基于ZigBee和NBIoT融合網絡的ぶ腔叟┮蕩笈錛囁叵低成杓樸朧迪

銀文通 銀文達 饒萬賢 謝永盛

摘?要：農業大棚已成為現代農業發展的重要方向，但對于大棚內農作物生長環境的監控大多還是采用人工的方式，傳統的管理模式浪費大量的人力物力，智能化、信息化、數字化程度不高。基于ZigBee和NBIoT技術構建了一套融合無線傳感網絡，以STC15F2K6032為核心處理單元，在大棚內部署各類傳感器，實時采集各項環境參數，通過構建的網絡傳輸至云平臺。通過手機App和PC端實現大棚環境的可視化管理，通過手動和自動的方式實現對大棚環境的控制，為農作物的生長提供最佳環境。有效減少資源的浪費，提高農業生產效率，拓展了無線傳感網和物聯網技術在現代農業領域中的發展和應用。

關鍵詞：ZigBee；NBIoT；STC15F2K6032；農業大棚；智能監控

中圖分類號：TN92??文獻標識碼：A

農業大棚是現代農業發展的重要方向之一，可以解決因地域、季節、天氣等制約因素帶來的影響。提高農作物產量的前提是要保證農業大棚能夠為農作物的生長條件提供最佳的環境，具備合適的光照、溫濕度、營養成分等。目前，為了獲取農業大棚的環境參數，大多采用傳統采集方式，即人工實地測量的方式，這種傳統的采集方式不僅會消耗大量的人力和物力，而且不能做到實時監測，讀取精度不高，導致數據更新不及時。此外，傳統的農業大棚在對農作物進行環境控制時還是采用人工方式，如：溫度控制、灌溉、施肥等各項管理工作，工作效率低，人力成本高，不利于大規模種植。為了實現農業大棚的高效管理，精確監控大棚中農作物生長環境的各項參數，涌現出了大量的基于無線通信技術的物聯網智能管理方案，如：WiFi、Bluetooth、ZigBee、LoRa、NBIoT。WiFi和Bluetooth雖然傳輸速率快，但由于穿透性差，輻射范圍有限，穩定性差，不同設備間存在協議不兼容的問題，并不適合地形復雜、分布范圍廣的場景。Zigbee是一種基于IEEE?802.15.4協議標準的無線通信技術，具有復雜度、低功耗、低速率、低成本等技術特點，適用于近距離數據傳輸［12］。NBIoT技術，中文名窄帶物聯網，是一種可移動、范圍大、廣連接的低功耗廣域網［3］。

近年來，如何將無線通信技術與物聯網技術結合起來并充分地應用到農業生產中，實現農業生產的數字化、智能化，以提升農業生產效率，成為不少學者的研究方向。例如，文獻［45］中作者將WiFi和ZigBee相結合組成混合網絡，設計出農業環境監測系統，實現了對農作物生長環境參數的實時采集與監測。但存在相互干擾的問題，且WiFi的耗能大，傳輸距離有限。文獻［6］作者設計出了基于ZigBee+GPRS模塊的智慧農業系統，克服了WiFi傳輸距離短的缺點。本文提出基于ZigBee技術和NBIoT技術，有效利用ZigBee的短距離傳輸和NBIoT的長距離傳輸的特點，構建無線融合網絡，將無線通信和智能控制系統與農業大棚結合起來，用以探究農業大棚數據的實時傳輸和智能控制，以獲取更佳的農業大棚環境監控效果。

1?系統整體框架

在設計系統整體架構時參考了物聯網分層模型，將系統設計為四層，即感知層、傳輸層、平臺層和應用層。環境參數采集傳感器如氣象采集傳感器、土壤參數采集傳感器以及ZigBee節點和ZigBee協調器組成感知層，是整個系統的數據基礎，部署在農業大棚的各個區域中，負責對大棚內的環境參數進行實時采集，傳感器通過RS485轉TTL模塊與ZigBee節點對接，再通過無線電磁波的形式與ZigBee協調器進行數據傳輸。傳輸層主要負責向上層傳遞感知信息和向下層傳輸命令，本系統采用ZigBee和NBIoT融合網絡的方式組成傳輸層，利用NBIoT實現與運營商蜂窩網絡的對接，充分考慮這兩種無線通信技術的優點，以及農業大棚的應用場景，可以實現遠距離、低功耗、廣覆蓋的目標。平臺層包括服務器和云平臺，平臺層接收傳感器通過傳輸層上傳過來的數據，并根據信息類型的不同進行存儲，集中管理，對數據進行加工處理，當采集到的數據偏離設定的閾值時，服務器將自動向應用層客戶端發送預警消息，以此完成預警［7］。應用層包括PC端和手機APP終端，可以通過云平臺的查詢接口，查詢傳感器采集的數據，接收服務器發送過來的預警信息，實現遠程的農業大棚環境監測和智能控制。系統的整體架構如圖1所示。

2?系統硬件設計

2.1?主控制器模塊（MCU）

ZigBee模塊和NBIoT模塊，通過串口與微控制器相連接，實現兩種模塊的信息交互以及向續電器下發操作命令，該MCU需具備對農業大棚環境的各類信息進行快速采集和處理，并向云平臺發送數據，因此，在設計MCU的選擇時，應考慮使用運算速度快、處理能力強，同時具有雙串口的MCU，以滿足同時插入ZigBee模塊和NBIoT模塊的需求。本文選取宏晶公司STC15系列單片機STC15F2K6032作為MCU，該芯片價格低，性能滿足要求，其內部集成了高精度的R/C時鐘，數據處理的速度比普通8051內核單片機快8～12倍［8］，性價比高。

2.2?傳感器模塊

2.2.1?氣象參數采集模塊

對于農業大棚內空氣環境的采集，使用的是氣象固定式的多合一環境自動觀測傳感器設備，采用標準的ModbusRTU協議，接口類型為RS485，數據傳輸距離遠，最遠可達2千米。采集的參數主要包括空氣的溫濕度、CO2濃度、光照度。

2.2.2?土壤參數采集模塊

對于農業大棚中土壤參數的采集，使用RS485型土壤EC水分溫度三合一傳感器，可同時對土壤中的水分含量、溫度以及鹽度（電導率）進行數據采集。該傳感器具有精度高、響應快、輸出穩定的特點。受土壤中含鹽量的影響較小，適用于各種土質。

2.2.3?土壤pH采集模塊

土壤酸堿度是農作物生長的重要參數之一，對農作物的生長起著關鍵性的作用。本文使用的土壤酸堿度傳感器探頭采用pH電極，精度高，信號穩定，具有防水性能好、使用方便、數據傳輸距離遠、測量范圍廣等特點［9］。

選用的這幾種傳感器使用RS485通信協議，電源接口為寬電壓電源輸入，12～24V的輸入均可。采用ModbusRTU通信規約，編碼方式為8位的二進制編碼，錯誤校準采用CRC冗長循環碼，波特率可選擇：2400bps、4800bps、9600bps，默認值為9600bps。

2.3?ZigBee模塊

本系統采用的是德州儀器生產的CC2530作為主控芯片，該模塊具有功耗小的特點，它的接收電流小于30mA，發射電流小于50mA，具有16個傳輸信道，可以根據環境切換可靠通信信道，從而保證數據能夠正常傳輸。該模塊使用2.4G全向天線，可靠傳輸距離達250m，斷開自動重連距離高達110m［10］。

2.4?NBIoT模塊

在設計與移動互聯網對接的無線連接模塊時，選擇移遠的BC95，是一款低功耗、高靈敏度、工作溫度分布范圍廣的無線通信模塊。BC95模塊支持FDDLTE?B3（1800MHz）/B5（850MHz）/B8（900MHz）/B20（800MHz）頻段的數據傳輸。B95模塊具有3種正常工作模式，即：連接模式（CONNECT）、休眠模式（IDLE）、省電模式（PSM），滿足3GPP協議標準。當BC95模塊處于CONNECT模式時，所有功能均能夠正常使用，可進行數據的發送和接收，在此狀態下，沒有數據交互時間達核心網設定的時間后（默認時間為20s），模塊進入IDLE模式。當模塊處于IDLE模式時，模塊處于淺休眠狀態，此狀態下，模塊仍處于網絡連接的狀態，可接收下行數據。當模塊處于PSM模式時，電流功耗低至5μA，只有RTC工作，模塊處于網絡非連接狀態，不能接收下行數據，模塊與服務器處于斷開狀態。當DTE（Data?Terminal?Equipment）主動發送數據或者無數據交互時（默認時間為54min）超時后，模塊才會被喚醒［11］。

2.5?ZigBee和NBIoT融合網絡

NBIoT和ZigBee是兩種不同的無線通信技術，為保障兩種不同技術能夠正常融合，且在融合后的組網能夠正常運行，關鍵環節是要控制好無線組網的時隙和網絡定時。其中，時隙的控制主要是將NBIoT和ZigBee兩種技術內的時間軸進行劃分，將時間軸劃分成由多個時隙組成的等長時元。時隙承擔著信息發送的任務，是農業大棚環境監控數據采集及其傳輸的關鍵，為農業大棚環境監控提供良好的網絡支撐。傳感器與ZigBee節點通過串口進行連接，通過TTL/485轉換模塊進行電平轉換。節點采集傳感數據后以電磁波的形式將數據傳輸至ZigBee協調器，協調器與核心控制單元MCU以串口的方式對接，再通過串口的對接方式與NBIoT通信，ZigBee協調器與NBIoT兩者之間通過AT指令進行通信，通過NBIoT將數據轉發至云平臺。

3?系統軟件設計

3.1?系統功能

針對智慧農業大棚監控系統的功能設計，傳感器將農業大棚的環境數據實時傳輸至云平臺服務器，并保存在服務器中，管理人員可以在云平臺上查詢到各傳感器采集到的數據，以及這些參數的歷史值，可以導出作為建立植物生長模型的數據分析依據。此外，還可以通過PC端或者手機App對大棚內的風機、遮陽簾、噴/滴灌、水肥一體機等設備進行控制，實現大棚溫濕度、光照強度的調節，實現自動噴/滴灌、施肥等操作，并具有人工控制和自動控制等操作方式。具體功能如下：

（1）傳感器能夠實現對大棚環境數據實時采集，并通過485轉TTL接口將采集到的數據發向ZigBee節點，節點對數據進行融合，通過ZigBee和NBIoT融合網絡以無線傳輸的方式上傳至云平臺服務器。

（2）可以通過PC端或手機App登錄云平臺，實時查看數據。

（3）可以對大棚內的空氣、土壤等參數進行閾值設置，如果超過設定的閾值范圍，云平臺自動發布信息提示，并能夠通過控制器自動開啟風機、電磁閥，以實現自動降溫、調節光照強度、自動噴/滴灌、施肥等操作。

（4）傳感器采集的數據能夠自動保存至云平臺服務器，PC端能夠導出歷史數據，用以數據分析。

3.2?網關節點軟件設計

網關節點軟件能夠實現多傳感器的數據采集匯總，完成ZigBee模塊協議與NBIoT技術轉換。使用傳感器節點軟件實現NBIoT模塊的初始化、NBIoT連接、NBIoT數據包的收發功能［12］。多路傳感器與ZigBee節點通過RS485轉TTL模塊相連，傳感器采集數據后通過串口傳輸至ZigBee節點，再以無線電磁波的方式將數據發送至ZigBee協調器，協調器在接收到數據后對其進行解析，并封裝成NBIoT數據包，NB模塊初始化后與運營商基站建立數據連接，通過互聯網將數據發送至物聯網云平臺。

3.3?NBIoT初始化

NBIoT模塊與網絡運營商基站之間通過CoAP協議進行無線通信，各類傳感器通過NBIoT模塊將數據傳送至云平臺，并接收和解析來自云平臺的指令。NBIoT模塊激活入網后通過AT指令進行初始化，初始化完畢后，即可進行數據的上行與下行。

4?系統測試

完成硬件設備的搭建后即可接入云平臺進行軟件測試。服務器程序通過創建Socket服務類，與監測終端建立TCP連接，接收各類傳感器上傳的數據并完成解析，解析完成后分類存儲在云服務器的MySQL數據庫。上位機監測軟件基于C語言開發，通過訪問數據庫，獲取農業大棚內環境的各項參數。管理人員通過PC端和手機App可訪問云平臺實時查看農業大棚內各類傳感器上傳過來的信息，實現了數據的可視化管理。智慧農業大棚云平臺可視化管理界面如圖2所示。

在對傳感器采集數據的準確性測試方面，采取與現場測試對比的方式，比如，進行溫度傳感器模塊的性能測試時，選用傳統的水銀溫度計和電子溫度計作為參考，取不同時段對大棚空氣溫度進行現場測量和數據采集，經過數據對比，溫度傳感器通過無線傳感網傳送至云平臺的測試結果與采用不同的傳統溫度計測量結果數值接近，誤差控制在0.3℃范圍內，符合對溫度傳感器的精度要求。在進行濕度傳感器模塊測試時，選用傳統的電子濕度計作為實際濕度的參考進行比較，取不同時段對大棚空氣濕度進行現場測量和數據采集，經過數據對比，濕度傳感器采集到的數據與實際數值接近，誤差控制在3%RH范圍內，符合對濕度傳感器的精度要求。

通過對MCU設定控制策略實現自動或手動控制的功能，如提前向續電器下發定時任務，設定設備啟動工作時間以及連續工作時間；設定閾值，當某個參數偏離預設的閾值時，云平臺自動發布告警信息提示。此外，還實現了農業大棚環境的自動控制，如大棚內的溫度超過了設定的閾值，系統將會自動打開風機進行降溫；土壤中濕度過低，則系統會通過開啟電磁閥進行自動噴/滴灌。

結語

本文基于ZigBee和NBIoT技術構建了一個融合無線傳感網絡，充分發揮兩種物聯網通信技術的優勢。以STC15F2K6032單片機為核心處理單元，通過在農業大棚內部署各類傳感器將數據實時上傳至物聯網云平臺。手機App和PC端可以遠程訪問云平臺，實時掌握農業大棚內各項環境參數，實現可視化管理。此外，還可以通過手動和自動的方式實現對大棚環境的控制，遠程開啟風機、電磁閥，以實現自動降溫、調節光照強度、自動噴/滴灌、施肥等操作。達到調節大棚環境參數的目的，為農作物提供最佳的生長環境，大大提高了農業生產效率。

參考文獻：

［1］李哲光.基于Zigbee和NBIoT無線傳感網絡的智慧農業［J］.河北農機，2021（10）：143144.

［2］朱萍.基于zigbee技術的溫室遠程無線監控系統［J］.信息系統工程，2010（08）：107108.