0 引言

    隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高速發(fā)展，如何科學有效地提高農(nóng)田的生產(chǎn)、經(jīng)濟、環(huán)境效益已經(jīng)成為現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)亟待解決的重大問題^[1-2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息感知和無線傳輸?shù)臉蛄?，具有低功耗、易集成、低價格等特點，是農(nóng)田規(guī)?；芗?jié)點部署的首選方案^[3-4]。通過各傳感器節(jié)點實時動態(tài)感知作物生長要素與環(huán)境信息，是實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)^[5-6]。美國、日本、荷蘭等發(fā)達國家在農(nóng)田信息感知領(lǐng)域取得了長足發(fā)展，形成了精準農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系^[7]。

    精準農(nóng)業(yè)對于農(nóng)田環(huán)境信息獲取的實時性要求較高，但是一般各傳感器節(jié)點均采用電池供電，為了降低網(wǎng)絡(luò)負載，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，通常數(shù)據(jù)采集的周期過長，實時性較差，不能及時對作物生長環(huán)境信息進行評價與分析，無法保證最佳生長要素補給，是精準農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的壁壘之一^[8-9]?？紤]農(nóng)田傳感器節(jié)點實際應用場景通常采用人為預設(shè)的確定性部署方式，本文提出將空氣濕度、光照度等傳感器掛載于串行總線，通過Modbus通信協(xié)議輪詢與各個傳感器進行數(shù)據(jù)交互，整套系統(tǒng)采用太陽能供電，既保障了數(shù)據(jù)采集以及傳輸實時性，也彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測方式下，單一節(jié)點測量參數(shù)單一的不足。最終將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺進行統(tǒng)計分析與處理，對我國從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有重要的意義。

1 系統(tǒng)原理

    農(nóng)田氣象信息監(jiān)測站采用RS485總線訪問控制策略，搭載Modbus RTU通信協(xié)議實現(xiàn)田間作物生長要素信息實時采集。Modbus串行鏈路協(xié)議采用主從（Master/Slave）方式，實現(xiàn)主站Master向從站Slave數(shù)據(jù)請求以及Slave端向Master端的響應請求，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互^[10]。通過設(shè)置不同的從站傳感器地址，達到主站輪詢訪問土壤溫度、土壤水分、土壤電導率、空氣溫度、空氣濕度、田間風速、田間風向、光照強度、輻射總量傳感器節(jié)點的目的，通信雙方使用CRC16循環(huán)冗余校驗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸檢錯，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。解析后的傳感器數(shù)據(jù)通過4G全網(wǎng)通模塊SIM7600CE采用EDP通信協(xié)議傳輸至OneNET云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)多樣化展示和分析處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 核心控制器電路

    STM32F103RCT6是ST公司ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核CPU，最高工作頻率可達72 MHz，芯片內(nèi)部外設(shè)與通信接口豐富。外圍核心電路主要包含RESET按鍵復位電路、8 MHz晶振電路、32.768 kHz RTC時鐘晶振電路、BOOT 啟動模式選擇電路、電源濾波電路，以及維持后備區(qū)域數(shù)據(jù)存儲和RTC運行的VBAT紐扣電池供電電路。核心控制器電路設(shè)計如圖2所示。

2.2 Modbus RS485采集電路

    采用8路RS485接口掛載到SP3485的驅(qū)動器同相輸出A端口和反向輸出B端口，并將阻值為120 Ω的終端匹配電阻并聯(lián)至A、B端口，同時，將兩個阻值為360 Ω的偏置電阻分別接入A、B端口線路中，保證電路在空閑狀態(tài)下，485總線維持在邏輯1狀態(tài)，避免開始接收時出現(xiàn)亂碼等不可預測情況。接收器輸出使能RE端口與驅(qū)動器輸出使能DE端口連接至核心控制器同一通用IO口，通過邏輯電平0或1的變化即可實現(xiàn)接收與發(fā)送控制。將RO輸出與DI輸入端口連線至STM32的串口2，主控器即可按照Modbus協(xié)議輪詢訪問各個傳感器，各傳感器通過總線上地址信息判斷是否與自身匹配實現(xiàn)對總線信息的響應。電路設(shè)計如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集儀電源電路

    電源電路采用TI公司LM2596系列開關(guān)電源調(diào)節(jié)器，支持最大40 V寬電壓輸入，3 A負載電流輸出。VIN輸入端并入680 μF低ESR高速鋁電解電容，抑制輸入端電壓突變，布線時需使用短連接，盡量使電容靠近器件VIN管腳。Out輸出端通過逆向電壓保護二極管SS54，防止逆向電壓對電路造成損毀。其額定工作電流為5 A，1.7倍于負載電流，滿足設(shè)計需求。Out輸出端對33 μH電感持續(xù)充電，通過電感為各負載進行穩(wěn)定放電，保證負載供電穩(wěn)定性與可靠性。再經(jīng)過Feedback與Out端旁路電容濾波作用，即可得到5 V穩(wěn)態(tài)電壓。由于主控器STM32為3.3 V供電，所以選取AMS公司低壓差線性穩(wěn)壓LDO系列AMS117-3.3，通過濾波電容濾除尖峰和毛刺后就可獲得3.3 V平滑穩(wěn)定電壓。電路設(shè)計如圖4所示。

2.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點核心電路

    數(shù)據(jù)采集儀獲取各傳感器數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺。網(wǎng)關(guān)節(jié)點選取SIM7600CE，低功耗實現(xiàn)SMS和海量數(shù)據(jù)信息高速傳輸。SIM7600CE支持GSM、TD-SCDMA、CDMA、WCDMA、TDD-LTE和FDD-LTE等頻段。設(shè)計實現(xiàn)了外部4G主天線MAIN_ANT、4G輔天線AUX_ANT和GPS天線GNSS_ANT，在模塊和天線之間的走線必須保證50 Ω走線阻抗。模塊通過3.8 V VBAT接口為內(nèi)部射頻和基帶電路供電。為確保耗電流達到2 A時VBAT電壓跌落不低于3.4 V，在VBAT輸入端加入旁路0.1 μF陶瓷電容，以改善射頻性能及系統(tǒng)穩(wěn)定性，并通過NET指示燈顯示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。為避免浪涌和過壓對模塊造成損壞，在VBAT引腳并聯(lián)了100 μF/6 V的電解電容以實現(xiàn)模塊保護。模塊自帶VDD_EXT LDO可調(diào)電壓輸出，最大支持150 mA電流，用于其他電路供電。VDD_1V8為內(nèi)部1.8 V穩(wěn)態(tài)電壓輸出，可為電平轉(zhuǎn)化電路供電。核心電路設(shè)計如圖5所示。

2.5 USIM卡接口電路設(shè)計

    為實現(xiàn)USIM卡靜電防護，選取SRV05-4瞬態(tài)抑制TVS陣列，實現(xiàn)對IO、SCK、RST 3條I/O高速數(shù)據(jù)線和VCC的靜電防護處理。其內(nèi)部集成8只控向二極管，構(gòu)成兩個“橋”式整流電路，并通過共用一只“雪崩二極管”構(gòu)成ESD防護電路。該電路可將正ESD經(jīng)導向由雪崩二極管進行箝位，對負ESD由控向二極管箝位，具有良好的ESD防護特性。USIM卡接口靜電防護性能，直接影響網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性與可靠性，這也是農(nóng)田氣象信息監(jiān)測站設(shè)計時網(wǎng)關(guān)節(jié)點必須具備的特性。電路設(shè)計如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 Modbus協(xié)議03H功能碼

    主控板通過Modbus協(xié)議讀取各個傳感器數(shù)據(jù)時，使用功能碼03H，通過STM32串口2進行通信，通信波特率設(shè)置為9 600 b/s，無硬件流控。通過03H功能碼對從機訪問時，數(shù)據(jù)格式為：從機地址+功能碼+寄存器首地址+寄存器數(shù)量+校驗碼。發(fā)送03H指令，查詢1個或多個保持寄存器程序如下：

    void MOD_Send03H(u8 addr, u16 reg, u16 num)

    {Mod.TxCount = 0;

    Mod.TxBuf[Mod.TxCount++] = addr;

    Mod.TxBuf[Mod.TxCount++] = 0x03;

    Mod.TxBuf[Mod.TxCount++] = reg >> 8;

    Mod.TxBuf[Mod.TxCount++] = reg;

    Mod.TxBuf[Mod.TxCount++] = num >> 8;

    Mod.TxBuf[Mod.TxCount++] = num;

    MOD_SendAckWithCRC();}

3.2 串口空閑中斷+DMA接收

    針對微處理器串口接收方式的優(yōu)缺點，結(jié)合Modbus通信幀格式，本文提出采用串口空閑中斷+DMA接收方式實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收。采用此方式時，處理器在接收到一個字節(jié)時，不會產(chǎn)生串口中斷，而是通過DMA在后臺把數(shù)據(jù)搬到指定的緩沖區(qū)里面，當接收空閑時隙超過一字節(jié)時間，默認一幀數(shù)據(jù)接收完成，才產(chǎn)生一次中斷，進而啟動串口狀態(tài)機，計算幀長度，進行相應解析處理。這也滿足Modbus RTU報文幀有著嚴格的幀間t3.5和幀內(nèi)t1.5空閑時隙間隔的要求。該方式也可實現(xiàn)不定長數(shù)據(jù)的接收，極大增加了串口接收程序的通用性以及處理器效率。

3.3 傳感器輪詢采集實現(xiàn)

    通過不同的RTU串行總線地址，依次實現(xiàn)對各個傳感器的訪問。程序中利用定時器定時10 min，開啟數(shù)據(jù)采集操作，定時器中斷時間設(shè)置為0.5 s，每進中斷一次，進行一次“喂狗”操作。自定義采集函數(shù)中設(shè)置靜態(tài)變量I，默認取值為0時，發(fā)送采集指令；值為1時，解析串口接收到的傳感器數(shù)據(jù)。在開啟數(shù)據(jù)采集操作后，每次進入定時器中斷，就進行一次I取值判斷。靜態(tài)變量J用來記錄單個傳感器訪問出錯次數(shù)，如果連續(xù)3次訪問出現(xiàn)錯誤，則認為傳感器故障，轉(zhuǎn)向下一個傳感器數(shù)據(jù)采集。靜態(tài)變量K表示當前采集的傳感器標號，如果對應傳感器數(shù)據(jù)采集成功，則主動訪問下一個標號傳感器。

3.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)上傳

    網(wǎng)關(guān)節(jié)點SIM7600CE 4G通信模塊主要負責將感知層采集單元處理后的農(nóng)田環(huán)境信息發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺以及接收云平臺下發(fā)的控制指令。一般情況下，各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入服務(wù)器采用HTTP協(xié)議實現(xiàn)，在接收服務(wù)器下發(fā)的消息時，必須通過主動輪詢訪問服務(wù)器的方式，存在效率低和實時性較差等不足。采用EDP協(xié)議后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過心跳幀與服務(wù)器建立雙向連接，實現(xiàn)及時的數(shù)據(jù)上傳以及接受平臺下發(fā)的指令。感知層單元與網(wǎng)絡(luò)層云平臺建立通信連接并完成數(shù)據(jù)上傳和云端存儲的流程如下：

    （1）與OneNET服務(wù)器建立TCP連接：首先，串口發(fā)送“+++”使模塊退出透傳模式，接下來依次發(fā)送對應AT指令與服務(wù)器建立連接。

    （2）發(fā)送設(shè)備連接請求：將設(shè)備編號ID和鑒權(quán)碼APIKey按照EDP請求格式打包為二進制數(shù)據(jù)包，向OneNET發(fā)送數(shù)據(jù)，通過設(shè)備鑒權(quán)后才能對平臺中對應設(shè)備下的數(shù)據(jù)流上傳數(shù)據(jù)。

    （3）發(fā)送用戶數(shù)據(jù)：EDP協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)包分為兩部分，一部分為設(shè)備連接請求，另一部分為設(shè)備所發(fā)送的數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)按JSON格式放到對應數(shù)據(jù)流，并按照EDP協(xié)議進行封裝打包成相應的二進制數(shù)據(jù)包，再發(fā)送給至OneNET云平臺。

4 數(shù)據(jù)測試及分析

4.1 數(shù)據(jù)采集上傳

    選取陜西乾縣羅家?guī)X雙矮蘋果園區(qū)進行設(shè)備實驗測試。設(shè)定10 min進行一次數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺服務(wù)器對應的土壤溫度、土壤濕度、電導率等數(shù)據(jù)流，通過云平臺的解析，即可得如圖7所示的田間各環(huán)境信息的Web網(wǎng)頁端實時顯示。

4.2 數(shù)據(jù)校準測試

    對設(shè)備進行為期一周的實驗數(shù)據(jù)記錄，記錄時刻為：每日5:00～21:00。以光照度傳感器數(shù)據(jù)為例，獲取如表1所示的30組從小到大排序的具有代表性的光照傳感器數(shù)據(jù)（單位：kLx）。

    其中，標準值來源于AR823光照儀，對比發(fā)現(xiàn)，隨著光照度不斷增強，測量值與標準值的誤差也逐漸增大。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進行校準，由于數(shù)據(jù)量較少，故設(shè)置訓練樣本與測試樣本相同。經(jīng)BP擬合后的曲線圖以及校準值與標準值的誤差曲線分別如圖8(a)、(b)所示。校正后的數(shù)據(jù)誤差穩(wěn)定在-1.5 kLx與1.5 kLx之間，遠小于擬合之前的誤差，擬合優(yōu)度達到0.979 6。

5 結(jié)論

    本文針對高效精準農(nóng)業(yè)設(shè)計了農(nóng)田氣象信息監(jiān)測站，實時動態(tài)感知作物生長環(huán)境信息。監(jiān)測站信息采集電路采用Modbus通信協(xié)議與各傳感器進行信息交互，方便了后期系統(tǒng)集成拓展，實現(xiàn)了單一站點的多參數(shù)采集。采集后的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)關(guān)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行統(tǒng)計分析與決策。針對各傳感器采集數(shù)據(jù)存在的誤差，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)校正，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性與精確性。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，魯棒性強，滿足農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測的需要，對于提高農(nóng)業(yè)精細管理與生產(chǎn)自動化具有一定的參考意義。

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作者信息:

趙小強1，2，陳玉兵1，2，高  強1，權(quán)  恒1，韓亞洲1

（1.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安710121；2.陜西省信息通信網(wǎng)絡(luò)及安全重點實驗室，陜西 西安710121）