基于物聯(lián)網(wǎng)及邊緣網(wǎng)關(guān)的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

陳生學(xué) 嚴(yán)佩升 孟星 李波

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水果種植相結(jié)合，有助于推動水果種植朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，提高水果種植的現(xiàn)代化水平。因此，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)及邊緣網(wǎng)關(guān)的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，以CC2530芯片為核心，設(shè)計無線數(shù)據(jù)采集及環(huán)境調(diào)控節(jié)點；以STM32為核心構(gòu)建邊緣網(wǎng)關(guān)，一是負(fù)責(zé)融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)節(jié)點和攝像頭數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過5G模塊將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，同時可向ZigBee節(jié)點發(fā)送控制指令；二是可對土壤環(huán)境進(jìn)行本地調(diào)控。管理用戶可以通過PC端、手機(jī)端對果園環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)軟件能根據(jù)數(shù)據(jù)和圖片信息實現(xiàn)果園病蟲害預(yù)警。該系統(tǒng)具有使用便捷、操作簡單、運行成本低等優(yōu)點，能較好地實現(xiàn)果園智慧化管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；水果種植；STM32網(wǎng)關(guān)；5G模塊

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，ZigBee技術(shù)與遠(yuǎn)程通信技術(shù)在智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)控和溫室大棚中的應(yīng)用逐漸增多，但在智慧果園監(jiān)控方面的應(yīng)用相對較少[1]。該技術(shù)利用傳感器采集果園環(huán)境參數(shù)后，通過無線通信技術(shù)傳送至上位機(jī)，上位機(jī)軟件對果園數(shù)據(jù)進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析與展示，從而提高果園智能化管理水平[2]。

針對果園環(huán)境復(fù)雜、不易布線等特點，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)及邊緣網(wǎng)關(guān)的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，能實現(xiàn)果園環(huán)境參數(shù)的實時采集與本地或遠(yuǎn)程調(diào)控。采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有自組織、低功耗、低成本等優(yōu)點，網(wǎng)關(guān)控制器采用基于STM32的核心控制器，網(wǎng)關(guān)模塊與5G模塊連接，實現(xiàn)采集節(jié)點與控制中心數(shù)據(jù)的雙向通信。同時，果園中攝像頭實時采集果園圖片后，傳送到網(wǎng)關(guān)接口，由網(wǎng)關(guān)通過5G模塊傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對圖片進(jìn)行分析處理后，可實現(xiàn)果園病蟲害預(yù)警。通過構(gòu)建智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，可實時對果園進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程監(jiān)控及病蟲害預(yù)警，提升管理效率，降低管理成本 [3]。

1. 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)可以實現(xiàn)對果園中空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、土壤氮磷鉀含量、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率的實時監(jiān)控及果樹病蟲害預(yù)警，各節(jié)點將采集到的果園現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)軟件進(jìn)行綜合分析處理，基于STM32的網(wǎng)關(guān)可對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單分析處理后實現(xiàn)本地控制，或者通過上位機(jī)對果園環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。同時，監(jiān)控中心對果園圖片進(jìn)行分析后，實現(xiàn)果園病蟲害預(yù)警等多種功能。系統(tǒng)整體框架主要由果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、圖片采集模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、太陽能供電模塊和上位機(jī)組成。

系統(tǒng)主要由果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點、圖像采集節(jié)點組成。果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集及控制節(jié)點由基于ZigBee的終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點構(gòu)成。在果園適當(dāng)位置布放若干個ZigBee終端節(jié)點和路由節(jié)點，負(fù)責(zé)果園環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及多跳轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳轉(zhuǎn)發(fā)后傳送至ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點。ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點匯聚所有路由節(jié)點數(shù)據(jù)后，經(jīng)I/O端口傳給網(wǎng)關(guān)。果園圖像由布放在果園中的攝像頭模塊采集后，通過I/O端口傳給網(wǎng)關(guān)。基于STM32F103的網(wǎng)關(guān)控制器將融合后的數(shù)據(jù)通過5G模塊傳送上位機(jī)。因本系統(tǒng)采用無線監(jiān)控方式，所以采用太陽能與鋰電池結(jié)合的方式供電。系統(tǒng)可實現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程調(diào)控果園土壤環(huán)境及果園病蟲害預(yù)警，同時通過遠(yuǎn)程的方式可實現(xiàn)各節(jié)點參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)以STM32處理器為核心，由基于ZigBee的土壤環(huán)境數(shù)據(jù)采集及調(diào)控模塊、攝像頭模塊、5G通信模塊組成。系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 終端節(jié)點和路由節(jié)點硬件設(shè)計

系統(tǒng)的ZigBee終端節(jié)點和路由節(jié)點采用的是TI公司的CC2530芯片作為核心控制器，該芯片是一個支持ZigBee應(yīng)用的SoC解決方案。該方案能滿足以2.4GHz ISM波段應(yīng)對低成本、低功耗的要求，同時結(jié)合了一個高性能2.4GHz DSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧、高效的8051控制器[4]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)理論傳輸距離為0～400m，傳輸速度高達(dá)250kbps，是一種具有自組織、低功耗、短距離、低成本的無線通信技術(shù)，因此能夠滿足果園無線監(jiān)控的需求[5]。

ZigBee終端節(jié)點主要是對果園環(huán)境信息進(jìn)行實時采集、簡單的分析處理，控制電磁繼電器通斷和數(shù)據(jù)接收或發(fā)送。ZigBee路由節(jié)點和終端節(jié)點硬件電路相同，區(qū)別在于軟件驅(qū)動程序。ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點需要采集果園光照度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤氮磷鉀肥含量、土壤電導(dǎo)率和土壤pH值，同時根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果控制氮磷鉀肥噴灑和土壤澆水。協(xié)調(diào)節(jié)點除與終端節(jié)點一樣要采集數(shù)據(jù)外，還要將終端節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)與自身采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)模塊。

2.1.1 傳感器模塊

經(jīng)過對系統(tǒng)功能的分析，選擇了兩種傳感器作為節(jié)點數(shù)據(jù)采集的感知設(shè)備，分別為土壤溫度、濕度、電導(dǎo)率、pH值、氮含量、磷含量、鉀含量七合一傳感器，以及空氣溫度、濕度、光照度三合一傳感器。系統(tǒng)通過傳感器實時監(jiān)測果樹生長的環(huán)境參數(shù)，為實現(xiàn)果園監(jiān)控和病蟲害預(yù)警提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)[6]。

2.1.2 土壤溫濕度、電導(dǎo)率、pH值、氮磷鉀含量測量

土壤的溫濕度、電導(dǎo)率、pH值、氮磷鉀含量是果樹生長好壞的重要因素，果樹生長的不同時期、不同季節(jié)，對環(huán)境的需求不同。因此，通過對土壤的溫濕度、電導(dǎo)率、pH值、氮磷鉀含量的實時精確測定，是澆水和噴灑肥料的重要依據(jù)。系統(tǒng)采用的七合一傳感器具有測量方便、測量成本低、測量精度高、分辨率高和支持二次開發(fā)等特點。系統(tǒng)對七合一傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，通過控制電磁閥來調(diào)控灌溉設(shè)施和噴灑氮磷鉀肥的設(shè)施，從而將土壤調(diào)整到果樹最佳生長的狀態(tài)。

2.1.3 光照度、空氣溫濕度測量

光照度、空氣溫度、濕度是果樹生長的重要氣象數(shù)據(jù)，將果樹生長的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)與果園圖片相結(jié)合，能夠為果園病蟲害預(yù)警提供重要參數(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)采用三合一傳感器，能夠有效采集光照度、空氣溫度、濕度數(shù)據(jù)。

2.1.4 攝像頭

攝像頭用于采集較為清晰的果樹圖片，作為果園病蟲害預(yù)警的重要信息依據(jù)。為了能夠采集到較為清晰的圖片，系統(tǒng)采用海康威視400萬像素監(jiān)控器高清攝像頭實時采集果園圖片。

系統(tǒng)通過綜合分析光照度、空氣溫濕度數(shù)據(jù)與果園圖片后，可以實現(xiàn)果園病蟲害的預(yù)警，提示管理員采取相應(yīng)的措施，達(dá)到及時防治病蟲害的目的。

2.1.5 ZigBee無線通信節(jié)點

ZigBee無線通信節(jié)點采用TI公司的CC2530芯片作為核心控制器，該芯片內(nèi)置8051單片機(jī)，可對節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、土壤環(huán)境控制和數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行有效控制。ZigBee控制節(jié)點的工作電壓為3.3V，有1個32.768kHz的晶振主要工作于當(dāng)節(jié)點休眠時工作電流低并且需要精確喚醒的場景，32MHz晶振主要用于天線的無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，有1個無線RF收發(fā)電路、1個DUBEG端口、1個REST復(fù)位電路、DC-DC電路、TTL轉(zhuǎn)RS485電路。所有傳感器接到RS485集線器上，通過集線器接到主控節(jié)點RS485上。協(xié)調(diào)節(jié)點匯聚所有節(jié)點數(shù)據(jù)后，通過RS485端口將數(shù)據(jù)傳送至基于STM32的網(wǎng)關(guān)模塊，攝像頭采集的視頻信號傳給基于STM32的網(wǎng)關(guān)模塊。基于STM32的網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)融合后通過5G模塊傳至監(jiān)測中心[7]。

2.2 STM32網(wǎng)關(guān)設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用了基于STM32F103為核心的主控芯片加5G模塊的硬件平臺方案。其中，STM32F103VBT6主控制器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位CPU，工作頻率最高可以到72MHz，需要電壓2V-3.6V，工作溫度為-40℃～85℃，片內(nèi)集成128KB Flash存儲單元、20KB SRAM。5G模塊采用移遠(yuǎn)5G通信模塊RM500Q，該模塊支持USB3.0、以太網(wǎng)、串口接口。STM32網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)通過5G模塊傳送至上位機(jī)，上位機(jī)又通過5G模塊將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至各節(jié)點[8]。

2.3 供電設(shè)計

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)及邊緣網(wǎng)關(guān)的智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)均部署在果園中，不宜敷設(shè)有線電線，為避免頻繁更換電池，果園監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點采用太陽能與鋰電池結(jié)合供電。使用MPPT對太陽能電池板、鋰電池和傳感器節(jié)點進(jìn)行充放電管理，當(dāng)太陽光照充足時，使用太陽能給節(jié)點供電，同時給鋰電池充電，陰雨天時使用鋰電池供電。節(jié)點主控制板上通過AMS117將5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V給芯片供電。因采集數(shù)據(jù)的傳感器是采用12V供電，因此供電系統(tǒng)只需提供5V和12V直流即可。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)節(jié)點程序設(shè)計

終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點是構(gòu)成ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的三種邏輯設(shè)備。協(xié)調(diào)節(jié)點運行后選取網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符及信道，隨后協(xié)調(diào)節(jié)點啟用允許綁定的狀態(tài)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)建立后，系統(tǒng)開始運行，終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單處理后傳給路由節(jié)點，路由節(jié)點將終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)與自身采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后傳送至協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點將收到的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)。終端節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點程序流程較為簡單，不再贅述。

STM32網(wǎng)關(guān)能夠通過協(xié)調(diào)節(jié)點將控制中心的控制信號發(fā)送至路由節(jié)點和終端節(jié)點，實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，網(wǎng)關(guān)也可以對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)本地土壤環(huán)境調(diào)節(jié)功能。

ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點和攝像頭的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)融合和協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過5G模塊傳送至上位機(jī)，網(wǎng)關(guān)能對協(xié)調(diào)節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并向各控制節(jié)點發(fā)送控制命令，實現(xiàn)本地灌溉和噴灑肥料控制。服務(wù)器下發(fā)的指令，通過網(wǎng)關(guān)解析后下發(fā)到各數(shù)據(jù)控制節(jié)點，實現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉和噴灑肥料控制等功能[9]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用開發(fā)框架QtCreator開發(fā)，具有跨平臺、易擴(kuò)展、方便開發(fā)等特點，被廣泛運用于嵌入式終端、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)[10]。PC端和手機(jī)端的應(yīng)用軟件能夠?qū)崟r顯示果園各區(qū)域的光照度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、pH值、電導(dǎo)率、氮磷鉀含量，實現(xiàn)對果園病蟲害的實時預(yù)警；遠(yuǎn)程實時控制灌溉系統(tǒng)和氮磷鉀噴灑系統(tǒng)，調(diào)節(jié)土壤環(huán)境為果樹生長的最佳環(huán)境。同時，上位機(jī)軟件還能對各節(jié)點進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程手工下發(fā)控制命令。

結(jié)語

智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以通過基于STM32核心的網(wǎng)關(guān)對果園的土壤環(huán)境進(jìn)行本地自動調(diào)控，還能通過無線的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置。上位機(jī)軟件根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)實現(xiàn)病蟲害預(yù)警。通過智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)適合果樹生長的土壤環(huán)境，從而提高水果產(chǎn)量及品質(zhì)。由于ZigBee節(jié)點與傳感器通過RS485通信，增強了系統(tǒng)的通用性。與傳統(tǒng)的管理方式相比，智慧果園監(jiān)控系統(tǒng)能夠大幅降低果樹種植的人力成本和管理成本，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)朝智慧化方向發(fā)展，有效助力鄉(xiāng)村振興。

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作者簡介：陳生學(xué)，碩士研究生，助教，研究方向：電力系統(tǒng)自動化教學(xué)；嚴(yán)佩升，碩士研究生，副教授，研究方向：區(qū)域地理、高等教育；孟星，碩士研究生，助教，研究方向：測控技術(shù)與儀器；李波，碩士研究生，講師，研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制。