0 引言

    近年來(lái)，內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)取得了快速的發(fā)展。然而，水資源匱乏、土地鹽堿重、氣候條件惡劣易變等自然條件下，對(duì)自治區(qū)大棚農(nóng)業(yè)及反季節(jié)產(chǎn)品的種植提出了更高的要求。大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤濕度及光照強(qiáng)度都會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響，需要在適宜的綜合環(huán)境因素下，才能實(shí)現(xiàn)最大化的農(nóng)作物產(chǎn)值。因此，大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)變化的實(shí)時(shí)采集監(jiān)視尤為重要，以便及時(shí)地做出相應(yīng)的應(yīng)變措施，讓農(nóng)作物在適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)和生產(chǎn)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)方式主要是人工依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)使用測(cè)量工具實(shí)地獲取數(shù)據(jù)，或使用傳統(tǒng)的有線通信傳輸方式進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。人工經(jīng)驗(yàn)性監(jiān)測(cè)方式存在時(shí)效性低、工作量大、生產(chǎn)成本高、隨機(jī)取點(diǎn)誤差大等問(wèn)題；而有線傳輸方式有很多的不足之處，如功耗較高、布線成本大、適應(yīng)性差、可擴(kuò)展性不強(qiáng)，且增加新的種植面積需要再次布線施工。因此，為滿足溫室大棚氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集要求，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤濕度及光照強(qiáng)度等氣象環(huán)境信息。本系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)的傳輸是利用開發(fā)成本低、組網(wǎng)性能優(yōu)良的ZigBee通信協(xié)議，其通信技術(shù)特點(diǎn)主要是：高可靠性、低成本、時(shí)延短、高安全性、低傳輸速率等。然后通過(guò)MQTT協(xié)議將網(wǎng)關(guān)上接收到的數(shù)據(jù)與手機(jī)客戶端、PC端鏈接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到上位機(jī)的傳輸。將ZigBee技術(shù)、MQTT技術(shù)及傳感技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了系統(tǒng)的整體技術(shù)框架，能夠低成本、高可靠性地實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要由CC2530采集終端、網(wǎng)關(guān)（ZigBee協(xié)調(diào)器）、NodeMCU平臺(tái)開發(fā)等部分組成^[1]。其中，基于CC2530的環(huán)境采集終端通過(guò)空氣溫濕度、土壤濕度、數(shù)字光照等采集模塊獲取大棚的溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)地址封包，通過(guò)串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的NodeMCU模塊。氣象環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送（發(fā)布）和接收（訂閱）,保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中并基于Web開發(fā)在PC、智能手機(jī)等設(shè)備中進(jìn)行顯示。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 基于CC2530的環(huán)境采集終端設(shè)計(jì)

    終端采集部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集，以及通過(guò)ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到IoT網(wǎng)關(guān)。在本設(shè)計(jì)中采用CC2530射頻模塊做采集終端硬件的核心芯片，該芯片是TI公司推出的支持ZigBee協(xié)議的單片機(jī)；在軟件方面相對(duì)應(yīng)的協(xié)議棧為Z-Stack。CC2530微控制器內(nèi)部使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，采用QFN40封裝，有40個(gè)引腳。其中，有21個(gè)數(shù)字I/O端口，均可通過(guò)編程進(jìn)行配置，同時(shí)集成了UART和A/D等外設(shè)。采用內(nèi)置增強(qiáng)型PCB天線，通信距離可以滿足大棚環(huán)境采集終端節(jié)點(diǎn)布置坐標(biāo)^[2]。

    采集設(shè)備核心芯片CC2530的外圍電路設(shè)計(jì)主要分為射頻板模塊、電源模塊、外設(shè)I/O口模塊以及程序下載模塊等。射頻板模塊采用支持IEEE802.15.4 2.4 GHz物理層協(xié)議，可搭載ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack），支持用戶二次開發(fā)；發(fā)送功率在可編程范圍內(nèi)輸出功率最高達(dá)4.5 dBm；射頻工作頻率在2.4 GHz~2.405 GHz。電源模塊設(shè)計(jì)了兩種供電方式，一種采用兩節(jié)五號(hào)電池進(jìn)行供電2.7~3.3 V，另一種采用USB供電即外接電源供電，可根據(jù)大棚內(nèi)不同的電力設(shè)施選擇合適的供電方式。外接I/O口模塊為保證硬件安全性及使用壽命，在確定各個(gè)傳感器功能引腳配置端口后，對(duì)外設(shè)I/O口進(jìn)行封裝處理。程序下載模塊采用專用仿真器用于下載程序和在線仿真調(diào)試，硬件部分設(shè)計(jì)有CC Debugger仿真器接口。

    設(shè)計(jì)中光照強(qiáng)度測(cè)量采用BH1750FVI傳感器，是一種用于兩線式串行總線接口的16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路，利用它的高分辨率可以在1 lx～65 535 lx范圍內(nèi)測(cè)量光強(qiáng)度變化，并且能夠滿足直接輸出精度較高的數(shù)字信號(hào)。空氣溫濕度值測(cè)量采用DHT11，是一種具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，專用的數(shù)字模塊技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)保證了其具備很好的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性；其內(nèi)部包含一個(gè)電阻時(shí)式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并和一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，使得DHT11具備成本低、長(zhǎng)期穩(wěn)定、相對(duì)濕度和溫度測(cè)量及響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、較長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離、數(shù)字信號(hào)輸出、校準(zhǔn)精確等顯著特點(diǎn)。土壤濕度值測(cè)量采用4線制土壤濕度傳感器模塊，其表面采用鍍鎳處理，具有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能，防止發(fā)生接觸土壤容易生銹的問(wèn)題，進(jìn)而延長(zhǎng)使用壽命；并且可以主動(dòng)調(diào)整測(cè)量土壤濕度的范圍，通過(guò)電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閾值，即濕度低于預(yù)設(shè)值時(shí)D0輸出高電平，高于預(yù)設(shè)值時(shí)D0輸出低電平，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定^[3]。

1.2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

    網(wǎng)關(guān)（ZigBee協(xié)調(diào)器）屬于接入設(shè)備，橋接了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和公共通信網(wǎng)絡(luò)，并提供了多種通信途徑，確保終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩羝脚_(tái)上。它主要功能是通過(guò)構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自終端設(shè)備采集的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)備類型分配地址進(jìn)行封包處理，然后通過(guò)串口通信發(fā)送給IoT網(wǎng)關(guān)的NodeMCU模塊。

    網(wǎng)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)是基于CC2530和NodeMCU之間的串口通信以及WiFi傳輸數(shù)據(jù)功能。硬件部分主要包括CC2530射頻板模塊、電源模塊、程序下載模塊、NodeMCU模塊。CC2530芯片與NodeMCU芯片在電路設(shè)計(jì)中通過(guò)排針連接，如圖2所示。利用UART與CC2530通信引腳連接，接收終端環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)。然后通過(guò)對(duì)基于ESP8266芯片的NodeMCU的開發(fā)，利用MQTT將數(shù)據(jù)發(fā)布到服務(wù)器上。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是ZigBee技術(shù)與NodeMCU技術(shù)的結(jié)合，在保證數(shù)據(jù)傳輸效率和安全的情況下，降低了開發(fā)成本，非常適合在農(nóng)業(yè)大棚等經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中使用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括終端環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)程序、Arduino開發(fā)、MQTT應(yīng)用開發(fā)和大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等部分。

2.1 終端環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

    終端環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要任務(wù)是加入網(wǎng)關(guān)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信，并周期性輪詢?cè)L問(wèn)傳感器讀取函數(shù)，對(duì)空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳。基于Z-Stack協(xié)議棧的軟件設(shè)計(jì)流程如下：

    （1）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求設(shè)定傳感器采集特定的初始化設(shè)備ID號(hào)、消息發(fā)送ID號(hào)、任務(wù)ID號(hào)和串口分配等；

    （2）協(xié)議棧中選擇數(shù)據(jù)發(fā)送模式為afAdder 16 bit，即16位短地址的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送模式；

    （3）在協(xié)議棧應(yīng)用層目錄樹下添加傳感器驅(qū)動(dòng)程序的C文件；

    （4）在協(xié)議棧消息發(fā)送函數(shù)中寫入傳感器數(shù)據(jù)采集讀取函數(shù)。

    終端設(shè)備通電后首先對(duì)協(xié)議棧配置進(jìn)行初始化處理，包括初始化設(shè)備ID號(hào)、消息發(fā)送ID號(hào)、任務(wù)ID號(hào)和串口分配等，然后選擇通信區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成組網(wǎng)。終端節(jié)點(diǎn)會(huì)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送“心跳包”檢驗(yàn)是否通信成功以及傳感器是否處于在線狀態(tài)，定時(shí)發(fā)送結(jié)束后終端節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)采用“TIMER sleep”模式（即系統(tǒng)需要一個(gè)預(yù)定的延時(shí)后被喚醒執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)）。然后就可以驅(qū)動(dòng)傳感器讀取數(shù)據(jù)函數(shù)采集環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且對(duì)不同氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集時(shí)間也有所區(qū)別，其中空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)分別每隔5 min、20 min、10 min時(shí)間結(jié)束休眠完成數(shù)據(jù)采集，封裝后上傳到網(wǎng)關(guān)。每當(dāng)數(shù)據(jù)上傳后，傳感器會(huì)繼續(xù)維持休眠的狀態(tài)等待下一次的采集工作，這種方式能夠很大地降低功耗，提高電池的使用壽命。終端環(huán)境采集設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)基本流程如圖3所示^[4]。

2.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

    網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)中屬于中樞的位置，主要是允許終端采集設(shè)備入網(wǎng)、接收氣象環(huán)境數(shù)據(jù)以及通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)傳輸給NodeMCU模塊。本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用CC2530射頻模塊和NodeMCU模塊串口通信的設(shè)計(jì)方案，利用UART和CC2530通信以及NodeMCU的WiFi功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳到以太網(wǎng)中。因此，在軟件設(shè)計(jì)部分主要有如下幾點(diǎn)：

    （1）設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)白名單；

    （2）接收到終端節(jié)點(diǎn)上傳的心跳包，用心跳次數(shù)判斷終端設(shè)備處于在線或離線狀態(tài)；

    （3）在終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)增加幀頭幀尾。

    在網(wǎng)關(guān)建立白名單，將系統(tǒng)安全需求放在設(shè)備上，終端設(shè)備請(qǐng)求入網(wǎng)前需要在白名單中先注冊(cè)設(shè)備MAC地址，目的是出于系統(tǒng)安全性考慮，防止未知設(shè)備與網(wǎng)關(guān)建立通信。通過(guò)上傳的心跳次數(shù)，在網(wǎng)關(guān)部分判定終端設(shè)備是否處于在線狀態(tài)，離線則建立重連機(jī)制，確保所有終端設(shè)備都已正常工作。網(wǎng)關(guān)收到終端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)后首先對(duì)數(shù)據(jù)增加幀頭（0xFA 0xFA）、幀尾（0xAF 0xAF），以便判斷網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)是否為真，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。網(wǎng)關(guān)和終端設(shè)備間的數(shù)據(jù)格式見表1，網(wǎng)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示^[5]。

2.3 NodeMCU與MQTT應(yīng)用開發(fā)

    NodeMCU在Arduino開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)連接WiFi功能，與ZigBee技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建IoT網(wǎng)關(guān)，接收到來(lái)自串口上傳的數(shù)據(jù)，通過(guò)MQTT進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送（發(fā)布）和接收（訂閱）等操作^[6-7]。NodeMCU功能實(shí)現(xiàn)：

    （1）NodeMCU與CC2530串口通信接收并緩存終端數(shù)據(jù)；

    （2）NodeMCU模塊中的WiFi功能加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，并利用MQTT協(xié)議與數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸數(shù)據(jù)；

    （3）MQTT發(fā)布主題，將數(shù)據(jù)發(fā)布到所有已訂閱該主題的智能手機(jī)、電腦的平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

    本研究在包頭市天佑生態(tài)科技園區(qū)(其地域面積廣，大棚數(shù)量多，對(duì)通信信號(hào)影響小)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集接以及組網(wǎng)試驗(yàn)，采集到土壤濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等信息。目前選擇了7個(gè)獨(dú)立的農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布置，為保證測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸效率，終端采集節(jié)點(diǎn)的距離按照要求進(jìn)行放置，并進(jìn)行了兩個(gè)重要方面的測(cè)試：

    （1）節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

    對(duì)于節(jié)點(diǎn)功耗的測(cè)量采用較為精確的電阻電壓方法^[3]。為保證測(cè)量到CC2530射頻模塊和電源模塊接通電源后的功耗，在射頻模塊的電源輸出接口處串接1個(gè)10 Ω的電阻，用萬(wàn)用變測(cè)量實(shí)際電壓值U，計(jì)算得實(shí)際電流I=U/10^[2]。將節(jié)點(diǎn)分為休眠（休眠時(shí)工作電流在微安級(jí)，所以可以忽略不記）、接收和發(fā)射等3種狀態(tài)，分別測(cè)得接收和發(fā)射狀態(tài)下所需的瞬時(shí)電流加上傳感器所需的工作電流為112 mA和126 mA，為了減少誤差，總電流取為130 mA。依據(jù)本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的采集是定時(shí)采集（測(cè)試電源功耗期間，設(shè)定3種傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)），設(shè)定系統(tǒng)每小時(shí)執(zhí)行接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)的動(dòng)作時(shí)間為50 s，節(jié)點(diǎn)功耗為1.80 mA·h/d，則使用總電量為3 000 mA·h，兩節(jié)五號(hào)3.7 V電池可以滿足該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作達(dá)1 667 h，滿足了系統(tǒng)低功耗要求。

    (2)網(wǎng)絡(luò)的丟包率測(cè)試

    依據(jù)3種傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境特性以及監(jiān)測(cè)需求，設(shè)定了土壤濕度采集周期為20 min、空氣溫濕度采集周期為5 min、光照強(qiáng)度采集周期為10 min。在協(xié)議棧中采用終端采集節(jié)點(diǎn)休眠喚醒機(jī)制，連續(xù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。并由終端采集節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)），利用仿真下載器USB Debug Adapter和TI Packet Sniffer捕獲數(shù)據(jù)包^[3]，結(jié)果如表2所示。由表2分析并結(jié)合系統(tǒng)部署環(huán)境可知，丟包率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的主要原因是，終端采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器距離以及存在的障礙物干擾，尤其是在距離超過(guò)100 m后丟包率明顯增加^[5]。但在農(nóng)業(yè)大棚實(shí)際應(yīng)用中終端采集節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)的距離在100 m以下范圍，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平均丟包率降低在2.6%以下，已經(jīng)可以滿足對(duì)大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)要求。

4 結(jié)論

    基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，通過(guò)ZigBee以及與NodeMCU平臺(tái)的技術(shù)融合，搭建了氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程對(duì)農(nóng)業(yè)大棚氣象環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集，用戶可以十分便捷地了解信息，做出相應(yīng)的解決措施，來(lái)減少外界環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的不利影響。系統(tǒng)具有良好通信效率，運(yùn)行安全穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠（成本平均50元每套），非常適用于發(fā)展迅速的農(nóng)業(yè)大棚行業(yè)。本系統(tǒng)應(yīng)用詮釋了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)越性，在一定程度上解放了生產(chǎn)力，提高了農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，對(duì)其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的氣象監(jiān)測(cè)具有良好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

崔麗珍，徐錦濤，丁福星，史明泉，胡海東

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010）