基于Zigbee 的畜牧養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

范曉紅，孫成磊

（山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濰坊，261000）

0 引言

在農(nóng)業(yè)振興、鄉(xiāng)村發(fā)展過程中畜牧養(yǎng)殖一直是其中的重要組成部分，也是我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著技術(shù)的成熟與進(jìn)步，畜牧養(yǎng)殖的水平也在不斷地提升。傳統(tǒng)畜牧養(yǎng)殖行業(yè)由于養(yǎng)殖技術(shù)、管理理念相對落后，大規(guī)模養(yǎng)殖生產(chǎn)難于管理，人工成本高，牲畜健康監(jiān)測管理難度大，環(huán)境維護(hù)成本高。

國家高度重視畜牧行業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，并在《“十四五”全國畜牧獸醫(yī)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出目標(biāo)，到2025 年，畜牧業(yè)的現(xiàn)代化水平要取得顯著進(jìn)展。畜牧行業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程不斷地加快，大批數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成果也在接二連三應(yīng)用到畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域，例如智慧農(nóng)業(yè)、智慧牧場、智慧灌溉、智能監(jiān)控等。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的出現(xiàn)助力了畜牧行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，有助于提升畜牧養(yǎng)殖的效率、降低人工成本、加速畜牧業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

本系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)Zigbee 為基礎(chǔ)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于Zigbee 的物聯(lián)網(wǎng)畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)。通過感知層傳感器獲取溫濕度、煙霧等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行智能報警、智能電燈開關(guān)、智能門禁等。通過Zigbee 進(jìn)行組網(wǎng)，并開發(fā)設(shè)計畜牧養(yǎng)殖Android 移動客戶端，進(jìn)行智能化監(jiān)測、控制，將畜牧養(yǎng)殖過程進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升畜牧養(yǎng)殖現(xiàn)代化進(jìn)程。

圖1

1 畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

Zigbee 技術(shù)功耗低、帶寬低且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，十分符合物聯(lián)網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)?；赯igbee 技術(shù)構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點通過無線通信技術(shù)構(gòu)成，遵循IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，是一種短距離、低速率的自組織多跳網(wǎng)絡(luò)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

ZigBee 搭載了TI 公司的CC2530 單片機(jī)核心模組，它的工作周期較短、可以通過切換電源的模式進(jìn)入休眠狀態(tài)從而減少電源損耗、收發(fā)信息功耗低。傳輸范圍一般在10～100m 之間，數(shù)據(jù)傳輸速率為10～250kbit/s，工作頻段主要分布在2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）、915MHz（美國）?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動組建網(wǎng)絡(luò)。主要應(yīng)用于傳輸速率要求低的場景，可靠性較高。

圖2

Zigbee 主要遵循四層網(wǎng)絡(luò)模型，分別是物理層、媒體網(wǎng)絡(luò)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

應(yīng)用層：基于檢測的任務(wù)，為用戶開發(fā)不同的應(yīng)用層軟件服務(wù)；

網(wǎng)絡(luò)層：通過路由與交換，實現(xiàn)節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立；

介質(zhì)訪問控制層：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝、處理及鏈路管理等；

物理層：主要負(fù)責(zé)從無線信道中收發(fā)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)等管理。

畜牧場地選用的傳感器主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯?，選用的執(zhí)行設(shè)備包括風(fēng)扇、電燈、門鎖等。所有的設(shè)備均是通過Zigbee 模塊進(jìn)行連接、控制。其中Zigbee 模組采用的核心芯片是CC2530，系統(tǒng)主要組成部分：供電裝置、傳感器模塊、MCU模塊、無線通信模塊、嵌入式軟件。

其中各傳感器選用的型號及功能特點如表1 所示。

表1

1.3 Zigbee 自組網(wǎng)設(shè)計

牧場環(huán)境之所以使用Zigbee 組網(wǎng)主要是因為它是一種分布式自組織的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，可以快速組建局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)牧場環(huán)境監(jiān)測控制，具有功耗低、復(fù)雜度低、成本低等特點。根據(jù)功能及角色的不同，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的Zigbee 設(shè)備大致分為三類：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由節(jié)點（Router）、終端節(jié)點（End-Device）。其中協(xié)調(diào)器主要用于啟動和配置網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)通信，是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點[1]。一個Zigbee 網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器。路由器節(jié)點可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他設(shè)備，也可以進(jìn)行環(huán)境的監(jiān)測。終端設(shè)備直接與傳感器通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。

基于IEEE802.15.4 協(xié)議規(guī)范，ZigBee 無線自組網(wǎng)技術(shù)規(guī)定了3 種無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[2]。星型結(jié)構(gòu)是其中最簡單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的路由器節(jié)點和終端設(shè)備節(jié)點都只和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。樹狀結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)器擔(dān)任頂層父節(jié)點，負(fù)責(zé)匯集所有傳感器節(jié)點中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，路由器節(jié)點負(fù)責(zé)承接上下節(jié)點，用于匯集子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，子節(jié)點間沒有直接通信線路，只能與父節(jié)點通信，節(jié)點與節(jié)點之間通過中間的路由器節(jié)點形成多跳通信，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)容量相對較小的場合。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點及終端節(jié)點構(gòu)成的多路徑、自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通信方式靈活，一條通信路徑的損壞不會影響對整個網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

圖3

本文采用的是樹狀結(jié)構(gòu)通信方式進(jìn)行自組網(wǎng)，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4

ZigBee 在2.4GHz 頻段內(nèi)具備強(qiáng)抗干擾能力，該頻段劃分為16 個通信信道，信道11～26。協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號PANID，選用其中一個信道CHANNEL 進(jìn)行通信。終端設(shè)備通電后掃描通道中的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇合適網(wǎng)絡(luò)并向協(xié)調(diào)器或者路由器發(fā)送入網(wǎng)請求，請求通過后，即可將感知層采集的傳感器數(shù)據(jù)通過指定的PANID、CHANNEL 進(jìn)行匯聚并經(jīng)由協(xié)調(diào)器上傳到網(wǎng)關(guān)中，與互聯(lián)網(wǎng)建立通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點采集的溫濕度、光照等數(shù)據(jù)經(jīng)過Zigbee 終端設(shè)備節(jié)點，經(jīng)由路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)調(diào)器節(jié)點匯聚后通過串口與網(wǎng)關(guān)相連接，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)與云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，云平臺上實現(xiàn)牧場的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。并實時對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警處理。

圖5

同時本畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)開發(fā)了配套的Android手機(jī)客戶端，用戶可以通過手機(jī)實時查看牧場環(huán)境狀態(tài)，及時了解牲畜的活動狀態(tài)信息。手機(jī)客戶端APP主要由注冊/登錄、環(huán)境監(jiān)測、棚舍控制、我的信息等四大模塊組成。注冊/登錄模塊主要包括新用戶身份信息登記注冊、老用戶賬號登錄功能。歡迎界面展示牧場信息，用于宣傳牧場。注冊/登錄功能通過記錄用戶數(shù)據(jù)并對新老用戶進(jìn)行注冊、登記。環(huán)境監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)將感知層傳感器采集的數(shù)據(jù)實時顯示供用戶查閱使用。棚舍控制模塊主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程實現(xiàn)牧場設(shè)備的控制開關(guān)等。我的信息模塊主要記錄用戶的信息及意見反饋等。

圖6

主要分為界面設(shè)計和功能開發(fā)兩部分。其中界面開發(fā)主要通過布局+控件完成設(shè)計，常用的布局和控件有RelativeLayout、LinearLayout、ConstraintLayout、TextView、Button、ImageView 等。功能開發(fā)主要涉及數(shù)據(jù)的采集及控制，本模塊主要通過網(wǎng)絡(luò)請求框架Retrofit 實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和控制，Retrofit 是對okhttp 的二次封裝，可以實現(xiàn)同步、異步、支持多數(shù)據(jù)解析。本文采用的網(wǎng)絡(luò)通信及Json 數(shù)據(jù)解析關(guān)鍵代碼如下：

同時采用多線程通信方式進(jìn)行溫濕度等數(shù)據(jù)的實時采集與顯示。并添加異常狀態(tài)預(yù)警模塊，通過閾值監(jiān)測，對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值，及時預(yù)警并通知相關(guān)管理人員，主要使用的API 為：

軟件主要功能效果圖如圖7 所示。

圖7

3 結(jié)語

使用該畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)可以實現(xiàn)對牧場環(huán)境的實時監(jiān)測與控制，并能夠及時預(yù)警潛在隱患信息，提高了牧場的管理和維護(hù)效率和水平，減少了勞動力的浪費。通過云平臺、手機(jī)客戶端等多平臺監(jiān)測和使用，方便用戶和管理者對牧場進(jìn)行及時管理，歷史數(shù)據(jù)的分析處理，有利于對畜牧狀態(tài)的統(tǒng)計分析。安裝并運行設(shè)計程序到手機(jī)中，用戶體驗度良好。