基于ZigBee的涡阳农田物联网系统的设计与实现

兑志魁 ，严 曙 ，汪六三 ，黄 伟 ，胡晓波

（1.中国科学院 合肥物质科学研究院 智能机械研究所，合肥 230031；2.中国科学技术大学，合肥 230026）

物联网IOT概念，自1999年美国麻省理工学院Ashton教授提出以来，其与农业领域的应用逐渐紧密结合，形成了农业物联网及其应用[1]。随着当今移动互联网技术的不断发展和进步，农业物联网的应用在农业现代化和精细农业的发展中起到了关键作用，势必引导农业进行一次全新的革命，彻底颠覆我国传统的农业生产方式。

从技术角度看，农业物联网是指应用射频识别、传感、网络通信等技术设备，按照约定协议，把农业系统中动植物生命体、环境要素、生产工具等物理部件和各种虚拟“物件”与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现对农业对象和过程智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。全面感知、可靠传输和智能处理是物联网具备的三大特征[3]。在此，以STC12C5A60S2芯片为主控芯片[4]，结合土壤温湿度、电导率传感器采集数据，通过ZigBee网络[5]传输，实现了涡阳农田信息的采集与处理。

1 系统组成及工作原理

农田物联网系统由数据服务中心、工业数据传输单元DTU、农田信息采集系统、ZigBee底层数据传输组成。其中，由网关采集点和路由采集点组成[6]的农田信息采集系统，负责采集农田土壤温湿度、电导率、盐分等数据，通过ZigBee底层数据传输模块将数据统一传送至网关，再通过工业数据传输单元DTU将底层数据上传至数据服务中心，并由数据服务中心负责对农田数据做进一步处理。系统的组成及连接关系如图1所示。

图1 农田物联网系统组成Fig.1 Farmland IOT system componsition

2 系统的硬件设计

2.1 农田信息采集板总体设计

农田信息采集板负责农田环境信息的采集和处理，采集板连接着传感器、蜂鸣器报警电路和ZigBee通讯模块。通过各功能模块的相互配合从而获得底层的原始数据和实现故障报警。采集板的组成模块如图2所示。

图2 农田信息采集板组成Fig.2 Farmland information acquisition board composition

2.1.1 信号采集电路

信号采集电路是传感器采集的温湿度、电导率等数据进入采集板的通道。这部分电路的设计运用了单片机自带的A/D转换功能。为了便于以后的扩展和维护，所设计的采集板预留了供备用和扩展的数据采集端口。信号采集电路如图3所示。

图3 传感器信号采集电路Fig.3 Sensor signal acquisition circuit

2.1.2 ZigBee无线通讯接口

ZigBee无线通讯接口是农田数据采集点之间进行数据分享交换的组成部分，为农田数据采集点数据与工控数据采集点的重要纽带。

ZigBee无线通讯接口在具体应用中分为网关节点和路由节点。路由节点负责本数据采集点采集数据的上传和其他采集点数据的中继路由以及接收上层传递的数据，网关节点负责收集下层数据和将上层数据分发给相应的农田采集点。ZigBee无线通讯接口部分的电路如图4所示，为了便于ZigBee无线通讯模块的维护，特添加了复位按键。

图4 ZigBee无线通讯接口电路Fig.4 ZigBee wireless communication interface circuit

2.1.3 电源模块电路

由于农田现场环境复杂，存在较多无法预料的可能性，为了保证系统的鲁棒性，电源模块采用了广州秦师科技的QS-2405 CBD-3A电压转换模块。该模块的输入电压为4.5～35 V，输出电压为1.2～30 V。通过拨动位于模块背部的可变电阻，可以实现输入输出电压的调节。电源模块的电路如图5所示。

图5 电源模块电路Fig.5 Power module circuit

2.1.4 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器报警电路[7]的功能，是在当土壤温湿度、电导率、盐分等出现与正常的情况存在较大偏差和当采集板电路出现某些故障时，进行报警指示。蜂鸣器报警电路如图6所示。

图6 蜂鸣器报警电路Fig.6 Buzzer alarm circuit

2.1.5 串口通讯接口电路

串口通讯接口电路的作用是便于开发维护过程中程序的下载和调试验证。串口通讯接口采用典型的RS232通讯接口。串口通讯接口的电路如图7所示。

图7 串口通讯接口电路Fig.7 Serial communication interface circuit

2.1.6 传感器

该农田物联网系统采集农田土壤温湿度、电导率和盐分数据。基于所采用的单片机芯片A/D采集通道的特点，本系统的采集传感器选用了雷神电子的TDR-5土壤温湿度传感器和ST-YF土壤电导率传感器。这两种传感器具有稳定可靠、低功耗的特点。

2.2 工业数据传输单元DTU

在农田数据采集板采集到农田数据采集点的传感器数据之后，要将底层的数据上传到互联网便于物联网的控制，故需要应用工业数据传输单元DTU。选用的是宏电H7210，其外观如图8所示[9]，图中标号的含义见表1[9]。

图8 宏电H7210DTUFig.8 Hongdian H7210DTU

表1 DTU外观标号名称说明Tab.1 DTU appearance label name description

工业数据传输单元DTU与网关数据采集点之间通过RS232串口连接，在DTU上加装SIM卡后经过配置之后即可以将数据采集点采集的数据上传至数据服务中心。网关节点负责ZigBee无线网络模块和GPRS/GSM DTU网络间的通信[10]。

2.3 数据服务中心

数据服务中心是位于互联网上的一台Web服务器。通过和工业数据传输单元DTU的配合经相应的配置实现将农田数据采集板采集的农田信息数据上传至互联网，供互联网应用程序远程访问和处理。

3 系统的软件设计

3.1 农田数据采集终端软件设计

STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的 A/D转换口在P1口（P1.7—P1.0），有8路10位高速 A/D 转换器，速度可达到250 kHz（25×10 s-1）[11]。对于所设计的农田物联网系统，可采集土壤温湿度、电导率和盐分数据，满足需求。系统软件由数据采集主程序和中断处理程序两部分构成，网关数据采集点和路由数据采集点的程序在中断处理上稍有不同。程序分为测试模式和工作模式2个模式，其区别在于2次数据采集间隔的差别。为了降低功耗，在采集和数据传输的功能上采用中断处理。数据采集主程序在流程如图9所示。

图9 系统数据采集主程序流程Fig.9 System data acquisition main program flow chart

中断程序的主要功能是数据的收发，为了提高程序的运行效率，故串口程序采用中断的方式进行处理。在接收中断到来之后，首先清除中断标志位中断程序的流程如图10所示。

图10 中断处理程序流程Fig.10 Interrupt handler flow chart

3.2 DTU和数据服务中心软件

DTU需要根据所在服务器的网络环境来进行相应的配置，其配置软件使用宏电DTU配套的配置软件。在数据服务中心的服务器上运行演示程序和后续开发的互联网应用程序即可在互联网上查询处理农田数据采集板采集到的农田环境信息。

4 系统运行实验与验证

通过STC单片机提供的程序下载软件，将通过KEIL编译的用户程序下载到所设计的农田物联网信息采集板上；接入相应的农田信息传感器，用RS232串口线与PC相连接[12]；打开串口调试助手，可以看到采集板采集的信息，通过ZigBee无线通讯模块传递给与ZigBee网关相连接的信息采集板。

将工业数据传输单元DTU，通过RS232串口线与PC连接后，根据其所处的网络环境配置DTU的参数信息。再通过RS232串口线与信息采集板连接，插入SIM卡，打开网络服务中心服务器，运行农田物联网应用程序，配置好相关的参数，即可看到信息已经传递到互联网。这时可以通过外网访问控制采集终端。

系统所采用的农田信息采集终端如图11所示。数据服务中心服务器上运行的互联网应用程序所接收到的农田信息采集数据如图12所示。

图11 农田数据采集终端Fig.11 Farmland data collection terminal

图12 数据服务中心接收数据Fig.12 Data service center receives data

5 结语

所设计的农田物联网系统运用ZigBee无线通讯模块进行通讯[13]，采用C语言对采集板进行开发，在设计中运用工业数据传输单元DTU模块，在实验室及现场应用中表现出可靠性高、稳定性强的特点。在软硬件设计中采用功能模块化的思想，便于实际应用中的维护和扩展。经过农田现场的功能验证，该系统可以满足设计和用户的要求。

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