原標題：基于ZigBee網絡的農業物聯網管理系統設計方案

基于ZigBee網絡+STM32F103ZET6單片機+CC2430模塊+SIM900A-GPRS模塊的農業物聯網管理系統設計方案

一、系統總體架構設計

農業物聯網管理系統通過無線傳感器網絡、數據采集終端與遠程通信模塊的協同工作，實現農田環境參數的實時監測與設備控制。本方案采用ZigBee網絡作為底層通信協議，STM32F103ZET6單片機作為核心控制器，CC2430模塊作為ZigBee無線節點，SIM900A-GPRS模塊作為遠程通信接口，構建完整的農業物聯網架構。

1.1 系統功能需求

1. 環境參數采集：實時監測土壤溫濕度、光照強度、CO?濃度、空氣溫濕度等關鍵參數。

2. 設備控制：支持灌溉水泵、風機、遮陽簾等設備的遠程控制。

3. 數據傳輸：通過ZigBee網絡實現傳感器節點與網關的短距離通信，通過GPRS實現網關與云平臺的遠程通信。

4. 異常報警：當環境參數超出閾值時，觸發聲光報警并通過短信通知用戶。

5. 低功耗設計：確保傳感器節點在電池供電下持續工作6個月以上。

1.2 系統架構分層

1. 感知層：由CC2430模塊與傳感器組成，負責數據采集與無線傳輸。

2. 網絡層：基于ZigBee協議實現傳感器節點與網關的組網通信。

3. 傳輸層：通過SIM900A-GPRS模塊將數據上傳至云平臺。

4. 應用層：用戶通過PC端或移動端APP查看數據并控制設備。

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內核，主頻72MHz，支持多種低功耗模式，適合農業物聯網場景。

• 大容量存儲：512KB Flash與64KB SRAM，滿足復雜算法與數據存儲需求。

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

• 工業級可靠性：工作溫度范圍-40℃至+85℃，適應農田惡劣環境。

功能描述：

• 作為系統主控單元，負責數據處理、協議轉換與設備控制。

• 通過UART接口與CC2430模塊通信，接收ZigBee網絡數據。

• 通過SIM900A模塊實現GPRS數據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內核、128KB Flash與8KB RAM，支持ZigBee協議棧運行。

• 低功耗設計：休眠模式電流僅0.9μA，滿足農業傳感器節點長續航需求。

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

• 開發支持完善：提供Z-Stack協議棧與IAR開發環境，降低開發難度。

功能描述：

• 作為ZigBee網絡節點，負責采集土壤溫濕度、光照強度等數據。

• 支持星型、樹型與網狀拓撲結構，擴展性強。

• 內置AES-128加密協處理器，保障數據傳輸安全性。

2.3 SIM900A-GPRS模塊

選型理由：

• 穩定通信能力：支持GPRS Class 10，理論速率85.6kbps，滿足農業數據傳輸需求。

• 低功耗特性：工作電流350mA，休眠電流僅2.5mA，延長設備續航。

• 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，適應不同地區運營商網絡。

功能描述：

• 實現網關與云平臺的遠程通信，支持TCP/IP協議。

• 支持短信功能，用于報警通知與遠程配置。

• 內置TCP/IP協議棧，簡化開發流程。

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調速。

三、硬件電路設計

3.1 電源模塊設計

• 輸入電壓：12V DC（太陽能電池板或市電適配器供電）。

• 穩壓電路：采用LM2596S-5.0將12V轉為5V，為STM32F103ZET6與CC2430供電。

• 低功耗LDO：采用AMS1117-3.3將5V轉為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三極管驅動，實現遠程開機。

• STATUS引腳連接至STM32的GPIO，用于監測模塊狀態。

3.4 執行器驅動電路

• 繼電器模塊：采用ULN2003驅動5V繼電器，控制水泵與風機的220V交流電源。

• PWM調速：通過STM32的TIM3通道輸出PWM信號，控制風機轉速。

四、軟件系統設計

4.1 底層驅動開發

1. STM32 HAL庫初始化：

• 配置系統時鐘為72MHz，啟用外設時鐘。

• 初始化GPIO、USART、I2C、SPI、TIM等外設。

2. CC2430驅動：

• 通過UART接收ZigBee網絡數據，解析為土壤溫濕度、光照強度等參數。

• 實現ZigBee節點入網、數據發送與接收功能。

3. SIM900A驅動：

• 通過AT指令控制GPRS連接，建立TCP/IP通信。

• 實現短信發送與接收功能，用于報警通知。

4.2 ZigBee網絡協議棧

網絡拓撲：采用網狀拓撲結構，支持節點自組網與路由轉發。

數據幀格式：

typedef struct {

uint8_t node_id;       // 節點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數據傳輸協議

數據上傳格式：

{

"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，將數據上傳至阿里云IoT平臺。

4.4 設備控制邏輯

• 閾值判斷：

• 遠程控制：通過云平臺下發指令，解析后控制執行器。

五、系統測試與優化

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。

2. 無線通信測試：

• ZigBee網絡：測試100米距離內的丟包率，確保低于1%。

• GPRS通信：測試不同運營商網絡下的數據上傳成功率，確保高于99%。

3. 設備控制測試：

• 模擬高溫、干旱場景，驗證風機與水泵的自動啟動邏輯。

5.2 性能優化

1. 低功耗優化：

• 傳感器節點：采用定時喚醒機制，每10分鐘采集一次數據，其余時間進入休眠模式。

• 網關：關閉未使用的外設時鐘，降低待機功耗。

2. 抗干擾設計：

• ZigBee網絡：采用跳頻技術與信道質量監測，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、結論

本方案通過STM32F103ZET6單片機、CC2430模塊與SIM900A-GPRS模塊的協同工作，構建了低成本、低功耗、高可靠的農業物聯網管理系統。系統支持多參數實時監測、設備遠程控制與異常報警功能，適用于大棚種植、農田灌溉等場景。未來可進一步優化ZigBee網絡容量與GPRS數據壓縮算法，提升系統擴展性與傳輸效率。