基于無線傳感網規(guī)模養(yǎng)禽環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設計

沈　忱，張家生，張　林，崔鵬鵬，韓迎鴿

（安徽理工大學　電氣與信息工程學院，安徽　淮南　232000）

基于無線傳感網規(guī)模養(yǎng)禽環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設計

沈忱，張家生，張林，崔鵬鵬，韓迎鴿

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232000）

針對禽畜流行性疾病的爆發(fā)日趨嚴重等問題，提出了一種基于無線傳感網的規(guī)模養(yǎng)禽環(huán)境自動控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以CC2530模塊為硬件核心構成無線通信節(jié)點，通過ZigBee無線通信技術進行數據傳輸，以MSP430單片機為核心處理單元處理接收到的數據，并控制外部執(zhí)行設備來調節(jié)禽畜舍內環(huán)境.測試表明本系統(tǒng)開發(fā)設計簡單可靠，組網靈活方便，功耗低且監(jiān)測數據可靠，大大提高了禽畜環(huán)境監(jiān)測的智能化程度.

養(yǎng)禽環(huán)境；數據采集；無線傳感網絡；CC2530.MSP430單片機

近年來，禽畜流行性疾病不斷爆發(fā)和傳播，諸多疾病的橫行與其養(yǎng)殖環(huán)境不斷惡化關系密切.然而，禽舍環(huán)境成分復雜、系統(tǒng)構成龐大，存在高度的時變性和多變量藕合等特征，使得許多常規(guī)的監(jiān)測手段和控制方法不能滿足養(yǎng)禽的發(fā)展要求［1-2］.

無線傳感網（Wireless Sensor Network，WSN）是一種正在崛起的下一代新興傳感器網絡，因其低復雜性、自組織性、低功耗、低數據速率和低成本等特性［3-4］，尤其適用于布線冗長、電源供給困難和人員不能經常到達的區(qū)域（如發(fā)生自然災害、礦井事故等區(qū)域）.

為了讓用戶能夠更加準確、迅速地獲取家禽養(yǎng)殖環(huán)境的實時變化以及趨勢，本文在對上述技術問題分析的基礎上，提出了一種基于無線傳感網技術的家禽養(yǎng)殖環(huán)境無線監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用各類傳感器進行數據采集，通過ZigBee無線通信技術進行數據傳輸，以單片機為核心處理單元匯總分析接收到的數據，并控制外部執(zhí)行設備來調節(jié)禽畜舍內環(huán)境，以期能夠實現(xiàn)家禽養(yǎng)殖環(huán)境的自動監(jiān)測與調控.

1　系統(tǒng)整體方案

本文設計的基于無線傳感網的規(guī)模養(yǎng)禽環(huán)境自動控制系統(tǒng)的主要功能包括：對家禽養(yǎng)殖環(huán)境實時數據的采集、收發(fā)和分析處理，實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境的自動調控以及對數據的儲存.整個系統(tǒng)采用星型網絡拓撲結構，主要由包括各類傳感器的終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點以及上位機組成，總體結構圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)總體網絡結構圖

圖1中，首先由終端節(jié)點上的各類傳感器采集家禽舍內的環(huán)境數據，如溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等；在傳感器終端節(jié)點采集到數據之后，為了避免受傳輸距離的限制，可以先將數據傳輸至路由節(jié)點；然后再由路由節(jié)點通過ZigBee無線傳感網絡將數據發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點一方面接收、處理并存儲數據，一方面通過MAX232芯片，作為RS-232串行通信接口將數據發(fā)送至PC機顯示并儲存當前家禽舍內的環(huán)境數據［5］.與此同時，當禽舍內環(huán)境數據超過當初系統(tǒng)設置的參數閾值時，報警電路將動作并將控制外部設備工作，來調節(jié)環(huán)境狀況，直到環(huán)境參數達到預設閾值的標準.從而實現(xiàn)了對數據的采集、發(fā)送、分析處理和儲存，達到了對環(huán)境自動調控的目的.

2　系統(tǒng)硬件模塊設計

本系統(tǒng)硬件部分主要包括：終端節(jié)點模塊、路由節(jié)點模塊、協(xié)調器節(jié)點模塊，這三大模塊的核心元件采用的是CC2530芯片，它結合了RF收發(fā)器的強大性能和業(yè)界標準的增強型8051單片機，具有優(yōu)異的無線收發(fā)性能、超低的功耗、超低的成本，以及良好的拓展性［6］.

路由節(jié)點的功能是將接收到的終端節(jié)點的數據轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點，做為“中間人”有擴大數據傳輸范圍的作用，其核心元件仍然采用CC2530模塊，且硬件原理圖與除去單片機模塊的協(xié)調器節(jié)點類似，故不做贅述.

2.1傳感器終端節(jié)點硬件設計

終端節(jié)點的硬件結構如圖2所示，終端節(jié)點的功能是將傳感器采集到的環(huán)境參數發(fā)送至路由節(jié)點，主要由傳感器模塊、信號調理電路、電源管理模塊、CC2530模塊以及天線組成.其中，傳感器模塊主要指各類采集傳感器，如：溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器等.考慮到終端節(jié)點工作環(huán)境的特殊性，不適合冗長復雜的布線，在此采用鋰電池供電，電源管理模塊通過XC6210芯片產生5V穩(wěn)壓電源［7］，一方面為傳感器模塊提供5V電壓，一方面通過DC-DC變換器產生3.3V電壓為CC2530模塊供電，由于傳感器模塊的電壓信號為5V，而CC2530芯片能處理的電壓信號為3.3V，所以采集到的數據信號應首先通過信號調理電路進行處理，最終由CC2530模塊的A/D轉換器將模擬量轉化為數字量，再由RF射頻通信模塊通過天線將數據發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點.

圖2　傳感器終端節(jié)點硬件結構圖

2.2協(xié)調器節(jié)點硬件設計

協(xié)調器節(jié)點硬件原理圖如圖3所示，主要包括CC2530模塊、數據處理單元、LED顯示模塊、數據存儲模塊、鍵盤輸入模塊、報警電路等.數據處理單元本著低功耗、高精度的特點，在此選用德州儀器（TI）公司的MSP430F149單片機作為處理單元，主要用來控制節(jié)點的數據收發(fā)及處理.具體硬件原理圖如圖3所示.

圖3中，CC2530模塊將數據傳輸至MSP430 F149單片機，單片機對接收的數據進行分析處理并保存至數據存儲模塊，同時將數據顯示在LED液晶顯示模塊上；用戶可以通過鍵盤輸入模塊對系統(tǒng)預設的閾值進行調整，以適應不同的氣候條件.當采集到的數據超過系統(tǒng)閾值時，將觸發(fā)系統(tǒng)報警電路動作，此時蜂鳴器將報警，提醒用戶環(huán)境參數超標，同時，MSP430F149單片機控制外部執(zhí)行設備工作，如風機、空調、燈具以及水簾等設備的工作，以此來實現(xiàn)自動調節(jié)禽舍內環(huán)境的功能，當重新接收到的數據在閾值以內時，外部執(zhí)行設備將停止工作，蜂鳴器停止報警，整個系統(tǒng)復位.

由于協(xié)調器節(jié)點不但承擔著對采集數據的天線接收、數據處理的功能，還承擔著與上位機進行串口通信的任務.為了便于實現(xiàn)MSP430F149單片機與上位機（PC機）的數據通信，圖3中采用MAX 232芯片作為RS-232串行通信的接口.

圖3　協(xié)調器節(jié)點硬件原理圖

3　系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要是基于IAR Embedded Workbench平臺，采用C語言進行程序編輯，利用SmartRF04EB仿真器將PC機與終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點連接，并且下載程序，通過對系統(tǒng)不斷的調試，最終實現(xiàn)系統(tǒng)預設功能.

3.1ZigBee無線組網及數據通信

ZigBee技術的特點是距離短、功耗低、傳輸速率慢、雙向無線通訊以及節(jié)約成本等.ZigBee采用的是分層的通信協(xié)議結構，節(jié)點的功能由協(xié)議棧中的應用層定義完成的.該系統(tǒng)采用TI提供的協(xié)議棧Z-Stack2007，它是在IEEE 802.15.4標準物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC）的基礎上增加了網絡應用層（NWK）、數據鏈路層和安全層［8］，是一種較完備的無線傳感網絡組建方案.

3.2傳感器終端節(jié)點軟件設計

該終端節(jié)點中，軟件設計主要是完成節(jié)點的入網、數據上傳、接收路由節(jié)點轉發(fā)的協(xié)調器節(jié)點指令等，具體工作流程如圖4所示.

圖4中，終端節(jié)點在上電復位之后，便開始搜索指定信道上是否已經有網絡協(xié)調器，搜索到后立即發(fā)出連接請求.連接成功后，終端節(jié)點從協(xié)調器節(jié)點處接收到16位網絡短地址，并且通過這個地址定時將各個傳感器采集到的數據發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點，然后采用非時隙CSMA-CA機制，在信道上通過競爭的方式向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送傳感器采集的數據信息［9］.

終端節(jié)點連接到網絡后，首先對AD轉換口進行初始化設置，此時判斷是否引起定時器中斷喚醒，如果有則傳感器開始工作收集環(huán)境數據，節(jié)點執(zhí)行數據采集程序，并且將數據暫時存儲至寄存器中，并通過ZigBee網絡發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點，再判斷是否引起ZigBee中斷喚醒，如有則執(zhí)行回應程序，執(zhí)行后將進入休眠模式，等待新一輪的采集指令［10-11］.

在系統(tǒng)中，協(xié)調器節(jié)點的主要功能包括無線傳感網絡的組網、管理網絡終端節(jié)點和路由節(jié)點、收發(fā)并儲存數據信息、控制外部執(zhí)行設備以及與上位機的數據通信.圖5給出了協(xié)調器節(jié)點工作流程圖.

圖4　終端節(jié)點工作流程圖

圖5　協(xié)調器節(jié)點工作流程圖

圖5中，協(xié)調器節(jié)點在聯(lián)網后，根據數據采集時序向終端節(jié)點發(fā)送傳感器喚醒、數據采集等指令.當協(xié)調器節(jié)點定時器引起中斷時，系統(tǒng)被喚醒并接收終端節(jié)點數據，首先判斷是否在閾值限制范圍內，如果在閾值內，則將數據存儲并上傳至上位機分析處理，然后進入休眠狀態(tài)；當接收到的數據超出閾值時，則觸發(fā)報警電路動作，并向控制中心發(fā)送報警信息，同時將控制外部執(zhí)行設備工作，對環(huán)境參數進行調控，再通過與上位機的串口通信將報警信息發(fā)送至上位機.同時，再次執(zhí)行接收數據指令進行判斷，直到滿足閾值范圍，最終進入休眠模式.

4　結束語

本文提出的基于無線傳感網的規(guī)模養(yǎng)禽環(huán)境自動控制系統(tǒng)的方案，利用ZigBee無線傳感網技術，以MSP430F149單片機作為控制核心、CC2530模塊作為數據通信核心，有效的降低了系統(tǒng)功耗，且具有設計簡單可靠、組網靈活方便的優(yōu)勢，不僅解決了傳統(tǒng)的布線冗長的缺陷，而且大大降低了系統(tǒng)設計成本，提高了生產效率.

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TP212.9

A

1673-260X（2016）10-0036-03

2016-08-02

國家自然科學基金資助項目（No.51605006）；安徽省教育廳自然科學基金項目（KJ2015A121）