江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 唐灝 梁羽翀 梁志恒 楊尚威 陳錦 邱睿

ZigBee-WiFi互融通信技術(shù)及農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)用

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 唐灝 梁羽翀 梁志恒 楊尚威 陳錦 邱睿

為滿足無線智能農(nóng)業(yè)在種植中環(huán)境數(shù)據(jù)的收集和智能化區(qū)域管理設(shè)備的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了一種基于cc2530和esp8266芯片的ZigBee-WiFi互融通信網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)同時(shí)兼具ZigBee的多點(diǎn)性、省電和WiFi的普遍性、適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)。ZigBee-WiFi互融通信網(wǎng)關(guān)可以與ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，再把各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送至用戶手機(jī)或PC端，以實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)監(jiān)測。

ZigBee；WiFi；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；大數(shù)據(jù)

引言

傳統(tǒng)養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)傳輸方式多是基于有線傳輸、藍(lán)牙或僅用ZigBee無線傳輸。有線傳輸成本高，布線復(fù)雜，不適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境；ZigBee無線傳輸成本低，組網(wǎng)輕松，多點(diǎn)組網(wǎng)，最多能組65000節(jié)點(diǎn)，功耗低，抗干擾強(qiáng)，但大多終端設(shè)備（如手機(jī)、電腦）沒有內(nèi)置ZigBee通信硬件，廣泛適用性低；藍(lán)牙在智能設(shè)備普及性高、應(yīng)用廣、成本低廉、產(chǎn)量大、使用方便，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)組網(wǎng)，但速度非常慢，距離信號受限；WiFi速度快，一對多連線，距離遠(yuǎn)，大功率路由器可穿墻覆蓋百米，大部分終端設(shè)備內(nèi)設(shè)WiFi通信模塊，因而廣泛適應(yīng)性強(qiáng)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地往往距離城市較遠(yuǎn)，供需雙方無法直接對接，這對于農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)與集約化生產(chǎn)相結(jié)合有較大的困難，而且農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要對生長環(huán)境進(jìn)行管理，溫度、濕度、二氧化碳濃度等條件都不同程度地影響著農(nóng)作物的生長。管理好農(nóng)業(yè)基地的生產(chǎn)是一項(xiàng)異常繁瑣的工作，農(nóng)戶除了要具有一定的種植技術(shù)，還要隨時(shí)了解農(nóng)作物的生長環(huán)境狀況。因此要求農(nóng)業(yè)系統(tǒng)不僅要有智能化管理功能，還需要解決用戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的設(shè)備通信問題，以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

本設(shè)計(jì)基于對現(xiàn)有智能農(nóng)業(yè)種植的生產(chǎn)狀況及設(shè)備的推廣，網(wǎng)關(guān)通信方式利用ZigBee-WiFi互融無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，兼有ZigBee的優(yōu)點(diǎn)，又融入WiFi技術(shù)解決了它的廣泛適用性低的問題，運(yùn)用MuZi-Mulit Channel ZigBee（多通道ZigBee）通信機(jī)制算法避免了ZigBee和WiFi的信號干擾。實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)ZigBee無線系統(tǒng)的組網(wǎng)，可以為飼養(yǎng)場提供多地點(diǎn)、多對象的檢測，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等，以達(dá)到健康農(nóng)場的目的。而體現(xiàn)新時(shí)代“互聯(lián)網(wǎng)+”的技術(shù)優(yōu)勢在于結(jié)合WiFi的自組網(wǎng)性和普遍性，在增加或減少檢測終端時(shí)系統(tǒng)靈活性較大，同時(shí)還省去了繁瑣的有線系統(tǒng)布線對農(nóng)場清潔性的損害。終端通過顯示器以及數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示并對用戶進(jìn)行提示或警告。

1 網(wǎng)關(guān)的核心模塊介紹及設(shè)計(jì)

CC2530核心的通信模塊具有一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器。RF內(nèi)核控制模擬無線模塊，提供穩(wěn)定的ZigBee信號。另外，它提供了MCU和無線設(shè)備之間的一個(gè)接口，這使其可以發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動操作和確定無線設(shè)備事件的順序。無線設(shè)備還包括一個(gè)數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。

ESP8266支持無線802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，具有STA/AP/STA+AP三種工作模式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接，支持豐富的Socket AT指令，支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口，同時(shí)內(nèi)置32位的MCU，可兼作應(yīng)用處理器。網(wǎng)關(guān)當(dāng)中由主控制器通過串口發(fā)送AT指令到ESP8266芯片來實(shí)現(xiàn)WiFi模塊的初始化、連接、網(wǎng)絡(luò)通信等。

為防止電平的不匹配而造成芯片損壞或芯片對電平信號的識別出現(xiàn)錯(cuò)誤，硬件連接上采取共3.3v電壓和共地。CC2530與ESP8266之間用PL2303串口轉(zhuǎn)USB芯片過渡，同時(shí)方便在電腦上編程調(diào)試。

2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

CC2530的ZigBee通信方式能根據(jù)節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行精準(zhǔn)點(diǎn)對多或點(diǎn)對點(diǎn)通信。系統(tǒng)首先由整合在網(wǎng)關(guān)上的ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)始終處于監(jiān)聽狀態(tài)的ZigBee廣播網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)ZigBee節(jié)點(diǎn)上電后自動搜索網(wǎng)絡(luò)并加入組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后，節(jié)點(diǎn)開始收集農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器，環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過esp8266芯片的轉(zhuǎn)換，最后以WiFi的形式發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)場的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控和區(qū)域管理的重要部分。流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

3 智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)一直是一個(gè)熱門話題，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。其主要是由信息技術(shù)的支持，根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSN）是當(dāng)中重要的組成部分。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者和云數(shù)據(jù)庫。

[1]尚興宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].南京理工大學(xué),2012.

[2]張賢達(dá),保錚.通信信號處理[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2000.