基于CYBLE的农业智能化无线传感网络监控系统设计

陈高磊 佟国香 张红岩

摘 要：为了实现对高山农作物的智能化监控，设计了基于低功耗蓝牙的农业智能化无线传感网络监控系统。该系统选择CYPRESS公司的CYBLE-022001-00模组作为无线传感网络节点，实时监控环境参数。通过手机APP软件，可以动态组网并获得附近工作区域的环境参数信息，完成数据的存储与分析，并以报表方式发送到远端，以方便与云服务平台对接。通过实验验证了该系统低功耗方案的可行性。

关键词：低功耗蓝牙；无线传感网络；云服务；环境监测

DOI：10.11907/rjdk.173057

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：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

蔬菜大棚是农业生产的重要组成部分，发达国家在农业环境配套工程技术领域进行了大量研究。由于大棚种植的重要性，农业大棚环境监测系统研究逐渐成为我国科研的一项重要课题。可见光、紫外线、温度、湿度与气压是影响大棚蔬菜的5大要素。我国的农业监测系统大多设施结构简单，种植、管理主要依赖于传统经验，只能进行简单的监测和报警，且测量精度低，布线复杂。

传统监控方案普遍使用Zigbee通讯，传输距离短，无线传输路由复杂[1]，且经常出现数据丢失情况，对环境的调节和控制十分有限。目前市场上比较成熟的无线通信技术还有WiFi和蓝牙，两者同样应用广泛。在传输速度方面，WiFi比蓝牙更有优势，而在低功耗[2]和成本方面，蓝牙优势更加明显。

为克服传统监测方案的缺陷，降低监测成本，实现多样化的监控，本文设计了基于CYBLE的农业监控系统，实现了对大棚环境的组网监控。

BLE4.2出现以后，MESH组网[3-5]技术弥补了蓝牙组网的短板，能够实现多对多连接，且功耗只有Zigbee的1/20，无需网关。本设计方案采用的微微网组网方案[6]，通过手机APP端最多能够同时连接7个BLE模块，可为以后扩展为蓝牙MESH网作准备。

1 网络层体系结构

环境监测网络层是环境监测区域的网络结构[7]，由位于大棚的具有数据采集、数据处理和数据收发的节点以自组网方式组成。本方案采用5个从设备（Slave）作为手机（Master）的子节点组成微微网，组网拓扑图如图1所示。

整个系统由BLE节点与上位机组成。节点的主要功能是与主设备建立连接后，随机分布在监控区域，通过模块上的不同传感器采集环境数据，并对数据进行分析处理。各个模块以Indication方式将数据发送到Master。上位机（手机APP）的主要功能是接收不同Slaver发送的数据，并对数据进行分析、处理、存储等。

根据整个系统的需求分析和产品定位，系统用例如图2所示。

2 BLE节点硬件设计

2.1 BLE节点硬件结构

传感器节点通常由传感器模块、主控芯片、射频模块及供电模块组成。硬件结构设计如图3所示。

每个模块配备了3种不同传感器：温湿度传感器、可见光紫外光传感器与气压传感器。传感器模组自动完成模拟到数字的转换，通过IIC总线将数据发送到主控芯片。主控芯片对数据进行滤波处理后，再通过BLE模块发送到手机APP上。能量收集模块采用纽扣电池和太阳能电板供电方案，供电电压为1.9～3.3V。

2.1.1 蓝牙模块

主控芯片模组采用CYBLE-022001-00模组，尺寸大小为10mm*10mm*1.8mm。该模组符合蓝牙4.1认证，基于Cortex M0内核，集成多功能串口模块，包括I2C、SPI和UART等；128KB的flash和16KB的SRAM，集成24MHz和32.768KHz晶振；4個16位多功能定时器，集成2.4GHz板载陶瓷天线及匹配网络。主控芯片电路如图4所示。

2.1.2 能量收集模块

电源处理采用电池供电和能量收集模块双重供电选择，以应用于不同场景。能量收集IC采用Cypress系列产品中的S6AE101A，该系列能量收集IC采用单芯片设计，体积小、功耗低，适用于无线传感网络。具有两路电源输入，即太阳能板和电池，能量收集IC通过监控两路供电电源状态，自动选择其中之一作为系统供电输入。该设计方案既能保证有效利用太阳能，达到节约能源的目的，又能保证在没有太阳光照情况下的系统供电。

2.1.3 传感器模块

传感器模块可实现节点数据采集的功能，由感知电路和信号电路组成，本系统每个BLE模块有3个传感器[8]。

温湿度IC采用夏普QM1H0P0073，工作电压为1.8V～5.5V，尺寸为3mm*3mm，14bit ADC，I2C通信接口，上电后15ms开始采集，40ms采集完毕，唤醒时间为0.1ms。

可见光紫外光测量IC采用夏普GA1AAUV100WP，工作电压为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、可见光测量模式和紫外光测量模式下，上电后等待1ms开始采集数据。

气压测量IC采用夏普QM1HOP0075，工作电压为1.7V～3.6V，尺寸大小2.78mm*2.23mm，16bit ADC，具有I2C和SPI通信接口，工作模式下将SEL引脚拉高工作在I2C通信模式，上电后采集时间为10ms，唤醒时间为2.5ms。

2.2 低功耗设计方案

从以下几方面对整体功耗进行优化：选择Cypress低功耗蓝牙模组作为传感节点，支持低功耗模式[9]。在BLE低功耗设计中，存在两种工作状态：一是未连接时，不断发送广播包，等待APP连接；二是连接中，CY的BLE支持WDT唤醒功能，BLE模块进入Deep Sleep模式后，可以通过WDT和Bless功能唤醒。蓝牙工作时采用ECO（24Mhz）时钟，在低功耗模式下采用WCO（32.768Khz）时钟。进入低功耗前ECO时钟停止工作，开始使用WCO时钟，仅用于维持连接。广播方式有快速和慢速两种，其中Fast advertising interval的广播时间间隔比较短，一般是30ms，广播持续时间设定为60s，timeout后进入低功耗。下次唤醒采用WDT定时实现，可根据需要设置，这里选择180s。而Slow advertising interval的广播时间间隔比较长，一般是1s，持续时间可选择永久，或设定90s、120s等。Timeout后的处理和以上相同，设备在非连接广播状态下，增大广播间隔可以降低功耗。此外，应用方案还提供STOP模式用于非连接状态，以降低系统功耗。在此模式下，电流消耗可以降低到60mA，需要检测时通过系统板上的RESET按键启动系统。

3个传感器通过供电引脚连接到模块GPIO输出引脚，通过模块3个强驱动的GPIO口为3个传感器供电。为降低功耗，每次只允许一个传感器IC工作，另外两个IC关闭。

在采集间隔的低功耗时间设置上，为了保证太阳能电板的充电时间，时间设置为10s，一个周期工作流程如下：

（1）模块和APP建立连接后进入低功耗，此时系统处于Deep Sleep模式，WCO时钟工作，维持连接，WDT定时10s。

（2）第一个10s中断到来时，拉高温湿度传感器供电引脚，另外两个传感器模块供电引脚处于关闭状态，延时30ms，通过IIC读取采集到的温湿度值，并将数据保存下来，拉低温湿度传感器模块供电引脚。

（3）第二个10s中断到来时，拉高可见光、紫外光传感器模块供电引脚，另外两个传感器模块处于关闭状态，延时5ms，采集参数，通过IIC串口读取采集到的数值并保存，拉低供电引脚。

（4）第三个10s中断到来时，开始采集气压传感器参数，并将其保存。

（5）3组传感器数值采集完毕后，把5组数据组包，定义一个数组，每组数据占用2Byte，有效数据为10Byte，切换到ECO时钟，唤醒蓝牙模块。

（6）处理BLE事件，通过Indication方式发送数据，数据包格式为：包头+句柄+长度+数据+CRC校验。

（7）BLE事件处理完后，由ECO时钟切换到WCO时钟，立即进入低功耗模式。

2.3 模块功耗测量

由于蓝牙模块工作电流非常小，为了测量平均电流消耗，在电源供电处串联一个 10Ω的电阻，用示波器的电压探头测量电阻两端电压，通过测量电压值间接测量出电流值。

实际测量过程为：蓝牙上电开始广播，将传感器的供电引脚全部拉低，测量广播平均电流，建立连接后，测量传感器模块在非工作模式下，蓝牙模块在低功耗模式、休眠模式、发送和接收数据模式下的平均电流，或3個传感器分别工作时的平均电流，最后得到不同工作模式下的平均电流和对应时间功耗参数。

通过实际的功耗测量，模块每天建立10次连接，能够供电一个月时间，满足了纽扣电池和太阳能小电板的供电需求。

3 系统APP设计

APP设计基于Android版本5.0以上，支持BLE4.0。本套系统设计的APP界面分为4部分：连接设备、数据监测、智能调控、历史记录。

APP端在连接设备界面能够同时连接5个蓝牙模块，蓝牙模块建立连接后，连接成功的设备在连接设备界面显示，并可随时与设备断开连接。模块向手机端发送数据，解析出温度、湿度、可见光、紫外光、气压等5组数值，在数据监测界面显示不同模块的数据，同时将数据以二进制方式存储到本地，存储格式为：类型+时间+数值+空位（0）。

在数据监测界面实时显示不同大棚采集到的数据，将采集到的数据以折线图方式显示如图7所示，温度vs时间、湿度vs时间等，实时更新数据，直观地显示不同时间段的数据走势，推荐一些适合果蔬生长的数值范围，并对一些异常数据报警显示。