基于ZigBee的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉思遠(yuǎn)++賈艷玲

摘要：為了實(shí)現(xiàn)豬場的規(guī)模化和節(jié)約化養(yǎng)殖，以CC2530模塊為核心，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先根據(jù)待采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選取SHT15等元件完成了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，其次討論了傳感器節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程，最終實(shí)現(xiàn)了由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶平臺(tái)等組成的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，對(duì)實(shí)施豬舍的環(huán)境監(jiān)測具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；豬舍；CC2530；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）16-4041-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.054

Design of Piggery Environment Monitoring System Based on ZigBee

LIU Si-yuana， JIA Yan-lingb

（a.Department of Development Planning and Discipline Construction； b. School of Physics & Electrical Information

Engineering/Ningxia Key Laboratory of Information Sensing & Intelligent Desert，Ningxia University， Yinchuan 750021，China）

Abstract：In order to realize large scale farming and conservation farming， with the CC2530 module as the core， a design scheme of the piggery environment monitoring system based on ZigBee is proposed. In the first place， the sensor nodes hardware design is completed by selecting SHT15 and other elements according to the characteristics of environment parameters， secondly， software processes of the sensor node and the sink node are discussed in details， finally， the environment monitoring system is carried out， which is constituted by the sensor node， the sink node， and the user platform. The system is stable， reliable and has certain reference value for the environment monitoring of piggery.

Key words： ZigBee； piggery； CC2530； monitoring system

豬肉是我國大多數(shù)城鄉(xiāng)居民餐桌上重要的動(dòng)物性食品之一。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，人們不僅對(duì)肉類的數(shù)量，更對(duì)其質(zhì)量提出了更高的要求，健康養(yǎng)殖的概念應(yīng)運(yùn)而生。健康養(yǎng)殖是指根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象的生物學(xué)特性，運(yùn)用生態(tài)學(xué)、營養(yǎng)學(xué)原理來指導(dǎo)養(yǎng)殖生產(chǎn)，即為養(yǎng)殖對(duì)象營造一個(gè)良好的、有利于快速生長的生態(tài)環(huán)境，提供充足的、全價(jià)營養(yǎng)的飼料，使其在生長發(fā)育期間最大限度減少疾病的發(fā)生，使生產(chǎn)的食用產(chǎn)品無污染、個(gè)體健康、肉質(zhì)鮮嫩、營養(yǎng)豐富與天然鮮品相當(dāng)[1]。對(duì)于商品豬而言，環(huán)境、品種、飼料和疾病構(gòu)成養(yǎng)豬生產(chǎn)的4大技術(shù)限制因素，其中環(huán)境因素占到20%～30%[2]，良好的養(yǎng)殖環(huán)境不僅可以使品種及飼料的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，更可以使生豬患病幾率大幅下降，提高豬肉品質(zhì)。為此，建立可實(shí)時(shí)對(duì)豬舍環(huán)境信息進(jìn)行采集與分析的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的豬舍環(huán)境監(jiān)測主要依靠養(yǎng)殖人員人工完成，一方面對(duì)環(huán)境信息采集實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、準(zhǔn)確性不高；另一方面消耗了大量的人力資源，增加了養(yǎng)殖成本。ZigBee技術(shù)是一種具有自組織、低復(fù)雜度、低成本和高可靠性的無線通信技術(shù)，在短程傳輸中有很好的優(yōu)勢[3]，已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、節(jié)水灌溉等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。本研究利用ZigBee技術(shù)，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，首先根據(jù)豬舍待采集環(huán)境信息特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其次對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了討論，實(shí)現(xiàn)了由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶管理平臺(tái)等組成的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

影響豬舍環(huán)境的因素主要有：溫度、濕度和氨氣、二氧化碳及硫化氫等。高溫和低溫都會(huì)降低飼料轉(zhuǎn)化率，成年豬在35 ℃高溫環(huán)境下，不僅會(huì)發(fā)生中暑，還會(huì)產(chǎn)生厭食癥狀，延長出欄時(shí)間，而其長時(shí)間在8 ℃低溫情況下，同樣會(huì)產(chǎn)生厭食、抖動(dòng)等癥狀，極大影響生長發(fā)育，且容易感染腹瀉性疾病，嚴(yán)重危害健康成長；而豬舍內(nèi)濕度過大，會(huì)使豬的成長速度減慢，引起很多疾病的產(chǎn)生；而氨氣等有害氣體是生豬呼吸道等疾病爆發(fā)的主要誘因之一[8]。因此，本研究設(shè)計(jì)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感器節(jié)點(diǎn)（負(fù)責(zé)采集溫度、濕度和氨氣濃度等數(shù)據(jù)）、匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶管理平臺(tái)等組成。

傳感器節(jié)點(diǎn)按照豬舍環(huán)境采集信息數(shù)據(jù)需求合理布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，所有節(jié)點(diǎn)均通過ZigBee協(xié)議以自組網(wǎng)方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，并將采集到的信息數(shù)據(jù)以多跳形式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS232串口與用戶管理平臺(tái)相連，管理平臺(tái)將收集到的信息數(shù)據(jù)保存到平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；用戶根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)操作，以保證良好的豬舍環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)能否準(zhǔn)確地采集到豬舍環(huán)境信息數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的性能有極大影響。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊（溫濕度、二氧化碳、氨氣及硫化氫模塊）、微處理器模塊、射頻模塊及電源模塊等組成，其硬件框架如圖2所示。

匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)相比，不包括傳感器模塊，不具有參數(shù)采集功能，通過RS232串口與用戶管理平臺(tái)相連，設(shè)計(jì)中匯聚節(jié)點(diǎn)微處理器模塊和射頻模塊所用元器件與傳感器模塊中所用元器件相同。

2.2 模塊元器件選擇

傳感器節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成單元，從系統(tǒng)成本及實(shí)用性角度考慮，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有成本低、體積小、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊選擇元器件如下：

1）傳感器模塊。該模塊包含有溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器和硫化氫傳感器。溫濕度傳感器選用由Sensirion推出的SHT15傳感器[9]，該數(shù)字溫濕度傳感器基于領(lǐng)先世界的CMOSens？誖技術(shù)，溫度測量范圍-40-+123 ℃，測量分辨率0.01 ℃，濕度RH測量范圍0～100%，測量分辨率0.03%，具有低能耗、抗干擾能力強(qiáng)及溫濕一體的特點(diǎn)，性價(jià)比高，可應(yīng)用于多種場合；二氧化碳傳感器選用MH-Z14[10]，該傳感器是氣體檢測技術(shù)與精密光路設(shè)計(jì)、精良電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合制作出的通用型紅外氣體傳感器，測量范圍0～10 000 mmol/L（有多個(gè)量程可供選擇），精確度為±50 mmol/L ±讀數(shù)5%，具有良好的選擇性、無氧氣依賴性、壽命長，其內(nèi)置溫度傳感器可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)具有數(shù)字輸出與模擬電壓輸出，方便使用；氨氣傳感器選用MQ137，該氣體傳感器對(duì)氨氣的靈敏度高，對(duì)其他有機(jī)胺（如三甲胺、乙醇胺等）的監(jiān)測也很理想，使用壽命長、成本低、驅(qū)動(dòng)電路簡單，是一款適合多種應(yīng)用的傳感器[11]；硫化氫傳感器選用ME4-H2S[12]，該氣體傳感器檢測范圍0～100 mmol/L，靈敏度0.70±0.15 μA/mmol·L，分辨率0.1 mmol/L，具有功耗低、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2）微處理器模塊。以ATMEL公司的ATmega128 L為核心，該款單片機(jī)工作電壓2.7～5.5 V，內(nèi)置有高性能、低功耗的AVR？誖R8位微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有8路10位ADC和2個(gè)可編程的串行USART接口，128 kb的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，多達(dá)64 kb的優(yōu)化外部存儲(chǔ)器空間，除正常操作模式外，還具有6種不同等級(jí)的低能耗操作模式[6]，可滿足節(jié)點(diǎn)低能耗要求。

3）射頻模塊。選用TI公司的CC2530，該款芯片含有高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核，具有極高接收靈敏度和抗干擾性能的，并適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，擁有8 kb SRAM，8路輸入8～14位ADC，具備各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力，只需極少的外接元件即可形成一個(gè)簡單的應(yīng)用系統(tǒng)[13]。同時(shí)，CC2530還具有主動(dòng)模式、供電模式等不同的運(yùn)行模式，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，進(jìn)一步確保了低能源消耗[14]，使其非常適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

4）電源模塊。采用連續(xù)供電與電池供電2種方式，避免頻繁更換，保證系統(tǒng)長期運(yùn)行，可有效降低系統(tǒng)能耗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要指匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)建立和啟動(dòng)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建成后允許傳感器節(jié)點(diǎn)加入，協(xié)調(diào)和管理網(wǎng)絡(luò)通信，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，接收傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的信息數(shù)據(jù)，并通過RS232串口發(fā)送到用戶平臺(tái)，流程如圖3所示。

為增加靈活性，傳感器節(jié)點(diǎn)采用網(wǎng)狀拓?fù)?，加入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)建立的網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)將各個(gè)傳感器所采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)（溫濕度、有害氣體濃度數(shù)據(jù)）通過RF射頻發(fā)送出去，流程如圖4所示。

4 小結(jié)

基于ZigBee技術(shù)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選用CC2530、SHT15等功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高的元器件完成了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，給出了匯聚節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)流程。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)的有效采集，性能穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

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