基于ZigBee的豬舍環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王麗芬+馬明濤

摘 要：吉林省是我國(guó)畜牧養(yǎng)殖大省，畜牧業(yè)經(jīng)過(guò)“十二五”時(shí)期的快速發(fā)展，在養(yǎng)殖的總量和質(zhì)量方面都發(fā)生了巨大的變化。隨著畜牧業(yè)的迅猛發(fā)展，畜產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題日益受到人們的重視。目前，我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展過(guò)程中表現(xiàn)出疫病防控存在漏洞、飼料及其原料存在安全隱患、違規(guī)生產(chǎn)和使用獸藥的現(xiàn)象仍然存在、畜禽飼養(yǎng)環(huán)境存在污染等方面的不足。信息化是促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，目前我國(guó)對(duì)信息化在畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)管理領(lǐng)域、營(yíng)養(yǎng)與飼料、疾病防治等方面的研究，已取得了一定的成績(jī)，但由于信息技術(shù)的快速發(fā)展，目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的管理軟件比較陳舊，影響了生豬飼養(yǎng)的管理水平。因此需要一款新的生豬飼養(yǎng)管理軟件的推出，以滿足市場(chǎng)需求。本系統(tǒng)針對(duì)豬舍的環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和分析。

關(guān)鍵詞：ZigBee；環(huán)境監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)

一、基于ZigBee技術(shù)的圖書(shū)室檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

豬舍環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)是以煙霧傳感器、光敏電阻傳感器和溫濕度傳感器為基礎(chǔ)，結(jié)合Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)組成的一個(gè)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的煙霧濃度、光照強(qiáng)度以及溫濕度自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，其工作流程如圖1所示：

各傳感器把采集到的信息傳送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和分析然后通過(guò)無(wú)線傳感器將數(shù)據(jù)輸送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)打包傳送給串口模塊，串口模塊與PC機(jī)端是通過(guò)Uart總線連接，通過(guò)總線將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。

環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大體來(lái)講分為三個(gè)部分，分別是：下位驅(qū)動(dòng)層、中央通訊層和上位用戶層，如圖2所示。

此中下位驅(qū)動(dòng)層是采取模塊化結(jié)構(gòu)的信息采集的方式，其中包括CC2530模塊、光敏電阻傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器組成硬件結(jié)構(gòu)，是上位用戶層數(shù)據(jù)的來(lái)源，同時(shí)又是支撐整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)。在某種意義上來(lái)講，系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)具有雙重作用，它既負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，同時(shí)又是數(shù)據(jù)傳輸者。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)運(yùn)用以CC2530無(wú)線微控傳感器組件的ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種自組織網(wǎng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，它的每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)的加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以互相通信，所以假如某終端節(jié)點(diǎn)不能把數(shù)據(jù)直接傳送給協(xié)調(diào)器，也可以通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)繼承，然后由繼承數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器當(dāng)中。

中央通訊層溝通著下位傳感層和上位用戶層，其功用即是將來(lái)自傳感層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并發(fā)送到用戶層進(jìn)行存儲(chǔ)分析，同時(shí)接收用戶層發(fā)送的控制指令反饋傳感層且內(nèi)部有著特定的通信協(xié)議，協(xié)議規(guī)定了哪些數(shù)據(jù)可以通過(guò)通信層繼而傳送到驅(qū)動(dòng)層或者是用戶層，哪些數(shù)據(jù)不能通過(guò)通信層進(jìn)行傳遞。

上位用戶層負(fù)責(zé)收集通信層傳來(lái)的全部數(shù)據(jù)并將最終處理得到的數(shù)據(jù)以曲線的形式體現(xiàn)出來(lái)，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，以方便后期進(jìn)行的數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)刪除等功能，使得圖書(shū)室管理人員可以及時(shí)明了的讀取圖書(shū)室內(nèi)部的動(dòng)態(tài)環(huán)境信息，并且可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求對(duì)中央通訊發(fā)送動(dòng)作指令，從而達(dá)到用戶層的監(jiān)控需求。

二、硬件設(shè)計(jì)

為了更好的延伸系統(tǒng)的功用和降低給射頻電路帶來(lái)的影響，把節(jié)點(diǎn)細(xì)成為具有信息傳送功能的射頻電路和主板兩個(gè)部分。協(xié)調(diào)器和路由器都是由射頻電路模塊和主板組成，硬件設(shè)計(jì)沒(méi)有什么不同，區(qū)別在于程序的準(zhǔn)備和功能的實(shí)現(xiàn)。

射頻電路模塊整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心就是承擔(dān)下位驅(qū)動(dòng)層的信息傳送任務(wù)。由于其內(nèi)部匯聚了許多電路所以只需要少量的外部電路就可以體現(xiàn)它的功用。

射頻電路模塊把CC2530的P0口、P1口和P2_0—P2_2引腳全部引出，通過(guò)排針接口連接到主板上。它與主板上的接口相對(duì)應(yīng)。

主控芯片采用CC2530芯片。該芯片結(jié)合Zig Bee的協(xié)議棧，工作在2.4GHz頻段，使用8051處理器核心，可以通過(guò)三個(gè)不同的寄存器進(jìn)行訪問(wèn)總線，擁有21個(gè)I0口可以進(jìn)行輸入或者輸出，具備高頻收發(fā)器。其工作電壓為2～3.6V，功耗極低。不僅如此，CC2530芯片在CC2430芯片的基礎(chǔ)上增加了存儲(chǔ)容量，在保證功率消耗極低的同時(shí)還提高了信號(hào)傳輸容量，使系統(tǒng)不需要添加功率放大器也可以進(jìn)行擴(kuò)大傳輸距離，從而降低成本和提高無(wú)線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

主板既是連接射頻電路模塊和傳感器模塊的“介質(zhì)”，又是所有節(jié)點(diǎn)的電源源泉，不僅如此，主板還是節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)之間通信的接口。電源電路、RS232接口、聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組接口電路等共同組成了主板。主板分別給射頻電路模塊和傳感器模塊各一個(gè)接口，通過(guò)這兩個(gè)接口實(shí)現(xiàn)了傳感器模塊與射頻電路模塊之間引腳的連接，主板為射頻電路模塊和傳感器模塊提供電源也是通過(guò)這兩個(gè)接口。

豬舍環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中的CC2530芯片正常工作電壓是3.3V，而普通適配器都是220V輸入5V輸出，所以需要對(duì)電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行對(duì)5V的電壓轉(zhuǎn)換，其中使用AMS1117-3.3芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓供給系統(tǒng)的正常工作需要。整個(gè)Zig Bee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分就是使用電源供電并占有主導(dǎo)地位的主節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)所用的路由是DL-LN33模塊。它是一款無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)多跳模塊，無(wú)需配置、不依賴WiFi和基站便可以自動(dòng)完成組網(wǎng)。組網(wǎng)之后模塊給用戶的微程序控制器供應(yīng)無(wú)線通信服務(wù)。該模塊的特點(diǎn)是易于開(kāi)發(fā)、通信穩(wěn)定、自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)多跳、無(wú)控制中心、多對(duì)多網(wǎng)狀通信，該方案相對(duì)于其他自組網(wǎng)無(wú)線通信解決方案更加靈活、可長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。所用路由模塊DL-LN33引腳配置。

三、軟件的設(shè)計(jì)

（一）協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器通電后，初始化硬件、軟件系統(tǒng)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。隨后協(xié)調(diào)器進(jìn)行組建Zig Bee網(wǎng)絡(luò)并檢測(cè)是否組建成功，如果失敗，則重復(fù)上一步；如果成功，繼續(xù)接受來(lái)自節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，并為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始接收環(huán)境采集模塊的數(shù)據(jù)。

（二）終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)在成功連接上電源之后，首先進(jìn)行初始化動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作完畢之后為了進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送請(qǐng)求指令，若加入失敗會(huì)重新嘗試加入。成功的話，就會(huì)得到協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址并嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，加入失敗的話，重新進(jìn)行上一步，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入成功之后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)來(lái)降低系統(tǒng)的功耗提高節(jié)點(diǎn)的使用壽命。在遇到突發(fā)情況的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)每過(guò)一段相同的時(shí)間就會(huì)自動(dòng)的收集當(dāng)前圖書(shū)室的環(huán)境信息，采集成功后，會(huì)檢查煙霧濃度是否超過(guò)預(yù)定值，如果超過(guò)預(yù)定值，就會(huì)有火災(zāi)報(bào)警，如果沒(méi)有超過(guò)預(yù)定值，就會(huì)向鄰近的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送被打包的數(shù)據(jù)。若傳輸成功則進(jìn)入休眠模式，否則，繼續(xù)嘗試傳輸數(shù)據(jù)，一直到數(shù)據(jù)可以成功的傳送給父節(jié)點(diǎn)。

四、結(jié)論

基于ZigBee無(wú)線傳輸豬舍環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，旨在實(shí)時(shí)檢測(cè)豬舍室內(nèi)環(huán)境溫濕度、空氣中煙霧濃度以及光照的強(qiáng)度，無(wú)論這三項(xiàng)中的哪一項(xiàng)超出預(yù)定值，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)報(bào)警，相關(guān)的管理人員采取行之有效的辦法來(lái)解決問(wèn)題。再者，這一環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)手持式監(jiān)控、布線式方法的布線繁雜、測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)環(huán)境各指數(shù)誤差大、技術(shù)成本高、耗費(fèi)人力的諸多問(wèn)題。由于條件有限，因此系統(tǒng)還存在著一些不足之處，但我相信，隨著科技的進(jìn)步以后的監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)更加的智能、人性化。endprint