基于ZigBee技術(shù)的自動(dòng)化立體農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張龍浩

摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與養(yǎng)殖業(yè)之間的聯(lián)系日益密切，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的立體農(nóng)業(yè)在部分發(fā)達(dá)國(guó)家家已經(jīng)得到實(shí)施并且效果顯著?，F(xiàn)如今自動(dòng)化已經(jīng)給我們的生活帶來(lái)了巨大的方便，并給社會(huì)帶來(lái)了巨大的利益。新興的無(wú)線技術(shù)更成為了我們生活中必不可少的一部分，其中的ZigBee技術(shù)有著成本低，易操作且支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，如果把這種技術(shù)與立體化養(yǎng)殖相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)的自動(dòng)化控制，進(jìn)一步減少人工的使用，并達(dá)到資源的最大化利用，從而減少成本，優(yōu)化養(yǎng)殖戶(hù)的利益。

關(guān)鍵詞 ZigBee技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；立體農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）199-0129-03

1 研究背景與社會(huì)意義

為了實(shí)現(xiàn)在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)能耗低、簡(jiǎn)單易操作的無(wú)線連接檢測(cè)和控制，ZigBee聯(lián)盟于2001年8月成立，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司在2002年共同加入該聯(lián)盟并研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)。

自古以來(lái)，養(yǎng)殖業(yè)就是一項(xiàng)勞動(dòng)力需求大、就業(yè)人數(shù)多、效率低的行業(yè)，但隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，近年來(lái)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，正逐步走向智能化、高效化、機(jī)械化、一體化的道路，而ZigBee等一些無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)養(yǎng)殖業(yè)走向立體自動(dòng)化的道路。而近年來(lái)基于物聯(lián)網(wǎng)的立體養(yǎng)殖逐漸發(fā)展，技術(shù)也日益成熟。

澳大利亞、美國(guó)、荷蘭等國(guó)家養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展從起步時(shí)就步入了機(jī)械化生產(chǎn)模式，在一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)中何時(shí)升溫、何時(shí)喂食、何時(shí)通風(fēng)供氧這些日常工作都是由添加了多元化傳感器的ZigBee中央控制電腦控制并發(fā)出指令讓其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成的，養(yǎng)殖業(yè)中所需要的大量人力已經(jīng)被機(jī)器人或者一些精密的設(shè)備取代，達(dá)到了對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的精準(zhǔn)控制并給予家畜最合適的生活環(huán)境，減少了家畜的發(fā)病率和飼料、燃料的浪費(fèi)。生產(chǎn)規(guī)模得到了提高，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖規(guī)模大、單產(chǎn)水平高、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率提高發(fā)展得以推廣很多新技術(shù)，使養(yǎng)殖業(yè)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，養(yǎng)殖業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)中所占比重約為48%且總產(chǎn)值年均增速16.1%，但由于我國(guó)由于科學(xué)技術(shù)水平、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異、個(gè)人財(cái)富和文化水平的限制，絕大多數(shù)地區(qū)自動(dòng)化養(yǎng)殖的普及率非常低，依然以人類(lèi)勞動(dòng)為主的養(yǎng)殖形式，尤其是西北地區(qū)，至今還沿襲著古老的游牧刀耕火種方式。但近年來(lái)由于引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和我國(guó)科技水平的發(fā)展，傳統(tǒng)的畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化與改善，但禽畜養(yǎng)殖發(fā)展水平對(duì)于上述國(guó)家仍存在自動(dòng)化程度低、人力勞動(dòng)需求大、效益差等問(wèn)題。

在我國(guó)，立體養(yǎng)殖業(yè)將是一個(gè)趨勢(shì)；頂層種植名貴植株，中部飼養(yǎng)禽畜，末層種植食用植物的模式在很多國(guó)家得以實(shí)施，并取得了良好的效益。我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ蟮詣?dòng)化水平低，將ZigBee技術(shù)引入自動(dòng)化、立體化養(yǎng)殖業(yè)的養(yǎng)殖方式，會(huì)減少我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)人力的投入，保證資源的最大化利用，也非常符合未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 自動(dòng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 Zigbee技術(shù)的原理

ZigBee技術(shù)也稱(chēng)作紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要優(yōu)點(diǎn)有耗能低、易操作、快速、安全并且支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，已逐漸成為各行各業(yè)經(jīng)常使用的短距低速無(wú)線通訊技術(shù)之一。

物聯(lián)網(wǎng)定義為當(dāng)下幾乎所有技術(shù)與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)物體與物體，環(huán)境以及狀態(tài)信息之間實(shí)施實(shí)時(shí)共享以及智能化的收集傳遞、處理、執(zhí)行讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，可以概括為“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，立體養(yǎng)殖業(yè)就是基于物聯(lián)網(wǎng)而建立的一種將生產(chǎn)者消費(fèi)者分解者三者緊密相連現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。

隨著新技術(shù)革命的到來(lái)，再利用信息的過(guò)程中首先要解決的就是獲取準(zhǔn)確而又可靠的信息，而人們依靠自身的感覺(jué)器官獲取的信息已經(jīng)無(wú)法滿足的需求，為了改變這一現(xiàn)狀，就需要傳感器。傳感器是能感受規(guī)定的測(cè)量物并按照數(shù)學(xué)函數(shù)法則轉(zhuǎn)化成可用信號(hào)的裝置，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化養(yǎng)殖十分重要的原件。

2.2 自動(dòng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)的調(diào)控設(shè)計(jì)

2.2.1 光照強(qiáng)度的控制

光照在植物體的光合作用中是必不可少的，還可以促進(jìn)動(dòng)物體體對(duì)鈣的吸收，但強(qiáng)度過(guò)于大的光照會(huì)對(duì)生物的生活習(xí)慣造成巨大的影響，導(dǎo)致動(dòng)物進(jìn)食緩慢、中暑植物脫水等一系列影響生物體正常生活的行為，我們?cè)诠庹仗幇惭b光照傳感器并根據(jù)養(yǎng)殖物種的不同設(shè)定不同的光照強(qiáng)度參考值并通過(guò)ZigBee光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)由ZigBee系統(tǒng)控制遮光板、補(bǔ)光燈等一系列改變光照強(qiáng)度的措施，以給禽畜和植物合適的光照條件。

2.2.2 溫度的控制

溫度的變化會(huì)引起禽畜和植株生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和疾病的產(chǎn)生會(huì)造成影響，不同的季節(jié)也會(huì)有不同的溫度，養(yǎng)殖場(chǎng)中溫度的調(diào)節(jié)是一直以來(lái)的難題，在本系統(tǒng)中養(yǎng)殖場(chǎng)中將會(huì)安置多個(gè)溫度傳感器，并根據(jù)養(yǎng)殖物種的不同設(shè)定不同的溫度參考值和傳感器收集到的數(shù)據(jù)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)控，由ZigBee系統(tǒng)控制射頻接受設(shè)備控制地暖、空調(diào)等設(shè)施的自動(dòng)開(kāi)閉，保證每一層的溫度達(dá)到最舒適值。

2.2.3 空氣含氧量的控制

氧氣是生物生存的必要保障，缺氧會(huì)導(dǎo)致窒息以至休克，會(huì)嚴(yán)重影響禽畜的健康，甚至?xí)?dǎo)致死亡以至養(yǎng)殖戶(hù)收入虧損，養(yǎng)殖禽畜種群密度高，容易導(dǎo)致氧氣不足情況發(fā)生，本系統(tǒng)中植物的存在會(huì)很好的避免缺氧的情況發(fā)生。但由于植物光合作用強(qiáng)度的限制，本系統(tǒng)將會(huì)在養(yǎng)殖場(chǎng)布置多個(gè)氧氣濃度傳感器，并通過(guò)不同種群對(duì)氧氣的需求不同設(shè)定不同的氧氣濃度參考值，并由ZigBee系統(tǒng)控制排氣機(jī)的自動(dòng)開(kāi)閉，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)植物生存環(huán)境氧氣濃度的最合理性。

2.2.4 系統(tǒng)自清潔的控制

糞便處理是困擾禽畜養(yǎng)殖的一大難題，工人們對(duì)于糞便處理也是避之不及，本系統(tǒng)將會(huì)在養(yǎng)殖欄中安放凸轉(zhuǎn)離子泵并由控制中心控制開(kāi)閉已達(dá)到遠(yuǎn)距離、高粘度的運(yùn)輸，糞便將會(huì)通過(guò)管道運(yùn)輸，可以保持地面的干凈更能夠節(jié)省人力，減少了人工成本。運(yùn)輸?shù)募S便將會(huì)被收集到一個(gè)具有壓力傳感器的容器中，在達(dá)到一定的參考值時(shí)將信息傳至中央控制中心，ZigBee系統(tǒng)會(huì)控制該一部分糞便分流入下一層的食用蔬菜養(yǎng)殖中去；超過(guò)這一參考值的部分將會(huì)排入地下的沼氣池以生產(chǎn)沼氣，來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。endprint