基于物聯(lián)網(wǎng)的寬光譜多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)

雷勇

摘要：針對農(nóng)業(yè)大棚的現(xiàn)狀，為快速掌握大棚內(nèi)主要環(huán)境參數(shù)的變化情況，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的寬光譜多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，以CC2531和STM32WB芯片作為主控芯片，采用ZigBee-4G技術(shù)實現(xiàn)終端分布式組網(wǎng)，以及與監(jiān)控中心之間的通信，實現(xiàn)對大棚常規(guī)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控以及植物生長土壤成分含量的光譜分析，從而更加全面地動態(tài)掌握植物的生長和培育狀況。試驗結(jié)果證明了系統(tǒng)的可靠性和有效性，有利于快速掌握大棚培育環(huán)境的特性，為大棚培育優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：ZigBee；4G；物聯(lián)網(wǎng)；大棚；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）06-62-4

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國溫室栽培呈現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展的趨勢，溫室系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)對植物的生長至關(guān)重要，傳統(tǒng)的溫室環(huán)境參數(shù)主要包括溫濕度、CO2濃度等，面對種類復(fù)雜的植物，只對這些指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測已經(jīng)不能滿足要求，本文將物聯(lián)網(wǎng)以及現(xiàn)代光譜學(xué)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一套基于物聯(lián)網(wǎng)的寬光譜多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對溫室系統(tǒng)的溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度以及土壤成分含量等溫室植物生長指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測。通過后臺監(jiān)控中心對植物生長環(huán)境進(jìn)行實時了解，確保植物處于合理高效的生長環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)收益。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的寬光譜多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由大棚群監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、中間服務(wù)器和監(jiān)控中心三部分組成，大棚群監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用ZigBee-4G技術(shù)[1-3]，協(xié)調(diào)器作為主節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)，實行一主多從的形式來實現(xiàn)多點(diǎn)分布式監(jiān)測。終端節(jié)點(diǎn)完成各參數(shù)的采集，并通過ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并按照自定義協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝和緩存，協(xié)調(diào)器分析服務(wù)器通過4G網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的命令，根據(jù)命令的類型完成數(shù)據(jù)采集或?qū)K端節(jié)點(diǎn)的控制操作，最后在監(jiān)控中心實現(xiàn)對基本環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示以及光譜數(shù)據(jù)的分析、曲線繪制以及建立模型等功能，如圖1所示。

2硬件設(shè)計

系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用模塊式的設(shè)計方式[4]，硬件主要包括終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器兩部分，整個系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

終端節(jié)點(diǎn)采用TI公司的低功耗、低成本的CC2531系列芯片最為主控芯片，芯片內(nèi)嵌8051微控制器，具有256 KB Flash，以及SPI，USB，UART等常見外圍接口，支持ZigBee3.0協(xié)議，滿足應(yīng)用設(shè)計要求。

在終端節(jié)點(diǎn)中使用DHT11作為溫濕度傳感器來完成環(huán)境參數(shù)中溫濕度的采集，該傳感器檢測靈敏度高、接口簡單，符合低成本、低功耗的設(shè)計要求。CO2傳感器采用英國GSS型的MINIR[5]，是一款低功耗的紅外CO2傳感器，采用UART進(jìn)行信號輸出。

光譜傳感器則采用AMS公司的AS7265X系列傳感器，通過UART與主控制器相連，主控芯片只需要通過簡單的幾條AT指令便可以控制傳感器，高效完成光譜數(shù)據(jù)的采集，LED檢測燈采用高光源非損耗LED，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集中背光的補(bǔ)償。

協(xié)調(diào)器采用支持多無線通信協(xié)議的STM32WB55系列芯片作為主控芯片，該芯片支持BLE5.0，ZigBee3.0，2.4 GHz等無線通信，運(yùn)行主頻高達(dá)64 MHz，存儲容量可達(dá)1 MByte，完全滿足進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理和緩存的要求，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信，將終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議格式進(jìn)行封裝和緩存。4G無線通信模塊采用SIM7600CE[6-7]，實現(xiàn)與中間服務(wù)器進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)交互。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1嵌入式軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括嵌入式軟件和PC端應(yīng)用軟件兩部分，嵌入式軟件主要包括以CC2531為核心的數(shù)據(jù)采集軟件和以STM32WB為核心的數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)那度胧杰浖鞠到y(tǒng)嵌入式軟件均是在Keil平臺上采用C語言，結(jié)合STM32和CC2531庫函數(shù)，采用從上至下模塊化的設(shè)計模式，嵌入式軟件工作流程如圖3所示。

協(xié)調(diào)器的一個主要任務(wù)是對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)操作，從而實現(xiàn)對終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，由于采用的是一對多的設(shè)計方式。因此，存在終端節(jié)點(diǎn)接入發(fā)生碰撞的問題，為解決碰撞問題，設(shè)計了專門的盤點(diǎn)算法。盤點(diǎn)就是協(xié)調(diào)器識讀工作范圍內(nèi)所有的終端節(jié)點(diǎn)。盤點(diǎn)模式工作過程包括就緒期、接入期、收集期和會話期，盤存過程主要在接入期和收集期完成，終端接入期時序示意圖，如圖4所示。