ZigBee-WiFi互融通信技术及农业大棚应用

江门职业技术学院 唐灏 梁羽翀 梁志恒 杨尚威 陈锦 邱睿

ZigBee-WiFi互融通信技术及农业大棚应用

江门职业技术学院 唐灏 梁羽翀 梁志恒 杨尚威 陈锦 邱睿

为满足无线智能农业在种植中环境数据的收集和智能化区域管理设备的适应性，设计了一种基于cc2530和esp8266芯片的ZigBee-WiFi互融通信网关。该网关的设计同时兼具ZigBee的多点性、省电和WiFi的普遍性、适应性的优点。ZigBee-WiFi互融通信网关可以与ZigBee节点进行信息交换，再把各节点数据通过WiFi发送至用户手机或PC端，以实时提供数据监测。

ZigBee；WiFi；无线传感器网络；精准农业；大数据

引言

传统养殖场监控系统传输方式多是基于有线传输、蓝牙或仅用ZigBee无线传输。有线传输成本高，布线复杂，不适应复杂环境；ZigBee无线传输成本低，组网轻松，多点组网，最多能组65000节点，功耗低，抗干扰强，但大多终端设备（如手机、电脑）没有内置ZigBee通信硬件，广泛适用性低；蓝牙在智能设备普及性高、应用广、成本低廉、产量大、使用方便，可实现点对点组网，但速度非常慢，距离信号受限；WiFi速度快，一对多连线，距离远，大功率路由器可穿墙覆盖百米，大部分终端设备内设WiFi通信模块，因而广泛适应性强。

农业生产基地往往距离城市较远，供需双方无法直接对接，这对于农业实现个性化生产与集约化生产相结合有较大的困难，而且农产品的生产需要对生长环境进行管理，温度、湿度、二氧化碳浓度等条件都不同程度地影响着农作物的生长。管理好农业基地的生产是一项异常繁琐的工作，农户除了要具有一定的种植技术，还要随时了解农作物的生长环境状况。因此要求农业系统不仅要有智能化管理功能，还需要解决用户农业生产过程中的设备通信问题，以保证农业生产效率和农产品质量安全。

本设计基于对现有智能农业种植的生产状况及设备的推广，网关通信方式利用ZigBee-WiFi互融无线网络技术，兼有ZigBee的优点，又融入WiFi技术解决了它的广泛适用性低的问题，运用MuZi-Mulit Channel ZigBee（多通道ZigBee）通信机制算法避免了ZigBee和WiFi的信号干扰。实现了节点ZigBee无线系统的组网，可以为饲养场提供多地点、多对象的检测，如温度、湿度、光照强度、有害气体浓度等，以达到健康农场的目的。而体现新时代“互联网+”的技术优势在于结合WiFi的自组网性和普遍性，在增加或减少检测终端时系统灵活性较大，同时还省去了繁琐的有线系统布线对农场清洁性的损害。终端通过显示器以及数据上传到监控系统可以实时显示并对用户进行提示或警告。

1 网关的核心模块介绍及设计

CC2530核心的通信模块具有一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块，提供稳定的ZigBee信号。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使其可以发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。

ESP8266支持无线802.11 b/g/n标准，具有STA/AP/STA+AP三种工作模式，内置TCP/IP协议栈，支持多路TCP Client连接，支持丰富的Socket AT指令，支持UART/GPIO数据通信接口，同时内置32位的MCU，可兼作应用处理器。网关当中由主控制器通过串口发送AT指令到ESP8266芯片来实现WiFi模块的初始化、连接、网络通信等。

为防止电平的不匹配而造成芯片损坏或芯片对电平信号的识别出现错误，硬件连接上采取共3.3v电压和共地。CC2530与ESP8266之间用PL2303串口转USB芯片过渡，同时方便在电脑上编程调试。

2 网关软件设计

CC2530的ZigBee通信方式能根据节点地址进行精准点对多或点对点通信。系统首先由整合在网关上的ZigBee协调器创建一个始终处于监听状态的ZigBee广播网络，当ZigBee节点上电后自动搜索网络并加入组网，组网成功后，节点开始收集农业环境数据并实时传输至ZigBee协调器，环境数据经过esp8266芯片的转换，最后以WiFi的形式发送到上位机，实现智能农场的远距离实时监控和区域管理的重要部分。流程如图1所示。

图1 工作流程图

3 智能农业产品中的应用

现代农业的发展中，精准农业一直是一个热门话题，也是现代农业的发展方向。其主要是由信息技术的支持，根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。其中，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）是当中重要的组成部分。

无线传感器网络是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者和云数据库。

[1]尚兴宏.无线传感器网络若干关键技术的研究[D].南京理工大学,2012.

[2]张贤达,保铮.通信信号处理[M].北京：国防工业出版社, 2000.