慕燈聰， 闞 卓， 李 崢， 朱 旋

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，235000，安徽省淮北市)

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開肥沃的土地. 如今，土壤酸堿化、板結(jié)、水分流失等問題日益突出，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量[1]. 因此，能夠準(zhǔn)確的檢測出土壤各項(xiàng)參數(shù)，及時(shí)了解土壤環(huán)境參數(shù)信息，對于提高作物產(chǎn)量和倡導(dǎo)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有著深遠(yuǎn)的意義[2]. 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，市面上已具有能夠測量土壤參數(shù)的各種傳感器.利用ZigBee組建網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)和土壤參數(shù)傳感器相結(jié)合，提出并設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)WSN的土壤參數(shù)測量系統(tǒng).

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于WSN的土壤參數(shù)測量系統(tǒng)，由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和STM32網(wǎng)關(guān)組成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括ZigBee采集節(jié)點(diǎn)，ZigBee路由節(jié)點(diǎn)以及ZigBee協(xié)調(diào)器[3]；STM32網(wǎng)關(guān)包含STM32L151RET6核心板、ESP8266 WIFI模塊以及M5311A NB-IoT模塊[4][5]. 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)連接土壤溫度、濕度、PH以及氮磷鉀傳感器，負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送；路由節(jié)點(diǎn)本身也可以采集并處理數(shù)據(jù)，除此之外，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)在通信范圍內(nèi)搜索不到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)時(shí)，可借助路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的多跳；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建，并維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，接收采集節(jié)點(diǎn)或者路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送給STM32網(wǎng)關(guān)，進(jìn)一步通過NB-IoT或者ESP8266將數(shù)據(jù)發(fā)送給OneNET進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，用戶可通過電腦端網(wǎng)頁或者手機(jī)端APP實(shí)時(shí)查看測量的數(shù)據(jù). 系統(tǒng)整體框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源管理模塊

電源是系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作以及測量參數(shù)精度的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)硬件需要使用12 V,5 V,3.3 V電壓，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的工作電壓為3.3 V，土壤pH,溫度、濕度以及氮磷鉀傳感器的工作電壓需要5 V，考慮到土壤測量市電供電不便的原因，因此設(shè)計(jì)12 V太陽能供電，方便用戶使用. 陽光充足、太陽能板輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，采用太陽能板供電，夜晚或者陰天時(shí)采用12 V蓄電池供電，同時(shí)預(yù)留12 V適配器和12 V開關(guān)電源接口，在有市電條件下可采用市電供電. 研究設(shè)計(jì)采用芯龍公司的XL1509-5.0電源管理芯片將12 V穩(wěn)壓至5 V，設(shè)計(jì)XC6206P332MR將5 V穩(wěn)壓至3.3 V. XL1509具有寬電壓輸入(4.5 V～40 V)，2 A負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，XC6206P332MR最大輸出0.5 A電流，二者完全能夠滿足該系統(tǒng)使用. 設(shè)計(jì)電路如圖2所示.

圖2 電源管理模塊設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)土壤參數(shù)的測量、信號(hào)的調(diào)理與發(fā)送. 包括CC2530 ZigBee主控單元、土壤溫度、濕度傳感器、土壤PH傳感器、土壤氮磷鉀傳感器以及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路. 同時(shí)帶有電池電量監(jiān)測，當(dāng)采用電池供電時(shí)負(fù)責(zé)監(jiān)控電池是否處于缺電狀態(tài)，方便用戶實(shí)時(shí)掌握電池狀態(tài)；土壤參數(shù)測量異常時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，用戶可手動(dòng)關(guān)閉報(bào)警的開啟與否；液晶顯示電路采用1.3寸OLED液晶，用于顯示土壤參數(shù)以及電池電路等基本信息，用戶亦可控制液晶顯示的開啟與關(guān)閉從而達(dá)到節(jié)約能源的目的. 其整體框圖如圖3所示.

圖3 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 土壤溫、濕度電路設(shè)計(jì)

土壤溫度傳感器采用防水型DS18B20，其結(jié)構(gòu)可以直接插進(jìn)土壤里使用，與主控通訊方式為單總線方式，只需占用一個(gè)IO口，硬件設(shè)計(jì)接在CC2530主控模塊的P1.5引腳上. 土壤濕度采用電容式土壤濕度傳感器，區(qū)別于市面上電阻式土壤濕度傳感器，避免了極易被腐蝕的問題，極大的延長了使用壽命，其輸出為模擬信號(hào)輸出，接在CC2530的ADC接口P0.6上. 設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示.

圖4 土壤溫、濕度檢測電路

2.2.2 pH信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

土壤pH傳感器選用PR-3000-TR-PH-05，模擬量輸出0～5 V，量程為3～9 pH，ZigBee的AD的測量范圍為0～3.3 V，因此設(shè)計(jì)0～5 V轉(zhuǎn)換為0～3 V轉(zhuǎn)換電路，采用2個(gè)高精密、低溫漂的電阻分壓來實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電壓轉(zhuǎn)換輸出后采用LM358設(shè)計(jì)了電壓跟隨電路，起到隔離信號(hào)的作用，設(shè)計(jì)電路如圖5所示.

圖5 PH信號(hào)調(diào)理電路

2.2.3 氮磷鉀電路設(shè)計(jì)

氮磷鉀傳感器采用VMS-3000-TR-NPK-N01，插入土壤中可快速測量土壤氮磷鉀含量，從而有助于用戶判斷土壤的肥沃程度，其量程0 mg/kg～1999 mg/kg，響應(yīng)時(shí)間快，精度高，信號(hào)輸出方式為RS485(ModBus-RTU協(xié)議)輸出，485芯片選用3.3 V 工作電壓的低功耗SP3485芯片，RO和DI端口分別接在ZigBee的P0.2和P0.3引腳上，SP3485輸入輸出使能端并聯(lián)接在P1.7引腳上，設(shè)計(jì)電路如圖6所示.

圖6 SP3485電路

2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以STM32L151RET6作為主控單元，通過串口1(PA9，PA10)和ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊，接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的土壤傳感器數(shù)據(jù)信息；串口4(PC10，PC11)和M5311A NB-IoT模塊通訊；串口3(PB10，PB11)和ESP8266 WIFI模塊通訊. 用戶開機(jī)時(shí)可以通過按鍵選擇使用NB-IoT或者WIFI模塊來和OneNET云平臺(tái)進(jìn)行通訊，以此來適用于不同的場所. 同時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)本地端也設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警和OLED液晶顯示電路，OLED液晶屏用于顯示實(shí)時(shí)土壤參數(shù)、電池電量、各終端節(jié)點(diǎn)的在線情況以及NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)參數(shù)異常、電量異常、終端掉線或者NB-IoT模塊掉網(wǎng)不工作時(shí)，會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警. 結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示.

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 STM32L151RET6主控

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇STM32L151RET6作為主控芯片，STM32L151RET6是意法半導(dǎo)體公司推出的超低功耗處理器，超低功耗模式電流能夠達(dá)到280 nA，內(nèi)部資源豐富，具有512-KB Flash存儲(chǔ)器，非常適合土壤參數(shù)測量系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求.

2.3.2 M5311A NB-IoT模塊

該系統(tǒng)選用M5311A NB-IoT模塊，M5311是中移動(dòng)公司推出的NB-IoT模塊，工作電壓范圍廣，常采用3.3V供電，功耗較低，適合電池供電的環(huán)境，其內(nèi)置MTK2625，也支持OPENCPU功能，通訊協(xié)議上支持UDP/TCP-IP/HTTP以及MQTT，接入OneNET云平臺(tái)穩(wěn)定可靠，協(xié)議簡單[6].

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的程序設(shè)計(jì)選擇IAR Embedded Workbench軟件，采用Z-Stack_2.5.3.1協(xié)議棧進(jìn)行程序的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送等任務(wù). STM32網(wǎng)關(guān)板程序開發(fā)采用 Keil MDK5集成開發(fā)環(huán)境，使用較為成熟的庫函數(shù)進(jìn)行編程，同時(shí)移植了嵌入式物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread，使得任務(wù)處理、調(diào)度更加流暢. 整個(gè)開發(fā)過程采取模塊化編程思路，分別編寫并調(diào)試完成了ZigBee組網(wǎng)程序、采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)采集程序、STM32網(wǎng)關(guān)程序以及OneNET云平臺(tái)的搭建.

3.1 采集端程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)土壤原始數(shù)據(jù)的采集并處理，主要包含網(wǎng)絡(luò)的加入，防水型DS18B20的單總線驅(qū)動(dòng)程序，土壤濕度、PH傳感器以及電池電量采集的三路ADC初始化程序，氮磷鉀傳感器的ModBus-RTU協(xié)議，串口初始化等程序，主控采集到數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否異常，如有異常，啟動(dòng)聲光報(bào)警電路用于警示，反之，則將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn). 其流程圖如下頁圖8所示.

圖8 采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)程序主要包含ZigBee協(xié)調(diào)器程序以及STM32網(wǎng)關(guān)程序. 協(xié)調(diào)器程序負(fù)責(zé)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)以及節(jié)點(diǎn)的加入等工作. 組網(wǎng)完成后等待節(jié)點(diǎn)的加入，加入網(wǎng)絡(luò)過后則判斷是否接收到數(shù)據(jù)，判斷處理數(shù)據(jù)是否異常，最終將數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送給STM32網(wǎng)關(guān)，程序流程圖如圖9所示. STM32網(wǎng)關(guān)程序，負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)NB-IoT模塊和ESP8266 WIFI模塊，將接收到的數(shù)據(jù)處理后顯示在OLED液晶上、判斷是否有異常數(shù)據(jù)、啟動(dòng)報(bào)警，并傳輸給OneNET云平臺(tái)進(jìn)行顯示存儲(chǔ)，流程如圖10所示.

圖9 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖10 STM32網(wǎng)關(guān)程序流程圖

3.3 OneNET界面設(shè)計(jì)

一般終端界面設(shè)計(jì)相對來說是個(gè)復(fù)雜的過程，需要掌握相應(yīng)的編程語言，代碼一步步調(diào)試完善，開發(fā)周期較長，但OneNET云平臺(tái)為用戶提供了一套完整的流程，用戶注冊號(hào)OneNET賬號(hào)，按照要求設(shè)置好產(chǎn)品概況、配置完數(shù)據(jù)點(diǎn)后即可在應(yīng)用管理界面編輯自己的應(yīng)用[7]. OneNET云平臺(tái)給用戶提供了拖拉式的控件，設(shè)置好屬性參數(shù)，即可完成界面設(shè)計(jì). 該系統(tǒng)借助OneNET云平臺(tái)構(gòu)建了WEB網(wǎng)頁顯示界面以及手機(jī)APP客戶端，用于對土壤參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢，在數(shù)據(jù)流展示界面，用戶可以以EXCEL格式導(dǎo)出各個(gè)時(shí)間段的土壤參數(shù)的歷史數(shù)據(jù).

4 系統(tǒng)測試

4.1 ZigBee丟包率測試

測試時(shí)在學(xué)校操場和學(xué)校主干道旁各布置了一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接電腦串口調(diào)試助手，用于顯示接收到的數(shù)據(jù)；采集節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送100個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)測試完后改變采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的距離，測試結(jié)果如表1和表2所示.

表1 學(xué)校操場測試結(jié)果

通過表格1,2可以得知，隨著通信距離的增加以及障礙物的增加，都會(huì)給ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的丟包率造成影響，距離越遠(yuǎn)和障礙物越多，丟包率都會(huì)增加. 對于土壤參數(shù)的測量，遮擋環(huán)境較少，區(qū)域內(nèi)短距離組網(wǎng)，對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高，該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求. 當(dāng)通信距離過大時(shí)，可以通過增加路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳，可進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)丟包率.

表2 學(xué)校主干道測試結(jié)果

4.2 完整功能測試

ZigBee采集節(jié)點(diǎn)接入土壤參數(shù)傳感器，插在操場的土壤里，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)距離采集節(jié)點(diǎn)100 m處，網(wǎng)關(guān)和采集節(jié)點(diǎn)皆采用12 V太陽能板供電. 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入OneNET控制臺(tái)，設(shè)備列表顯示設(shè)備為在線狀態(tài)，說明硬件正常接入了云平臺(tái)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收顯示. 進(jìn)入OneNET云平臺(tái)應(yīng)用界面，可實(shí)時(shí)查詢土壤參數(shù)，如圖11所示.

圖11 OneNET界面

5 結(jié) 語

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在土壤參數(shù)測量系統(tǒng)中，采用ZigBee組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集土壤溫度、濕度、pH值以及氮磷鉀參數(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口傳輸給STM32網(wǎng)關(guān)，最終通過NB-IoT或者WIFI把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET云平臺(tái)，用戶可遠(yuǎn)程通過PC端網(wǎng)頁或者手機(jī)APP查看歷史數(shù)據(jù)和土壤實(shí)時(shí)參數(shù). 本文對基于WSN的土壤參數(shù)測量系統(tǒng)的整體方案以及軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析說明，并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，實(shí)用性強(qiáng)，非常適合應(yīng)用于土壤參數(shù)測量，為實(shí)時(shí)了解土壤環(huán)境狀態(tài)提供了切實(shí)可行的方案，具有廣闊的應(yīng)用前景.