基于物聯網的甘蔗農田數據采集系統設計*

廣西民族師范學院，物聯網技術集成與應用重點實驗室 楊秀增

為了實現甘蔗種植的信息化和網絡化管理，設計一套物聯網甘蔗農田數據采集系統。該系統由甘蔗田間節點，數據集中器、服務器和監控數據中心四大部分組成。采用TI公司的CC2530芯片與技術組建無線網絡。系統采用“STC15單片機”+“CC2530單片機”雙核設計結構。甘蔗采集節點把采集到的空氣溫度、濕度、光強強度和土壤濕度值，通過無線網絡發送到數據集中器。數據集中器再通過GPRS網絡把數據發送到監控數據中心。用戶通過手機App界面查看數據。測試結果表明，本系統工作穩定、滿足設計要求。

蔗糖在人們生活中占有極其重要的地位，逐漸成為是一種重要戰略物資。廣西是我國最大的蔗糖生產基地，種植面積和產量占全國的 60%以上。但是， 目前我國的甘蔗種植業生產技術比較落后，產業運營成本高，信息化管理水平還比較低。

甘蔗的生長與空氣溫度、濕度、光照強度、土壤濕度等因素息息相關。本文利用物聯網技術[1-2]，設計一套甘蔗農田數據采集及監控系統[3-4]。采用ZigBee無線傳輸技術，實現甘蔗田間環境參數的無線傳輸，首先把甘蔗田間環境參數傳回到集中器，集中器再通過RGPS網絡數據傳到服務器，實現蔬甘蔗田間環境參數遠程采集，為以后開展甘蔗物聯網應用打下良好的基礎。

1 系統總體方案設計

圖1為甘蔗田間數據采集系統的總體設計框圖。框圖采集四層設計結構，主要由甘蔗田間節點、數據集中器、服務器和監控數據中心四大部分組成。

圖1 設計總框圖Fig.1 Design the general block diagram

甘蔗采集節點由環境傳感器組、單片機控制器和ZigBee通信模塊組成。環境傳感器組包括空氣溫濕度傳感器、光照強度和土壤溫濕度傳感器。這些傳感器被部署在甘蔗田間中，能實時采集甘蔗田間的各項環境參數。單片機采集到的數據通過ZigBee通信模塊，發送到數據集中器進行數據匯集。然后匯總數據再通過GPRS網絡發送到服務器和用戶數據監控中心。

2 硬件設計

2.1 采集節點硬件設計

圖2為甘蔗農田采集節點硬件設計框圖。本設計主要由單片機、RS232/485接口轉換電路、土壤水分傳感器、光照傳感器、空氣濕度傳感器、空氣溫度傳感器、驅動電路、輸入鍵盤、ZigBee通信模塊、LCD液晶顯示模塊組成。單片機采用型號為STC15W4K32S4單片機，此單片機是STC公司的高速單片機，內部集成高精度R/C時鐘，不用外接晶振電路，其次，單片機內部還集成4組獨立的高速異步串行口。節點硬件連接電路如圖2所示，P1.0～P1.7連接輸入鍵盤，P3.0～P3.1連接Zigbee通信模塊，P3.6～P3.7連接LCD液晶顯示模塊；P1.0～P1.1連接連接RS232/485接口轉換電路，P2.0連接驅動電路。當土壤濕度低于濕度設置值時，灌溉開關被打開,灌溉電機工作，對甘蔗田間土壤進行灌溉。傳感器采用標準ModBus-RTU485通信協議，傳感器通信地址及波特率可通過廠家的上位機軟件進行設置，通信可靠高、抗干擾能力強，可靠傳輸距離可達2000m。傳感器的外形如圖3所示。

圖2 甘蔗田間采集節點設計框圖Fig.2 Block diagram of field acquisition node

圖3 傳感器的外形Fig.3 Sensor profile

2.2 集中器硬件電路設計

集中器的主要作用是，接收并匯集甘蔗農田各個傳感器的數據，并通過GPRS網絡把匯集數據發到數據中心。圖4為數據集中器硬件框圖，主要由STC15W4K32S4單片機、觸摸屏顯示器、MAX232接口、GPRS通信模塊、ZigBee通信模塊等組成。主控芯片采用STC15W4K32S4型單片機，ZigBee無線通信模塊采用CC2530單片機芯片。主控單片機的UART0與MAX232接口芯片相連，主要用于程序下載和設備調試；主控單片機UART1與ZigBee無線通信模塊相連；主控單片機的UART2與觸摸屏顯示器相連，用于顯示數據。UART3與GPRS通信模塊相連，把采集到的數據發到數據監控中心。

圖4 數據集中器硬件原理圖Fig.4 Hardware schematic of concentrator

3 軟件設計

3.1 協議棧移植及應用程序開發

圖5為數主控單片機的主程序算法流程圖。當單片機加電時，首先對系統的外圍設備進行初始化，然后執行協議棧網絡層相關程序，建立無線傳感器網絡。系統查詢是否有新節點要加入網絡，如果查有新節點，給新加入的節點分配16位網絡地址，允許節點加入網絡。然后再查詢是否收到節點數據，如果收到新的數據，執行解析數據程序，對收到數據包進行處理，設置串口傳送數據事件，通過GPRS通信模塊發到數據監控中心。

圖5 數據集中器程序算法流程圖Fig.5 Algorithm flow chart of concentrator

3.2 采集節點程序設計

采集節點采用“STC15單片機”+“CC2530單片機”雙核設計結構，STC15單片機負責數據的甘蔗田間數據的采集，CC2530單片機負責無線傳感網絡的建立、路由和數據的傳輸等，CC2530單片機這些功能是通過移植TI公司的ZStack協議棧來實現。這兩種單片機之間通過串口進行通信。圖6為STC15單片機序工作流程圖。第一步系統初始化，并打開串口中斷和啟動數據采集定時器。第二步判斷數據采集時間是否到，如果時間到，則設置數據采集事件，操作系統執行數據采集事件，并分析數據，分析數據之后，判斷土壤中的濕度是否低于設置值，如果低于設置值，打開灌溉電機電源，如果土壤濕度高于設置值，則關掉灌溉電機。最后，判斷是否收到數據集中器發數據命令，如果收到命令，則把采集到的數據以數據包的形式，發到數據集中器。

圖6 采集終端算法流程圖Fig.6 Algorithm flow chart of acquisition terminal

4 系統測試

我們根據以上技術方案設計樣機，并對樣機進行測試，把設計好的采集節點部署在甘蔗田間不同區域。裝置上機以后，在數據采集器的LCD顯示屏上顯示了各個節點傳回的數據，顯示界面如圖7所示。

圖7 數據集中器采集數據顯示界面Fig.7 Display interface for collecting data of concentrator

5 結語

蔗糖產業是推動我國農村經濟增長的主要驅動力之一，近些年來，隨著我國食品工業的發展,目需糖量越來越大，蔗糖產業對于甘蔗作物的需求量逐年增加。傳統的低產能的種植方式，不能適應目前形勢的發展，甘蔗作物信息化網絡化管理模式是未來的發展方向。本文利用物聯網技術，設計一套物聯網甘蔗農田數據采集系統，實現甘蔗農田數據自動采集和傳輸，為下一步的甘蔗農作物物聯網應用研究打下良好的基礎。

本項目得到2019年度廣西民族師范學院物聯網技術集成與應用重點實驗室資助。