原標題：基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計方案

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)+STM32F103ZET6單片機+CC2430模塊+SIM900A-GPRS模塊的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計方案

一、系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集終端與遠程通信模塊的協(xié)同工作，實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測與設(shè)備控制。本方案采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為底層通信協(xié)議，STM32F103ZET6單片機作為核心控制器，CC2430模塊作為ZigBee無線節(jié)點，SIM900A-GPRS模塊作為遠程通信接口，構(gòu)建完整的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

1.1 系統(tǒng)功能需求

1. 環(huán)境參數(shù)采集：實時監(jiān)測土壤溫濕度、光照強度、CO?濃度、空氣溫濕度等關(guān)鍵參數(shù)。

2. 設(shè)備控制：支持灌溉水泵、風機、遮陽簾等設(shè)備的遠程控制。

3. 數(shù)據(jù)傳輸：通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的短距離通信，通過GPRS實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與云平臺的遠程通信。

4. 異常報警：當環(huán)境參數(shù)超出閾值時，觸發(fā)聲光報警并通過短信通知用戶。

5. 低功耗設(shè)計：確保傳感器節(jié)點在電池供電下持續(xù)工作6個月以上。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)分層

1. 感知層：由CC2430模塊與傳感器組成，負責數(shù)據(jù)采集與無線傳輸。

2. 網(wǎng)絡(luò)層：基于ZigBee協(xié)議實現(xiàn)傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)通信。

3. 傳輸層：通過SIM900A-GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

4. 應(yīng)用層：用戶通過PC端或移動端APP查看數(shù)據(jù)并控制設(shè)備。

二、核心元器件選型與功能分析

2.1 STM32F103ZET6單片機

選型理由：

• 高性能與低功耗：基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻72MHz，支持多種低功耗模式，適合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景。

• 大容量存儲：512KB Flash與64KB SRAM，滿足復(fù)雜算法與數(shù)據(jù)存儲需求。

• 豐富外設(shè)接口：提供3個SPI、2個I2C、5個USART接口，支持與CC2430、SIM900A模塊無縫連接。

• 工業(yè)級可靠性：工作溫度范圍-40℃至+85℃，適應(yīng)農(nóng)田惡劣環(huán)境。

功能描述：

• 作為系統(tǒng)主控單元，負責數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換與設(shè)備控制。

• 通過UART接口與CC2430模塊通信，接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

• 通過SIM900A模塊實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸與短信報警功能。

2.2 CC2430模塊

選型理由：

• 高度集成：集成8051內(nèi)核、128KB Flash與8KB RAM，支持ZigBee協(xié)議棧運行。

• 低功耗設(shè)計：休眠模式電流僅0.9μA，滿足農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點長續(xù)航需求。

• 強抗干擾能力：采用2.4GHz DSSS射頻技術(shù)，支持跳頻與自動重傳機制。

• 開發(fā)支持完善：提供Z-Stack協(xié)議棧與IAR開發(fā)環(huán)境，降低開發(fā)難度。

功能描述：

• 作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，負責采集土壤溫濕度、光照強度等數(shù)據(jù)。

• 支持星型、樹型與網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，擴展性強。

• 內(nèi)置AES-128加密協(xié)處理器，保障數(shù)據(jù)傳輸安全性。

2.3 SIM900A-GPRS模塊

選型理由：

• 穩(wěn)定通信能力：支持GPRS Class 10，理論速率85.6kbps，滿足農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸需求。

• 低功耗特性：工作電流350mA，休眠電流僅2.5mA，延長設(shè)備續(xù)航。

• 多接口支持：提供UART、SPI接口，與STM32F103ZET6無縫對接。

• 全球頻段覆蓋：支持850/900/1800/1900MHz，適應(yīng)不同地區(qū)運營商網(wǎng)絡(luò)。

功能描述：

• 實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與云平臺的遠程通信，支持TCP/IP協(xié)議。

• 支持短信功能，用于報警通知與遠程配置。

• 內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，簡化開發(fā)流程。

2.4 傳感器選型

1. 土壤溫濕度傳感器：

• 型號：SHT31-DIS

• 功能：測量范圍-40℃至+125℃，濕度0-100%RH，精度±2%RH。

• 接口：I2C通信，與STM32F103ZET6直接連接。

2. 光照強度傳感器：

• 型號：BH1750FVI

• 功能：測量范圍0-65535lx，分辨率1lx，I2C接口。

3. CO?濃度傳感器：

• 型號：MH-Z19B

• 功能：測量范圍0-5000ppm，UART接口，支持自動校準。

2.5 執(zhí)行器選型

1. 灌溉水泵：

• 型號：DC12V微型水泵

• 控制方式：通過STM32F103ZET6的GPIO引腳驅(qū)動繼電器模塊控制。

2. 風機：

• 型號：DC24V軸流風機

• 控制方式：同上，支持PWM調(diào)速。

三、硬件電路設(shè)計

3.1 電源模塊設(shè)計

• 輸入電壓：12V DC（太陽能電池板或市電適配器供電）。

• 穩(wěn)壓電路：采用LM2596S-5.0將12V轉(zhuǎn)為5V，為STM32F103ZET6與CC2430供電。

• 低功耗LDO：采用AMS1117-3.3將5V轉(zhuǎn)為3.3V，為SIM900A模塊供電。

• 電池備份：采用3.7V 18650鋰電池與TP4056充電模塊，保障斷電時持續(xù)工作。

3.2 傳感器接口電路

• SHT31-DIS：SCL與SDA引腳通過4.7kΩ上拉電阻連接至STM32的I2C接口。

• BH1750FVI：同上，共享I2C總線。

• MH-Z19B：TX與RX引腳連接至STM32的USART1接口。

3.3 無線通信模塊接口

• CC2430：

• UART_TX與UART_RX連接至STM32的USART2接口。

• RESET引腳通過10kΩ上拉電阻連接至3.3V，并由STM32的GPIO引腳控制復(fù)位。

• SIM900A：

• UART_TX與UART_RX連接至STM32的USART3接口。

• PWRKEY引腳通過NPN三極管驅(qū)動，實現(xiàn)遠程開機。

• STATUS引腳連接至STM32的GPIO，用于監(jiān)測模塊狀態(tài)。

3.4 執(zhí)行器驅(qū)動電路

• 繼電器模塊：采用ULN2003驅(qū)動5V繼電器，控制水泵與風機的220V交流電源。

• PWM調(diào)速：通過STM32的TIM3通道輸出PWM信號，控制風機轉(zhuǎn)速。

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 底層驅(qū)動開發(fā)

1. STM32 HAL庫初始化：

• 配置系統(tǒng)時鐘為72MHz，啟用外設(shè)時鐘。

• 初始化GPIO、USART、I2C、SPI、TIM等外設(shè)。

2. CC2430驅(qū)動：

• 通過UART接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，解析為土壤溫濕度、光照強度等參數(shù)。

• 實現(xiàn)ZigBee節(jié)點入網(wǎng)、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能。

3. SIM900A驅(qū)動：

• 通過AT指令控制GPRS連接，建立TCP/IP通信。

• 實現(xiàn)短信發(fā)送與接收功能，用于報警通知。

4.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

網(wǎng)絡(luò)拓撲：采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，支持節(jié)點自組網(wǎng)與路由轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)據(jù)幀格式：

typedef struct {

uint8_t node_id;       // 節(jié)點ID

float soil_temp;       // 土壤溫度

float soil_humidity;   // 土壤濕度

uint16_t light;        // 光照強度

uint16_t co2;          // CO?濃度

} ZigBee_Data_Frame;

4.3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)上傳格式：

{

"device_id": "AGR001",

"timestamp": "2025-05-21T12:00:00Z",

"data": {

"soil_temp": 25.3,

"soil_humidity": 60.2,

"light": 12000,

"co2": 450

}

}

• 云平臺接口：采用HTTP POST請求，將數(shù)據(jù)上傳至阿里云IoT平臺。

4.4 設(shè)備控制邏輯

• 閾值判斷：

• 遠程控制：通過云平臺下發(fā)指令，解析后控制執(zhí)行器。

五、系統(tǒng)測試與優(yōu)化

5.1 功能測試

1. 傳感器校準：

• 使用高精度儀器對比SHT31-DIS、BH1750FVI、MH-Z19B的測量值，誤差控制在±2%以內(nèi)。

2. 無線通信測試：

• ZigBee網(wǎng)絡(luò)：測試100米距離內(nèi)的丟包率，確保低于1%。

• GPRS通信：測試不同運營商網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)上傳成功率，確保高于99%。

3. 設(shè)備控制測試：

• 模擬高溫、干旱場景，驗證風機與水泵的自動啟動邏輯。

5.2 性能優(yōu)化

1. 低功耗優(yōu)化：

• 傳感器節(jié)點：采用定時喚醒機制，每10分鐘采集一次數(shù)據(jù)，其余時間進入休眠模式。

• 網(wǎng)關(guān)：關(guān)閉未使用的外設(shè)時鐘，降低待機功耗。

2. 抗干擾設(shè)計：

• ZigBee網(wǎng)絡(luò)：采用跳頻技術(shù)與信道質(zhì)量監(jiān)測，避開干擾頻段。

• 電源電路：增加TVS二極管與磁珠，抑制浪涌與EMI干擾。

六、結(jié)論

本方案通過STM32F103ZET6單片機、CC2430模塊與SIM900A-GPRS模塊的協(xié)同工作，構(gòu)建了低成本、低功耗、高可靠的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)支持多參數(shù)實時監(jiān)測、設(shè)備遠程控制與異常報警功能，適用于大棚種植、農(nóng)田灌溉等場景。未來可進一步優(yōu)化ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量與GPRS數(shù)據(jù)壓縮算法，提升系統(tǒng)擴展性與傳輸效率。