ZigBee-WiFi互融通信技術及農業大棚應用

江門職業技術學院 唐灝 梁羽翀 梁志恒 楊尚威 陳錦 邱睿

ZigBee-WiFi互融通信技術及農業大棚應用

江門職業技術學院 唐灝 梁羽翀 梁志恒 楊尚威 陳錦 邱睿

為滿足無線智能農業在種植中環境數據的收集和智能化區域管理設備的適應性，設計了一種基于cc2530和esp8266芯片的ZigBee-WiFi互融通信網關。該網關的設計同時兼具ZigBee的多點性、省電和WiFi的普遍性、適應性的優點。ZigBee-WiFi互融通信網關可以與ZigBee節點進行信息交換，再把各節點數據通過WiFi發送至用戶手機或PC端，以實時提供數據監測。

ZigBee；WiFi；無線傳感器網絡；精準農業；大數據

引言

傳統養殖場監控系統傳輸方式多是基于有線傳輸、藍牙或僅用ZigBee無線傳輸。有線傳輸成本高，布線復雜，不適應復雜環境；ZigBee無線傳輸成本低，組網輕松，多點組網，最多能組65000節點，功耗低，抗干擾強，但大多終端設備（如手機、電腦）沒有內置ZigBee通信硬件，廣泛適用性低；藍牙在智能設備普及性高、應用廣、成本低廉、產量大、使用方便，可實現點對點組網，但速度非常慢，距離信號受限；WiFi速度快，一對多連線，距離遠，大功率路由器可穿墻覆蓋百米，大部分終端設備內設WiFi通信模塊，因而廣泛適應性強。

農業生產基地往往距離城市較遠，供需雙方無法直接對接，這對于農業實現個性化生產與集約化生產相結合有較大的困難，而且農產品的生產需要對生長環境進行管理，溫度、濕度、二氧化碳濃度等條件都不同程度地影響著農作物的生長。管理好農業基地的生產是一項異常繁瑣的工作，農戶除了要具有一定的種植技術，還要隨時了解農作物的生長環境狀況。因此要求農業系統不僅要有智能化管理功能，還需要解決用戶農業生產過程中的設備通信問題，以保證農業生產效率和農產品質量安全。

本設計基于對現有智能農業種植的生產狀況及設備的推廣，網關通信方式利用ZigBee-WiFi互融無線網絡技術，兼有ZigBee的優點，又融入WiFi技術解決了它的廣泛適用性低的問題，運用MuZi-Mulit Channel ZigBee（多通道ZigBee）通信機制算法避免了ZigBee和WiFi的信號干擾。實現了節點ZigBee無線系統的組網，可以為飼養場提供多地點、多對象的檢測，如溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度等，以達到健康農場的目的。而體現新時代“互聯網+”的技術優勢在于結合WiFi的自組網性和普遍性，在增加或減少檢測終端時系統靈活性較大，同時還省去了繁瑣的有線系統布線對農場清潔性的損害。終端通過顯示器以及數據上傳到監控系統可以實時顯示并對用戶進行提示或警告。

1 網關的核心模塊介紹及設計

CC2530核心的通信模塊具有一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器。RF內核控制模擬無線模塊，提供穩定的ZigBee信號。另外，它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，這使其可以發出命令、讀取狀態、自動操作和確定無線設備事件的順序。無線設備還包括一個數據包過濾和地址識別模塊。

ESP8266支持無線802.11 b/g/n標準，具有STA/AP/STA+AP三種工作模式，內置TCP/IP協議棧，支持多路TCP Client連接，支持豐富的Socket AT指令，支持UART/GPIO數據通信接口，同時內置32位的MCU，可兼作應用處理器。網關當中由主控制器通過串口發送AT指令到ESP8266芯片來實現WiFi模塊的初始化、連接、網絡通信等。

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錯誤，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USB芯片過渡，同時方便在電腦上編程調試。

2 網關軟件設計

CC2530的ZigBee通信方式能根據節點地址進行精準點對多或點對點通信。系統首先由整合在網關上的ZigBee協調器創建一個始終處于監聽狀態的ZigBee廣播網絡，當ZigBee節點上電后自動搜索網絡并加入組網，組網成功后，節點開始收集農業環境數據并實時傳輸至ZigBee協調器，環境數據經過esp8266芯片的轉換，最后以WiFi的形式發送到上位機，實現智能農場的遠距離實時監控和區域管理的重要部分。流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

3 智能農業產品中的應用

現代農業的發展中，精準農業一直是一個熱門話題，也是現代農業的發展方向。其主要是由信息技術的支持，根據空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現代化農事操作技術與管理的系統。其中，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks,WSN）是當中重要的組成部分。

無線傳感器網絡是由大量靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者和云數據庫。

[1]尚興宏.無線傳感器網絡若干關鍵技術的研究[D].南京理工大學,2012.

[2]張賢達,保錚.通信信號處理[M].北京：國防工業出版社, 2000.