基于物联网云平台的智慧农业温室系统设计
中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-04
0 引 言
农业是中国最传统的基础产业，物联网技术的出现提升了农业生产效率，通过信息技术对地块的土壤、肥力、气候等进行大数据分析，然后据此提供与种植、施肥相关的解决方案，大大提升了农业生产效率。基于精准的农业传感器进行实时监测，利用云计算、数据挖掘等技术进行多层次分析，并将分析指令与各种控制设备进行联动完成农业生产、管理。这种智能机械代替人的农业劳作，不仅解决了农业劳动力日益紧缺的问题，还实现了农业生产的高度规模化、集约化、工厂化，提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代产业[1]。
本设计采用国内流行的TLink物联网云平台，基于意法半导体STM32最小系统，ZigBee无线传感网络芯片、WiFi芯片、GSM模块以及农业数据采集传感器，实现用户通过手机客户端或网页客户端实时查询农业现场传感器信息以及对农业现场的通风、加湿等设备进行控制[2]。
1 系统整体设计
该系统由客户端、TLink物联网云平台、网关、节点组成。系统整体框图如图1所示。
客户端分为手机端和网页端，可以实时查看传感器信息，TLink物联网云平台作为一个开放的公共物联网接入平台[3]，通过给用户提供开放的API接口使传感器数据的接入、存储和展现更加方便简单。网关基于STM32嵌入式最小系统可实现多种网络协议的转换[4]，主要有无线传感网络ZigBee协议、无线局域网WiFi协议和第二代全球移动通信GSM协议。节点同样基于STM32嵌入式最小系统搭建ZigBee无线传感网络，实时采集传感器信息并上传[5]。
2 系统硬件设计
网关是本系统的核心控制部分。网关以STM32F103RBT6为主控芯片，最多可支持五路串口，在STM32最小系统搭载HLK-RM04 WiFi模块、CC2530 ZigBee协调器模块、SIM900A GSM模块。本网关模块实现底层ZigBee网络、GSM网络和Internet网络协议转换。STM32必须提供外围相关电路构成最小系统，包括3.3 V稳压电源、8 MHz晶振时钟、复位电路、数字和模拟间的去耦电路、调试接口。WiFi模块与GSM模块在功能上互补，充分考虑到无WiFi网络情况下，数据可以通过GSM模块传送到用户手机。各模块与网关底板以插针的方式连接，方便程序升级更新。采用220 V转5 V适配器供电。此外，网关增加功能设置按键和LED提示功能。按键主要功能为复位和启动/停止数据上传。网关ZigBee模块采用PCB天线，WiFi模块采用airgain内置天线[6]。
节点以STM32F103RBT6为主控芯片，最小系统搭载DHT11温湿度传感器、BH1750光强度传感器、土壤湿度传感器模块、松乐SRD-05VDC-SL-C继电器、CC2530 ZigBee芯片。底层构建一个基于ZigBee协议的无线传感网络[7]。该无线传感网络涵盖灯光控制、通风控制、环境温湿度的采集、升温、加湿控制。硬件供电电源部分电路图如图2所示。
电源通过AMS1117-3.3 V芯片实现5 V转3.3 V输出，电源接口为PWR2.5，可接220 V转5 V/2 A的电源适配器获得。C7、C8、C9为滤波电容，保证电源电压稳定可靠。继电器电路图如图3所示。
节点板继电器部分采用PC817光耦隔离芯片，实现信号地和电源地之间的有效隔离。继电器触点容量为250 V/10 A（AC）或30 V/10 A（DC）。继电器输出为公共端和常闭端。
3 系统软件设计
3.1 软件功能描述
基于STM32嵌入式软件编程，实现通过一个串口服务器将芯片的三个串口USART1、USART2、USART3分别接到ZigBee协调器节点、SIM900A GSM模块、HLK-RM04 WiFi模块，波特率分别设置为115 200，9 600，115 200 （Bd/s）。节点板在主循环中完成对温湿度、光照度、土壤湿度传感器数据的采集，并将数据定时发送至串口1，再由与串口1相连接的ZigBee终端节点向上层网关板发送数据，并实时监听接收网关板下达的控制命令[8]。
3.2 数据帧格式
节点板与网关板数据交互帧格式（节点上传网关）见表1所列。
节点上传网关数据帧数据总长度为11字节，帧首和帧尾固定为0XFE和0XFF，数据长度占1字节，数据总长度-帧首长度-帧尾长度-1字节=0X08。源端口号标示ZigBee终端节点用于发送数据所占用的端口。
目的端口?耸?ZigBee协调器节点用于接收数据所占用的端口。
网关地址标示ZigBee协调器节点的网络地址，用2个字节表示，低字节在前，高字节在后。
网关下发节点的数据帧格式见表2所列。网关下发节点数据帧格式数据总长度为8字节，帧首和帧尾固定为0XFE和0XFF。
数据长度占1字节，数据总长度-帧首长度-帧尾长度-1字节=0X05。
源端口号为上传数据帧中的目的端口号，目的端口号为上传数据的源端口号。 节点地址标示在ZigBee网终端节点的网络地址，2个字节表示，低字节在前，高字节在后，控制命令占1字节。
控制命令为0X00表示开第一路继电器，控制命令为0X01则表示关第一路继电器。
控制命令为0X02，表示开第二路继电器，控制命令为0X03，表示关第二路继电器。
网关板与云平台数据交互帧格式（网关板上传云平台）见表3所列。
帧首、帧尾固定为0X4C和0XFF，分隔符固定为0X2C（对应ASCII码为“，”逗号）。
数据依次为温度、湿度、光照度、土壤湿度。
云平台与网关板建立的是一个TCP长连接，云平台控制命令下发至网关板则发送JSON格式数据：{“sensorDatas”：[{“sensorId”：“xxxxxxx”，“value”：“xx”}]}。其中，sensor ID是云平台中每个开关型设备的编号，value是相应设备的状态，每个设备的开关状态分别用00和01表示。
3.3 软件流程图
节点软件流程图如图4所示，网关软件流程图如图5所示。
4 TLink物联网云平台
4.1 TLink简介
平台的主要功能如下：
（1）接入传感器设备能够支持用户使用Http，MQTT或Socket等方式连入平台，支持以JSON，XML等标准格式上传传感器数据，在Socket模式下，能提供传感器设备实时反向控制功能（即由Web或App远程控制接入设备），所有数据存入和取回等API手册完全开放，并支持客户进行二次开发。
（2）RESTful的交互接口设计使得TLink与开发者之间的交互非常简洁、透明，轻松完成数据的添加、存储、设置状态或更新状态等操作，能够很容易的与移动App或企业管理系统进行整合。
（3）虚拟仪表功能在一个交互页面上，以网关为单位整合和展现多个数值型传感器的历史数据和曲线图，并能够完成对传感器的事件触发配置。
（4）事件触发能力能够定义多种传感器的阈值，在达到特定值时发送短信，Email或由微信推送。
（5）社交功能能够在TLink公众号上查看传感器的状态或历史曲线，并通过微信共享给好友查看。传感器数据能够触发微信交互，使微信关注者能够直接与机器设备进行交互和控制[9]。
4.2 TLink开发流程
TLink开发流程如下：
（1）通过http：//www.tlink.io/地址访问TLink平台注册用户，并登录平台个人中心。
（2）创建设备，在此处编辑设备名称，并追加传感器设备，设置连接协议，定义数据上报周期。
（3）编辑设备，定义协议标签。数据头标签：[H：数据] [HE：数据]，分隔符标签：[S：数据][SE：数据][SN长度]，数据标签：[D？][D[长度]][DE[长度]|数据][DEC[长度]|数据][DF[长度]|数据][GPS]，结束符标签：[T：数据][TE：数据] [CRC16][CRC8]。其中H代表字符型数据，HE代表16进制数据，D代表字符型的十进制数，DE代表16进制整型数据，DEC代表16进制整型字符串数据，DF代表16进制浮点型数据，GPS代表定位数据，CRC16和CRC8分别代表CRC16位和8位校验值。
（4）设置连接协议。平台支持的协议类型有TCP透传：数据透传，自定义解析协议；MQTT：协议规范严谨，开发者集成协议；HTTP：HTTP RESTful API，开放接口，支持快速扩展；Modbus RTU：工业协议标准，外接联网模块可直接使用。
（5）等待客户端连接。
4.3 云端配置
本系统设计采用了TCP透传链接协议。协议标签格式为： [H：@][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][S：，][D？][T：#]
实际数据示例：@，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx，xx #，一次上传8个数据，分别对应节点1的温度、湿度、光照度、土壤湿度和节点2的温度、湿度、光照度和土壤湿度。
此外，TLink平台还提供一些个性化服务，如触发器，可以设定某个传感器的阈值范围，当采集到的数据超出这个范围后，就进行微信报警；组态应用，可以编辑个性化的Web界面，通过各式各样的控件更加直观、方便地查询传感器数据和控制现场设备。
4.4 客户端
客户端基于TLink提供的开放API接口实现，用户根据自己的需要编辑客户端界面。客户端分为手机客户端和网页客户端，用户可通过任意一个客户端登录TLink平台查看传感器信息以及控制农业现场的设备。
5 测试与分析
5.1 系统丢包率测试
本系统采用无线GSM、ZigBee、WiFi三种无线通信技术。GSM的工作频段为900 MHz，主要频率范围为890～915MHz和935～960 MHz，ZigBee和WiFi的工作频段均为ISM 2.4 GHz，因此可能会出现ZigBee与WiFi信号冲突的问题。针对此问题做如下测试：
ZigBee模?K和WiFi模块采用随机信道，4个ZigBee模块分为2组，1组发送数据，1组接收数据，2个WiFi模块同时向云平台建立TCP连接。测试结果见表4所列。
5.2 丢包测试分析
基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络协议ZigBee标准定义了16个信道，每个信道宽为2 MHz，然而基于IEEE 802.11协议的WLAN标准定义了14个信道，每个信道宽为22 MHz。以上两种标准物理层都基于2.4 GHz ISM频段，信道存在相互重叠的可能[10]。 ZigBee信道分布图如图6所示，WiFi信道无重叠分布图如图7所示。
对ZigBee与WiFi协议信道进行不重叠筛选，可有3??信道不发生重叠，当ZigBee与WiFi设备同时开启时，通过干预各自的随机动态信道分配方式，即WiFi信道选用不重叠1，7，13信道，ZigBee选用15，16，21，22信道，可有效避免不同通讯方式占用同一信道的情况，从而降低系统丢包率。
5.3 系统功能性测试
Web网页客户端如图8所示，手机客户端以及微信报警界面如图9所示。
网页客户端和手机App端均可显示节点数据，当节点数据异常，超过设定阈值时，本系统设定温度值高于30 ℃便触发微信报警功能。经测试，系统运行稳定、可靠。
6 结 语
本设计保证了数据的准确可靠通信，达到了预期对系统实时性、稳定性的要求。测试结果表明，系统可以稳定运行在温室环境中，实现了对温室的智能监控。
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