基于ZigBee與WiFi的植物工廠環境數據采集系統設計

李丹 王濤

摘要：隨著信息技術高速發展和物聯網技術在農業農村的普及應用，數字農業設備的研發逐漸成為農業信息化產業關注的熱門研究領域。在此背景下，文章設計了一種基于農業物聯網的植物工廠環境精準采集系統。文章闡述了以ZigBee-WiFi模塊為核心的系統功能總體結構，闡述了以CC2530和ESP8266為核心元件的硬件系統結構，闡述了Z-stack協議棧和OneNET平臺的設計結構。經過調試與運行，本文設計的系統能夠準確地、實時地采集植物工廠的環境參數數據。

關鍵詞：植物工廠；ZigBee協議；WiFi協議

中圖分類號：TP31中圖分類號? 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

人類文明發展至今，最能體現智慧結晶的無疑是人們為提升生活水平作出的努力。一切發展都源于生活并服務于生活。中國是農業生產大國，雖然傳統農業與先進技術相結合取得了高產，但也面臨著許多挑戰。我國龐大的人口基數、遼闊的國土、復雜的山勢地形、參差不齊的農業知識水平等，使得農業發展不平衡。隨著社會經濟發展，物聯網已經深入人們的生活。智能化、簡單化、高效化逐漸成為新時代的主題，給農業發展帶來了新的契機。建設智慧農業，提高農業的質量，提升生產力和競爭力已成為大勢所趨［1］。

植物工廠中作物正常生產的前提是擁有合適的生長環境，環境的溫度、濕度和土壤pH等參數與作物生長直接相關。目前，溫室中的溫度和濕度的測量和控制大多是由人工完成的，其缺點是測量和控制的準確性差。因此，本文提出設計一種適應復雜環境的植物工廠數據精準采集系統。根據溫室的實際情況，相關人員采集各種實時數據，將環境數據傳輸到用戶手機端或服務器端，可根據數據的分析、顯示，對溫室進行相關控制，進而實現智能農業生產和現代化農業生產［2］。

1 系統整體設計

在基于ZigBee與WiFi的植物工廠環境數據采集整體系統中，ZigBee-WiFi模塊為核心設備，負責對異構網絡進行融合。ZigBee終端節點負責提供數據來源。系統整體設計如圖1所示。ZigBee終端節點1至ZigBee終端節點N負責完成植物工廠環境物理參數的采集工作，同時完成采集數據的清洗和濾除噪聲等初始數據處理的工作。初始處理的環境參數通過ZigBee協議的無線通信形式匯集到ZigBee-WiFi模塊。本地工作站可以實時查詢到N個ZigBee終端節點的采集數據，控制ZigBee網絡節點的工作狀態。ZigBee-WiFi模塊的WiFi部分將本地ZigBee協議匯集的數據轉發到Internet互聯網上。一方面，OneNET平臺可以查詢并存儲ZigBee采集的歷史數據，同時可以完成環境參數的整理分析與圖形比對。另一方面，農戶可以用手機App查詢當前植物工廠的環境物理參數、作物的生長情況［3］。

2 硬件系統設計

系統硬件核心采用兩款芯片。系統核心采用CC2530F256芯片作為ZigBee協議通信的數據處理芯片，采用ESP8266芯片作為WiFi協議通信數據處理芯片。

CC2530F256芯片外觀小巧、可編程、抗干擾能力強、連接穩定，還具有8051的單周期內核，可單周期訪問主SRAM、特殊功能寄存器等，擁有很多強大外設，如模數轉換器、AES協處理器、USART等。不僅如此，CC2530F256的無線射頻模塊與IEEE 802.15.4標準兼容，對數據包還有地址識別和過濾的功能［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紅外發射等紅外收發功能，支持SP3485工業通信等。

3 軟件系統設計

系統軟件主要實現的功能有數據提取、異構網絡融合和OneNET平臺搭建。

3.1 數據提取

系統的主要數據來源是由若干ZigBee終端節點采集而完成。終端節點收到數據后，將數據打包成IEEE 802.15.4物理層幀的形式并發送給ZigBee-WiFi模塊。ZigBee-WiFi模塊收到終端發送的IEEE 802.15.4物理層幀后，會對其逐一處理，拆掉頭部和校驗字段，獲得應用層的數據［5］。

3.2 異構網絡融合

ZigBee-WiFi模塊與ZigBee終端采集節點都適用于Z-Stack協議棧+OSAL操作系統。模塊在獲得應用層的數據后，將以AT指令的形式發送給ESP8266芯片，進而完成異構網絡之間協議數據的轉換。當ESP8266在station模式下工作時，系統可通過AP連接Internet，并向平臺服務器上傳、下載數據包，通過Internet還可將信息發送給App，可對溫室的環境進行實時監控，在PC端同樣可實現聯網檢測芯片狀態并傳達指令。通過設計，當發現異常時，系統會提醒。

3.3 OneNET平臺搭建

OneNET生態開放云平臺是中國移動基于物聯網發展獨家打造的，平臺由于使用OneNET云平臺，大大降低了開發難度。不僅如此，云平臺還對系統的功能和穩定性提供保護服務，為設備連接、設備管理、數據傳輸、數據接收提供數據點、API接口。OneNET平臺能適應各種網絡環境和網絡協議，如HTTP和MQTT協議，還可適應各種傳感器和通信網絡，作為連接和數據傳輸中心。本系統采用MQTT協議進行通信。這是一種適用于網絡環境糟糕、對硬件設備要求較低的通信協議。MQTT協議基于TCP/IP協議，能用簡短的代碼提供穩定、可靠的信息服務，這樣可以使系統更加簡潔化、廣泛化［6］。

使用的具體流程為：進入官網進行信息注冊、選擇多協議接入、進行添加產品、完善設備信息（接入MQTT協議，與代碼相對應）、添加設備、硬件接入和應用開發。

在完成相關設置后，在對應的設備狀態下，用戶將USART_Data_Send（）函數中集成的數據打包發送到OneNET平臺。OneNET平臺會收到實時數據情況。與此同時，當Control_Execution（）執行USART1_IRQhHand（）函數接收到的控制命令后，操作者就可對其發送相關命令，進而達到控制設備的功能。實時的數據還可以用扇形圖、折線圖、條狀圖等圖形的形式直觀地顯示。

本文設計的系統在本單位工程研究中心的智能溫室大棚中運行，系統對環境參數每10 min進行一次采集與運算。整體系統運行約1年的時間，數據采集效果良好。文章列舉了2022年4月14日與15日兩個不同時間段的光照度、土壤溫度和土壤濕度數據采集情況，如表1所示。

4 結語

伴隨智能農業的發展需求，本文設計了一種基于ZigBee與WiFi通信為基礎的智能溫室數據處理系統。系統采用ZigBee主控芯片CC2530與ESP8266網關芯片作為網關系統，將單獨的一個ZigBee節點作為數據源，實現各種數據采集。系統通過ZigBee網絡與物聯網的連接，可實現溫室的動態數據跟蹤。在數據異常情況下，系統通過PC端與App對溫室作出干預，使各項數據更加有利于植物生長。同時，由節點采集到的環境還可以通過MQTT協議上傳到OneNET平臺，通過數據處理后，能在PC端與手機端查看更加系統化、科學化的數據。系統將數據專業化匯總、個性化顯示、逐一記錄后，使傳統的粗放生產變為精細農作，進一步拓展農業功能、整合資源，建設融合生產、生態為一體的智能溫室大棚。

用戶使用手機可實時查看數據或者控制傳感器，通過ZigBee協議實現各種傳感器或者控制器的無線通信功能。ZigBee網關最主要的作用是將ZigBee網絡和以太網、因特網實現了融合通信，將各個ZigBee節點的信息傳輸到網絡服務器、云服務器或手機服務器。

該系統數據展示基于OneNET云平臺，可通過云網關和App遠程控制。它還可以在電腦和移動設備上顯示和存儲來自多個終端節點的數據。系統穩定、可靠，價格合理，使用方便，可以同時收集多個數據。該代碼很容易重復使用和移植，可以很容易地擴展到其他數據收集項目。

基于ZigBee與WiFi的植物工廠環境數據采集系統，可以對農業生產中的溫室進行實時遠程監控，降低勞動成本，提高溫室生產效率。該系統還具有高度的可擴展性，因為它可以連接外部控制器進行環境管理和環境數據收集。同時，低成本和易于操作有利于普通農民學習和掌握，有助于促進農業的現代化。

參考文獻

［1］閆浩然，張賀龍，王建強.基于物聯網的智能溫室大棚控制系統設計［J］.農機使用與維修，2022（6）：1-6.

［2］任玲，夏俊，翟旭軍，等.基于農業物聯網技術的智能溫室系統實現［J］.南方農機，2022（3）：5-10.

［3］胡開明，劉薇，付志堅.基于物聯網智能溫室大棚控制系統的設計［J］.自動化技術與應用，2021（10）：64-67.

［4］邢玲玲.基于物聯網的智能溫室大棚監控系統研究［J］.電子制作，2021（16）：26-29.

［5］劉雨娜，高春琦.基于物聯網的北方智能溫室番茄栽培的調控規程［J］.北方園藝，2020（2）：138-142.

［6］左志宇，譚潔，毛罕平，等.基于物聯網的微型植物工廠智能監控系統設計［J］.農機化研究，2019（11）：74-79.

（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