基于ZigBee与WiFi的植物工厂环境数据采集系统设计

李丹 王涛

摘要：随着信息技术高速发展和物联网技术在农业农村的普及应用，数字农业设备的研发逐渐成为农业信息化产业关注的热门研究领域。在此背景下，文章设计了一种基于农业物联网的植物工厂环境精准采集系统。文章阐述了以ZigBee-WiFi模块为核心的系统功能总体结构，阐述了以CC2530和ESP8266为核心元件的硬件系统结构，阐述了Z-stack协议栈和OneNET平台的设计结构。经过调试与运行，本文设计的系统能够准确地、实时地采集植物工厂的环境参数数据。

关键词：植物工厂；ZigBee协议；WiFi协议

中图分类号：TP31中图分类号  文献标志码：A文献标志码

0 引言

人类文明发展至今，最能体现智慧结晶的无疑是人们为提升生活水平作出的努力。一切发展都源于生活并服务于生活。中国是农业生产大国，虽然传统农业与先进技术相结合取得了高产，但也面临着许多挑战。我国庞大的人口基数、辽阔的国土、复杂的山势地形、参差不齐的农业知识水平等，使得农业发展不平衡。随着社会经济发展，物联网已经深入人们的生活。智能化、简单化、高效化逐渐成为新时代的主题，给农业发展带来了新的契机。建设智慧农业，提高农业的质量，提升生产力和竞争力已成为大势所趋［1］。

植物工厂中作物正常生产的前提是拥有合适的生长环境，环境的温度、湿度和土壤pH等参数与作物生长直接相关。目前，温室中的温度和湿度的测量和控制大多是由人工完成的，其缺点是测量和控制的準确性差。因此，本文提出设计一种适应复杂环境的植物工厂数据精准采集系统。根据温室的实际情况，相关人员采集各种实时数据，将环境数据传输到用户手机端或服务器端，可根据数据的分析、显示，对温室进行相关控制，进而实现智能农业生产和现代化农业生产［2］。

1 系统整体设计

在基于ZigBee与WiFi的植物工厂环境数据采集整体系统中，ZigBee-WiFi模块为核心设备，负责对异构网络进行融合。ZigBee终端节点负责提供数据来源。系统整体设计如图1所示。ZigBee终端节点1至ZigBee终端节点N负责完成植物工厂环境物理参数的采集工作，同时完成采集数据的清洗和滤除噪声等初始数据处理的工作。初始处理的环境参数通过ZigBee协议的无线通信形式汇集到ZigBee-WiFi模块。本地工作站可以实时查询到N个ZigBee终端节点的采集数据，控制ZigBee网络节点的工作状态。ZigBee-WiFi模块的WiFi部分将本地ZigBee协议汇集的数据转发到Internet互联网上。一方面，OneNET平台可以查询并存储ZigBee采集的历史数据，同时可以完成环境参数的整理分析与图形比对。另一方面，农户可以用手机App查询当前植物工厂的环境物理参数、作物的生长情况［3］。

2 硬件系统设计

系统硬件核心采用两款芯片。系统核心采用CC2530F256芯片作为ZigBee协议通信的数据处理芯片，采用ESP8266芯片作为WiFi协议通信数据处理芯片。

CC2530F256芯片外观小巧、可编程、抗干扰能力强、连接稳定，还具有8051的单周期内核，可单周期访问主SRAM、特殊功能寄存器等，拥有很多强大外设，如模数转换器、AES协处理器、USART等。不仅如此，CC2530F256的无线射频模块与IEEE 802.15.4标准兼容，对数据包还有地址识别和过滤的功能［4］。

芯片可用于两路串口通信，一路用于NBIOT、4G、WiFi和STM32，另外一路用于485、TTL。系统可采用5 V～24 V的电源为CC2530F256供电，也可以外接电池或者使用充电宝。CC2530F256不仅支持OLED 12864显示屏、LCD液晶屏等显示器，还支持多种传感器，如温湿度、超声波、烟雾传感器等，具备HX1838接收头、5 mm红外发射等红外收发功能，支持SP3485工业通信等。

3 软件系统设计

系统软件主要实现的功能有数据提取、异构网络融合和OneNET平台搭建。

3.1 数据提取

系统的主要数据来源是由若干ZigBee终端节点采集而完成。终端节点收到数据后，将数据打包成IEEE 802.15.4物理层帧的形式并发送给ZigBee-WiFi模块。ZigBee-WiFi模块收到终端发送的IEEE 802.15.4物理层帧后，会对其逐一处理，拆掉头部和校验字段，获得应用层的数据［5］。

3.2 异构网络融合

ZigBee-WiFi模块与ZigBee终端采集节点都适用于Z-Stack协议栈+OSAL操作系统。模块在获得应用层的数据后，将以AT指令的形式发送给ESP8266芯片，进而完成异构网络之间协议数据的转换。当ESP8266在station模式下工作时，系统可通过AP连接Internet，并向平台服务器上传、下载数据包，通过Internet还可将信息发送给App，可对温室的环境进行实时监控，在PC端同样可实现联网检测芯片状态并传达指令。通过设计，当发现异常时，系统会提醒。

3.3 OneNET平台搭建

OneNET生态开放云平台是中国移动基于物联网发展独家打造的，平台由于使用OneNET云平台，大大降低了开发难度。不仅如此，云平台还对系统的功能和稳定性提供保护服务，为设备连接、设备管理、数据传输、数据接收提供数据点、API接口。OneNET平台能适应各种网络环境和网络协议，如HTTP和MQTT协议，还可适应各种传感器和通信网络，作为连接和数据传输中心。本系统采用MQTT协议进行通信。这是一种适用于网络环境糟糕、对硬件设备要求较低的通信协议。MQTT协议基于TCP/IP协议，能用简短的代码提供稳定、可靠的信息服务，这样可以使系统更加简洁化、广泛化［6］。

使用的具體流程为：进入官网进行信息注册、选择多协议接入、进行添加产品、完善设备信息（接入MQTT协议，与代码相对应）、添加设备、硬件接入和应用开发。

在完成相关设置后，在对应的设备状态下，用户将USART_Data_Send（）函数中集成的数据打包发送到OneNET平台。OneNET平台会收到实时数据情况。与此同时，当Control_Execution（）执行USART1_IRQhHand（）函数接收到的控制命令后，操作者就可对其发送相关命令，进而达到控制设备的功能。实时的数据还可以用扇形图、折线图、条状图等图形的形式直观地显示。

本文设计的系统在本单位工程研究中心的智能温室大棚中运行，系统对环境参数每10 min进行一次采集与运算。整体系统运行约1年的时间，数据采集效果良好。文章列举了2022年4月14日与15日两个不同时间段的光照度、土壤温度和土壤湿度数据采集情况，如表1所示。

4 结语

伴随智能农业的发展需求，本文设计了一种基于ZigBee与WiFi通信为基础的智能温室数据处理系统。系统采用ZigBee主控芯片CC2530与ESP8266网关芯片作为网关系统，将单独的一个ZigBee节点作为数据源，实现各种数据采集。系统通过ZigBee网络与物联网的连接，可实现温室的动态数据跟踪。在数据异常情况下，系统通过PC端与App对温室作出干预，使各项数据更加有利于植物生长。同时，由节点采集到的环境还可以通过MQTT协议上传到OneNET平台，通过数据处理后，能在PC端与手机端查看更加系统化、科学化的数据。系统将数据专业化汇总、个性化显示、逐一记录后，使传统的粗放生产变为精细农作，进一步拓展农业功能、整合资源，建设融合生产、生态为一体的智能温室大棚。

用户使用手机可实时查看数据或者控制传感器，通过ZigBee协议实现各种传感器或者控制器的无线通信功能。ZigBee网关最主要的作用是将ZigBee网络和以太网、因特网实现了融合通信，将各个ZigBee节点的信息传输到网络服务器、云服务器或手机服务器。

该系统数据展示基于OneNET云平台，可通过云网关和App远程控制。它还可以在电脑和移动设备上显示和存储来自多个终端节点的数据。系统稳定、可靠，价格合理，使用方便，可以同时收集多个数据。该代码很容易重复使用和移植，可以很容易地扩展到其他数据收集项目。

基于ZigBee与WiFi的植物工厂环境数据采集系统，可以对农业生产中的温室进行实时远程监控，降低劳动成本，提高温室生产效率。该系统还具有高度的可扩展性，因为它可以连接外部控制器进行环境管理和环境数据收集。同时，低成本和易于操作有利于普通农民学习和掌握，有助于促进农业的现代化。

参考文献

［1］闫浩然，张贺龙，王建强.基于物联网的智能温室大棚控制系统设计［J］.农机使用与维修，2022（6）：1-6.

［2］任玲，夏俊，翟旭军，等.基于农业物联网技术的智能温室系统实现［J］.南方农机，2022（3）：5-10.

［3］胡开明，刘薇，付志坚.基于物联网智能温室大棚控制系统的设计［J］.自动化技术与应用，2021（10）：64-67.

［4］邢玲玲.基于物联网的智能温室大棚监控系统研究［J］.电子制作，2021（16）：26-29.

［5］刘雨娜，高春琦.基于物联网的北方智能温室番茄栽培的调控规程［J］.北方园艺，2020（2）：138-142.

［6］左志宇，谭洁，毛罕平，等.基于物联网的微型植物工厂智能监控系统设计［J］.农机化研究，2019（11）：74-79.

（编辑 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