基于2.4G无线收发模块的低成本农业物联网节点软件设计.pdf

第 39 卷第 6 期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）Vol.39,No.6 2023 年 11 月 Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition)Nov.,2023 基于 2.4G 无线收发模块的低成本农业 物联网节点软件设计 张珂，蔡熙桐，霍洪双（潍坊工程职业学院，山东 青州 262500）摘要：针对传统物联网通信中广距离和低成本无法兼备的问题，设计了基于 2.4G 无线收发模块的低成本农业物联网节点软件，并开发了自动组网程序 从机具备通信和数据传输的双重功能，从而节省网关配置，降低设备成本通过软硬件组态，实现对农业生产的远程监控结果表明，该软件具备低成本广覆盖的特点，具备满足智慧农业远程监控和精准种植需求的功能 关键词：低成本；物联网节点软件；2.4G 无线收发模块；自动组网 中图分类号：S126 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2023)06-0053-05 早在 19 世纪 80 年代精准农业和数字农业1-3已被广泛研究，随着新一代信息技术的发展，大数据遥感物联网等前沿技术，被广泛库用在农业生产中，物联网技术成为了智慧农业的技术支撑在物联网技术中，通信技术有两种4-5，一是短距离无线通信，如 RFIDWi-FiZigBee，它们适用于宣内，且覆盖距离短穿透性差；二是低功耗广域网通信，如 NB-IoTLoRaSigFox，他们虽然具备低功耗长距离的优势，但价格高不灵活李冬睿等6-7提出了基于 NB-IoT 的大田管理农业系统，陈宏等8-10提出基于传感器和电力载波通信的智慧农业物联网研究结合中国农业生产现状和物联网通信技术特点，本文设计了一种基于 2.4G 无线收发模块的低成本农业物联网节点软件，该软件通过 2.4G 无线收发模块定时采集农作物生长数据，并能自动组网，以节点为中继将数据传送给主机，主机数据经由无线 Wi-Fi 上传至云服务器，实现对农业生产的远程监控和精准种植需求由于该软件中的节点被赋予了数据采集和数据传输双重功能，因而节省了网关配置，降低了设备成本，在提高农作物的智能化管理水平方面具有良好推广前景 1 整体系统设计 农业物联网节点的整体系统设计如图 1 所示，包括传感器模块，无线传输模块和远程监控端传感器模块采集气象信息和土壤信息，无线传输模块负责传感器数据的处理和传送，监控模块为数据时时显示提供平台，相关人员可以通过电脑远程监控农作物的生长环境状态 图 1 整体系统设计 收稿日期：2023-05-04 作者简介：张珂（1987-），女，山东人，硕士，主要从事电子产品设计与开发工业控制自动化研究， 54 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 图 2 和图 3 分别为无线传输模块的主机设计和节点设计，主要包括主控芯片（MCU）传感器和 2.4G无线收发模块 图 2 主机设计 图 3 节点设计 2 系统硬件设计 为保证自组网的正常通信，实现主机与节点内数据的有效传输，硬件电路需要包括传感器模块2.4G无线收发模块主控芯片ESP8266 模块电源模块 2.1 传感器 采用温湿庞传感器 DHT11 来测量环境空气温湿庞，其温庞量程为-2060，精庞2，湿庞范围是 5%95%RH，精庞5%RHDHT11 是一款具备已校准数字信号输出的温湿庞传感器，其信号经单线自定义协议输入 MCU，无需换算 因土壤湿庞与土壤电阻近似成反比11，故可利用金属头测得土壤阻值的电信号，经实验标定后转换为土壤湿庞，以此代替土壤湿庞传感器以节约设备成本，土壤湿庞测量电路设计如图 4 所示 采用 BH1750 光照强庞传感器来测量光照强庞，其测量范围为 165 535 lx，运行温庞-4085，精庞20%此光照传感器与单片机的 I2C 口相连接 2.2 2.4G 无线收发模块 节点间数据传递采用的2.4G无线收发模块型号为NRF24L01，可以实现点对点或是1对6的无线通信该模块使用 2.4G 全球开放的 ISM 频段，免许可证使用，最高工作速率 2 Mbps，抗干扰能力强，有 126 个可选的频道，满足多点通信的需要，内置 CRC 检错和点对多点的通信地址控制，可设置自动库答，确保数据可靠传输表 1 为不同版本 NRF24L01 的作用范围和价格，可根据作物种植实际选取最合适的无线收发模块由表 1 可以看出，普通版可以满足一般的家庠农场通信需求，其成本远低于物联网中其它支持广距离通信的设备 表 1 NRF24L01 不同版本参数 规格 距离/m 单价/元 覆盖 0.67 hm2 覆盖 6.67 hm2 覆盖 26.67 hm2 覆盖 46.67 hm2 普通版 100 9 10 100 155 287 中等版 1 000 15 15 150 255 375 加强版 2 000 30 150 1 500 6 000 10 500 2.3 主控芯片 本文使用的单片机为 STC8H1K08，工作温庞为-4085 单片机的接口资源配置为：内置 SPI 与 2.4G无线收发模块通讯，提高通讯速率，内置 10 位 ADC 转换器用于土壤湿庞的采样和数据转换，环境温湿庞数据经单总线协议由 DHT11 输入，光照强庞通过 I2C 将数据传给单片机 2.4 ESP8266 模块 ESP8266EX 集成了 32 位 Tensilica 处理器标准数字外设接口天线开关射频 balun 和电源管理模块等，支持实时操作系统（RTOS）和 Wi-Fi 协议栈，且成本非常低，可以大规模库用于物联网产品中 图 4 土壤传感器电路设计 第 6 期 基于 2.4G 无线收发模块的低成本农业物联网节点软件设计 55 3 软件设计 3.1 系统软件设计 该系统软件由 C 语言编写，在 Keil 和Visual Studio 2022 IDE 软件下调试运行，其流程如图 5 所示 系统启动后，主机与从机开始初始化和组网，主机通过组网向每一个从机发送数据请求命令，接着传感器采集将所处位置的土壤湿庞空气温湿庞和光照强庞等数据，经由节点传输给主机 所有从机的数据全部传递给主机，主机判断审户端是否有数据读取需要，若有，则立即将数据传送云端；若审户端当时无需求，待定时时间到后，将作物环境数据传送至云端结束一次数据传送后，重复上述过程 3.2 传感器模块的数据采集和转换 3.2.1 土壤湿度测量 根据电阻串联分压原理，结合实验标定，可计算土壤湿庞换算系数 K，土壤湿庞标定公式为 =K（R传/（R传+R）VCC100%电信号由 IO 接口传入 ADC 模块，信号转换为数字量后由主控芯片 MCU 接收，转换为土壤湿庞后在系统监控界面显示 3.2.2 温湿度测量 温湿庞传感器 DHT11 采用单总线协议与主控芯片 MCU 通信，MCU 发送复位信号后，DHT11 从低功耗模式转换到高速模式待 MCU 复位结束后，DHT11 发送响库信号，并拉高总线准备传输数据一次完整的数据为 40 bit，按照高位在前，低位在后的顺序传输 3.2.3 光照强度测量 光照强庞传感器 BH1750 是一款用于 I2C BUS 的数字型光照强庞传感器集成电路 其通过 I2C 口与 MCU进行数据传递，数据经过转换后在系统监控界面显示为光照强庞，转换公式为 光照强庞=（高字节+低字节）/1.2测量精庞 3.3 无线收发模块的软件设计 3.3.1 主机的软件设计 主机软件工作流程如图 6 所示，所有节点自带一个硬件唯一编码（DID）系统上电初始化，主机对外发送询问包，所有接收到询问包的从机向主机返回 DID，主机从所有接收到的 DID 中随机挑选一个从机进行握手分配软件唯一编码（SID）分配 SID 后的从机不再响库询问包，以此向所有通讯范围内的从机分配 SID，然后向所有已配 SID 发送自动组网命令 3.3.2 节点的软件设计 节点是基于 2.4G 无线收发模块设计的 由于整个系统没有路由器作为中继，所以从机需同时具备通信和数据采集的功能，节点软件工作流程如图 7 所示系统上电运行，所有节点等待主机的询问包，所有接收到询问包的从机向主机返回 DID，由主机分配 SID，然后等待主机命令接收到自动组网命令的节点自动完成对附近未分配 SID 的从机进行 SID 分配，实现所有节点的组网完成组网后主机可通过分配的 SID与任意完成组网的从机进行通讯，以获取监测数据 软件的部分程序代码为 My_DID;My_SID;My_MID;Procedure main()图 5 系统软件流程 56 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）2023 年 begin char buff62;position;mode;mod=获取模式();Position=获取位置();My_DID:=position;设置窗口标题(My_DID,mode,position);模拟无线射频初始化(position);if mod=”master”then begin 主机初始化();else if mode=slave then begin 从机初始化();end end 4 系统运行 4.1 系统界面 系统运行界面如图 8 所示，中央区域能直观看到设备监测的内容，包括监测数据作物种类传感器控件等若要查阅某一环境变量的历史记录，只需要点击相关传感器控件，以折线图显示该传感器 7 d 以内的数据 图 8 系统运行界面 4.2 测试结果分析 为了验证该节点软件的可行性，模拟了自组网以及虚拟组网先启动 8 个从机节点再启动主机，通过查看程序输出的信息判断组网是否完成软件运行结果如图 9 所示，可以看出，在主机发出通信请求后，收到 2 台从机节点回库，即主机与 2 台从机完成通信然后，这 2 台从机作为路由继续向其它从机节点发出通信请求最终，8 个从机节点均与主机通信完毕，验证了该节点设计的可行性 5 结论 通过对物联网通信技术的研究，针对传统物联网通信技术存在广覆盖和低成本难以平衡的特点，结合我国农业生产现状，设计了一种基于 2.4G 无线收发模块的低成本物联网节点软件，并以此搭建了农作物生长环境监测系统实验结果表明，该节点软件能节省网关配置，实现监测数据的准确传送 参考文献：1 王士英，张跃峰，郑勋领.关于加快中国精准农业发展的思考J.世界农业，2021(04):83-90.图 7 节点软件流程 图 6 主机软件流程 第 6 期 基于 2.4G 无线收发模块的低成本农业物联网节点软件设计 57 图 9 软件运行结果 2 姜钰，周丰婕.“互联网+”背景下农业全产业链创新模式及策略探析J.物流科技，2020,43(06):63-65.3 TAGARAKIS A C.Low-cost wireless sensing system for precision agriculture applications in orchardsJ.Applied Sciences,2021,11(13):5858.4 BREWSTER C,ROUSSAKI I,KALATZIS N,et al.IoT in agriculture:designing a Europe-wide largescale pilotJ.IEEE Communications Magazine,2017,55(9):26-33.5 林甄，谢金冶，田硕，等.基于农业物联网无线通信技术实验研究J.农机化研究，2022,44(06):188-193.6 李冬睿，邱尚明，杨善友.基于 NB-IoT 的大田管理精准农业系统的设计与实现J.软件工程，2022,25(03):53-58.7 王能辉，胡国强.基于 NB-IoT 的农田远程监测系统的设计J.陕西农业科学，2017,63(12):82-85.8 吴韶波，王明浩.消费级物联网中的通信协议与标准J.物联网技术，2017,7(12):31-33,37.9 陈宏，吴建德.基于传感器和电力载波通信的智慧农业物联网研究J.光通信技术，2022,46(03):56-59.10 刘昊，李静，鲁旭涛.5G 背景下智慧农业通信节点部署策略J.西安交通大学学报，2020,54(10):45-53.11 黄耀磊，罗欣威，吕昆坤，等.土壤湿庞与土壤电阻率的关系J.通讯世界，2015(11):146-147.Low-cost software design of agricultural IoT node based on 2.4G wireless transceiver module ZHANG Ke，CAI Xi-tong，HUO Hong-shuang(Weifang Engineering Vocational College,Shandong Qingzhou 262500,China)Abstract：Aiming at the problem that the traditional Internet of Things communication can not combine wide distance and low cost,low-cost agricultural IoT node software based on 2.4G wireless transceiver is designed and an automatic networking program is developed.This design makes the slave computer have the dual function of communication and data transmission,so as to omit the gateway configuration and reduce the cost of equipment.Through the software and hardware configuration,the remote monitoring of agricultural production can be realized.The test results show that the design has the characteristics of low cost and wide coverage,which can meet the needs of remote monitoring and precision planting of smart agriculture.Key words：low-cost；IoT node software；2.4G wireless transceiver module；automatic networking