基于ZigBee 和OneNET 的智慧农业系统

周沛仰

（苏州科技大学，215009，江苏苏州）

中国自古以来便是农业大国，中国的传统农业一直以其成熟的技术保持着巨大的产量，但也存在着许多问题，例如没有对化肥和水资源进行有效利用，对人力资源要求较高且高度依赖生产作业者技术水平。国家在近些年来多次提到要强化农业科技和装备支撑，通过建设智慧农业提高农业的质量、效益和竞争力，但由于智慧农业建设成本较高，操作复杂，需要操作人员具有足够的知识水平和一定的专业素养，这对于我国幅员辽阔、地势复杂、广大农民知识及经济水平参差不齐的情况而言，在推广普及方面存在着较大的问题[1]。

本文基于ZigBee、无线传感器网络、OneNET 云平台等技术，并根据农业大棚的实际情况，设计了一套智慧农业大棚系统，将环境数据实时发送到用户手机上，用户可以根据数据完成远程调控，实现了精细化、现代化的农业种植。

1 OneNET 和ZigBee 技术

OneNET 平台是中国移动基于物联网产业打造的生态平台，具有数据安全存储、高效可用、丰富API 支持等特点。OneNET 平台可以适配各种网络环境和协议类型，现在支持的协议有LWM2M（NB-IOT）、EDP、MQTT、HTTP、MODBUS、JT808 等。用户可以根据不同的应用场景选择不同的接入协议。

ZigBee 无线通信技术是一项基于蜜蜂相互间联系的方式而研发的应用于互联网通信的新兴无线通信技术。与传统通信技术相比，ZigBee 具有更加高效且便捷的特点，基于其低功耗、低成本、低速率的特点[2]，ZigBee 技术在数据流量偏小的小型无线网络如温室大棚中尤为适用[3]。通过将无线传感器与传感节点相连，ZigBee 可以利用其自主组网、分布检测的特点，对温室大棚中的数据进行实时采集，并转化为数字信号，传递到监控中心。再将采集获得的数据与预先获取的最适于农作物生长的条件进行比较，通过ZigBee 网络将指令传输到控制节点，利用控制节点对水泵、风扇、卷膜机等进行打开、关闭或其他状态调节操作，以此来对大棚环境进行实时调节，以便为农作物的生长提供最佳环境，提高农作物质量和产量[4]。

2 系统架构

智慧农业大棚系统（如图1 所示）主要由ZigBee无线传感网络、PC 主机和OneNET 云平台组成。ZigBee 无线传感网络由ZigBee 终端和ZigBee 协调器构成，通过ZigBee 协调器与PC 主机进行通信。

图1 智慧农业系统架构

3 硬件部分

3.1 ZigBee 网络

ZigBee 网络一般分为三种拓扑结构，即星型网络、树状网络和网状网络。星型网络是一种最为简单的拓扑结构，只需要一个协调器节点和若干终端节点，该结构尽管存在着覆盖范围有限、无法同时处理大量数据的缺陷，但其构建简单，成本较低。树状网络有一个协调器节点和多个路由器节点，并可以拓展至更下级的路由器节点，实现更大范围的网络覆盖，但若一个节点出现故障就会导致其分支中的其余节点脱离。网状网络允许路由器节点之间的相互通信，数据流可以通过多种路径进行传输，因而不容易出现数据的阻塞问题，节点出现故障时也能保证网络稳定，但需要更多的网络资源。

基于农业大棚环境的实际需求，不需要同时进行大量数据流的通信，本系统选择采用星型网络结构，且因为其成本较低，更适用于智慧农业的推广，有利于普通个体种植户的接纳和采用。

3.2 硬件设计

ZigBee 终端和ZigBee 协调器选用CC2350 芯片，该芯片体积小巧，集成了加密、存储、无线收发等功能，具有8 kB 的RAM、256 kB 可编程闪存及强大的外设。其不仅具有良好的灵敏度和连接性能，而且得益于采用的休眠、唤醒和中断三种运行模式，因而功耗很低，具备成本低、开发简单、抗干扰能力强等特点。同时利用CC2350 芯片的RF 无线射频功能可以实现系统的自组网，进行数据的传输。

网关采用搭载了CC2350 芯片及WiFi 模块的STM32 芯片为核心，通过ZigBee 网络及WiFi 模块进行信息传输和网络通信。

温湿度传感器选用DHT11 传感器[5]，该传感器内部集成了1 个NTC 温度感测元件和1 个电阻式感湿元件，DHT11 传感器与单片机之间只需要一个I/O 口即可进行单总线通信[6]。

光照传感器选用TSL2561 传感器，其内部集成了光敏二极管、红外响应光敏二极管及积分式A/D转换器，具有功耗低、速度高、抗干扰能力强、性价比高等优点。

二氧化碳传感器选用CCS811 传感器，其基于CCS 的微加热板技术使电池续航时间得以延长，降低了成本。

智慧大棚内还装载有补光灯、遮光卷帘、灌溉系统和通风风扇等设备，通过ZigBee 终端和继电器控制。当夜晚或阴雨天光照不足时打开补光灯增强光照，光照过强时合上遮光卷帘，防止光合作用减弱或灼伤植物叶片。当棚内水分不足时打开灌溉水泵，通过滴灌的方式为植物补水，同时防止水资源过度浪费。大棚内空气流通不畅时开启通风风扇，防止二氧化碳含量过高抑制农作物呼吸作用，影响农作物产量。

4 软件部分

基于本系统选用的芯片为CC2530，因而选用配套的IAR 开发环境，可以直接使用Z-Stack 协议栈[7]进行开发，只需要调用API 接口函数就可以实现ZigBee 网络建立、设备初始化、终端节点数据采集等[8]。IAR Embedded Workbench 软件不需要硬件支持就可以模拟运行环境，在线进行程序调试，具有高度优先的编译功能。将Z-Stack 装载到IAR 开发环境的工程文件里，即可实现软件的编写工作，然后利用SmartRF04EB 仿真器将程序烧写到CC2530 芯片中。

系统基于MQTT 协议进行通信，该协议构建于TCP/IP 协议上，是一种为硬件性能低下的远程设备及网络状况糟糕的情况而设计的发布/订阅模式的轻量化通讯协议。MQTT 协议可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，具有简单、开放、易于实现和适用范围广等优点。

PC 端软件环境采用Microsoft Visual Studio 编写，手机APP 以Android Studio 作为开发平台。登录OneNET 官网，进入开发者中心界面，选择MQTT 物联网套件，点击添加产品，配置产品信息，添加设备及API key[9]。

5 结语

本文设计的基于ZigBee 和OneNET 的智慧农业系统可以实现对农业大棚的远程实时监测和调节控制，降低了人力资源投入，提高了大棚的生产效率。该系统可以外接控制设备进行环境调控或外接传感器进行环境数据采集，具有良好的拓展性。同时其低成本、易于操作的特点有利于普通个体种植户的接纳和采用，在一定程度上推动农业现代化的发展。