兌志魁 ，嚴(yán) 曙 ，汪六三 ，黃 偉 ，胡曉波

（1.中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 智能機(jī)械研究所，合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

物聯(lián)網(wǎng)IOT概念，自1999年美國(guó)麻省理工學(xué)院Ashton教授提出以來(lái)，其與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸緊密結(jié)合，形成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用[1]。隨著當(dāng)今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用，勢(shì)必引導(dǎo)農(nóng)業(yè)進(jìn)行一次全新的革命，徹底顛覆我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

從技術(shù)角度看，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指應(yīng)用射頻識(shí)別、傳感、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)設(shè)備，按照約定協(xié)議，把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動(dòng)植物生命體、環(huán)境要素、生產(chǎn)工具等物理部件和各種虛擬“物件”與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)對(duì)象和過(guò)程智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。全面感知、可靠傳輸和智能處理是物聯(lián)網(wǎng)具備的三大特征[3]。在此，以STC12C5A60S2芯片為主控芯片[4]，結(jié)合土壤溫濕度、電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)[5]傳輸，實(shí)現(xiàn)了渦陽(yáng)農(nóng)田信息的采集與處理。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)中心、工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、ZigBee底層數(shù)據(jù)傳輸組成。其中，由網(wǎng)關(guān)采集點(diǎn)和路由采集點(diǎn)組成[6]的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集農(nóng)田土壤溫濕度、電導(dǎo)率、鹽分等數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee底層數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU將底層數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，并由數(shù)據(jù)服務(wù)中心負(fù)責(zé)對(duì)農(nóng)田數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。系統(tǒng)的組成及連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成Fig.1 Farmland IOT system componsition

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 農(nóng)田信息采集板總體設(shè)計(jì)

農(nóng)田信息采集板負(fù)責(zé)農(nóng)田環(huán)境信息的采集和處理，采集板連接著傳感器、蜂鳴器報(bào)警電路和ZigBee通訊模塊。通過(guò)各功能模塊的相互配合從而獲得底層的原始數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警。采集板的組成模塊如圖2所示。

圖2 農(nóng)田信息采集板組成Fig.2 Farmland information acquisition board composition

2.1.1 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路是傳感器采集的溫濕度、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)進(jìn)入采集板的通道。這部分電路的設(shè)計(jì)運(yùn)用了單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能。為了便于以后的擴(kuò)展和維護(hù)，所設(shè)計(jì)的采集板預(yù)留了供備用和擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集端口。信號(hào)采集電路如圖3所示。

圖3 傳感器信號(hào)采集電路Fig.3 Sensor signal acquisition circuit

2.1.2 ZigBee無(wú)線通訊接口

ZigBee無(wú)線通訊接口是農(nóng)田數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)分享交換的組成部分，為農(nóng)田數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)與工控?cái)?shù)據(jù)采集點(diǎn)的重要紐帶。

ZigBee無(wú)線通訊接口在具體應(yīng)用中分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的上傳和其他采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的中繼路由以及接收上層傳遞的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集下層數(shù)據(jù)和將上層數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的農(nóng)田采集點(diǎn)。ZigBee無(wú)線通訊接口部分的電路如圖4所示，為了便于ZigBee無(wú)線通訊模塊的維護(hù)，特添加了復(fù)位按鍵。

圖4 ZigBee無(wú)線通訊接口電路Fig.4 ZigBee wireless communication interface circuit

2.1.3 電源模塊電路

由于農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，存在較多無(wú)法預(yù)料的可能性，為了保證系統(tǒng)的魯棒性，電源模塊采用了廣州秦師科技的QS-2405 CBD-3A電壓轉(zhuǎn)換模塊。該模塊的輸入電壓為4.5～35 V，輸出電壓為1.2～30 V。通過(guò)撥動(dòng)位于模塊背部的可變電阻，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出電壓的調(diào)節(jié)。電源模塊的電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路Fig.5 Power module circuit

2.1.4 蜂鳴器報(bào)警電路

蜂鳴器報(bào)警電路[7]的功能，是在當(dāng)土壤溫濕度、電導(dǎo)率、鹽分等出現(xiàn)與正常的情況存在較大偏差和當(dāng)采集板電路出現(xiàn)某些故障時(shí)，進(jìn)行報(bào)警指示。蜂鳴器報(bào)警電路如圖6所示。

圖6 蜂鳴器報(bào)警電路Fig.6 Buzzer alarm circuit

2.1.5 串口通訊接口電路

串口通訊接口電路的作用是便于開(kāi)發(fā)維護(hù)過(guò)程中程序的下載和調(diào)試驗(yàn)證。串口通訊接口采用典型的RS232通訊接口。串口通訊接口的電路如圖7所示。

圖7 串口通訊接口電路Fig.7 Serial communication interface circuit

2.1.6 傳感器

該農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集農(nóng)田土壤溫濕度、電導(dǎo)率和鹽分?jǐn)?shù)據(jù)?；谒捎玫膯纹瑱C(jī)芯片A/D采集通道的特點(diǎn)，本系統(tǒng)的采集傳感器選用了雷神電子的TDR-5土壤溫濕度傳感器和ST-YF土壤電導(dǎo)率傳感器。這兩種傳感器具有穩(wěn)定可靠、低功耗的特點(diǎn)。

2.2 工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU

在農(nóng)田數(shù)據(jù)采集板采集到農(nóng)田數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)之后，要將底層的數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)便于物聯(lián)網(wǎng)的控制，故需要應(yīng)用工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。選用的是宏電H7210，其外觀如圖8所示[9]，圖中標(biāo)號(hào)的含義見(jiàn)表1[9]。

圖8 宏電H7210DTUFig.8 Hongdian H7210DTU

表1 DTU外觀標(biāo)號(hào)名稱說(shuō)明Tab.1 DTU appearance label name description

工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間通過(guò)RS232串口連接，在DTU上加裝SIM卡后經(jīng)過(guò)配置之后即可以將數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和GPRS/GSM DTU網(wǎng)絡(luò)間的通信[10]。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)中心

數(shù)據(jù)服務(wù)中心是位于互聯(lián)網(wǎng)上的一臺(tái)Web服務(wù)器。通過(guò)和工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU的配合經(jīng)相應(yīng)的配置實(shí)現(xiàn)將農(nóng)田數(shù)據(jù)采集板采集的農(nóng)田信息數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，供互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程訪問(wèn)和處理。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 農(nóng)田數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)

STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.7—P1.0），有8路10位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250 kHz（25×10 s-1）[11]。對(duì)于所設(shè)計(jì)的農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可采集土壤溫濕度、電導(dǎo)率和鹽分?jǐn)?shù)據(jù)，滿足需求。系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集主程序和中斷處理程序兩部分構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和路由數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的程序在中斷處理上稍有不同。程序分為測(cè)試模式和工作模式2個(gè)模式，其區(qū)別在于2次數(shù)據(jù)采集間隔的差別。為了降低功耗，在采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苌喜捎弥袛嗵幚?。?shù)據(jù)采集主程序在流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主程序流程Fig.9 System data acquisition main program flow chart

中斷程序的主要功能是數(shù)據(jù)的收發(fā)，為了提高程序的運(yùn)行效率，故串口程序采用中斷的方式進(jìn)行處理。在接收中斷到來(lái)之后，首先清除中斷標(biāo)志位中斷程序的流程如圖10所示。

圖10 中斷處理程序流程Fig.10 Interrupt handler flow chart

3.2 DTU和數(shù)據(jù)服務(wù)中心軟件

DTU需要根據(jù)所在服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的配置，其配置軟件使用宏電DTU配套的配置軟件。在數(shù)據(jù)服務(wù)中心的服務(wù)器上運(yùn)行演示程序和后續(xù)開(kāi)發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序即可在互聯(lián)網(wǎng)上查詢處理農(nóng)田數(shù)據(jù)采集板采集到的農(nóng)田環(huán)境信息。

4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

通過(guò)STC單片機(jī)提供的程序下載軟件，將通過(guò)KEIL編譯的用戶程序下載到所設(shè)計(jì)的農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)信息采集板上；接入相應(yīng)的農(nóng)田信息傳感器，用RS232串口線與PC相連接[12]；打開(kāi)串口調(diào)試助手，可以看到采集板采集的信息，通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊模塊傳遞給與ZigBee網(wǎng)關(guān)相連接的信息采集板。

將工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU，通過(guò)RS232串口線與PC連接后，根據(jù)其所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置DTU的參數(shù)信息。再通過(guò)RS232串口線與信息采集板連接，插入SIM卡，打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心服務(wù)器，運(yùn)行農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，配置好相關(guān)的參數(shù)，即可看到信息已經(jīng)傳遞到互聯(lián)網(wǎng)。這時(shí)可以通過(guò)外網(wǎng)訪問(wèn)控制采集終端。

系統(tǒng)所采用的農(nóng)田信息采集終端如圖11所示。數(shù)據(jù)服務(wù)中心服務(wù)器上運(yùn)行的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序所接收到的農(nóng)田信息采集數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 農(nóng)田數(shù)據(jù)采集終端Fig.11 Farmland data collection terminal

圖12 數(shù)據(jù)服務(wù)中心接收數(shù)據(jù)Fig.12 Data service center receives data

5 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)用ZigBee無(wú)線通訊模塊進(jìn)行通訊[13]，采用C語(yǔ)言對(duì)采集板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元DTU模塊，在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中表現(xiàn)出可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。在軟硬件設(shè)計(jì)中采用功能模塊化的思想，便于實(shí)際應(yīng)用中的維護(hù)和擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)的功能驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)和用戶的要求。

[1]秦懷斌，李道亮，郭理.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（4）：246-252.

[2]葛文杰，趙春江.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（7）：222-230.

[3]陳曉棟，原向陽(yáng)，郭平毅，等.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究進(jìn)展與前景展望[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2015，17（2）：8-16.

[4]秦相林，張海兵，張盈盈.基于STC12C5A60S2的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，27（6）：837-840.

[5]Zhang Z，Zhou F，Liang Y.ZigBee routing alg_orithm based on energy awareness and energy balanced[C]//Consumer Electronics，Communic-ations and Networks（CECNet），2012 2nd International Conference on IEEE，2012：747-750.

[6]Egan D.The emergence of ZigBee in building automation and industrial control[J].Electronic Measurement Technology，2011（2）：14-19.

[7]閆紅來(lái).基于單片機(jī)控制的花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化，2014，20（10）：56-57.

[8]石家莊雷神電子儀器.TDR-5土壤溫濕度傳感器產(chǎn)品使用手冊(cè)[EB/OL].2014.http：//www.laytion.com/product/14_12.html.

[9]深圳市宏電技術(shù)股份有限公司.快速使用指南-H7210工業(yè)級(jí)DTU[EB/OL].2016.http：//www.hongdian.com/m2m/proview_100000 038299875.html.

[10]徐保巖，宋月鵬，陳苗苗，等.基于ZigBee和GPRS/GSM DTU的果園信息遠(yuǎn)程化決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53（12）：20-24.

[11]南通國(guó)芯微電子有限公司.宏晶STC12C5A60S2系列單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].2011.http：//www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC-ADPDF/STC12C5A60S2.pdf.

[12]吳興中，歐青立.一種PC與單片機(jī)多機(jī)RS232串口通信設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2009，28（1）：74-76.

[13]高翔.基于ZigBee的農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)與土壤濕度模型的研究.[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014.