1. 研究背景及目标和意义（第1章第1节）

1.1 研究背景（指明 为什么要做这个项目）

农作物生长的好坏与自然环境紧密相关，一般与土壤和空气的温度与湿度、空气中的CO2浓度、外界的光照强度等紧密相关。现代农业温室大棚是让农作物生长在可控环境下的主要方式之一，可以有效地调控植物生长的环境要素，有利于农作物的生长。

在农业生产上，温室大棚的温度检测，传统方法都是采取分时，分区取样的人工方法，由于温室大棚占地面积比较大导致工作量大，可靠性差；检测目标也比较分散，测点较多，所以传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。在科技日新月异发展的当下，无线通信技术的发展使得温室测量采集更加准确，更简便。

农业温室大棚监测系统通过部署在大棚不同位置的农业传感器来采集农作物生长的环境数据，通过无线传感网络将数据传输至数据处理单元，再由上位机进行显示。系统以 ZigBee 无线传感网络为基础，集成了嵌入式技术、计算机技术、组态技术等，利用数据融合算法提高农业数据采集的精准性，通过大棚子区域的数据融合处理减少通信数据冗余。

设施农业的核心是对设施内部环境能够有效调控和营造适于生物生长发育及农产品贮藏保鲜的最佳环境条件。因此对设施农业环境自动监控系统设计与开发的研究具有重要的理论意义和应用价值。可以实现对作物生长环境的精确控制，促进农作物生长，提高农作物产量；可以提高蔬菜温室大棚控制的自动化水平。

1.2 国内外研究现状

1.3 研究的目标和意义（指明 这个项目应达到的效果）

设计的农业温室大棚监测系统通过部署在大棚不同位置的农业传感器来采集农作物生长的环境数据，通过无线传感网络将数据传输至数据处理单元，再由上位机进行显示。系统以 ZigBee无线传感网络为基础，集成了嵌入式技术、计算机技术、组态技术等，利用数据融合算法提高农业数据采集的精准性，通过大棚子区域的数据融合处理减少通信数据冗余。本系统可以实时监测农业温室大棚内的环境数据，提高现代农业大棚的管理水平。

2. 需求分析（系统总体方案设计第1节）

2.1 业务需求（系统应实现的功能）

  1. 温湿度监测：通过温湿度传感器采集大棚内部的温湿度数据，实现对大棚环境的监测和控制。
  2. 光照控制：利用光照传感器对大棚光照强度进行监测，通过智能控制光照灯，自动调整光照强度，提高作物生长质量和产量。
  3. 水分监测：通过水分传感器监测土壤湿度，及时反馈大棚内部的灌溉需求，实现智能灌溉控制，降低灌溉成本。
  4. 空气质量监测：利用二氧化碳、氧气、甲醛等传感器监测大棚内部的空气质量，提高作物生长环境的质量。
  5. 智能控制：通过ZigBee无线通信技术将传感器采集的数据传输到服务器进行分析处理，实现智能控制大棚内各项参数，优化大棚的作物种植效益。
  6. 实时监控：以系统节点和网关为基础，实现对大棚生产环境的远程监控，制定最佳的生产计划，并能够实现远程控制大棚内的设备。
  7. 报警预警：通过对环境参数的监控，当出现异常情况时，能够及时发出警报或者预警，并及时排除安全隐患，保证大棚的生产和安全。
  8. 数据管理：通过数据库对大棚的参数数据进行存储和管理，提供数据可视化分析报表，让用户轻松了解大棚生产的详情。
  9. 远程通信：远程通信功能是大棚监测系统的重要组成部分，可以通过APP或者浏览器等终端接入系统实现大棚生产环境的远程管理和控制。
  10. 系统安全：为保护大棚生产环境数据的安全，系统应具备完善的用户权限管理、数据备份、故障恢复等安全保障措施。

2.2 用户需求（不同用户对系统功能的需求）

  1. 农场主/经理：需要实时监测大棚内的环境参数，包括温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等，以便及时调整大棚内的空气流通、灌溉、施肥等设备的运行参数，保障作物正常生长。同时，还需要能够从系统中获取历史数据，并可视化展示，以便对作物生长周期进行相应的分析和优化。
  2. 大棚工作人员：需要能够从系统中主动或被动地获取相关数据，并根据系统提示或报警信息对大棚内的设备进行维护和调整，确保设备的正常运行并减少可能的故障。同时，还需要能够通过系统获取作物的生长情况和采收计划等。
  3. 经销商/销售商：需要通过系统了解作物的生长状况和产量信息，以便更好地实现产品的销售计划，同时还需要通过系统获取各个农场的生产情况和作物种类等具体信息。
  4. 科技人员：需要能够从系统中获取传感器数据，并进行二次开发和应用，例如通过模型预测分析，提供作物生长过程中可能出现的问题和应对方案。
  5. 相关政府部门：需要能够通过系统监测大棚内环境数据，实现监管作用，确保作物的生长环境符合国家的相关标准和要求，例如安全防范、减少农药污染等。
  6. 客户：客户可通过相关APP或平台，实时查询大棚生产情况，了解所购买的农产品生长过程，并保证其质量、安全等问题。
  7. 农民：对于自有农场的农民而言，需要能够通过系统获取作物的生长情况，并设置相应的策略以保障作物的安全生产和质量；对于无农场的农民而言，可通过平台了解线上农产品的生产情况、生长周期等，并在适当的时候及时进行采购，以保证食品的安全和质量。
  8. 其他相关人员：其他相关人员可能包括了解和关注农业现状的人员、住院医生、研究人员等，这些人需要通过系统获取相应的农业数据支持其专业的工作。
  9. 督导员/验货员：需要通过系统实时了解农产品的生长情况及认证信息，确保产品符合市场标准和政府规定，并且符合消费者的安全和健康需求。
  10. 投资方：需要通过系统实时监控投资农场的生产情况，及时了解相关数据以及风险预警信息，从而降低经营风险，保证投资的回报和生产的效益。

综上可知，不同用户对基于ZigBee的农业大棚监测系统的需求不尽相同，但是大致都包括对环境参数监测、生产把控、可视化展示、数据安全保障等等功能的需求。

2.3 感知层应用需求（感知层设备选取和功能要求）

2.3.1 主要硬件组成

边缘计算网关

  • Zigbee 无线 MCU：TI CC2530F256
  • USB转串口芯片：沁恒 CH340
  • （可选）WiFi 无线 MCU：乐鑫 ESP8266
  • （可选）NB-IoT模组：移动BC260Y-CN
  • （可选）默认NB-IoT SIM卡：中国移动NB-IoT专用卡cmnbiot，支持超低功耗模式

终端设备

  • Zigbee 无线 MCU：TI CC2530F256
  • USB转串口芯片：CH340
  • 环境温度与环境湿度二合一传感器：DHT11
  • 土壤湿度传感器：善学坊 TRSD-A1

  • 光照强度传感器：善学坊 GL5516

    2.3.2 主要技术参数

    ZigBee 无线通信

  • ZigBee 无线通信距离：空旷空间下相邻节点的通信距离约为200米，支持扩展至1000米以上

  • ZigBee 无线通信速率：240kb/s（理论值）
  • ZigBee 电磁波频率：2.4GHz
  • ZigBee 应用协议版本：ZigBee 3.0
  • ZigBee 核心协议版本：ZigBee 2007 Pro
  • ZigBee 无线通信时延：<= 1秒

WiFi 无线通信

  • WiFi 无线通信距离：空旷空间下的通信距离约为50米
  • 网关到云端的通信协议：MQTT

NB-IoT 无线通信

  • 移动网络：中国移动、中国联通或中国电信的NB-IoT网络；
  • 设备到云端服务器通信协议：MQTT
  • 通信速率：Single Tone: 25.5 (DL)/16.7 (UL) Multi Tone: 25.5 (DL)/62.5 (UL)

环境温度

  • 环境温度测量范围：0到50摄氏度
  • 环境温度测量误差：2摄氏度

环境湿度

  • 湿度测量范围：20%-95%（在环境温度为0到50摄氏度的条件下）
  • 湿度测量误差：5%

光照强度
基于ZigBee的农业大棚监测系统设计 - 图1
其他

  • 供电方式：电池供电或适配器供电

    2.3.3 云平台与移动端

    本系统支持对接阿里云IoT、华为云、腾讯云等第三方IoT云平台，以及自主研发的云端服务器。
    本方案拟采用以下平台方案之一：

  • 阿里云IoT云平台

  • 华为云IoT云服务
  • 腾讯云IoT云服务

  • 自主研发云平台

    2.3.4 附加说明

    相关开发工具

  • TI ZigBee官方开发工具：IAR

  • 编程器软件：IARSmartRF_Flash_Programmer-1.12.8
  • 串口调试助手

2.4 应用程序需求（面向用户的应用程序要求）

  1. 实时监测：能够实时监测温度、湿度、CO2浓度、光照强度等关键参数，并能随时更新监测数据；
  2. 报警机制：当监测到某些关键参数超出安全范围时，应该自动触发警报机制，同时能够及时通知相关人员处理；
  3. 数据存储：监测数据应该能够长期存储，并能够方便地查询和导出；
  4. 数据分析：系统能够对存储的数据进行分析，能够发现异常、预测可能出现的问题，并提出解决方案；
  5. 远程控制：能够通过应用程序对大棚的设备进行远程控制，比如控制灌溉、通风等；
  6. 多平台支持：能够支持多种平台，如手机、电脑、平板等，用户可以通过不同的设备来访问系统；
  7. 友好的用户界面：应该有简洁、直观、易于操作的用户界面，方便用户快速掌握系统的使用方法。
  8. 手机通知：当系统监测到参数有异常或者出现故障时，能够通过手机通知居民或者相关用户，并且通知的内容要简洁明了；
  9. 多级权限控制：应该采用多级权限控制机制，不同的用户具有不同的操作权限，确保数据和系统的安全性；
  10. 明确的数据报告：对于客户和消费者而言，系统应能够生成包含详细数据的报告，用户可以通过电子邮件或者App查看和下载报告；
  11. 数据安全性：需要保证系统的数据安全性，防止数据泄露或者被篡改，比如通过加密、签名等技术来保障隐私和数据的完整性；
  12. 节能保护环境：系统需要支持能源约束情况，在监测数据合理的情况下降低大棚资源和能源的使用，同时能够保护环境；
  13. 可扩展性：系统需要支持水平扩展和垂直扩展，能够根据需求增加或者减少设备或监测节点，同时提供相应的文档和说明；
  14. 数据云端备份：系统应该支持数据云端备份，以便让数据在多个节点间同步，保证数据可靠性和高有效性。

3. 可行性论证

随着城市化的加速，农村人口不断流失，农业生产面临越来越大的挑战。为了增加农业生产效率，提高农业产品的质量和数量，农业生产管理变得越来越重要。基于ZigBee的农业大棚监测系统可行性论证如下：
一、技术可行性
ZigBee技术具有低功耗、低成本、低数据传输速率等特点，适合在农业大棚监测系统中应用。系统可以使用ZigBee传感器网络，通过无线传输方式实现数据的采集、传输和监测。传感器可以监测大棚内气温、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数，同时采用机器学习算法对数据进行分析和预测，提高大棚管理效率。
二、经济可行性
农业大棚监测系统的建设和运维成本相对较低，尤其是使用ZigBee技术可以降低硬件成本。系统可以实现对大棚内环境参数的精准监测和管理，提高耕作效率，降低管理成本，同时也可以提高作物产量和质量，增加收益。因此，系统具有较好的经济可行性。
三、社会可行性
农业大棚监测系统可以提高农业生产效率和质量，帮助解决农产品供应不足的问题，同时为农民提供就业机会，促进农村经济发展。系统使用无线传输方式，可以保护环境，减少排放和浪费，有益于可持续发展。因此，系统具有优秀的社会可行性。
综上所述，基于ZigBee的农业大棚监测系统在技术、经济和社会可行性上都具有优势，可以为农业增效、增收、可持续发展做出贡献。

4. 方案设计（第2章第4节或第3章第2节）

4.1 系统的主要功能（基于前文的需求分析和可行性论证，本系统应具备以下功能）

系统总体架构包括环境感知层，传输层（接入层），处理层（云平台），应用层等。环境感知层通过各类传感器来采集大棚内农作物生长的光照强度、温湿度、二氧化碳浓度等环境数据信息，发送给终端节点。传输层（接入层）采用 ZigBee技术将数据发送到网关节点，再通过串口交给处理层（云平台），一方面负责接收传感网络的基础数据并对数据进行分析和处理，另一方面负责与应用层进行通信。监控层提供系统和用户之间的交流接口，负责对农业大棚信息进行显示，并接收用户指令。

4.2 系统总体架构设计（总体功能描述；总体结构图，4层：感知层，传输层（接入层），处理层（云平台），应用层；各层功能描述；）

4-1总体结构图

4.2.1 感知层

包括基于ZigBee的农业大棚监测系统的监测终端和 Zigbee 协调器设备。
监测终端：根据农业大棚的具体需求，选择不同类型的传感器，例如温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器等，以收集各种环境信息。监测终端可以通过与网关或ZigBee协调器进行通信，实现对环境参数的远程监测和数据采集。它可以实时地显示大棚的环境信息，并对大棚内环境参数的变化进行预警和提醒。
Zigbee 协调器：ZigBee网络中的核心设备，用于管理和控制其他设备。它负责处理接收和传输数据，并且可以与其他设备进行通信。ZigBee协调器还可以管理ZigBee网络的拓扑结构、路由选择和安全策略等。在农业大棚监测系统中，ZigBee协调器通常被安置在中心位置，同时连接着其他设备，例如温度传感器和湿度传感器等。它可以控制传感器节点与网关之间的数据流动，并确保数据的准确性和完整性，以便后续的数据处理和分析。

4.2.2 传输层（接入层）

主要实现ZigBee网络的搭建和数据传输的可靠性保证。传感器节点通过ZigBee模块将采集的数据发送到控制节点，控制节点通过ZigBee模块将控制指令发送到传感器节点，并将采集的数据和控制指令发送到协调器节点。协调器节点通过ZigBee模块将数据和指令传输到上位机或云平台进行处理和管理。为了保证数据传输的可靠性，在传输过程中采用了数据加密和校验机制，并且对于数据包的丢失和错误采用了重传机制和多路径机制。
基于ZigBee的农业大棚监测系统的通信模块，由ESP32C3构成，通过MQTT和UDP等协议与物联网平台通信，将感知层设备采集到的信息向物联网平台传输，同时接收平台服务器下发的各种指令，通过串口发送给微控制器,微控制器再作出相应的控制动作。

4.2.3 处理层（云平台）

处理层（汇聚与数据中心）。含物联网云平台腾讯云（云服务器）和应用服务器。主要负责设备接入、协议转换、数据实时分析和终端设备状态诊断等工作。数据终端发送数据到物联网平台,物联网平台再转发数据到应用服务器中，实现转发功能。
后续扩展使用自己搭建的云平台。

4.2.4 应用层

应用层。主要为数据信息管理管理平台,管理人员通过手机端或者PC端或小程序或微信公众号，对环境监测数据进行查看，并可以下发指令进行远程控制，以实现数据可视化，为用户决策提供信息。

提问：智慧农业国内外研究现状———————————————
V起来Bot说：
智慧农业是指利用信息技术手段和现代农业技术对农业生产、营销、管理等领域进行全方位的优化升级，达到全面提高农业生产效率、促进农产品质量安全、优化农业资源配置等目的。

国内研究现状：

我国在智慧农业领域取得了较大的进展和成果，政府对智慧农业给予高度政策支持，大力推进智慧农业发展。
国内智慧农业技术应用目前主要集中在农业信息化、设施农业、精准农业等领域。
中国农科院与华为合作开发的“智慧农业云”已经实现了从农业生产到销售的全链条覆盖，实现了对全球121个国家超过210个作物的全面监测。
我国企业在智慧农业领域也有较大的投入，华为、联想、海信等公司都积极布局智慧农业，推出了一系列的智慧农业解决方案。

国外研究现状：

  1. 美国、以色列、荷兰等发达国家在智慧农业领域的研究进展较为成熟，已经形成了完备的智慧农业模式和解决方案。

  2. 美国耕地数据公司（FarmLogs）、以色列的FruitSpec、荷兰的Eijkelkamp Agrisearch Equipment等企业在智慧农业领域领域取得了较为显著的成果，对于全球智慧农业发展起到了一定的推动作用。

  3. 以色列是智慧农业技术应用最广泛的国家之一，该国政府鼓励企业研究开发智慧农业技术，支持创业公司发展智慧农业企业。

总之，智慧农业在国内外都有着广泛的应用现状和研究进展，是现代农业发展的重要方向。