基于ZigBee和NBIoT融合网络的ぶ腔叟┮荡笈锛嗫叵低成杓朴胧迪

银文通 银文达 饶万贤 谢永盛

摘 要：农业大棚已成为现代农业发展的重要方向，但对于大棚内农作物生长环境的监控大多还是采用人工的方式，传统的管理模式浪费大量的人力物力，智能化、信息化、数字化程度不高。基于ZigBee和NBIoT技术构建了一套融合无线传感网络，以STC15F2K6032为核心处理单元，在大棚内部署各类传感器，实时采集各项环境参数，通过构建的网络传输至云平台。通过手机App和PC端实现大棚环境的可视化管理，通过手动和自动的方式实现对大棚环境的控制，为农作物的生长提供最佳环境。有效减少资源的浪费，提高农业生产效率，拓展了无线传感网和物联网技术在现代农业领域中的发展和应用。

关键词：ZigBee；NBIoT；STC15F2K6032；农业大棚；智能监控

中图分类号：TN92  文献标识码：A

农业大棚是现代农业发展的重要方向之一，可以解决因地域、季节、天气等制约因素带来的影响。提高农作物产量的前提是要保证农业大棚能够为农作物的生长条件提供最佳的环境，具备合适的光照、温湿度、营养成分等。目前，为了获取农业大棚的环境参数，大多采用传统采集方式，即人工实地测量的方式，这种传统的采集方式不仅会消耗大量的人力和物力，而且不能做到实时监测，读取精度不高，导致数据更新不及时。此外，传统的农业大棚在对农作物进行环境控制时还是采用人工方式，如：温度控制、灌溉、施肥等各项管理工作，工作效率低，人力成本高，不利于大规模种植。为了实现农业大棚的高效管理，精确监控大棚中农作物生长环境的各项参数，涌现出了大量的基于无线通信技术的物联网智能管理方案，如：WiFi、Bluetooth、ZigBee、LoRa、NBIoT。WiFi和Bluetooth虽然传输速率快，但由于穿透性差，辐射范围有限，稳定性差，不同设备间存在协议不兼容的问题，并不适合地形复杂、分布范围广的场景。Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4协议标准的无线通信技术，具有复杂度、低功耗、低速率、低成本等技术特点，适用于近距离数据传输［12］。NBIoT技术，中文名窄带物联网，是一种可移动、范围大、广连接的低功耗广域网［3］。

近年来，如何将无线通信技术与物联网技术结合起来并充分地应用到农业生产中，实现农业生产的数字化、智能化，以提升农业生产效率，成为不少学者的研究方向。例如，文献［45］中作者将WiFi和ZigBee相结合组成混合网络，设计出农业环境监测系统，实现了对农作物生长环境参数的实时采集与监测。但存在相互干扰的问题，且WiFi的耗能大，传输距离有限。文献［6］作者设计出了基于ZigBee+GPRS模块的智慧农业系统，克服了WiFi传输距离短的缺点。本文提出基于ZigBee技术和NBIoT技术，有效利用ZigBee的短距离传输和NBIoT的长距离传输的特点，构建无线融合网络，将无线通信和智能控制系统与农业大棚结合起来，用以探究农业大棚数据的实时传输和智能控制，以获取更佳的农业大棚环境监控效果。

1 系統整体框架

在设计系统整体架构时参考了物联网分层模型，将系统设计为四层，即感知层、传输层、平台层和应用层。环境参数采集传感器如气象采集传感器、土壤参数采集传感器以及ZigBee节点和ZigBee协调器组成感知层，是整个系统的数据基础，部署在农业大棚的各个区域中，负责对大棚内的环境参数进行实时采集，传感器通过RS485转TTL模块与ZigBee节点对接，再通过无线电磁波的形式与ZigBee协调器进行数据传输。传输层主要负责向上层传递感知信息和向下层传输命令，本系统采用ZigBee和NBIoT融合网络的方式组成传输层，利用NBIoT实现与运营商蜂窝网络的对接，充分考虑这两种无线通信技术的优点，以及农业大棚的应用场景，可以实现远距离、低功耗、广覆盖的目标。平台层包括服务器和云平台，平台层接收传感器通过传输层上传过来的数据，并根据信息类型的不同进行存储，集中管理，对数据进行加工处理，当采集到的数据偏离设定的阈值时，服务器将自动向应用层客户端发送预警消息，以此完成预警［7］。应用层包括PC端和手机APP终端，可以通过云平台的查询接口，查询传感器采集的数据，接收服务器发送过来的预警信息，实现远程的农业大棚环境监测和智能控制。系统的整体架构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器模块（MCU）

ZigBee模块和NBIoT模块，通过串口与微控制器相连接，实现两种模块的信息交互以及向续电器下发操作命令，该MCU需具备对农业大棚环境的各类信息进行快速采集和处理，并向云平台发送数据，因此，在设计MCU的选择时，应考虑使用运算速度快、处理能力强，同时具有双串口的MCU，以满足同时插入ZigBee模块和NBIoT模块的需求。本文选取宏晶公司STC15系列单片机STC15F2K6032作为MCU，该芯片价格低，性能满足要求，其内部集成了高精度的R/C时钟，数据处理的速度比普通8051内核单片机快8～12倍［8］，性价比高。

2.2 传感器模块

2.2.1 气象参数采集模块

对于农业大棚内空气环境的采集，使用的是气象固定式的多合一环境自动观测传感器设备，采用标准的ModbusRTU协议，接口类型为RS485，数据传输距离远，最远可达2千米。采集的参数主要包括空气的温湿度、CO2浓度、光照度。

2.2.2 土壤参数采集模块

对于农业大棚中土壤参数的采集，使用RS485型土壤EC水分温度三合一传感器，可同时对土壤中的水分含量、温度以及盐度（电导率）进行数据采集。该传感器具有精度高、响应快、输出稳定的特点。受土壤中含盐量的影响较小，适用于各种土质。

2.2.3 土壤pH采集模块

土壤酸碱度是农作物生长的重要参数之一，对农作物的生长起着关键性的作用。本文使用的土壤酸碱度传感器探头采用pH电极，精度高，信号稳定，具有防水性能好、使用方便、数据传输距离远、测量范围广等特点［9］。

选用的这几种传感器使用RS485通信协议，电源接口为宽电压电源输入，12～24V的输入均可。采用ModbusRTU通信规约，编码方式为8位的二进制编码，错误校准采用CRC冗长循环码，波特率可选择：2400bps、4800bps、9600bps，默认值为9600bps。

2.3 ZigBee模块

本系统采用的是德州仪器生产的CC2530作为主控芯片，该模块具有功耗小的特点，它的接收电流小于30mA，发射电流小于50mA，具有16个传输信道，可以根据环境切换可靠通信信道，从而保证数据能够正常传输。该模块使用2.4G全向天线，可靠传输距离达250m，断开自动重连距离高达110m［10］。

2.4 NBIoT模块

在设计与移动互联网对接的无线连接模块时，选择移远的BC95，是一款低功耗、高灵敏度、工作温度分布范围广的无线通信模块。BC95模块支持FDDLTE B3（1800MHz）/B5（850MHz）/B8（900MHz）/B20（800MHz）频段的数据传输。B95模块具有3种正常工作模式，即：连接模式（CONNECT）、休眠模式（IDLE）、省电模式（PSM），满足3GPP协议标准。当BC95模块处于CONNECT模式时，所有功能均能够正常使用，可进行数据的发送和接收，在此状态下，没有数据交互时间达核心网设定的时间后（默认时间为20s），模块进入IDLE模式。当模块处于IDLE模式时，模块处于浅休眠状态，此状态下，模块仍处于网络连接的状态，可接收下行数据。当模块处于PSM模式时，电流功耗低至5μA，只有RTC工作，模块处于网络非连接状态，不能接收下行数据，模块与服务器处于断开状态。当DTE（Data Terminal Equipment）主动发送数据或者无数据交互时（默认时间为54min）超时后，模块才会被唤醒［11］。

2.5 ZigBee和NBIoT融合网络

NBIoT和ZigBee是两种不同的无线通信技术，为保障两种不同技术能够正常融合，且在融合后的组网能够正常运行，关键环节是要控制好无线组网的时隙和网络定时。其中，时隙的控制主要是将NBIoT和ZigBee两种技术内的时间轴进行划分，将时间轴划分成由多个时隙组成的等长时元。时隙承担着信息发送的任务，是农业大棚环境监控数据采集及其传输的关键，为农业大棚环境监控提供良好的网络支撑。传感器与ZigBee节点通过串口进行连接，通过TTL/485转换模块进行电平转换。节点采集传感数据后以电磁波的形式将数据传输至ZigBee协调器，协调器与核心控制单元MCU以串口的方式对接，再通过串口的对接方式与NBIoT通信，ZigBee协调器与NBIoT两者之间通过AT指令进行通信，通过NBIoT将数据转发至云平台。

3 系统软件设计

3.1 系统功能

针对智慧农业大棚监控系统的功能设计，传感器将农业大棚的环境数据实时传输至云平台服务器，并保存在服务器中，管理人员可以在云平台上查询到各传感器采集到的数据，以及这些参数的历史值，可以导出作为建立植物生长模型的数据分析依据。此外，还可以通过PC端或者手机App对大棚内的风机、遮阳帘、喷/滴灌、水肥一体机等设备进行控制，实现大棚温湿度、光照强度的调节，实现自动喷/滴灌、施肥等操作，并具有人工控制和自动控制等操作方式。具体功能如下：

（1）传感器能够实现对大棚环境数据实时采集，并通过485转TTL接口将采集到的数据发向ZigBee节点，节点对数据进行融合，通过ZigBee和NBIoT融合网络以无线传输的方式上传至云平台服务器。

（2）可以通过PC端或手机App登录云平台，实时查看数据。

（3）可以对大棚内的空气、土壤等参数进行阈值设置，如果超过设定的阈值范围，云平台自动发布信息提示，并能够通过控制器自动开启风机、电磁阀，以实现自动降温、调节光照强度、自动喷/滴灌、施肥等操作。

（4）传感器采集的数据能够自动保存至云平台服务器，PC端能够导出历史数据，用以数据分析。

3.2 网关节点软件设计

网关节点软件能够实现多传感器的数据采集汇总，完成ZigBee模块协议与NBIoT技术转换。使用传感器节点软件实现NBIoT模块的初始化、NBIoT连接、NBIoT数据包的收发功能［12］。多路传感器与ZigBee节点通过RS485转TTL模块相连，传感器采集数据后通过串口传输至ZigBee节点，再以无线电磁波的方式将数据发送至ZigBee协调器，协调器在接收到数据后对其进行解析，并封装成NBIoT数据包，NB模块初始化后与运营商基站建立数据连接，通过互联网将数据发送至物联网云平台。

3.3 NBIoT初始化

NBIoT模块与网络运营商基站之间通过CoAP协议进行无线通信，各类传感器通过NBIoT模块将数据传送至云平台，并接收和解析来自云平台的指令。NBIoT模块激活入网后通过AT指令进行初始化，初始化完毕后，即可进行数据的上行与下行。

4 系统测试

完成硬件设备的搭建后即可接入云平台进行软件测试。服务器程序通过创建Socket服务类，与监测终端建立TCP连接，接收各类传感器上传的数据并完成解析，解析完成后分类存储在云服务器的MySQL数据库。上位机监测软件基于C语言开发，通过访问数据库，获取农业大棚内环境的各项参数。管理人员通过PC端和手机App可访问云平台实时查看农业大棚内各类传感器上传过来的信息，实现了数据的可视化管理。智慧农业大棚云平台可视化管理界面如图2所示。

在对传感器采集数据的准确性测试方面，采取与现场测试对比的方式，比如，进行温度传感器模块的性能测试时，选用传统的水银温度计和电子温度计作为参考，取不同时段对大棚空气温度进行现场测量和数据采集，经过数据对比，温度传感器通过无线传感网传送至云平台的测试结果与采用不同的传统温度计测量结果数值接近，误差控制在0.3℃范围内，符合对温度传感器的精度要求。在进行湿度传感器模块测试时，选用传统的电子湿度计作为实际湿度的参考进行比较，取不同时段对大棚空气湿度进行现场测量和数据采集，经过数据对比，湿度传感器采集到的数据与实际数值接近，误差控制在3%RH范围内，符合对湿度传感器的精度要求。

通过对MCU设定控制策略实现自动或手动控制的功能，如提前向续电器下发定时任务，设定设备启动工作时间以及连续工作时间；设定阈值，当某个参数偏离预设的阈值时，云平台自动发布告警信息提示。此外，还实现了农业大棚环境的自动控制，如大棚内的温度超过了设定的阈值，系统将会自动打开风机进行降温；土壤中湿度过低，则系统会通过开启电磁阀进行自动喷/滴灌。

结语

本文基于ZigBee和NBIoT技術构建了一个融合无线传感网络，充分发挥两种物联网通信技术的优势。以STC15F2K6032单片机为核心处理单元，通过在农业大棚内部署各类传感器将数据实时上传至物联网云平台。手机App和PC端可以远程访问云平台，实时掌握农业大棚内各项环境参数，实现可视化管理。此外，还可以通过手动和自动的方式实现对大棚环境的控制，远程开启风机、电磁阀，以实现自动降温、调节光照强度、自动喷/滴灌、施肥等操作。达到调节大棚环境参数的目的，为农作物提供最佳的生长环境，大大提高了农业生产效率。

参考文献：

［1］李哲光.基于Zigbee和NBIoT无线传感网络的智慧农业［J］.河北农机，2021（10）：143144.

［2］朱萍.基于zigbee技术的温室远程无线监控系统［J］.信息系统工程，2010（08）：107108.