為基礎設計，其應用電路如圖2所示。系統中設計了3種類型的終端節點，終端節點1為風速風向采集節點，終端節點2為大氣溫濕度、光照度及土壤溫濕度采集節點，終端節點3為土壤pH值采集節點。因終端節點中采用了RS485接口傳感器，為實現RS485傳感器與CC2530處理器的信號電平轉換，以MAX485芯片為核心設計了485接口到UART串口的轉換電路[10-11]，滿足RS485接口傳感器與CC2530處理器的電路連接功能，接口轉換電路如圖3所示。

終端節點1中的風速風向傳感器采用建大仁科的聚碳殼風速傳感器和風向傳感器[12]。這2種傳感器均為RS485接口輸出，電路設計時通過接口轉換電路與CC2530處理器的UART0和UART1相連。風速傳感器的分辨率0.1 m/s，啟動風速<0.2 m/s，風向傳感器支持8個指示方向和0～360 °連續測量（精度+1 °），風速風向傳感器采用默認設備地址1，波特率設置為4 800。

終端節點2中的大氣溫濕度傳感器采用數字式溫濕度檢測一體化傳感器DHT11。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器[13]，采集的溫濕度數據通過P0_1端口送往CC2530處理器。光照度傳感器采用GY30型數字光照傳感器[14]，其光照度檢測范圍0～65 000 lx，分辨率1 lx，采用I2C接口輸出。電路設計時用CC2530的P1_4和P1_5端口模擬時鐘線SCL和數據線SDA，實現光照度傳感器與CC2530處理器的電路連接。土壤溫濕度傳感器采用賽通科技ST-TR-WS型的土壤溫度水分一體化傳感器[15]。該傳感器土壤水分測量范圍0～100%，分辨率0.1%，檢測精度3%～5%，土壤溫度測量范圍-40～80 ℃，分辨率0.1 ℃，檢測精度±0.5 ℃，RS485接口輸出，通過接口轉換電路與CC2530處理器的UART0相連。

終端節點3中的土壤pH值傳感器采用賽通科技的ST-TR-PH型土壤酸堿度傳感器[15]。該傳感器土壤pH值測量范圍4～10，分辨率為0.1，精度±0.5，采用不銹鋼探針，通過土壤埋置方式采集數據，RS485接口方式輸出，通過接口轉換電路與CC2530處理器的UART0相連。

2.2 監測主機電路設計

監測主機由主機控制器、ZigBee（協調器）模塊、顯示模塊、設置模塊、語音模塊及NB-IoT模塊組成。監測主機設計時，考慮到ZigBee CC2530處理器數據處理和存儲能力有限，為滿足監測主機功能要求，設計時采用雙處理器結構。主機控制器采用ST公司的32位嵌入式微控制器STM32F103ZET6，用于大氣環境檢測和土壤環境檢測等多路傳感器接入、檢測數據分析顯示、異常語音告警、云平臺接入與數據上傳等控制功能。CC2530作為輔助處理器，主要運行ZigBee無線通信協議，實現ZigBee無線組網與數據傳輸功能。主機控制器STM32F103ZET6與輔助控制器CC2530之間采用串口通信，連接電路如圖4所示。

監測主機中的顯示模塊采用分辨率320×240的3.2寸HMI 智能串口屏，通過4線SPI串行方式與STM32主機控制器連接。設置模塊采用4×4矩陣鍵盤，實現閾值設置等功能。語音模塊采用SYN6288 中文語音合成模塊， 以串口通信方式與主機控制器相連，可將任意中文文字轉換為中文語音播報，實現語音告警功能。NB-IOT模塊由M5310A通信模組、RF 天線、SIM 卡和固件下載接口組成，支持TCP/UDP/COAP/MQTT/LWM2M等協議，可便捷快速地實現與OneNET云平臺的連接。本系統中的NB-IoT模塊通過串口通信方式與主機控制器相連，連接電路如圖5所示。

3 軟件設計

3.1 ZigBee無線組網設計

終端節點和監測主機之間ZigBee無線通信基于TI公司的ZigBee Z-Stack 2007協議棧，網絡拓撲為星型，試驗網絡由1個協調器和3個終端節點組成。設計時，為避免其他ZigBee無線網絡的信號干擾，在TI SmartRF FLASH軟件中將協調器及終端節點的Channel、PanID、MAC地址等網絡參數設置為表1所示的自定義值。設置完成后，協調器及各終端節點依次上電啟動，按照協議規則自動完成網絡創建與節點入網，形成覆蓋監測區域的ZigBee無線網絡，協調器負責給每個終端節點分配1個16位短地址，作為該終端節點在網絡內的識別標志。

3.2 終端節點控制軟件設計

各終端節點控制程序基于Z-Stack應用層API接口設計，主要完成節點入網、數據采集與封裝、數據發送等功能。節點上電啟動并成功入網后，按照系統設置的檢測周期，定時采集稻田環境參數，并將采集數據封裝后通過ZigBee無線網絡發送至監測主機，隨后節點進入休眠狀態。節點數據封裝以ZigBee協議幀結構為基礎，結合系統功能要求，增加了節點編號、節點類型、采集時間等字段，數據字段長度根據終端節點采集參數種類的不同而不同，終端節點1（風速風向）的數據字段為6字節，終端節點2（大氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度）的數據字段為8字節，終端節點3（土壤pH值）的數據字段為4字節，封裝數據格式如表2所示。

3.3 監測主機控制軟件設計

主機控制器STM32F103ZET6初始化完成后，通過串口發送AT指令，控制NB-IoT模塊（M5310A） 基于LwM2M 協議接入中移物聯網OneNET云平臺，實現NB-IoT設備注冊上線，再由用戶根據實際情況設置各參數檢測閾值，隨后監測主機通過串口接收協調器轉發的各節點檢測數據，并完成各節點檢測數據的分析與顯示。所接收的檢測數據如有異常，主機控制器控制語音告警模塊實施語音告警，播報語音信息包含節點編號和異常參數類型，例如“請注意，1號終端大氣溫度異常”。1次采集結束后，監測主機將各節點數據封裝為1個數據包（封裝數據格式如表3所示），再由STM32F103ZET6控制器利用AT指令控制M5310A模塊，通過NB-IoT鏈路將檢測數據包上傳至OneNET云平臺。監測主機控制流程如圖6所示。

3.4 OneNET云平臺接入設計[16-17]

NB-IoT模塊基于LwM2M協議接入OneNET云平臺，整個過程包括2個階段，一是OneNET云平臺上的產品創建與設備添加，二是M5310A模組初始化及其與基站和服務器之間連接。用戶登錄中移物聯網OneNET云平臺，在“開發者中心”完成產品創建，設置產品名稱、類別及接入方式、接入協議等參數。創建成功后添加設備，填寫設備名稱、IMEI碼、IMSI碼，并開啟自動訂閱功能。在模組側，主機控制器通過AT指令控制M5310A模組實現初始化及網絡連接，并完成設備創建及資源配置與訂閱（Object 和Resource 配置）。在此基礎上，M5310A模組登錄OneNET云平臺，建立監測主機到OneNET云平臺數據通信連接，所有終端節點數據便可通過監測主機上報到OneNET平臺。手機App通過OneNET云平臺的API接口，實現對數據的讀取和控制指令下發功能。

4 系統測試與分析

2020年10月4日，在陜西省漢中市南鄭區梁山鎮某有機稻種植基地對本系統進行了測試，測試內容包括ZigBee無線通信距離、ZigBee抗干擾性能測試、系統整體功能。

4.1 ZigBee無線通信距離測試

在稻田視距環境下，用1對ZigBee節點（CC2530+RFX2401C），以點對點通信方式測試ZigBee無線通信有效距離，為網絡節點位置的設置提供依據，測試結果如表4所示。測試發現，通信距離在300 m內時，數據丟包率較小，無線傳輸過程基本穩定;當距離超過400 m時，ZigBee無線通信仍可進行，但數據丟包率會大幅度增加，影響系統監測性能;當距離超過485 m時，無數據接收，ZigBee無線通信中斷。

4.2 ZigBee抗干擾性能測試

測試過程中協調器和各終端節點的Channel、PanID、MAC等網絡參數采用表1所示值，在監測主機旁邊設置一個相同器件類型的干擾協調器，干擾協調器采用默認的Channel、PanID、MAC參數值。上電啟動后，監測主機中的協調器和各終端節點能夠按照ZigBee協議及自定義參數完成ZigBee無線組網及節點入網。組網過程快速、穩定，并能有效排除干擾協調器對ZigBee組網過程的干擾，避免附近其他ZigBee信號對本系統組網和數據傳輸性能的影響。

4.3 系統功能測試

監測主機和終端節點上電啟動并組網后，各個終端節點均能按照既定采集周期完成大氣溫度、濕度、光照度、土壤溫度、濕度、風速、風向等參數采集，并能通過ZigBee無線方式發送到監測主機。監測主機能接收各終端節點數據，并能完成數據分析、顯示及異常語音告警控制等功能，同時還將各終端節點檢測數據上傳至OneNET云平臺。用戶可以通過手機App遠程觀察各終端節點的檢測數據，系統運行穩定。測試過程中發現，因網絡覆蓋信號強度、網絡穩定性等因素影響，監測主機連接OneNET云平臺和檢測數據上傳更新過程均有5～10 s 不等的通信延遲。監測主機測試結果和手機App測試結果如圖7、圖8所示。

5 結論

本試驗設計了一種基于NB-IoT和ZigBee技術的有機稻田環境參數監測系統。該系統利用終端節點定時采集水稻種植區內的大氣和土壤環境參數，并通過ZigBee無線方式發送至監測主機，由監測主機完成數據分析、顯示及異常語音告警。監測主機具有基于NB-IoT方式的OneNET云平臺自動接入功能，可將各節點檢測數據上傳至云平臺。用戶通過手機App遠程登錄云平臺，即可實現稻田環境參數遠程監測功能。測試結果說明，本系統可在通信距離不超過400 m的稻田種植區內構建較為穩定的環境監測無線網絡，且具有良好抗干擾性能，能夠實現稻田大氣環境溫濕度、風速、風向、光照度、土壤溫濕度、土壤pH值等環境參數的采集、分析及無線傳輸，并能夠實現OneNET云平臺的自動接入、數據上傳及基于手機App的稻田環境參數遠程監測功能。系統各項測試指標能夠滿足有機水稻種植環境參數監測的基本需求，可作為漢中有機水稻種植智能化、精細化管理的有效工具，也可為物聯網相關技術在陜南農業環境監測領域內的應用推廣提供借鑒與參考。

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