基于2.4G无线收发模块的低成本农业物联网节点软件设计

张珂，蔡熙桐，霍洪双

基于2.4G无线收发模块的低成本农业物联网节点软件设计

张珂，蔡熙桐，霍洪双

（潍坊工程职业学院，山东 青州 262500）

针对传统物联网通信中广距离和低成本无法兼备的问题，设计了基于2.4G无线收发模块的低成本农业物联网节点软件，并开发了自动组网程序。从机具备通信和数据传输的双重功能，从而节省网关配置，降低设备成本。通过软硬件组态，实现对农业生产的远程监控。结果表明，该软件具备低成本、广覆盖的特点，具备满足智慧农业远程监控和精准种植需求的功能。

低成本；物联网节点软件；2.4G无线收发模块；自动组网

早在19世纪80年代精准农业和数字农业[1-3]已被广泛研究，随着新一代信息技术的发展，大数据、遥感、物联网等前沿技术，被广泛应用在农业生产中，物联网技术成为了智慧农业的技术支撑。在物联网技术中，通信技术有两种[4-5]，一是短距离无线通信，如RFID、Wi-Fi、ZigBee，它们适用于室内，且覆盖距离短、穿透性差；二是低功耗广域网通信，如NB-IoT、LoRa、SigFox，他们虽然具备低功耗、长距离的优势，但价格高、不灵活。李冬睿等[6-7]提出了基于NB-IoT的大田管理农业系统，陈宏等[8-10]提出基于传感器和电力载波通信的智慧农业物联网研究。结合中国农业生产现状和物联网通信技术特点，本文设计了一种基于2.4G无线收发模块的低成本农业物联网节点软件，该软件通过2.4G无线收发模块定时采集农作物生长数据，并能自动组网，以节点为中继将数据传送给主机，主机数据经由无线Wi-Fi上传至云服务器，实现对农业生产的远程监控和精准种植需求。由于该软件中的节点被赋予了数据采集和数据传输双重功能，因而节省了网关配置，降低了设备成本，在提高农作物的智能化管理水平方面具有良好推广前景。

1 整体系统设计

农业物联网节点的整体系统设计如图1所示，包括传感器模块，无线传输模块和远程监控端。传感器模块采集气象信息和土壤信息，无线传输模块负责传感器数据的处理和传送，监控模块为数据时时显示提供平台，相关人员可以通过电脑远程监控农作物的生长环境状态。

图1 整体系统设计

图2和图3分别为无线传输模块的主机设计和节点设计，主要包括主控芯片（MCU）、传感器和2.4G无线收发模块。

图2 主机设计

图3 节点设计

2 系统硬件设计

为保证自组网的正常通信，实现主机与节点内数据的有效传输，硬件电路需要包括传感器模块、2.4G无线收发模块、主控芯片、ESP8266模块、电源模块。

2.1 传感器

采用温湿度传感器DHT11来测量环境空气温湿度，其温度量程为-20～60℃，精度±2℃，湿度范围是5%～95%RH，精度±5%RH。DHT11是一款具备已校准数字信号输出的温湿度传感器，其信号经单线自定义协议输入MCU，无需换算。

因土壤湿度与土壤电阻近似成反比[11]，故可利用金属头测得土壤阻值的电信号，经实验标定后转换为土壤湿度，以此代替土壤湿度传感器以节约设备成本，土壤湿度测量电路设计如图4所示。

图4 土壤传感器电路设计

采用BH1750光照强度传感器来测量光照强度，其测量范围为1～65535lx，运行温度-40～85℃，精度±20%。此光照传感器与单片机的I2C口相连接。

2.2 2.4G无线收发模块

节点间数据传递采用的2.4G无线收发模块型号为NRF24L01，可以实现点对点或是1对6的无线通信。该模块使用2.4G全球开放的ISM频段，免许可证使用，最高工作速率2Mbps，抗干扰能力强，有126个可选的频道，满足多点通信的需要，内置CRC检错和点对多点的通信地址控制，可设置自动应答，确保数据可靠传输。表1为不同版本NRF24L01的作用范围和价格，可根据作物种植实际选取最合适的无线收发模块。由表1可以看出，普通版可以满足一般的家庭农场通信需求，其成本远低于物联网中其它支持广距离通信的设备。

表1 NRF24L01不同版本参数

2.3 主控芯片

本文使用的单片机为STC8H1K08，工作温度为-40～85℃。单片机的接口资源配置为：内置SPI与2.4G无线收发模块通讯，提高通讯速率，内置10位ADC转换器用于土壤湿度的采样和数据转换，环境温湿度数据经单总线协议由DHT11输入，光照强度通过I2C将数据传给单片机。

2.4 ESP8266模块

ESP8266EX集成了32位Tensilica处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频balun和电源管理模块等，支持实时操作系统（RTOS）和Wi-Fi协议栈，且成本非常低，可以大规模应用于物联网产品中。

3 软件设计

3.1 系统软件设计

该系统软件由C语言编写，在Keil和Visual Studio 2022 IDE软件下调试运行，其流程如图5所示。系统启动后，主机与从机开始初始化和组网，主机通过组网向每一个从机发送数据请求命令，接着传感器采集将所处位置的土壤湿度、空气温湿度和光照强度等数据，经由节点传输给主机。所有从机的数据全部传递给主机，主机判断客户端是否有数据读取需要，若有，则立即将数据传送云端；若客户端当时无需求，待定时时间到后，将作物环境数据传送至云端。结束一次数据传送后，重复上述过程。

图5 系统软件流程

3.2 传感器模块的数据采集和转换

3.2.1 土壤湿度测量

根据电阻串联分压原理，结合实验标定，可计算土壤湿度换算系数，土壤湿度标定公式为

=（传/（传+））CC×100%

电信号由IO接口传入ADC模块，信号转换为数字量后由主控芯片MCU接收，转换为土壤湿度后在系统监控界面显示。

3.2.2 温湿度测量

温湿度传感器DHT11采用单总线协议与主控芯片MCU通信，MCU发送复位信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式。待MCU复位结束后，DHT11发送响应信号，并拉高总线准备传输数据。一次完整的数据为40bit，按照高位在前，低位在后的顺序传输。

3.2.3 光照强度测量

光照强度=（高字节+低字节）/1.2×测量精度

3.3 无线收发模块的软件设计

3.3.1 主机的软件设计

主机软件工作流程如图6所示，所有节点自带一个硬件唯一编码（DID）。系统上电初始化，主机对外发送询问包，所有接收到询问包的从机向主机返回DID，主机从所有接收到的DID中随机挑选一个从机进行握手分配软件唯一编码（SID）。分配SID后的从机不再响应询问包，以此向所有通讯范围内的从机分配SID，然后向所有已配SID发送自动组网命令。

图6 主机软件流程

3.3.2 节点的软件设计

节点是基于2.4G无线收发模块设计的。由于整个系统没有路由器作为中继，所以从机需同时具备通信和数据采集的功能，节点软件工作流程如图7所示。系统上电运行，所有节点等待主机的询问包，所有接收到询问包的从机向主机返回DID，由主机分配SID，然后等待主机命令。接收到自动组网命令的节点自动完成对附近未分配SID的从机进行SID分配，实现所有节点的组网。完成组网后主机可通过分配的SID与任意完成组网的从机进行通讯，以获取监测数据。

图7 节点软件流程

软件的部分程序代码为

My_DID;

这样的念头在我的脑海里已经有一段日子。尽管这样，我还是很认真地去备课；尽管这样，我还是怀着一颗平和的心去上课。我想，只要自己做好一名老师该做的事，错的就不应该是我。只要我尽力了，我便问心无愧。

My_SID;

My_MID;

Procedure main()

begin

char buff[62];

position;

mode;

mod=获取模式();

Position=获取位置();

My_DID := position;

设置窗口标题(My_DID, mode, position);

模拟无线射频初始化(position);

if mod=”master” then

begin

主机初始化();

else if mode=slave then

begin

从机初始化();

end

end

4 系统运行

4.1 系统界面

系统运行界面如图8所示，中央区域能直观看到设备监测的内容，包括监测数据、作物种类、传感器控件等。若要查阅某一环境变量的历史记录，只需要点击相关传感器控件，以折线图显示该传感器7d以内的数据。

图8 系统运行界面

4.2 测试结果分析

为了验证该节点软件的可行性，模拟了自组网以及虚拟组网。先启动8个从机节点再启动主机，通过查看程序输出的信息判断组网是否完成。软件运行结果如图9所示，可以看出，在主机发出通信请求后，收到2台从机节点回应，即主机与2台从机完成通信。然后，这2台从机作为路由继续向其它从机节点发出通信请求。最终，8个从机节点均与主机通信完毕，验证了该节点设计的可行性。

图9 软件运行结果

5 结论

通过对物联网通信技术的研究，针对传统物联网通信技术存在广覆盖和低成本难以平衡的特点，结合我国农业生产现状，设计了一种基于2.4G无线收发模块的低成本物联网节点软件，并以此搭建了农作物生长环境监测系统。实验结果表明，该节点软件能节省网关配置，实现监测数据的准确传送。

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Low-cost software design of agricultural IoT node based on 2.4G wireless transceiver module

ZHANG Ke，CAI Xi-tong，HUO Hong-shuang

(Weifang Engineering Vocational College, Shandong Qingzhou 262500, China)

Aiming at the problem that the traditional Internet of Things communication can not combine wide distance and low cost, low-cost agricultural IoT node software based on 2.4G wireless transceiver is designed and an automatic networking program is developed. This design makes the slave computer have the dual function of communication and data transmission, so as to omit the gateway configuration and reduce the cost of equipment.Through the software and hardware configuration, the remote monitoring of agricultural production can be realized.The test results show that the design has the characteristics of low cost and wide coverage, which can meet the needs of remote monitoring and precision planting of smart agriculture.

low-cost；IoT node software；2.4G wireless transceiver module；automatic networking

S126

A

1007-984X(2023)06-0053-05

2023-05-04

张珂（1987-），女，山东人，硕士，主要从事电子产品设计与开发、工业控制自动化研究，506572362@qq.com。