CN109936581A - 一种基于农业物联网的网关及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于农业物联网的网关及控制方法，涉及物联网技术领域，网关包括中央处理器、电源模块、第一通信模块、第二通信模块及语音模块，语音模块包括语音合成单元及音频放大单元，第一通信模块及第二通信模块分别与中央处理器连接，中央处理器的输出端与语音合成单元的输入端连接，语音合成单元的输出端与音频放大单元的输入端连接；中央处理器通过第一通信模块与服务器通信连接，中央处理器通过第二通信模块与终端设备通信连接；电源模块用于为网关提供工作电压；本发明能有效的实现终端设备与服务器之间的数据交换，通过太阳能为网关供电，有效解决了农业现场供电问题，同时具备语音播报的功能，提高了管理效率。

Description

一种基于农业物联网的网关及控制方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体而言，涉及一种基于农业物联网的网关及控制方法。

背景技术

随着物联网技术快速发展，物联网技术在农业上得到了普遍应用，物联网技术在农业上面临的问题也很突出，比如使用现场光纤网络无法接入，市电接入成本高，终端设备(传感器，控制器)自带网络接入能力的话后期成本高，管理难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于农业物联网的网关及控制方法，实现了终端设备与服务器的数据交换，适用于各种光纤网络无法接入地区。

本发明的实施例是这样实现的：

具体的，一种基于农业物联网的网关，用于物联网终端设备与服务器之间的通信协议转换，实现终端设备与服务器之间的数据交换，包括中央处理器、电源模块、第一通信模块、第二通信模块及语音模块，所述语音模块包括语音合成单元及音频放大单元，所述第一通信模块及第二通信模块分别与所述中央处理器连接，中央处理器的输出端与所述语音合成单元的输入端连接，语音合成单元的输出端与所述音频放大单元的输入端连接；所述中央处理器通过所述第一通信模块与所述服务器通信连接，中央处理器通过所述第二通信模块与所述终端设备通信连接；所述电源模块分别与所述中央处理器、第一通信模块、第二通信模块及语音模块连接，用于为网关提供工作电压；

所述中央处理器用于接收并解析所述服务器发送的指令，并将解析后的指令发送至所述终端设备；

所述中央处理器还用于接收所述终端设备反馈的数据并将接收到的数据发送至所述服务器。

进一步的，所述电源模块包括蓄电池、太阳能板、太阳能管理模块及DC/DC，所述蓄电池通过所述太阳能管理模块与所述太阳能板连接，蓄电池通过DC/DC与所述中央处理器、第一通信模块、第二通信模块、语音合成单元及音频放大单元连接。

进一步的，所述第一通信模块为4G模块，所述第二通信模块为无线通信模块。

进一步的，所述网关还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述中央处理器连接，蓝牙模块用于与用户的移动终端匹配，用户通过移动终端访问中央处理器，对中央处理器进行参数配置。

进一步的，所述语音模块还包括滤波电路，所述语音合成单元的输出端与所述滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与所述音频放大单元的输入端连接。

进一步的，所述语音合成单元为语音合成芯片，所述音频放大单元为音频功率放大器。

进一步的，所述滤波电路包括第一电阻～第十电阻、第一～第七电容、第一运算放大器及第二运算放大器，所述第一电阻的第一端与所述语音合成芯片的音频输出端连接，第一电阻的第二端接地；

所述第二电容、第二电阻及第三电阻依次串联在所述第一电阻第一端及所述第一运算放大器的正向输入端之间，所述第一电容的第一端连接在第一电阻第一端及第二电容之间，第一电容第二端与第一电阻第二端连接，所述第三电容的第一端连接在第三电阻及第一运算放大器的正向输入端之间，第三电容的第二端接地；所述第四电容的第一端连接在所述第二电阻及所述第三电阻之间，第四电容的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的反向输入端与第一运算放大器的输出端连接；

所述第四电阻及第五电阻依次串联在所述第一运算放大器的输出端及所述第二运算放大器的反向输入端之间，所述第五电容的第一端连接在第四电阻及第五电阻之间，第五电容的第二端接地；

所述第六电阻的第一端连接在所述第五电阻及所述第二运算放大器的反向输入端之间，第六电阻的第二端连接在第二运算放大器的输出端及所述第六电容之间，第六电容串联在第二运算放大器的输出端及所述音频功率放大器的音频输入端之间；

所述第七电阻与所述第八电阻串联在正电压与地之间，所述第七电容并联在所述第八电阻两端，所述第九电阻的第一端及所述第十电阻的第一端均连接在第七电阻及第八电阻之间，第九电阻的第二端与所述第一运算放大器的正向输入端连接，第十电阻的第二端与所述第二运算放大器的正向输入端连接。

具体的，一种基于农业物联网的网关控制方法，包括以下步骤：

S1.所述中央处理器通过所述第一通信模块与所述服务器建立连接并进行注册；

S2.所述中央处理器接收并解析所述服务器发送的指令并通过所述第二通信模块将解析后的指令发送至所述终端设备；

S3.所述中央处理器接收所述服务器发送的心跳信号并判断连接是否正常，若连接正常，执行S4，否则，执行S3；

S4.所述中央处理器接收所述终端设备发送的反馈数据并将所述反馈数据发送至所述服务器。

本发明的有益效果是：

通过4G网络与服务器通信，进行数据交换，同时能够与终端设备(传感器，控制器)通过无线通讯进行数据交换，从而实现终端设备与服务器的数据交换，能有效的部署在光纤无法接入地区，适用于各种不便于接入有线网络的地区，同时通过太阳能加蓄电池为网关供电，有效解决了农业现场供电问题，同时具备语音播报的功能，提高了管理效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于农业物联网的网关的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于农业物联网的网关的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于农业物联网的网关的中央处理器与语音合成芯片连接示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于农业物联网的网关的滤波电路电路图；

图5为本发明实施例提供的一种基于农业物联网的网关的应用结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于农业物联网的网关控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，一种基于农业物联网的网关，用于物联网终端设备与服务器之间的通信协议转换，实现终端设备与服务器之间的数据交换，包括中央处理器、电源模块、第一通信模块、第二通信模块及语音模块，语音模块包括语音合成单元及音频放大单元，第一通信模块及第二通信模块分别与中央处理器连接，中央处理器的输出端与语音合成单元的输入端连接，语音合成单元的输出端与音频放大单元的输入端连接；中央处理器通过第一通信模块与服务器通信连接，中央处理器通过第二通信模块与终端设备通信连接；电源模块分别与中央处理器、第一通信模块、第二通信模块及语音模块连接，用于为网关提供工作电压；中央处理器用于接收并解析服务器发送的指令，并将解析后的指令发送至终端设备以及接收终端设备反馈的数据并将接收到的数据发送至服务器，其中，中央处理器为MCU，具体采用M451RG6AE。

其中，第一通信模块为4G模块，具体为SIM7600，第二通信模块为无线通信模块，可以为zigbee模块、LoRa模块及采用私有协议的无线收发模块中的任意一种，本实施例采用779MHZ无线收发模块。

进一步的，电源模块包括蓄电池、太阳能板、太阳能管理模块及DC/DC，蓄电池通过太阳能管理模块与太阳能板连接，蓄电池通过DC/DC与中央处理器、第一通信模块、第二通信模块、语音合成单元及音频放大单元连接，其中，太阳能管理模包括太阳能管理芯片，具体为CN3767，用于充放电管理，DC/DC提供3.3V及5V电压以满足网关系统不同的电压需求，本发明的网关通过太阳能为系统供电，能有效的满足无法接入市电地区的需求

如图2所示，网关还包括分别与中央处理器连接的蓝牙模块、SD卡、时钟模块以及RS485接口模块，其中，时钟模块为RX8010SJ，用于为网关系统提供基准时钟，蓝牙模块用于与用户的移动终端，如智能手机进行匹配，用户可通过移动终端访问中央处理器，对中央处理器进行参数配置，SD卡用于存储终端设备发送的反馈数据，RS485接口模块包括RS485转换芯片及外围电路，此处的外围电路采用现有技术即可实现，不在赘述，RS485转换芯片为MAX3485，中央处理器通过RS485接口模块为外接设备提供与中央处理器的数据交换接口，用户可通过RS485接口模块实现外接移动电脑对中央处理器的数据写入及修改。

如图3所示，语音模块还包括滤波电路，语音合成单元的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与音频放大单元的输入端连接，其中，语音合成单元为语音合成芯片，具体为XFS3031,音频放大单元为音频功率放大器，具体为TPA3123，其中，XFS3031的RXD端与M451RG6AE的PE12端连接，XFS3031的TXD端与M451RG6AE的PE13端连接，XFS3031的低电平就绪端与M451RG6AE的PA2端连接，XFS3031的高电平就绪端RDY与M451RG6AE的PA3端连接。

工作时，M451RG6AE的PA2端为低电平,PA3端为高电平，XFS3031进入就绪状态，M451RG6AE的PE12端引脚为串口的TXD引脚，M451RG6AE将需要合成的文本内容转化成相应的数据帧，通过TXD引脚发送给XFS3031的RXD端，以要发送“二氧化碳超限”信息为例，其对应数据帧为0xfd 0x00 0x0e 0x01 0x00 0xB6 0Xfe 0xD1 0xF5 0xBB 0xAF 0xCC 0xBC0xB3 0xAC 0xCF 0xDE，0xfd为帧头0x00 0x0e为帧内容长度，0x01为语言合成命令，0x00表示文本编码格式为GB2312,0xB6 0Xfe 0xD1 0xF5 0xBB 0xAF 0xCC 0Xbc 0xB3 0xAC 0xCF0xDE为“二氧化碳超限”对应GB2312编码，XFS3031收到该帧数据后将“二氧化碳超限”合成相应的音频语音，然后经后级的滤波、放大，最后通过扬声器播报，完成语音播报。

如图4所示，滤波电路包括第一电阻R1～第十电阻R10、第一～第七电容C7、第一运算放大器U1A及第二运算放大器U1B，本实施例中，第一运算放大器U1A及第二运算放大器U1B分别为双通道运算放大器的一个通道，这里的双通道运算放大器采用PT2308，第一电阻R1的第一端与语音合成芯片XFS3031的DAC脚连接，第一电阻R1的第二端接地。

第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2及第三电阻R3依次串联在第一电阻R1第二端及第一运算放大器U1A的正向输入端之间，第三电容C3的第一端连接在第三电阻R3及第一运算放大器U1A的正向输入端之间，第三电容C3的第二端接地；第四电容C4的第一端连接在第二电阻R2及第三电阻R3之间，第四电容C4的第二端与第一运算放大器U1A的输出端连接，第一运算放大器U1A的反向输入端与第一运算放大器U1A的输出端连接，通过U1A构成的低通滤波电路，能有效滤除高频噪声。

第四电阻R4及第五电阻R5依次串联在第一运算放大器U1A的输出端及第二运算放大器U1B的反向输入端之间，第五电容C5的第一端连接在第四电阻R4及第五电阻R5之间，第五电容C5的第二端接地。

第六电阻R6的第一端连接在第五电阻R5及第二运算放大器U1B的反向输入端之间，第六电阻R6的第二端连接在第二运算放大器U1B的输出端及第六电容C6之间，第六电容C6串联在第二运算放大器U1B的输出端及音频功率放大器TPA3123的RIN脚之间，通过U2B构成的前级放大电路，实现对信号的整理与调整。

第七电阻R7与第八电阻R8串联在正电压与地之间，正电压为3.3V，第七电容C7并联在第八电阻R8两端，第九电阻R9的第一端及第十电阻R10的第一端均连接在第七电阻R7及第八电阻R8之间，第九电阻R9的第二端与第一运算放大器U1A的正向输入端连接，第十电阻R10的第二端与第二运算放大器U1B的正向输入端连接。通过本发明的滤波电路，能有效的滤除噪音。

如图5所示，本发明的网关内置太阳能管理模块、DC/DC、MCU、4G模块、无线通信模块、语音合成芯片、滤波电路及音频功率放大器，结构紧凑，体积小，适用于各种物联网组网应用场景。太阳能板通过充电管理模块为电池充电，DC/DC提供多种输出电压为系统供电，MCU一方面通过4G模块与服务器建立TCP/IP连接，另一方面通过无线通信模块与终端设备进行数据交换，终端设备包括无线通讯传感器及现场执行设备，无线通讯传感器包括空气温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器、土壤温湿度传感器、土壤PH传感器及土壤盐分传感器；现场执行设备包括风机、照明装置、加热装置、湿帘、卷膜及喷水装置。网关工作时，MCU通过无线通信模块轮训分布在应用现场各个点位的无线通讯传感器，获得现场的各种传感器数据，并通过4G模块传输到布设在服务器上的云平台，同时，用户可以通过访问云平台远程控制现场执行设备，具体过程为，云平台收到用户的操作指令后通过4G网络将操作指令发送到网关的MCU上，MCU解析接收到的操作指令并通过无线通信模块发送到分布在现场各点位的执行设备的无线控制器上，完成对设备的控制,实现现场无线节点与服务器的数据交换。同时MCU将采集到的数据及数据异常告警等通过语音合成芯片合成为音频信号，再通过滤波电路滤波，经过音频功率放大器输出到现场的扬声器中，让现场的工作人员在一定范围能都能收听到现场的各种信息，能有效的提高工作效率，同时所有操作记录都将存储到SD卡中，以备查看。

如图6所示，一种基于农业物联网的网关控制方法，包括以下步骤：

S1.中央处理器通过第一通信模块与服务器建立TCP/IP连接直至连接成功，向服务器注册，直至注册成功。

S2.中央处理器接收并解析服务器发送的指令并通过第二通信模块将解析后的指令发送至终端设备。

S3.中央处理器接收服务器发送的心跳信号并判断连接是否正常，若连接正常，执行S4，否则，执行S3；心跳信号收发具体过程为，服务器每隔一定时间间隔向中央处理器发送一个数据包，中央处理器接收到数据包后向服务器发送一个反馈信号，服务器通过判断是否接收到中央处理器发送的反馈信号来判断是否和中央处理器保持连接；同时，中央处理器每隔一定时间间隔向服务器发送一个数据包，服务器接收到数据包后向中央处理器发送一个反馈信号，中央处理器通过判断是否接收到该反馈信号来判断是否和服务器保持连接。

S4.中央处理器接收终端设备发送的反馈数据并存储在SD卡中，同时判断是否与服务器保持连接，直至中央处理器判断与服务器保持连接，将反馈数据发送至服务器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于农业物联网的网关，用于物联网终端设备与服务器之间的通信协议转换，实现终端设备与服务器之间的数据交换，其特征在于，包括中央处理器、电源模块、第一通信模块、第二通信模块及语音模块，所述语音模块包括语音合成单元及音频放大单元，所述第一通信模块及第二通信模块分别与所述中央处理器连接，中央处理器的输出端与所述语音合成单元的输入端连接，语音合成单元的输出端与所述音频放大单元的输入端连接；所述中央处理器通过所述第一通信模块与所述服务器通信连接，中央处理器通过所述第二通信模块与所述终端设备通信连接；所述电源模块分别与所述中央处理器、第一通信模块、第二通信模块及语音模块连接，用于为网关提供工作电压；

所述中央处理器用于接收并解析所述服务器发送的指令，并将解析后的指令发送至所述终端设备；

所述中央处理器还用于接收所述终端设备反馈的数据并将接收到的数据发送至所述服务器。

2.根据权利要求1所述的一种基于农业物联网的网关，其特征在于，所述电源模块包括蓄电池、太阳能板、太阳能管理模块及DC/DC，所述蓄电池通过所述太阳能管理模块与所述太阳能板连接，蓄电池通过DC/DC与所述中央处理器、第一通信模块、第二通信模块、语音合成单元及音频放大单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于农业物联网的网关，其特征在于，所述第一通信模块为4G模块，所述第二通信模块为无线通信模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于农业物联网的网关，其特征在于，所述网关还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述中央处理器连接，蓝牙模块用于与用户的移动终端匹配，用户通过移动终端访问中央处理器，对中央处理器进行参数配置。

5.根据权利要求1所述的一种基于农业物联网的网关，其特征在于，所述语音模块还包括滤波电路，所述语音合成单元的输出端与所述滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与所述音频放大单元的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于农业物联网的网关，其特征在于，所述语音合成单元为语音合成芯片，所述音频放大单元为音频功率放大器。

7.根据权利要求6所述的一种基于农业物联网的网关，其特征在于，所述滤波电路包括第一电阻～第十电阻、第一～第七电容、第一运算放大器及第二运算放大器，所述第一电阻的第一端与所述语音合成芯片的音频输出端连接，第一电阻的第二端接地；

所述第二电容、第二电阻及第三电阻依次串联在所述第一电阻第一端及所述第一运算放大器的正向输入端之间，所述第一电容的第一端连接在第一电阻第一端及第二电容之间，第一电容第二端与第一电阻第二端连接，所述第三电容的第一端连接在第三电阻及第一运算放大器的正向输入端之间，第三电容的第二端接地；所述第四电容的第一端连接在所述第二电阻及所述第三电阻之间，第四电容的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的反向输入端与第一运算放大器的输出端连接；

所述第四电阻及第五电阻依次串联在所述第一运算放大器的输出端及所述第二运算放大器的反向输入端之间，所述第五电容的第一端连接在第四电阻及第五电阻之间，第五电容的第二端接地；

所述第六电阻的第一端连接在所述第五电阻及所述第二运算放大器的反向输入端之间，第六电阻的第二端连接在第二运算放大器的输出端及所述第六电容之间，第六电容串联在第二运算放大器的输出端及所述音频功率放大器的音频输入端之间；

所述第七电阻与所述第八电阻串联在正电压与地之间，所述第七电容并联在所述第八电阻两端，所述第九电阻的第一端及所述第十电阻的第一端均连接在第七电阻及第八电阻之间，第九电阻的第二端与所述第一运算放大器的正向输入端连接，第十电阻的第二端与所述第二运算放大器的正向输入端连接。

8.一种基于农业物联网的网关控制方法，应用于如权利要求1～7任意一项所述的一种基于农业物联网的网关，其特征在于，包括以下步骤：

S1.所述中央处理器通过所述第一通信模块与所述服务器建立连接并进行注册；

S2.所述中央处理器接收并解析所述服务器发送的指令并通过所述第二通信模块将解析后的指令发送至所述终端设备；

S3.所述中央处理器接收所述服务器发送的心跳信号并判断连接是否正常，若连接正常，执行S4，否则，执行S3；

S4.所述中央处理器接收所述终端设备发送的反馈数据并将所述反馈数据发送至所述服务器。