基于藍牙Mesh的果園智慧灌溉系統的設計

趙善政

(湖南農業大學機電工程學院,長沙 410128)

0 引言

果園多位于山坡丘陵地帶,面積廣闊,環境較復雜。在農業信息化背景下,通過無線網絡方式對果園進行信息化監控管理是成本低、維護便利的一種解決方案。藍牙Mesh網絡系統按功能分為土壤檢測氣象檢測系統、澆灌控制系統、云端數據處理系統。檢測系統將檢測到的數據通過藍牙通信協議傳輸至網關,網關將數據上傳至云平臺進行對比分析處理。當檢測數據小于或大于設置閾值時,云端平臺會向終端下發指令,用戶也可通過客戶端下發指令實現精準澆灌,如圖1所示。

圖1 基本藍牙Mesh通信灌溉系統

如果按照層次劃分,可將系統分為智慧感知層、大數據云平臺、應用層,其中智慧感知層包括溫濕度傳感器、灌溉控制節點及負責將數據匯聚并上報云平臺的網關,是研究與設計的核心任務。

無線傳感網絡節點在硬件電路設計中的重要指標要求有以下幾點：①超低功耗。在農業傳感網絡應用中,無線傳感器網絡節點主要布局在荒山野嶺、遠離電網供電網絡的地方,在此區域能量補充困難,無法使用市電進行電源轉換供電,通常采用可充電電池和太陽能板組合進行電量補充。在有市電供電的傳感網絡應用領域中,為了減少線纜走線布局,盡可能使用電池功能,故在低功耗設計中,傳感網絡節點設計是首要因素,可在軟件設計上對硬件外設進行管理優化,達到降低功耗的目的。如將空閑外設做掉電處理、設計合理的設備休眠喚醒機制等,降低節點功耗。 ②小型化。為了便于傳感器節點部署,減少安裝節點對果園原始作物生長環境的干擾,無線傳感網絡節點設備的體積應盡量小。小體積設備節點安裝方便,利于后續在特定區域內增加節點的布局密度。 ③低成本。為了提高傳感網絡信息采集的準確性,通常需要高密度、大范圍布局設備節點,設備節點數量規模較大,為了體現整個傳感網絡的性價比優勢,需要盡可能降低單節點設備成本,能不用的外設就不用。④高可靠性。無線傳感器網絡應用領域決定了其節點需要在千差萬別的工作環境下完成任務,特別是在農業物聯網領域,傳感網絡節點的環境更加惡劣,需要在設計中考慮不同溫度、濕度下的正常運行,完成節點工作任務[1]。

1 系統硬件設計

系統硬件主要由終端節點和網關節點組成。

將感知層節點分為傳感器節點、電磁閥節點、網關節點,為了降低開發成本、方便硬件維護,采用Nordic公司的NRF52832 SOC(System On Chip)作為節點核心進行電路設計。

設計選擇的NRF52832芯片是Nordic公司的SOC產品,主要由核心處理器、2.4 GHz射頻收發模塊、電源管理模塊、通用外設等部分組成。核心處理器采用設計主頻為64 Mhz的ARM CortexTM-M4F 32位CPU內核架構,搭配最大512 KB flash和64 KB RAM,具備強大浮點運算能力,為提升數據包處理能力提供了硬件基礎。2.4 GHz射頻模塊最大接收靈敏度為-96 dBm,高接收靈敏度可極大提升兩節點間的通信距離。射頻最大輸出功率為+4 dBm,可實現步長為4 dB的功率調節,輸出功率調節范圍為-20 dBm～+4 dBm,可滿足不同的功率等級需求。NRF52832 soc在1.7～3.6 V供電電壓下均可正常運行,通過SOC電源管理模塊對SOC外設模塊進行獨立管理,進行低功耗設計時可靈活配置,極大降低SOC功耗。通用外設部分,NRF52832外設包含SPI、IIC、UART等通信接口,方便接入其他模塊。8路12位ADC、3路獨立PWM、32路通用IO便于傳感器信號接入及多樣的輸出控制。Nordic NRF52832內置AES硬件模塊,為數據通信信息安全提供硬件支持[2]。NRF52832芯片有QFN48和WLCSP兩種封裝,設計選用 QFN48 封裝,最小系統原理如圖2所示。

圖2 NRF52832最小系統電路原理

為了方便調試預留了SWD(Serial wire debug)接口,僅需兩根數據線加兩根供電導線即可完成通信,進行代碼的單步仿真調試,比常用的20pin JTAG調試接口少了很多,可大大減少硬件面積。

設計的最小系統整體電流不大,根據常規器件工作電壓,選擇普通4.2 V常用鋰電池供電,選用TI的低壓差線性穩壓器TPS73633電源管理芯片。此芯片在輸入1.7～5.5 V條件下即可提供1.2～5.5 V輸出電壓和最大400 mA輸出電流,通過此電源芯片將 4.2 V電源轉換為3.3 V電源給主系統供電,電路原理如圖3所示。

圖3 NRF52832 LDO原理

1.1 傳感器節點設計

傳感器節點主要包括核心處理器NRF52832模塊、傳感器模塊兩部分。NRF52832模塊部分是通用的,傳感器部分需根據傳感器類型單獨進行電路設計,傳感器節點硬件是整個系統的基礎部分也是核心部分。

1.1.1 空氣溫濕度傳感器

果樹在生長過程中對空氣溫濕度有特定的需求。為了采集果園中的空氣溫度、濕度情況,選用DHT11溫濕度傳感器,實物及電路原理如圖4所示,此型號溫濕度傳感器價格低廉,易購買,使用簡單。從左至右依次為 VCC、DATA、NC、GND 4個引腳,其中第三引腳通常做懸空處理,可以忽略。此傳感器只有一根DATA數字信號引腳作為數據通信線,采用單總線協議進行數據通信。傳感器上電工作后的響應時間小于1 ms。DHT11溫濕度傳感器溫度檢測范圍為0 ℃～50 ℃,分辨率為1 ℃,溫度誤差為±2 ℃;濕度檢測范圍為20%～90% RH,分辨率為濕度1% RH,誤差為±5% RH,可滿足果園溫度檢測需求。DHT11溫濕度傳感器采用電阻式感濕元件與NTC測溫元件,內嵌小型低功耗單片機,具有檢測響應時間快、所需功耗低、環境抗干擾能力強、物料成本低等特點,可把當期溫濕度信息通過DATA引腳持續傳輸到中心處理器處理中。

圖4 DHT11溫濕度傳感器實物和電路原理

1.1.2 土壤水分傳感器

土壤水含量傳感器選用型號為MS10的產品,其采用FDR(Frequency domain reflection )原理設計土壤水含量傳感,根據土壤介電常數來計算土壤水分真實含量,具有測量準確度高、靈敏性好的特點,適用于農業種植、科學試驗、節水灌溉等領域的土壤含水量檢檢[2]。土壤水分傳感器實物如圖5 所示。此土壤水分傳感器以5 V直流電源作為供電工作電源,在無外載情況下,最大工作電流為25 mA,平均工作電流為10 mA,采樣結果輸出為0～2 V直流電壓信號,含水量與電壓成線性關系,可根據設計需要提供一定的電流輸出功能。檢測范圍為以檢測探針為中心直徑7 cm、高10 cm 的圓柱體,傳感器正常工作后0.5 s內完成響應,檢測精度為±5%,檢測范圍 0%～100%。通過NRF52832自帶的12bit ADC模塊檢測MS10傳感器輸出電壓,根據檢測得到的電壓值進行計算,從而得出土壤含水量。土壤含水量計算公式為：

圖5 MS10型水分傳感器實物

S=0.5×U×100%

式中,U為傳感器輸出的當前電壓,S為換算得到的含水量比值。

1.2 網關節點設計

網關節點硬件主要包括核心處理器NRF52832最小系統、電源模塊、太陽能充電模塊、GPRS模塊、以太網通信模塊、485通信模塊、存儲模塊及人機交互模塊。網關節點中的中心處理器的主要任務是將數據進行轉發上報處理,存儲模塊的任務是將各個節點數據保存起來,協調器模塊的任務是接收各個節點發送過來的數據,485模塊和GPRS模塊負責將中心處理器處理過的數據傳送到遠端服務器。網關節點的硬件結構如圖6所示。以太網通信部分采用W5500方案,核心處理器處理只需通過SPI接口即可實現以太網通信,電路原理如圖7所示。通常情況下,采用GPRS作為上報數據的方式,以太網只作為一種預留方案,方便在有線網絡管理區使用。

圖6 網關節點模塊組成

圖7 網關節點以太網電路原理

1.3 電磁閥控制節點設計

本節點為了滿足低功耗需求,采用雙穩態脈沖式電磁閥開關對灌溉進行控制。脈沖電磁閥主要由脈沖線圈、閥芯、永磁鐵、行程彈簧、閥盤及閥體等組成。通過外部驅動電路向電磁閥內部線圈輸入正向脈沖電流,線圈通過電流時會產生工作磁通,迫使動芯吸合,閥門開啟。停止輸入正向脈沖或斷電后閥門繼續保持當前開啟狀態,只有輸入負向脈沖信號后才能恢復到閥門閉合狀態。電磁閥驅動電路以L9110S芯片作為驅動電路,電路原理如圖8所示。

圖8 脈沖式雙穩態電磁閥驅動電路原理

2 系統軟件設計

設計的終端節具有Mesh組網功能,根據節點功能進行各自的軟件功能設計。

2.1 藍牙Mesh組網軟件設計

藍牙Mesh標準協議中將配網過程定義為配網器把一個未配網的設備節點通過配置信息將其配置成Mesh網絡中的一個節點的過程。如果未配置的設備節點經過配網器配置后可以接收并成功完成配置數據,那么這個設備便是Mesh網絡的網絡節點,表示配網過程的完成[3]。節點設備經過Beaconing配網器啟動掃描過程、發送邀請、交換公鑰、認證過程、分發配網數據5個過程后即可完成組網,節點設備Mesh組成配置流程如圖9所示。

圖9 藍牙Mesh設備節點配網流程

2.2 網關節點軟件設計

藍牙網關提供的是普通藍牙設備的查看功能,即幫助普通的藍牙設備及服務器端之間做一個藍牙廣播上報功能,可遠程查看設備狀態。傳感器類的設備需要藍牙網關上報數據到服務器中,藍牙Mesh網關相較于藍牙網關多了一個下行功能,可做命令的下發,即把單行道變成雙行道,對設備進行控制操作。網關節點可直接控制電磁控制節點,進行灌溉控制。智能手機通常都有藍牙功能,除了通過云平臺監控管理果園外,還可通過手機接入Mesh網絡,對果園進行監控管理。

2.3 傳感器節點軟件設計

傳感器節點啟動后,通過Mesh網關自動加入組網中并上報節點信息,按程序設定的周期進行環境信息數據采集,采集完成后將數據發送至網關節點處,進入低功耗休眠模式,等待下一數據采集周期自動喚醒。網關節點將全部數據匯總處理后再分包傳輸到遠端服務器,服務端后接收到上位機控制是否打開傳感器信息采集范圍內的電磁閥信息并發送到對應位置的電磁閥節點。

3 結論

本研究主要設計了如下功能：利用溫濕度傳感器及土壤水含量傳感器,設計節點精確,實時采集果園中的土壤含水量及空氣濕度,獲取生長環境基礎數據,為果實種植增產等大數據分析提供數據支撐。研究藍牙Mesh組網過程,設計藍牙Mesh節點和Mesh網關,藍牙Mesh功耗低,傳輸速度快,可提供更大的數據傳輸量,在之后的升級擴展中可加入更多其他類型的監測傳感器。