基于设施农业的嵌入式网关设计

时间：2024-05-19

凌启东王鸿磊高媛

（徐州工业职业技术学院，江苏徐州 221140）

0 引言

设施农业作为是现代农业发展的重要标志，与物联网技术、自动控制技术和现代管理技术紧密结合，对充分利用农业资源、降低农产品成本、改善生态环境、提升农产品安全保障发挥了很大的作用，有效提升了现代化农业集约化和精细化程度，近年来发展迅速，是未来农业发展的重要方向。

如何将植物的生长情况、土壤的具体成分和植物的生长环境（空气、水分、温度、日照等）信息及时掌握，对于我们更好的实施设施农业工程起着至关重要的作用，因此对于农业现场的信息采集和智能控制是设施农业发展的关键技术，是我们研究的重要方向。传感器节点采集现场各种农业现场信息，通过无线局域网、有线网络传输到网关，再由网关将信息处理后传输到后台控制服务器，用以作为分析农作物生长情况和调整农业措施的根据。目前在这方面的农业温度检测系统研究较多[1-2]，例如，陈智伟等人设计了一种基于CC2430 的农业温度控制系统[1]，通过zigbee 网络传输数据，实现了对农业温室相关参数的采集及一些基本的控制。但是在网关采用串口与上位机连接，限制了信息传输速率，且没有考虑到农业生产过程中控制室不会一直有人值守的实际情况，限制了实际的应用效果。为此，本文提出了一种针对设施农业监控系统的嵌入式网关，选择自带MAC 控制器和CAN 控制器的STM32 处理器，扩展了移动通信控制模块，简化了电路设计，减少了系统的复杂度，确保了信息传输的可靠性。

1 网关设计的重要性

网关在设施农业监控系统中起着至关重要的作用，要协调上位机和下位机关系。网关的主要功能：一，负责接受下位机或者节点的采集信息数据，或者接受上位机的控制信息；二，对于接受到的信息进行处理，根据不同的目的地进行封装；三，当信息传输繁忙时，根据信息优先级进行按序转发；另外，网关的设计还需要考虑系统的稳定性和扩展性。

2 硬件系统设计

根据设施农业的需求，设计了一种嵌入式网关系统，主要由GPRS模块、ZigBee 模块、以太网接口模块、CAN 接口模块、键盘电路报警电路等部分组成。嵌入式网关系统结构图如图1 所示。

图1 嵌入式网关系统

考虑到网关的数据处理能力要求较高，选用32 位处理器STM32F107VC，芯片工频72MHz，高达256K 字节的片上闪存和64K字节的SRAM，芯片携带有1 路10/100M 以太网接口，2 路CAN 通道，5 个UART 接口；还含有ADC、DAC、US 等丰富的外设资源[3]。可以稳定地进行数据处理和通信，同时也能保证嵌入式操作系统的运行。

2.1 ZigBee 模块的设计

图2 ZegBee 功能模块

ZigBee 技术作为新兴的一种短距离无线传感器网络通信标准，具有低功耗、低延迟、自组织等优点[4]，近年来开始逐渐应用到设施农业中，由于其突出的低功耗特点，节点电池的使用寿命可以达到6～24 个月，完全可以满足农业生产中的需要。为了与ZigBee 网络无缝对接，网关选用TI 公司的CC2530-F256 芯片实现ZigBee 网络功能，芯片带有256KB 的flash 空间和8KB RAM，将无线通信模块和处理器系统集成，其电路设计如图2 所示。

2.2 GPRS 模块的设计

图3 GPRS 通信模块

GPRS 是在GSM 全球移动通信网络之上发展起来的一种新的承载业务，为用户提供高速的分组数据业务的一种的网络[5]。网关系统设计了GPRS 通信模块，与移动平台的通信，实现无人值守情况下对生产现场的及管理。GPRS 模块选用SIEMENS 公司的SIM900D 芯片，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。GPRS 通信模块电路如图3 所示，主要包括串口通信电路、SIM 卡电路、天线电路等。SIM900D 通过串口通信电路从STM32 接收待发送信息，通过天线电路发送至移动网络。

2.3 其他模块的设计

在网关系统中设计了以太网通信模块和CAN 通信模块，STM32F107VC 内部集成了专用DMA 的MAC 模块，选用PHY 芯片控制器DP83848，实现与上位机平台进行以太网通信。STM32F107VC 内部都集成了CAN 控制器，选用芯片CTM1050T，设计CAN 驱动电路，实现CAN 通信功能，扩展系统的接入。另外，主节点设计了电源模块、存储电路、键盘电路、声光报警模块等。