周沛仰

（蘇州科技大學(xué)，215009，江蘇蘇州）

中國自古以來便是農(nóng)業(yè)大國，中國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)一直以其成熟的技術(shù)保持著巨大的產(chǎn)量，但也存在著許多問題，例如沒有對(duì)化肥和水資源進(jìn)行有效利用，對(duì)人力資源要求較高且高度依賴生產(chǎn)作業(yè)者技術(shù)水平。國家在近些年來多次提到要強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，通過建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)提高農(nóng)業(yè)的質(zhì)量、效益和競爭力，但由于智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)成本較高，操作復(fù)雜，需要操作人員具有足夠的知識(shí)水平和一定的專業(yè)素養(yǎng)，這對(duì)于我國幅員遼闊、地勢復(fù)雜、廣大農(nóng)民知識(shí)及經(jīng)濟(jì)水平參差不齊的情況而言，在推廣普及方面存在著較大的問題[1]。

本文基于ZigBee、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、OneNET 云平臺(tái)等技術(shù)，并根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)，將環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶手機(jī)上，用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)完成遠(yuǎn)程調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化、現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)種植。

1 OneNET 和ZigBee 技術(shù)

OneNET 平臺(tái)是中國移動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)打造的生態(tài)平臺(tái)，具有數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)、高效可用、豐富API 支持等特點(diǎn)。OneNET 平臺(tái)可以適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，現(xiàn)在支持的協(xié)議有LWM2M（NB-IOT）、EDP、MQTT、HTTP、MODBUS、JT808 等。用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇不同的接入?yún)f(xié)議。

ZigBee 無線通信技術(shù)是一項(xiàng)基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式而研發(fā)的應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信的新興無線通信技術(shù)。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，ZigBee 具有更加高效且便捷的特點(diǎn)，基于其低功耗、低成本、低速率的特點(diǎn)[2]，ZigBee 技術(shù)在數(shù)據(jù)流量偏小的小型無線網(wǎng)絡(luò)如溫室大棚中尤為適用[3]。通過將無線傳感器與傳感節(jié)點(diǎn)相連，ZigBee 可以利用其自主組網(wǎng)、分布檢測的特點(diǎn)，對(duì)溫室大棚中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳遞到監(jiān)控中心。再將采集獲得的數(shù)據(jù)與預(yù)先獲取的最適于農(nóng)作物生長的條件進(jìn)行比較，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將指令傳輸?shù)娇刂乒?jié)點(diǎn)，利用控制節(jié)點(diǎn)對(duì)水泵、風(fēng)扇、卷膜機(jī)等進(jìn)行打開、關(guān)閉或其他狀態(tài)調(diào)節(jié)操作，以此來對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以便為農(nóng)作物的生長提供最佳環(huán)境，提高農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量[4]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)（如圖1 所示）主要由ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、PC 主機(jī)和OneNET 云平臺(tái)組成。ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)由ZigBee 終端和ZigBee 協(xié)調(diào)器構(gòu)成，通過ZigBee 協(xié)調(diào)器與PC 主機(jī)進(jìn)行通信。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)

3 硬件部分

3.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)一般分為三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)是一種最為簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只需要一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)盡管存在著覆蓋范圍有限、無法同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)的缺陷，但其構(gòu)建簡單，成本較低。樹狀網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，并可以拓展至更下級(jí)的路由器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，但若一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致其分支中的其余節(jié)點(diǎn)脫離。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許路由器節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，數(shù)據(jù)流可以通過多種路徑進(jìn)行傳輸，因而不容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)的阻塞問題，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)也能保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，但需要更多的網(wǎng)絡(luò)資源。

基于農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的實(shí)際需求，不需要同時(shí)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)流的通信，本系統(tǒng)選擇采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且因?yàn)槠涑杀据^低，更適用于智慧農(nóng)業(yè)的推廣，有利于普通個(gè)體種植戶的接納和采用。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

ZigBee 終端和ZigBee 協(xié)調(diào)器選用CC2350 芯片，該芯片體積小巧，集成了加密、存儲(chǔ)、無線收發(fā)等功能，具有8 kB 的RAM、256 kB 可編程閃存及強(qiáng)大的外設(shè)。其不僅具有良好的靈敏度和連接性能，而且得益于采用的休眠、喚醒和中斷三種運(yùn)行模式，因而功耗很低，具備成本低、開發(fā)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)利用CC2350 芯片的RF 無線射頻功能可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自組網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

網(wǎng)關(guān)采用搭載了CC2350 芯片及WiFi 模塊的STM32 芯片為核心，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)及WiFi 模塊進(jìn)行信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)通信。

溫濕度傳感器選用DHT11 傳感器[5]，該傳感器內(nèi)部集成了1 個(gè)NTC 溫度感測元件和1 個(gè)電阻式感濕元件，DHT11 傳感器與單片機(jī)之間只需要一個(gè)I/O 口即可進(jìn)行單總線通信[6]。

光照傳感器選用TSL2561 傳感器，其內(nèi)部集成了光敏二極管、紅外響應(yīng)光敏二極管及積分式A/D轉(zhuǎn)換器，具有功耗低、速度高、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

二氧化碳傳感器選用CCS811 傳感器，其基于CCS 的微加熱板技術(shù)使電池續(xù)航時(shí)間得以延長，降低了成本。

智慧大棚內(nèi)還裝載有補(bǔ)光燈、遮光卷簾、灌溉系統(tǒng)和通風(fēng)風(fēng)扇等設(shè)備，通過ZigBee 終端和繼電器控制。當(dāng)夜晚或陰雨天光照不足時(shí)打開補(bǔ)光燈增強(qiáng)光照，光照過強(qiáng)時(shí)合上遮光卷簾，防止光合作用減弱或灼傷植物葉片。當(dāng)棚內(nèi)水分不足時(shí)打開灌溉水泵，通過滴灌的方式為植物補(bǔ)水，同時(shí)防止水資源過度浪費(fèi)。大棚內(nèi)空氣流通不暢時(shí)開啟通風(fēng)風(fēng)扇，防止二氧化碳含量過高抑制農(nóng)作物呼吸作用，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。

4 軟件部分

基于本系統(tǒng)選用的芯片為CC2530，因而選用配套的IAR 開發(fā)環(huán)境，可以直接使用Z-Stack 協(xié)議棧[7]進(jìn)行開發(fā)，只需要調(diào)用API 接口函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)建立、設(shè)備初始化、終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集等[8]。IAR Embedded Workbench 軟件不需要硬件支持就可以模擬運(yùn)行環(huán)境，在線進(jìn)行程序調(diào)試，具有高度優(yōu)先的編譯功能。將Z-Stack 裝載到IAR 開發(fā)環(huán)境的工程文件里，即可實(shí)現(xiàn)軟件的編寫工作，然后利用SmartRF04EB 仿真器將程序燒寫到CC2530 芯片中。

系統(tǒng)基于MQTT 協(xié)議進(jìn)行通信，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP 協(xié)議上，是一種為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況而設(shè)計(jì)的發(fā)布/訂閱模式的輕量化通訊協(xié)議。MQTT 協(xié)議可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)，具有簡單、開放、易于實(shí)現(xiàn)和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

PC 端軟件環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 編寫，手機(jī)APP 以Android Studio 作為開發(fā)平臺(tái)。登錄OneNET 官網(wǎng)，進(jìn)入開發(fā)者中心界面，選擇MQTT 物聯(lián)網(wǎng)套件，點(diǎn)擊添加產(chǎn)品，配置產(chǎn)品信息，添加設(shè)備及API key[9]。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee 和OneNET 的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)控制，降低了人力資源投入，提高了大棚的生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)可以外接控制設(shè)備進(jìn)行環(huán)境調(diào)控或外接傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，具有良好的拓展性。同時(shí)其低成本、易于操作的特點(diǎn)有利于普通個(gè)體種植戶的接納和采用，在一定程度上推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。