原标题：基于ZigBee网络的农业物联网管理系统设计方案

基于ZigBee网络+STM32F103ZET6单片机+CC2430模块+SIM900A-GPRS模块的农业物联网管理系统设计方案

一、系统总体架构设计

农业物联网管理系统通过无线传感器网络、数据采集终端与远程通信模块的协同工作，实现农田环境参数的实时监测与设备控制。本方案采用ZigBee网络作为底层通信协议，STM32F103ZET6单片机作为核心控制器，CC2430模块作为ZigBee无线节点，SIM900A-GPRS模块作为远程通信接口，构建完整的农业物联网架构。

1.1 系统功能需求

1. 环境参数采集：实时监测土壤温湿度、光照强度、CO₂浓度、空气温湿度等关键参数。

2. 设备控制：支持灌溉水泵、风机、遮阳帘等设备的远程控制。

3. 数据传输：通过ZigBee网络实现传感器节点与网关的短距离通信，通过GPRS实现网关与云平台的远程通信。

4. 异常报警：当环境参数超出阈值时，触发声光报警并通过短信通知用户。

5. 低功耗设计：确保传感器节点在电池供电下持续工作6个月以上。

1.2 系统架构分层

1. 感知层：由CC2430模块与传感器组成，负责数据采集与无线传输。

2. 网络层：基于ZigBee协议实现传感器节点与网关的组网通信。

3. 传输层：通过SIM900A-GPRS模块将数据上传至云平台。

4. 应用层：用户通过PC端或移动端APP查看数据并控制设备。

二、核心元器件选型与功能分析

2.1 STM32F103ZET6单片机

选型理由：

• 高性能与低功耗：基于ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，支持多种低功耗模式，适合农业物联网场景。

• 大容量存储：512KB Flash与64KB SRAM，满足复杂算法与数据存储需求。

• 丰富外设接口：提供3个SPI、2个I2C、5个USART接口，支持与CC2430、SIM900A模块无缝连接。

• 工业级可靠性：工作温度范围-40℃至+85℃，适应农田恶劣环境。

功能描述：

• 作为系统主控单元，负责数据处理、协议转换与设备控制。

• 通过UART接口与CC2430模块通信，接收ZigBee网络数据。

• 通过SIM900A模块实现GPRS数据传输与短信报警功能。

2.2 CC2430模块

选型理由：

• 高度集成：集成8051内核、128KB Flash与8KB RAM，支持ZigBee协议栈运行。

• 低功耗设计：休眠模式电流仅0.9μA，满足农业传感器节点长续航需求。

• 强抗干扰能力：采用2.4GHz DSSS射频技术，支持跳频与自动重传机制。

• 开发支持完善：提供Z-Stack协议栈与IAR开发环境，降低开发难度。

功能描述：

• 作为ZigBee网络节点，负责采集土壤温湿度、光照强度等数据。

• 支持星型、树型与网状拓扑结构，扩展性强。

• 内置AES-128加密协处理器，保障数据传输安全性。

2.3 SIM900A-GPRS模块

选型理由：

• 稳定通信能力：支持GPRS Class 10，理论速率85.6kbps，满足农业数据传输需求。

• 低功耗特性：工作电流350mA，休眠电流仅2.5mA，延长设备续航。

• 多接口支持：提供UART、SPI接口，与STM32F103ZET6无缝对接。

• 全球频段覆盖：支持850/900/1800/1900MHz，适应不同地区运营商网络。

功能描述：

• 实现网关与云平台的远程通信，支持TCP/IP协议。

• 支持短信功能，用于报警通知与远程配置。

• 内置TCP/IP协议栈，简化开发流程。

2.4 传感器选型

1. 土壤温湿度传感器：

• 型号：SHT31-DIS

• 功能：测量范围-40℃至+125℃，湿度0-100%RH，精度±2%RH。

• 接口：I2C通信，与STM32F103ZET6直接连接。

2. 光照强度传感器：

• 型号：BH1750FVI

• 功能：测量范围0-65535lx，分辨率1lx，I2C接口。

3. CO₂浓度传感器：

• 型号：MH-Z19B

• 功能：测量范围0-5000ppm，UART接口，支持自动校准。

2.5 执行器选型

1. 灌溉水泵：

• 型号：DC12V微型水泵

• 控制方式：通过STM32F103ZET6的GPIO引脚驱动继电器模块控制。

2. 风机：

• 型号：DC24V轴流风机

• 控制方式：同上，支持PWM调速。

三、硬件电路设计

3.1 电源模块设计

• 输入电压：12V DC（太阳能电池板或市电适配器供电）。

• 稳压电路：采用LM2596S-5.0将12V转为5V，为STM32F103ZET6与CC2430供电。

• 低功耗LDO：采用AMS1117-3.3将5V转为3.3V，为SIM900A模块供电。

• 电池备份：采用3.7V 18650锂电池与TP4056充电模块，保障断电时持续工作。

3.2 传感器接口电路

• SHT31-DIS：SCL与SDA引脚通过4.7kΩ上拉电阻连接至STM32的I2C接口。

• BH1750FVI：同上，共享I2C总线。

• MH-Z19B：TX与RX引脚连接至STM32的USART1接口。

3.3 无线通信模块接口

• CC2430：

• UART_TX与UART_RX连接至STM32的USART2接口。

• RESET引脚通过10kΩ上拉电阻连接至3.3V，并由STM32的GPIO引脚控制复位。

• SIM900A：

• UART_TX与UART_RX连接至STM32的USART3接口。

• PWRKEY引脚通过NPN三极管驱动，实现远程开机。

• STATUS引脚连接至STM32的GPIO，用于监测模块状态。

3.4 执行器驱动电路

• 继电器模块：采用ULN2003驱动5V继电器，控制水泵与风机的220V交流电源。

• PWM调速：通过STM32的TIM3通道输出PWM信号，控制风机转速。

四、软件系统设计

4.1 底层驱动开发

1. STM32 HAL库初始化：

• 配置系统时钟为72MHz，启用外设时钟。

• 初始化GPIO、USART、I2C、SPI、TIM等外设。

2. CC2430驱动：

• 通过UART接收ZigBee网络数据，解析为土壤温湿度、光照强度等参数。

• 实现ZigBee节点入网、数据发送与接收功能。

3. SIM900A驱动：

• 通过AT指令控制GPRS连接，建立TCP/IP通信。

• 实现短信发送与接收功能，用于报警通知。

4.2 ZigBee网络协议栈

网络拓扑：采用网状拓扑结构，支持节点自组网与路由转发。

数据帧格式：

typedef struct {

uint8_t node_id;       // 节点ID

float soil_temp;       // 土壤温度

float soil_humidity;   // 土壤湿度

uint16_t light;        // 光照强度

uint16_t co2;          // CO₂浓度

} ZigBee_Data_Frame;

4.3 GPRS数据传输协议

数据上传格式：

{

"device_id": "AGR001",

"timestamp": "2025-05-21T12:00:00Z",

"data": {

"soil_temp": 25.3,

"soil_humidity": 60.2,

"light": 12000,

"co2": 450

}

}

• 云平台接口：采用HTTP POST请求，将数据上传至阿里云IoT平台。

4.4 设备控制逻辑

• 阈值判断：

• 远程控制：通过云平台下发指令，解析后控制执行器。

五、系统测试与优化

5.1 功能测试

1. 传感器校准：

• 使用高精度仪器对比SHT31-DIS、BH1750FVI、MH-Z19B的测量值，误差控制在±2%以内。

2. 无线通信测试：

• ZigBee网络：测试100米距离内的丢包率，确保低于1%。

• GPRS通信：测试不同运营商网络下的数据上传成功率，确保高于99%。

3. 设备控制测试：

• 模拟高温、干旱场景，验证风机与水泵的自动启动逻辑。

5.2 性能优化

1. 低功耗优化：

• 传感器节点：采用定时唤醒机制，每10分钟采集一次数据，其余时间进入休眠模式。

• 网关：关闭未使用的外设时钟，降低待机功耗。

2. 抗干扰设计：

• ZigBee网络：采用跳频技术与信道质量监测，避开干扰频段。

• 电源电路：增加TVS二极管与磁珠，抑制浪涌与EMI干扰。

六、结论

本方案通过STM32F103ZET6单片机、CC2430模块与SIM900A-GPRS模块的协同工作，构建了低成本、低功耗、高可靠的农业物联网管理系统。系统支持多参数实时监测、设备远程控制与异常报警功能，适用于大棚种植、农田灌溉等场景。未来可进一步优化ZigBee网络容量与GPRS数据压缩算法，提升系统扩展性与传输效率。