基于ZigBee與WiFi的植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李丹 王濤

摘要：隨著信息技術(shù)高速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村的普及應(yīng)用，數(shù)字農(nóng)業(yè)設(shè)備的研發(fā)逐漸成為農(nóng)業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱門研究領(lǐng)域。在此背景下，文章設(shè)計(jì)了一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物工廠環(huán)境精準(zhǔn)采集系統(tǒng)。文章闡述了以ZigBee-WiFi模塊為核心的系統(tǒng)功能總體結(jié)構(gòu)，闡述了以CC2530和ESP8266為核心元件的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了Z-stack協(xié)議棧和OneNET平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)調(diào)試與運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地采集植物工廠的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：植物工廠；ZigBee協(xié)議；WiFi協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP31中圖分類號(hào)? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

人類文明發(fā)展至今，最能體現(xiàn)智慧結(jié)晶的無(wú)疑是人們?yōu)樘嵘钏阶鞒龅呐ΑＲ磺邪l(fā)展都源于生活并服務(wù)于生活。中國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，雖然傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合取得了高產(chǎn)，但也面臨著許多挑戰(zhàn)。我國(guó)龐大的人口基數(shù)、遼闊的國(guó)土、復(fù)雜的山勢(shì)地形、參差不齊的農(nóng)業(yè)知識(shí)水平等，使得農(nóng)業(yè)發(fā)展不平衡。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入人們的生活。智能化、簡(jiǎn)單化、高效化逐漸成為新時(shí)代的主題，給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)的質(zhì)量，提升生產(chǎn)力和競(jìng)爭(zhēng)力已成為大勢(shì)所趨［1］。

植物工廠中作物正常生產(chǎn)的前提是擁有合適的生長(zhǎng)環(huán)境，環(huán)境的溫度、濕度和土壤pH等參數(shù)與作物生長(zhǎng)直接相關(guān)。目前，溫室中的溫度和濕度的測(cè)量和控制大多是由人工完成的，其缺點(diǎn)是測(cè)量和控制的準(zhǔn)確性差。因此，本文提出設(shè)計(jì)一種適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的植物工廠數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集系統(tǒng)。根據(jù)溫室的實(shí)際情況，相關(guān)人員采集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)端或服務(wù)器端，可根據(jù)數(shù)據(jù)的分析、顯示，對(duì)溫室進(jìn)行相關(guān)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［2］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在基于ZigBee與WiFi的植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集整體系統(tǒng)中，ZigBee-WiFi模塊為核心設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)來(lái)源。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)1至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)N負(fù)責(zé)完成植物工廠環(huán)境物理參數(shù)的采集工作，同時(shí)完成采集數(shù)據(jù)的清洗和濾除噪聲等初始數(shù)據(jù)處理的工作。初始處理的環(huán)境參數(shù)通過(guò)ZigBee協(xié)議的無(wú)線通信形式匯集到ZigBee-WiFi模塊。本地工作站可以實(shí)時(shí)查詢到N個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。ZigBee-WiFi模塊的WiFi部分將本地ZigBee協(xié)議匯集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Internet互聯(lián)網(wǎng)上。一方面，OneNET平臺(tái)可以查詢并存儲(chǔ)ZigBee采集的歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)可以完成環(huán)境參數(shù)的整理分析與圖形比對(duì)。另一方面，農(nóng)戶可以用手機(jī)App查詢當(dāng)前植物工廠的環(huán)境物理參數(shù)、作物的生長(zhǎng)情況［3］。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件核心采用兩款芯片。系統(tǒng)核心采用CC2530F256芯片作為ZigBee協(xié)議通信的數(shù)據(jù)處理芯片，采用ESP8266芯片作為WiFi協(xié)議通信數(shù)據(jù)處理芯片。

CC2530F256芯片外觀小巧、可編程、抗干擾能力強(qiáng)、連接穩(wěn)定，還具有8051的單周期內(nèi)核，可單周期訪問(wèn)主SRAM、特殊功能寄存器等，擁有很多強(qiáng)大外設(shè)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AES協(xié)處理器、USART等。不僅如此，CC2530F256的無(wú)線射頻模塊與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容，對(duì)數(shù)據(jù)包還有地址識(shí)別和過(guò)濾的功能［4］。

芯片可用于兩路串口通信，一路用于NBIOT、4G、WiFi和STM32，另外一路用于485、TTL。系統(tǒng)可采用5 V～24 V的電源為CC2530F256供電，也可以外接電池或者使用充電寶。CC2530F256不僅支持OLED 12864顯示屏、LCD液晶屏等顯示器，還支持多種傳感器，如溫濕度、超聲波、煙霧傳感器等，具備HX1838接收頭、5 mm紅外發(fā)射等紅外收發(fā)功能，支持SP3485工業(yè)通信等。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)提取、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和OneNET平臺(tái)搭建。

3.1 數(shù)據(jù)提取

系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來(lái)源是由若干ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集而完成。終端節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)打包成IEEE 802.15.4物理層幀的形式并發(fā)送給ZigBee-WiFi模塊。ZigBee-WiFi模塊收到終端發(fā)送的IEEE 802.15.4物理層幀后，會(huì)對(duì)其逐一處理，拆掉頭部和校驗(yàn)字段，獲得應(yīng)用層的數(shù)據(jù)［5］。

3.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

ZigBee-WiFi模塊與ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)都適用于Z-Stack協(xié)議棧+OSAL操作系統(tǒng)。模塊在獲得應(yīng)用層的數(shù)據(jù)后，將以AT指令的形式發(fā)送給ESP8266芯片，進(jìn)而完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)ESP8266在station模式下工作時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)AP連接Internet，并向平臺(tái)服務(wù)器上傳、下載數(shù)據(jù)包，通過(guò)Internet還可將信息發(fā)送給App，可對(duì)溫室的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在PC端同樣可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)芯片狀態(tài)并傳達(dá)指令。通過(guò)設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提醒。

3.3 OneNET平臺(tái)搭建

OneNET生態(tài)開(kāi)放云平臺(tái)是中國(guó)移動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展獨(dú)家打造的，平臺(tái)由于使用OneNET云平臺(tái)，大大降低了開(kāi)發(fā)難度。不僅如此，云平臺(tái)還對(duì)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性提供保護(hù)服務(wù)，為設(shè)備連接、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接收提供數(shù)據(jù)點(diǎn)、API接口。OneNET平臺(tái)能適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如HTTP和MQTT協(xié)議，還可適應(yīng)各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)，作為連接和數(shù)據(jù)傳輸中心。本系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議進(jìn)行通信。這是一種適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境糟糕、對(duì)硬件設(shè)備要求較低的通信協(xié)議。MQTT協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議，能用簡(jiǎn)短的代碼提供穩(wěn)定、可靠的信息服務(wù)，這樣可以使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔化、廣泛化［6］。

使用的具體流程為：進(jìn)入官網(wǎng)進(jìn)行信息注冊(cè)、選擇多協(xié)議接入、進(jìn)行添加產(chǎn)品、完善設(shè)備信息（接入MQTT協(xié)議，與代碼相對(duì)應(yīng)）、添加設(shè)備、硬件接入和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

在完成相關(guān)設(shè)置后，在對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)下，用戶將USART_Data_Send（）函數(shù)中集成的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到OneNET平臺(tái)。OneNET平臺(tái)會(huì)收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況。與此同時(shí)，當(dāng)Control_Execution（）執(zhí)行USART1_IRQhHand（）函數(shù)接收到的控制命令后，操作者就可對(duì)其發(fā)送相關(guān)命令，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備的功能。實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)還可以用扇形圖、折線圖、條狀圖等圖形的形式直觀地顯示。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在本單位工程研究中心的智能溫室大棚中運(yùn)行，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境參數(shù)每10 min進(jìn)行一次采集與運(yùn)算。整體系統(tǒng)運(yùn)行約1年的時(shí)間，數(shù)據(jù)采集效果良好。文章列舉了2022年4月14日與15日兩個(gè)不同時(shí)間段的光照度、土壤溫度和土壤濕度數(shù)據(jù)采集情況，如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee與WiFi通信為基礎(chǔ)的智能溫室數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee主控芯片CC2530與ESP8266網(wǎng)關(guān)芯片作為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，將單獨(dú)的一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的連接，可實(shí)現(xiàn)溫室的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)跟蹤。在數(shù)據(jù)異常情況下，系統(tǒng)通過(guò)PC端與App對(duì)溫室作出干預(yù)，使各項(xiàng)數(shù)據(jù)更加有利于植物生長(zhǎng)。同時(shí)，由節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境還可以通過(guò)MQTT協(xié)議上傳到OneNET平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理后，能在PC端與手機(jī)端查看更加系統(tǒng)化、科學(xué)化的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)專業(yè)化匯總、個(gè)性化顯示、逐一記錄后，使傳統(tǒng)的粗放生產(chǎn)變?yōu)榫?xì)農(nóng)作，進(jìn)一步拓展農(nóng)業(yè)功能、整合資源，建設(shè)融合生產(chǎn)、生態(tài)為一體的智能溫室大棚。

用戶使用手機(jī)可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)或者控制傳感器，通過(guò)ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)各種傳感器或者控制器的無(wú)線通信功能。ZigBee網(wǎng)關(guān)最主要的作用是將ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)、因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了融合通信，將各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、云服務(wù)器或手機(jī)服務(wù)器。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示基于OneNET云平臺(tái)，可通過(guò)云網(wǎng)關(guān)和App遠(yuǎn)程控制。它還可以在電腦和移動(dòng)設(shè)備上顯示和存儲(chǔ)來(lái)自多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，價(jià)格合理，使用方便，可以同時(shí)收集多個(gè)數(shù)據(jù)。該代碼很容易重復(fù)使用和移植，可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他數(shù)據(jù)收集項(xiàng)目。

基于ZigBee與WiFi的植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低勞動(dòng)成本，提高溫室生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)還具有高度的可擴(kuò)展性，因?yàn)樗梢赃B接外部控制器進(jìn)行環(huán)境管理和環(huán)境數(shù)據(jù)收集。同時(shí)，低成本和易于操作有利于普通農(nóng)民學(xué)習(xí)和掌握，有助于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王永超）

Design of plant factory environmental data acquisition system based on ZigBee and WiFi technology

Li? Dan， Wang? Tao

（Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）

Abstract：? With the rapid development of information technology and the popularization and application of Internet of Things technology in agriculture and rural areas， the research and development of digital agricultural equipment has gradually become a popular research field of agricultural informatization industry. In this context， this paper designs a plant factory environment accurate acquisition system based on agricultural Internet of Things. This paper describes the overall structure of the system function with ZigBee-WiFi module as the core. The hardware system structure with CC2530 and ESP8266 as the core components is described. Then the design structure of Z-stack protocol stack and OneNET platform is described. After debugging and running， the system designed in this paper can accurately and real-time collect the environmental parameter data of the plant factory.

Key words： plant factory; ZigBee protocol; WiFi protocol