CN112118324A - 一种基于ZigBee模块的农业物联网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，主要包括客户端、云服务器端和设备端，设备端主要包括协调器—微控模块、路由器模块、终端—RS485模块、终端—传感器模块和终端—继电器模块；协调器—微控模块负责整个设备端所有模块的控制以及组建ZigBee网络；终端—传感器模块负责收集和发送传感器数据；终端—继电器模块负责控制继电器，从而控制执行单元；终端—RS485模块负责与采用RS485通讯协议的设备通讯，监控和控制这些设备；采用本套系统可以简单便捷搭建可扩展性强的农业物联网系统。

Description

一种基于ZigBee模块的农业物联网系统

技术领域

本发明属于农业物联网领域，具体涉及一种基于物联网的智能农业系统。

背景技术

我国的农业生产大多数还存在使用人工的方式直接进行，随着城镇化进程的发展，大量农村劳动力向城市转移，劳动力成本也在不断，将会导致农业生产成本的上升。

随着信息技术和电子技术的发展，“互联网+农业”、农业物联网、智慧农业在农业生产中得到了很好的应用，为农业产业的发展贡献了巨大的力量。应用ZigBee通讯技术，将ZigBee模块设计成传感器、继电器、RS485通讯、微控等模块，方便和各种设备连接，搭建一套完整的农业物联网，助力农业现代化实现。

发明内容

本发明专利的目的是针对现有基于ZigBee农业物联网技术不足，提供了一种可以简单便捷搭建基于ZigBee模块的可扩展性强的农业物联网系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，包括客户端、云服务器端和设备端。

所述客户端，用来实时监控和控制设备端，所述云服务器端，用来储存和中转设备端和客户端之间的信息。

所述设备端，包括协调器—微控模块、路由器模块、终端—RS485模块、终端—传感器模块和终端—继电器模块；所述协调器—微控模块，负责处理经云服务器端中转客户端发来的指令并控制相应的终端—RS485模块、终端—传感器模块、终端—继电器模块，完成相应的任务，同时，收集终端—传感器模块数据、终端—RS485模块信息、终端—继电器模块工作情况经云服务器端反馈给客户端，以及组建ZigBee网络；所述路由器模块负责ZigBee网络中协调器和终端间信息的中转；所述终端—RS485模块负责与采用RS485通讯协议的设备通讯，监控和控制这些设备；所述终端—传感器模块负责收集和发送传感器数据；所述终端—继电器模块负责控制继电器，从而控制执行单元。

进一步的，所述协调器—微控模块包括Wifi单元、USB转TTL单元、ZigBee—协调器单元、STM32微控单元、三档八脚开关a、三档八脚开关b、两档六脚开关。

所述STM32微控单元的作用是处理客户端发来的控制指令以及收集需要反馈给客户端的信息，开启两个串口，串口1能通过连接Wifi单元连接云服务器端，串口2通过连接ZigBee—协调器单元与设备端中其他模块进行组网与通讯，传递控制指令以及收集信息。

所述ZigBee—协调器单元，建立网状ZigBee网络，通过ZigBee路由器和ZigBee终端传递STM32微控单元的控制指令到设备端对应的模块，收集设备端对应模块的信息传递给STM32微控模块。

所述USB转TTL单元，能将Wifi单元、STM32微控单元、ZigBee—协调器单元的TTL串口信号与USB信号进行转换，从而可以使用电脑对这三个单元进行调试。

所述两档六脚开关有上、下两个档位，选择上档位时，能将USB转TTL单元同ZigBee—协调器单元或STM32微控单元串口2连接，选择下档位时，能将USB转TTL单元同Wifi单元或STM32微控单元串口1连接。

所述三档八脚开关a，有上、中、下三个档位，选择上档位，能将USB转TTL单元同STM32微控单元串口1连接，选择中档位，能将STM32微控单元串口1同Wifi单元连接，选择下档位，能将Wifi单元同USB转TTL单元连接。

所述三档八脚开关b，有上、中、下三个档位，选择上档位，能将USB转TTL单元同STM32微控单元串口2连接，选择中档位，能将STM32微控单元串口2同ZigBee—协调器单元连接，选择下档位，能将ZigBee—协调器单元同USB转TTL单元连接。

进一步的，所述终端—RS485模块包括ZigBee—终端单元、TTL转RS485单元。

所述TTL转RS485单元能将ZigBee—终端单元串口TTL信号与RS485信号相互转换从而控制与监控RS485通讯设备。

进一步的，所述终端—继电器模块包括ZigBee—终端单元、继电器单元，所述继电器单元，有四个或六个继电器构成，每个继电器都有一个ZigBee—终端单元中的一个I/O引脚控制，每个继电器可以控制一个执行单元的开启与关闭。

进一步的，所述终端—传感器模块，包括ZigBee—终端单元和模数转换—SPI通讯单元，作用是收集传感器数据通过ZigBee网络传递给ZigBee—协调器单元；通过普通I/O口可以直接连接数字信号输出传感器，获取传感器数据。

所述模数转换—SPI通讯单元能将模拟信号输出传感器的模拟信号转为数字信号，通过SPI串口传递给终端—传感器模块中的ZigBee—终端单元。

所述终端—传感器模块，能够同时采集8路传感器数字信号，4路传感器模拟信号。

进一步的，所述两档六脚开关，有1、2、3、4、5、6六个引脚以及上、下两个档位；所述三档八脚开关a和三档八脚开关b，各有1、2、3、4、5、6、7、8八个引脚以及上、中、下三个档位。

进一步的，所述两档六脚开关中1引脚和三档八脚开关b的4、8引脚相连，6引脚和三档八脚开关b的1、5引脚相连，3引脚和三档八脚开关a的1、5引脚相连，4引脚和三档八脚开关a的4、8引脚相连，2引脚接USB转TTL单元RXD引脚，5引脚接USB转TTL单元TXD引脚；

当选择上档位时，两档六脚开关中1和2引脚相连，6和5引脚相连；当选择下档位时，两档六脚开关中2和3引脚相连，5和4引脚相连。

进一步的，所述三档八脚开关a中2引脚接STM32微控单元串口1的TXD引脚，7引脚接STM32微控单元串口1的RXD引脚;3引脚接Wifi单元RXD引脚，6引脚接Wifi单元TXD引脚。

所述三档八脚开关b中2引脚接STM32微控单元串口2的RXD引脚，7引脚接STM32微控单元串口2的TXD引脚;3引脚接ZigBee—协调器单元TXD引脚，6引脚接ZigBee—协调器单元RXD引脚。

进一步的，所述三档八脚开关a和三档八脚开关b，当选择上档位，它们各自的1和2引脚相连，8和7引脚相连；当选择中档位时，它们各自的2和3引脚，7和6引脚相连；当选择下档位时，它们各自的3和4，6和5引脚相连。

本发明的有益效果在于。提供一套基于ZigBee模块的物联网系统，有客户端，设备端以及云服务器端，农户可以使用客户端控制和监控设备端的运行，在这个过程中，云服务器负责设备端与客户端之间信息的中转和存储。在设备端中，包括协调器—微控模块、路由器模块、终端—传感器模块、终端—继电器模块、终端—RS485模块。协调器—微控模块负责整个设备端所有模块的控制以及组建ZigBee网络。路由器模块负责ZigBee网络中协调器和终端间信息的传递。终端—传感器模块负责收集和发送传感器收集。终端—继电器模块负责控制继电器，从而控制执行单元。终端—RS485模块负责与采用RS485通讯协议的设备通讯，监控和控制这些设备。采用本套系统，可以非常简单，便捷地搭建农业物联网系统，同时这套系统还具有可扩展性的特点，对于复杂的农业物联网系统也能很好的应用。

附图说明

图1是本发明的客户端与设备端结构示意图。

图2是本发明的设备端结构示意图。

图3是本发明的协调器—微控模块结构示意图。

图4是本发明的终端—RS485模块结构示意图。

图5是本发明的终端—继电器模块结构示意图。

图6是本发明的终端—传感器模块的结构示意图。

图7是本发明两档六脚开关与三档八脚开关连线示意图。

图中：11-客户端，12-云服务器端，13-设备端，14-协调器—微控模块，15-路由器模块，16-终端—RS485模块，17-终端—传感器模块，18-终端—继电器模块，19-Wifi单元，110-三档八脚开关a，111-两档六脚开关，112-USB转TTL单元，113-三档八脚开关b，114-ZigBee—协调器单元，115-STM32微控单元，116-ZigBee—终端单元，117-TTL转RS485单元，118-RS485通讯设备，119-继电器单元，120-执行单元，121-数字信号输出传感器，122-模数转换—SPI通讯单元，123-模拟信号输出传感器。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下以本发明在果园喷灌系统应用为例，结合实施方式并配合附图予以说明。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，包括客户端11、云服务器端12、设备端13，农户可以使用客户端11对设备端13非常方便的进行控制可监控。客户端11可以是电脑软件，也可以是微信小程序，并且客户端11可以连接互联网。云服务器端12负责中转和存储客户端11和设备端13之间的信息。

请参阅图2，设备端13包括协调器—微控模块14、路由器模块15、终端—RS485模块16、终端—传感器模块17和终端—继电器模块18，每个模块都有一个ZigBee单元负责ZigBee设备之间物联网通讯，根据每种模块功能的不同会有不同的附属单元。终端—RS485模块16、终端—传感器模块17和终端—继电器模块18可以加入ZigBee—协调器单元114组建的ZigBee网状网络，通过随机连接路由器模块15最后连接ZigBee—协调器单元114。根据这些不同的模块，农户可以非常简单，便捷地搭建农业物联网系统，同时这套系统还具有可扩展性的特点，对于复杂的农业物联网系统也能很好的应用。

请参阅图3和图7，协调器—微控模块14包括Wifi单元19、三档八脚开关a110、两档六脚开关111、USB转TTL单元112、三档八脚开关b113、ZigBee—协调器单元114、STM32微控单元115。在正常工作时，三档八脚开关a110和三档八脚开关b113选择中档位，Wifi单元19和STM32微控单元115的串口1相连，ZigBee—协调器单元114和STM32微控单元115的串口2相连。当客户端11通过云服务器端12发来控制指令，协调器—微控模块14中的Wifi单元19可以连接互联网，接收来自云服务器端12发来的控制命令，并将接收到的控制指令通过串口传送给STM32微控单元115。STM32微控单元115，对控制命令进行分析，制定相应的任务，例如开启传感器、或者轮流开启相应的继电器，并将控制指令通过串口传送给ZigBee—协调器单元114。ZigBee—协调器单元114根据控制指令，给对应的ZigBee终端发送指令。类似的，ZigBee终端根据接收到的指令，开启不同的任务。如果是终端—传感器模块17，则开始收集传感器数据，并将收据通过ZigBee终端传送给协调器—微控模块14中的ZigBee—协调器单元114，之后ZigBee—协调器单元114将收集的信息通过串口传送给STM32微控单元115，STM32微控单元115对数据进行处理后通过串口发送给Wifi单元19，Wifi单元19将信息通过Wifi网络到达云服务器端12最后到达客户端11。

USB转TTL单元112可以将电脑发来的USB信号转为TTL信号从而可以对Wifi单元19、ZigBee—协调器单元114以及STM32微控单元115进行调控。在两档六脚开关111选择上档位和三档八脚开关b113选择上档位时，USB转TTL单元112与STM32微控单元115相连；在两档六脚开关111选择上档位时和三档八脚开关b113选择下档位时，USB转TTL单元112与ZigBee—协调器单元114相连。在两档六脚开关111选择下档位和三档八脚开关a110选择上档位时，USB转TTL单元112与STM32微控单元115相连；在两档六脚开关111选择下档位和三档八脚开关b113选择下档位时USB转TTL单元112与Wifi单元19相连。

请参阅图4，终端—RS485模块16包括ZigBee—终端单元116、TTL转RS485单元117，可以连接RS485通讯设备118。TTL转RS485单元117可以将RS485信号和TTL信号进行转换，以便不同的单元和设备能够通讯。在果园喷灌系统中，RS485通讯设备118可以是变频器、压力变送器、液位变送器、PLC控制器等设备。在终端—RS485模块16中的ZigBee—终端单元116可以作为一主多从RS485网络中的主机，变频器、压力变送器、液位变送器和PLC控制器则可以作为从机。主机可以向从机发送控制指令，也能每隔一定时间查询从机的运行参数，并将这些参数通过终端—RS485模块16等设备传到客户端11供农户监控从机运行状态。

请参阅图5，终端—继电器模块18包括ZigBee—终端单元116和继电器单元119，连接执行单元120。在果园喷灌系统中，连接执行单元120可以是电磁阀等执行件，当需要开启相应的支路进行喷灌时，则开启对应的电磁阀。每个终端—继电器模块18可以控制4个或者6个电磁阀的开启与关闭。

请参照图6，终端—传感器模块17包括ZigBee—终端单元116和模数转换—SPI通讯单元，数字信号输出传感器121直接与终端—传感器模块17中的ZigBee—终端单元116的普通引脚相连，模拟信号输出传感器123则需要经过模数转换—SPI通讯单元进行转换，通过SPI串口通讯将数据传给终端—传感器模块17中的ZigBee—终端单元116。在果园喷灌系统中，传感器可以是土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器等，每个终端—传感器模块17可以采集8路传感器数字信号，4路传感器模拟信号。

以上实施利用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域技术人员应当理解,凡在本发明的精神和原则之内,对本发明的技术方案所做的任何修改、等同替换或改进等,均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，包括客户端（11）、云服务器端（12）和设备端（13）；

所述客户端（11），用来实时监控和控制设备端（13），所述云服务器端（12），用来储存和中转设备端（13）和客户端（11）之间的信息；

所述设备端（13），包括协调器—微控模块（14）、路由器模块（15）、终端—RS485模块（16）、终端—传感器模块（17）和终端—继电器模块（18）；所述协调器—微控模块（14），负责处理经云服务器端（12）中转客户端（11）发来的指令并控制相应的终端—RS485模块（16）、终端—传感器模块（17）、终端—继电器模块（18），完成相应的任务，同时，收集终端—传感器模块（17）数据、终端—RS485模块（16）信息、终端—继电器模块（18）工作情况经云服务器端（12）反馈给客户端（11），以及组建ZigBee网络；所述路由器模块（15）负责ZigBee网络中协调器和终端间信息的中转；所述终端—RS485模块（16）负责与采用RS485通讯协议的设备通讯，监控和控制这些设备；所述终端—传感器模块（17）负责收集和发送传感器数据；所述终端—继电器模块（18）负责控制继电器，从而控制执行单元（120）。

2.根据权利要求1所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述协调器—微控模块（14）包括Wifi单元（19）、USB转TTL单元（112）、ZigBee—协调器单元（114）、STM32微控单元（115）、三档八脚开关a（110）、三档八脚开关b（113）、两档六脚开关（111）；

所述STM32微控单元（115）的作用是处理客户端（11）发来的控制指令以及收集需要反馈给客户端（11）的信息，开启两个串口，串口1能通过连接Wifi单元（19）连接云服务器端（12），串口2通过连接ZigBee—协调器单元（114）与设备端（13）中其他模块进行组网与通讯，传递控制指令以及收集信息；

所述ZigBee—协调器单元（114），建立网状ZigBee网络，通过ZigBee路由器和ZigBee终端传递STM32微控单元（115）的控制指令到设备端（13）对应的模块，收集设备端（13）对应模块的信息传递给STM32微控模块（115）；

所述USB转TTL单元（112），能将Wifi单元（19）、STM32微控单元（115）、ZigBee—协调器单元（114）的TTL串口信号与USB信号进行转换，从而可以使用电脑对这三个单元进行调试；

所述两档六脚开关（111）有上、下两个档位，选择上档位时，能将USB转TTL单元（112）同ZigBee—协调器单元（114）或STM32微控单元（115）串口2连接，选择下档位时，能将USB转TTL单元（112）同Wifi单元（19）或STM32微控单元（115）串口1连接；

所述三档八脚开关a（110），有上、中、下三个档位，选择上档位，能将USB转TTL单元（112）同STM32微控单元（115）串口1连接，选择中档位，能将STM32微控单元（115）串口1同Wifi单元（19）连接，选择下档位，能将Wifi单元（19）同USB转TTL单元（112）连接；

所述三档八脚开关b（113），有上、中、下三个档位，选择上档位，能将USB转TTL单元（112）同STM32微控单元（115）串口2连接，选择中档位，能将STM32微控单元（115）串口2同ZigBee—协调器单元（114）连接，选择下档位，能将ZigBee—协调器单元（114）同USB转TTL单元（112）连接。

3.根据权利要求1所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述终端—RS485模块（16）包括ZigBee—终端单元（116）、TTL转RS485单元（117）;

所述TTL转RS485单元（117）能将ZigBee—终端单元（116）串口TTL信号与RS485信号相互转换从而控制与监控RS485通讯设备（118）。

4.根据权利要求1所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述终端—继电器模块（18）包括ZigBee—终端单元（116）、继电器单元（119），所述继电器单元（119），有四个或六个继电器构成，每个继电器都有一个ZigBee—终端单元（116）中的一个I/O引脚控制，每个继电器可以控制一个执行单元（120）的开启与关闭。

5.根据权利要求1所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述终端—传感器模块（17），包括ZigBee—终端单元（116）和模数转换—SPI通讯单元（122），作用是收集传感器数据通过ZigBee网络传递给ZigBee—协调器单元（114）；通过普通I/O口可以直接连接数字信号输出传感器（121），获取传感器数据；

所述模数转换—SPI通讯单元（122）能将模拟信号输出传感器（123）的模拟信号转为数字信号，通过SPI串口传递给终端—传感器模块（17）中的ZigBee—终端单元（116）；

所述终端—传感器模块（17），能够同时采集8路传感器数字信号，4路传感器模拟信号。

6.根据权利要求2所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述两档六脚开关（111），有1、2、3、4、5、6六个引脚以及上、下两个档位；所述三档八脚开关a（110）和三档八脚开关b（113），各有1、2、3、4、5、6、7、8八个引脚以及上、中、下三个档位。

7.根据权利要求6所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述两档六脚开关（111）中1引脚和三档八脚开关b（113）4、8引脚相连，6引脚和三档八脚开关b（113）1、5引脚相连，3引脚和三档八脚开关a（110）1、5引脚相连，4引脚和三档八脚开关a（110）4、8引脚相连，2引脚接USB转TTL单元（112）RXD引脚，5引脚接USB转TTL单元（112）TXD引脚；

当选择上档位时，两档六脚开关（111）中1和2引脚相连，6和5引脚相连；当选择下档位时，两档六脚开关（111）中2和3引脚相连，5和4引脚相连。

8.根据权利要求6所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述三档八脚开关a（110）中2引脚接STM32微控单元（115）串口1的TXD引脚，7引脚接STM32微控单元（115）串口1的RXD引脚;3引脚接Wifi单元（19）RXD引脚，6引脚接Wifi单元（19）TXD引脚；

所述三档八脚开关b（113）中2引脚接STM32微控单元（115）串口2的RXD引脚，7引脚接STM32微控单元（115）串口2的TXD引脚;3引脚接ZigBee—协调器单元（114）TXD引脚，6引脚接ZigBee—协调器单元（114）RXD引脚。

9.根据权利要求6所述一种基于ZigBee模块的农业物联网系统，其特征在于：所述三档八脚开关a（110）和三档八脚开关b（113），当选择上档位，它们各自的1和2引脚相连，8和7引脚相连；当选择中档位时，它们各自的2和3引脚，7和6引脚相连；当选择下档位时，它们各自的3和4，6和5引脚相连。

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