基于CYBLE的農(nóng)業(yè)智能化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳高磊 佟國(guó)香 張紅巖

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高山農(nóng)作物的智能化監(jiān)控，設(shè)計(jì)了基于低功耗藍(lán)牙的農(nóng)業(yè)智能化無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)選擇CYPRESS公司的CYBLE-022001-00模組作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)。通過(guò)手機(jī)APP軟件，可以動(dòng)態(tài)組網(wǎng)并獲得附近工作區(qū)域的環(huán)境參數(shù)信息，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，并以報(bào)表方式發(fā)送到遠(yuǎn)端，以方便與云服務(wù)平臺(tái)對(duì)接。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)低功耗方案的可行性。

關(guān)鍵詞：低功耗藍(lán)牙；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；云服務(wù)；環(huán)境監(jiān)測(cè)

DOI：10.11907/rjdk.173057

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）005-0065-04

Abstract：In order to realize the intelligent monitoring of the alpine crop， an agricultural intelligent wireless sensor network monitoring system based on bluetooth low energy is designed. The system chooses CYPRESS company′s CYBLE-022001-00 module as a wireless sensor network node to realize real-time monitoring of environmental parameters. With the phone APP software， it can group a network dynamically and acquire environmental parameter information of nearby workspace，meanwhile， it can also complete data storage and analysis， and send the data to the remote site in the form of report， facilitating the connectivity with the cloud service platform.The experiment proves the feasibility of this system with low power consumption. It can be extended to meet higher power consumption requirements.

Key Words：lower-power bluetooth； wireless sensing network； cloud platform；environmental monitoring

0 引言

蔬菜大棚是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)環(huán)境配套工程技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。由于大棚種植的重要性，農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究逐漸成為我國(guó)科研的一項(xiàng)重要課題。可見(jiàn)光、紫外線、溫度、濕度與氣壓是影響大棚蔬菜的5大要素。我國(guó)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多設(shè)施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，種植、管理主要依賴于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)和報(bào)警，且測(cè)量精度低，布線復(fù)雜。

傳統(tǒng)監(jiān)控方案普遍使用Zigbee通訊，傳輸距離短，無(wú)線傳輸路由復(fù)雜[1]，且經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況，對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)和控制十分有限。目前市場(chǎng)上比較成熟的無(wú)線通信技術(shù)還有WiFi和藍(lán)牙，兩者同樣應(yīng)用廣泛。在傳輸速度方面，WiFi比藍(lán)牙更有優(yōu)勢(shì)，而在低功耗[2]和成本方面，藍(lán)牙優(yōu)勢(shì)更加明顯。

為克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案的缺陷，降低監(jiān)測(cè)成本，實(shí)現(xiàn)多樣化的監(jiān)控，本文設(shè)計(jì)了基于CYBLE的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚環(huán)境的組網(wǎng)監(jiān)控。

BLE4.2出現(xiàn)以后，MESH組網(wǎng)[3-5]技術(shù)彌補(bǔ)了藍(lán)牙組網(wǎng)的短板，能夠?qū)崿F(xiàn)多對(duì)多連接，且功耗只有Zigbee的1/20，無(wú)需網(wǎng)關(guān)。本設(shè)計(jì)方案采用的微微網(wǎng)組網(wǎng)方案[6]，通過(guò)手機(jī)APP端最多能夠同時(shí)連接7個(gè)BLE模塊，可為以后擴(kuò)展為藍(lán)牙MESH網(wǎng)作準(zhǔn)備。

1 網(wǎng)絡(luò)層體系結(jié)構(gòu)

環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)層是環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]，由位于大棚的具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)收發(fā)的節(jié)點(diǎn)以自組網(wǎng)方式組成。本方案采用5個(gè)從設(shè)備（Slave）作為手機(jī)（Master）的子節(jié)點(diǎn)組成微微網(wǎng)，組網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)由BLE節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)組成。節(jié)點(diǎn)的主要功能是與主設(shè)備建立連接后，隨機(jī)分布在監(jiān)控區(qū)域，通過(guò)模塊上的不同傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。各個(gè)模塊以Indication方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到Master。上位機(jī)（手機(jī)APP）的主要功能是接收不同Slaver發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)等。

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的需求分析和產(chǎn)品定位，系統(tǒng)用例如圖2所示。

2 BLE節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 BLE節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、主控芯片、射頻模塊及供電模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

每個(gè)模塊配備了3種不同傳感器：溫濕度傳感器、可見(jiàn)光紫外光傳感器與氣壓傳感器。傳感器模組自動(dòng)完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，通過(guò)IIC總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控芯片。主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，再通過(guò)BLE模塊發(fā)送到手機(jī)APP上。能量收集模塊采用紐扣電池和太陽(yáng)能電板供電方案，供電電壓為1.9～3.3V。

2.1.1 藍(lán)牙模塊

主控芯片模組采用CYBLE-022001-00模組，尺寸大小為10mm*10mm*1.8mm。該模組符合藍(lán)牙4.1認(rèn)證，基于Cortex M0內(nèi)核，集成多功能串口模塊，包括I2C、SPI和UART等；128KB的flash和16KB的SRAM，集成24MHz和32.768KHz晶振；4個(gè)16位多功能定時(shí)器，集成2.4GHz板載陶瓷天線及匹配網(wǎng)絡(luò)。主控芯片電路如圖4所示。

2.1.2 能量收集模塊

電源處理采用電池供電和能量收集模塊雙重供電選擇，以應(yīng)用于不同場(chǎng)景。能量收集IC采用Cypress系列產(chǎn)品中的S6AE101A，該系列能量收集IC采用單芯片設(shè)計(jì)，體積小、功耗低，適用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。具有兩路電源輸入，即太陽(yáng)能板和電池，能量收集IC通過(guò)監(jiān)控兩路供電電源狀態(tài)，自動(dòng)選擇其中之一作為系統(tǒng)供電輸入。該設(shè)計(jì)方案既能保證有效利用太陽(yáng)能，達(dá)到節(jié)約能源的目的，又能保證在沒(méi)有太陽(yáng)光照情況下的系統(tǒng)供電。

2.1.3 傳感器模塊

傳感器模塊可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的功能，由感知電路和信號(hào)電路組成，本系統(tǒng)每個(gè)BLE模塊有3個(gè)傳感器[8]。

溫濕度IC采用夏普QM1H0P0073，工作電壓為1.8V～5.5V，尺寸為3mm*3mm，14bit ADC，I2C通信接口，上電后15ms開(kāi)始采集，40ms采集完畢，喚醒時(shí)間為0.1ms。

可見(jiàn)光紫外光測(cè)量IC采用夏普GA1AAUV100WP，工作電壓為2.2V～5.5V，尺寸大小2.0mm*1.6mm，16bit ADC，I2C通信接口，可以工作在低功耗模式、可見(jiàn)光測(cè)量模式和紫外光測(cè)量模式下，上電后等待1ms開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

氣壓測(cè)量IC采用夏普QM1HOP0075，工作電壓為1.7V～3.6V，尺寸大小2.78mm*2.23mm，16bit ADC，具有I2C和SPI通信接口，工作模式下將SEL引腳拉高工作在I2C通信模式，上電后采集時(shí)間為10ms，喚醒時(shí)間為2.5ms。

2.2 低功耗設(shè)計(jì)方案

從以下幾方面對(duì)整體功耗進(jìn)行優(yōu)化：選擇Cypress低功耗藍(lán)牙模組作為傳感節(jié)點(diǎn)，支持低功耗模式[9]。在BLE低功耗設(shè)計(jì)中，存在兩種工作狀態(tài)：一是未連接時(shí)，不斷發(fā)送廣播包，等待APP連接；二是連接中，CY的BLE支持WDT喚醒功能，BLE模塊進(jìn)入Deep Sleep模式后，可以通過(guò)WDT和Bless功能喚醒。藍(lán)牙工作時(shí)采用ECO（24Mhz）時(shí)鐘，在低功耗模式下采用WCO（32.768Khz）時(shí)鐘。進(jìn)入低功耗前ECO時(shí)鐘停止工作，開(kāi)始使用WCO時(shí)鐘，僅用于維持連接。廣播方式有快速和慢速兩種，其中Fast advertising interval的廣播時(shí)間間隔比較短，一般是30ms，廣播持續(xù)時(shí)間設(shè)定為60s，timeout后進(jìn)入低功耗。下次喚醒采用WDT定時(shí)實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)需要設(shè)置，這里選擇180s。而Slow advertising interval的廣播時(shí)間間隔比較長(zhǎng)，一般是1s，持續(xù)時(shí)間可選擇永久，或設(shè)定90s、120s等。Timeout后的處理和以上相同，設(shè)備在非連接廣播狀態(tài)下，增大廣播間隔可以降低功耗。此外，應(yīng)用方案還提供STOP模式用于非連接狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗。在此模式下，電流消耗可以降低到60mA，需要檢測(cè)時(shí)通過(guò)系統(tǒng)板上的RESET按鍵啟動(dòng)系統(tǒng)。

3個(gè)傳感器通過(guò)供電引腳連接到模塊GPIO輸出引腳，通過(guò)模塊3個(gè)強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的GPIO口為3個(gè)傳感器供電。為降低功耗，每次只允許一個(gè)傳感器IC工作，另外兩個(gè)IC關(guān)閉。

在采集間隔的低功耗時(shí)間設(shè)置上，為了保證太陽(yáng)能電板的充電時(shí)間，時(shí)間設(shè)置為10s，一個(gè)周期工作流程如下：

（1）模塊和APP建立連接后進(jìn)入低功耗，此時(shí)系統(tǒng)處于Deep Sleep模式，WCO時(shí)鐘工作，維持連接，WDT定時(shí)10s。

（2）第一個(gè)10s中斷到來(lái)時(shí)，拉高溫濕度傳感器供電引腳，另外兩個(gè)傳感器模塊供電引腳處于關(guān)閉狀態(tài)，延時(shí)30ms，通過(guò)IIC讀取采集到的溫濕度值，并將數(shù)據(jù)保存下來(lái)，拉低溫濕度傳感器模塊供電引腳。

（3）第二個(gè)10s中斷到來(lái)時(shí)，拉高可見(jiàn)光、紫外光傳感器模塊供電引腳，另外兩個(gè)傳感器模塊處于關(guān)閉狀態(tài)，延時(shí)5ms，采集參數(shù)，通過(guò)IIC串口讀取采集到的數(shù)值并保存，拉低供電引腳。

（4）第三個(gè)10s中斷到來(lái)時(shí)，開(kāi)始采集氣壓傳感器參數(shù)，并將其保存。

（5）3組傳感器數(shù)值采集完畢后，把5組數(shù)據(jù)組包，定義一個(gè)數(shù)組，每組數(shù)據(jù)占用2Byte，有效數(shù)據(jù)為10Byte，切換到ECO時(shí)鐘，喚醒藍(lán)牙模塊。

（6）處理BLE事件，通過(guò)Indication方式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包格式為：包頭+句柄+長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)+CRC校驗(yàn)。

（7）BLE事件處理完后，由ECO時(shí)鐘切換到WCO時(shí)鐘，立即進(jìn)入低功耗模式。

2.3 模塊功耗測(cè)量

由于藍(lán)牙模塊工作電流非常小，為了測(cè)量平均電流消耗，在電源供電處串聯(lián)一個(gè) 10Ω的電阻，用示波器的電壓探頭測(cè)量電阻兩端電壓，通過(guò)測(cè)量電壓值間接測(cè)量出電流值。

實(shí)際測(cè)量過(guò)程為：藍(lán)牙上電開(kāi)始廣播，將傳感器的供電引腳全部拉低，測(cè)量廣播平均電流，建立連接后，測(cè)量傳感器模塊在非工作模式下，藍(lán)牙模塊在低功耗模式、休眠模式、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模式下的平均電流，或3個(gè)傳感器分別工作時(shí)的平均電流，最后得到不同工作模式下的平均電流和對(duì)應(yīng)時(shí)間功耗參數(shù)。

通過(guò)實(shí)際的功耗測(cè)量，模塊每天建立10次連接，能夠供電一個(gè)月時(shí)間，滿足了紐扣電池和太陽(yáng)能小電板的供電需求。

3 系統(tǒng)APP設(shè)計(jì)

APP設(shè)計(jì)基于Android版本5.0以上，支持BLE4.0。本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的APP界面分為4部分：連接設(shè)備、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、智能調(diào)控、歷史記錄。

APP端在連接設(shè)備界面能夠同時(shí)連接5個(gè)藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊建立連接后，連接成功的設(shè)備在連接設(shè)備界面顯示，并可隨時(shí)與設(shè)備斷開(kāi)連接。模塊向手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)，解析出溫度、濕度、可見(jiàn)光、紫外光、氣壓等5組數(shù)值，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面顯示不同模塊的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)到本地，存儲(chǔ)格式為：類(lèi)型+時(shí)間+數(shù)值+空位（0）。

在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)顯示不同大棚采集到的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)以折線圖方式顯示如圖7所示，溫度vs時(shí)間、濕度vs時(shí)間等，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，直觀地顯示不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)走勢(shì)，推薦一些適合果蔬生長(zhǎng)的數(shù)值范圍，并對(duì)一些異常數(shù)據(jù)報(bào)警顯示。