基于ZigBee網(wǎng)絡的動物養(yǎng)殖環(huán)境溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)

馬國強+田云臣+馬吉飛+路寧+包蕊

摘 要：對集約化、智能化的養(yǎng)殖業(yè)來說，環(huán)境監(jiān)測十分關鍵，尤其是溫濕度，這是最基本的監(jiān)測指標。文中基于ZigBee無線自組織網(wǎng)絡和DHT11溫濕度傳感器設計和實現(xiàn)了動物養(yǎng)殖環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)，并采用B / S（ 瀏覽器/ 服務器） 模式，通過遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)的采集性能穩(wěn)定，可擴展至多類型傳感器，能應用于智能化養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)管理。

關鍵詞：動物養(yǎng)殖；物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測；B / S

中圖分類號：TP274.+ 4；S817.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-04

0 引 言

一切生命體賴以生存的環(huán)境中必不可少的元素除了合適的光照、水分、空氣、養(yǎng)料，還有環(huán)境的溫濕度。環(huán)境溫濕度對農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、氣象業(yè)、食品行業(yè)、工控行業(yè)等都有極其重要的影響[1]。

畜禽養(yǎng)殖是經(jīng)濟體中的一個重要組成部分，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖已成為畜禽養(yǎng)殖的趨勢[2，3]。

我國畜禽業(yè)正處在由規(guī)?；B(yǎng)殖向更加智能化養(yǎng)殖轉(zhuǎn)型的關鍵時期。在動物養(yǎng)殖過程中，尤其針對剛出生的動物，恒定的溫濕度指標是保證成活率的關鍵因素。因此，設計出一種能方便地為飼養(yǎng)員使用的溫濕度實時監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤其重要。故環(huán)境調(diào)控水平是決定動物養(yǎng)殖行業(yè)生產(chǎn)水平高低的重要因素之一[4]。一些大型養(yǎng)殖場配置了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC（ 可編程邏輯控制器） 作為現(xiàn)場監(jiān)控中心，采用有線方式分布設備[5，6]。其系統(tǒng)布線復雜，容易造成接觸不良等問題，導致維護困難且成本較高。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展與成熟，為精細農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問題提供了新的解決方案，并在精細管理農(nóng)業(yè)環(huán)境領域取得了很大的進展。精準管理農(nóng)業(yè)環(huán)境的技術在動物養(yǎng)殖領域的應用中也有了突破性進展。Soldatos A G、刁智華[7-11]等對設施環(huán)境的無線監(jiān)控系統(tǒng)信息采集做了研究；吳秋明[12]等基于物聯(lián)網(wǎng)的干旱區(qū)智能化微灌系統(tǒng)，設計并實現(xiàn)了棉花智能化微灌系統(tǒng)；W.S. Lee 等提出了傳感技術在農(nóng)作物精確種植中的應用，利用無線傳感技術精確采集農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)農(nóng)作物的精確管理[13]；韓華鋒等基于ZigBee技術設計了一套溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以精確采集溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)信息[14]。

本文在參考和借鑒相關研究的基礎上，提出了一種結(jié)合ZigBee無線自組網(wǎng)技術和溫濕度傳感器技術的動物養(yǎng)殖環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CC2530模塊作為ZigBee無線網(wǎng)的通信硬件，并在模塊上增加CC2591功率放大芯片，保證了有效通信距離和信號質(zhì)量；采用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)測環(huán)境的溫濕度參數(shù)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)體系，以HTML5為標準，開發(fā)網(wǎng)絡管理信息系統(tǒng)；遵循“胖服務器端、瘦客戶端”的原則，既最大化利用網(wǎng)絡服務器的運算和處理能力，又減少使用客戶端主機的存儲空間和運算資源。同時設計了智能化遠程監(jiān)測模型，為動物養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的智慧化提供了理論基礎，為下一步實現(xiàn)動物養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控的智能控制和科學決策打下基礎。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)的總體目標和設計指導思想

本系統(tǒng)定名為“動物養(yǎng)殖環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)”，系統(tǒng)功能的總體目標是利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過各種傳感器實時采集、監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，并實時存儲入數(shù)據(jù)庫文件中；利用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)遠程訪問系統(tǒng)的網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果；指導飼養(yǎng)員工作，使養(yǎng)殖環(huán)境達到最佳狀態(tài)，保障動物生長、發(fā)育的環(huán)境，實現(xiàn)科學養(yǎng)殖、提高效益的目標。

系統(tǒng)設計的指導思想是“技術先進，系統(tǒng)實用，結(jié)構(gòu)合理，產(chǎn)品主流，成本低易維護”。具體設計原則如下：

（1）可行性和適應性相統(tǒng)一。保證技術和經(jīng)濟上的可行性，保證使用上的適應性。做到有比較高的性能價格比。

（2）先進性和成熟性相統(tǒng)一。結(jié)合最新開發(fā)技術，采用先進的設計理念、技術、方法；采用技術成熟的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，不能做成試驗性系統(tǒng)?？紤]技術先進性和開放性的同時，還應從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術措施、設備性能、系統(tǒng)管理、廠商技術支持及維修能力等方面著手，采用成熟的產(chǎn)品，確保系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）標準性和開放性相統(tǒng)一。既要遵循已有的各級各類標準，又要兼顧系統(tǒng)功能日后不斷擴展的潛在需求，努力實現(xiàn)系統(tǒng)的標準性和開放性相統(tǒng)一。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)介紹

按照由下至上的順序?qū)⒄麄€系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應用層。感知層主要包括溫濕度傳感器以及相應的設備，用于采集現(xiàn)場的環(huán)境溫濕度信息參數(shù)，以字符串的形式輸出溫濕度值；傳輸層主要包括ZigBee網(wǎng)絡自組網(wǎng)設備，加電后自動組成ZigBee無線網(wǎng)，主要功能是將感知層的信息數(shù)據(jù)以空中電波為載體，傳輸?shù)綉脤釉O備（比如網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫服務器）；應用層主要包括連接互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡信息系統(tǒng)服務器，通過服務器端運行的腳本程序，讀取和分析數(shù)據(jù)庫服務器中存儲的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)信息，以網(wǎng)頁訪問的形式提供給遠程登錄的用戶，供用戶對養(yǎng)殖環(huán)境決策分析使用。動物養(yǎng)殖環(huán)境溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

數(shù)據(jù)流圖也稱為數(shù)據(jù)流程圖（Date Flow Diagram ， DFD），是一種便于用戶理解和分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程的圖形工具， 重點表示信息和數(shù)據(jù)從輸入到輸出的過程中所經(jīng)歷的一系列變換。本系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

1.4 無線傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡的基本元素，本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點由溫濕度傳感器DH11和美國國家儀器公司（TI）的ZigBee芯片CC2530構(gòu)成。實物和結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款較為通用的空氣環(huán)境溫濕度傳感器，同時也是一種已校準的數(shù)字信號輸出形式溫濕度復合傳感器。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個負溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）熱敏電阻測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。

CC2530芯片是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530結(jié)合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其它強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本CC2530F32/64/128/256分別具有32/64/128/256 KB的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進一步確保了低能源消耗[15]。

為了簡化開發(fā)，使用CC2530支持的Z-Stack網(wǎng)絡協(xié)議棧。該協(xié)議棧是由TI開發(fā)的遵循IEEE802.15.4、ZigBee協(xié)議規(guī)范的網(wǎng)絡協(xié)議棧[16]。

1.5 無線自組織網(wǎng)絡設計

為了保證網(wǎng)絡通信的穩(wěn)定性，同時基于每個協(xié)調(diào)器可以支持255個終端節(jié)點加入本網(wǎng)絡的特點，本系統(tǒng)采用單簇型無線傳感器網(wǎng)絡設計。將養(yǎng)殖場區(qū)域設置成單簇型無線傳感器網(wǎng)絡，ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖4所示。

自組織網(wǎng)絡由兩類網(wǎng)絡節(jié)點組成，分別是發(fā)起網(wǎng)絡的ZigBee協(xié)調(diào)器和自動加入網(wǎng)絡的ZigBee終端傳感器節(jié)點。Zigbee終端節(jié)點工作流程如圖5所示。ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程如圖6所示。

2 固件程序

固件（firmware）一般存儲于設備中的電可擦除只讀存儲器E2PROM（Electrically Erasable Programmable ROM）或Flash芯片中，可由用戶通過特定的刷新程序進行升級。在這里，固件程序即指存儲于終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點中的程序。

2.1 固件程序開發(fā)環(huán)境簡介

IAR Embedded Workbench 是瑞典 IAR Systems 公司為微處理器開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境（下面簡稱IAR EW），支持ARM，AVR，MSP430等芯片內(nèi)核平臺[17]。

該集成開發(fā)環(huán)境中包含了C/C++編譯器、匯編工具、鏈接器、庫管理器、文本編輯器、工程管理器和C-SPY調(diào)試器。通過其內(nèi)置的針對不同芯片的代碼優(yōu)化器，IAR Embedded Workbench可以為8051系列芯片生成非常高效和可靠的Flash/PROMable代碼。

2.2 終端節(jié)點固件程序中的關鍵代碼簡介

終端節(jié)點的主要功能是讀取DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并以溫濕度數(shù)值的形式通過ZigBee網(wǎng)絡的某個信道發(fā)送出去，供協(xié)調(diào)器接收。

關鍵代碼文件如下：

（1）驅(qū)動DHT11溫濕度傳感器

代碼文件名DHT11.C。此部分代碼由傳感器供應商提供，其中包含參數(shù)定義、微秒級和毫秒級延時、傳感器啟動、數(shù)值讀取等內(nèi)容。

（2）網(wǎng)絡頻段選擇和網(wǎng)絡ID設置

代碼文件名F8wConfig.cfg。此文件屬于Z-Stack網(wǎng)絡協(xié)議棧中的配置文件。網(wǎng)絡頻段選擇語句如下：

-DDEFAULT_CHANLIST=0x00000800 // 11 - 0x0B

網(wǎng)絡ID設置語句如下：

-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFF1

其中，0xFFF1為網(wǎng)絡ID。

（3）終端節(jié)點的消息傳送

代碼文件名SamPleApp.c。此文件是終端節(jié)點固件程序的主文件。其中SampleApp_SendPeriodicMessage（）函數(shù)負責啟動DHT11傳感器，讀取傳感器的數(shù)據(jù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。

2.3 協(xié)調(diào)器固件程序

協(xié)調(diào)器固件程序的主要功能是發(fā)起ZigBee網(wǎng)絡、接收終端節(jié)點加入網(wǎng)絡申請、接收終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機串口。

代碼文件名SamPleApp.c。此文件是終端節(jié)點固件程序的主文件。其中SampleApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送到計算機串口的功能。

3 上位機通信軟件

上位機通信軟件是指和計算機串口進行通信、將串口接收的數(shù)據(jù)保存成數(shù)據(jù)庫或文本文件的軟件。

這里使用MicroSoft公司的經(jīng)典開發(fā)工具Visual C++6.0開發(fā)了“Serial To MySQL”上位機軟件。其主要功能包括串口設置、連接MySQL服務器、接收串口數(shù)據(jù)、將串口數(shù)據(jù)寫入MySQL數(shù)據(jù)庫等功能。

該軟件已申請軟件著作權，并已經(jīng)被受理。細節(jié)此處不再贅述。

4 服務器端遠程監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)使用Dreamweaver CS6開發(fā)，是基于PHP腳本語言和MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的網(wǎng)絡信息管理系統(tǒng)，屬于瀏覽器/服務器模式的信息管理系統(tǒng)。采用瀏覽器+網(wǎng)絡遠程訪問的方式。遠程監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4.2 溫度監(jiān)測頁面

系統(tǒng)總體頁面風格設計為白色、綠色和藍色。白色代表天空，綠色代表節(jié)能環(huán)保，藍色代表大地。瀏覽器中的環(huán)境溫度監(jiān)測界面如圖8所示。

5 結(jié) 語

本文簡要介紹了基于無線傳感網(wǎng)技術的動物養(yǎng)殖環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計目標、基本原則和方法。從基于Z-Stack網(wǎng)絡協(xié)議棧的ZigBee自組網(wǎng)方式到傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點設計，從串口通信到MySQL數(shù)據(jù)庫存儲，從服務器端的信息管理系統(tǒng)設計到主要頁面布局都做了詳細闡述。

通過在終端節(jié)點上更換不同的傳感器，該系統(tǒng)還可以方便地進行擴展，以完成其他多種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。

如何有效部署多類型、多數(shù)量的傳感器，如何保證網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性，以便更加全面地監(jiān)測動物養(yǎng)殖環(huán)境信息，均有待于進一步的研究。

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