基于ZigBee的猪舍环境监测系统设计

2015-10-28刘思远贾艳玲

湖北农业科学 2015年16期

刘思远++贾艳玲

摘要：为了实现猪场的规模化和节约化养殖，以CC2530模块为核心，提出了一种基于ZigBee技术的猪舍环境监测系统设计方案。首先根据待采集环境参数数据特点，选取SHT15等元件完成了传感器节点的硬件设计，其次讨论了传感器节点及汇聚节点的软件设计流程，最终实现了由传感器节点、汇聚节点和用户平台等组成的环境监测系统。该系统性能稳定、可靠，对实施猪舍的环境监测具有一定的参考价值。

关键词：ZigBee；猪舍；CC2530；监测系统

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）16-4041-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.054

Design of Piggery Environment Monitoring System Based on ZigBee

LIU Si-yuana， JIA Yan-lingb

（a.Department of Development Planning and Discipline Construction； b. School of Physics & Electrical Information

Engineering/Ningxia Key Laboratory of Information Sensing & Intelligent Desert，Ningxia University， Yinchuan 750021，China）

Abstract：In order to realize large scale farming and conservation farming， with the CC2530 module as the core， a design scheme of the piggery environment monitoring system based on ZigBee is proposed. In the first place， the sensor nodes hardware design is completed by selecting SHT15 and other elements according to the characteristics of environment parameters， secondly， software processes of the sensor node and the sink node are discussed in details， finally， the environment monitoring system is carried out， which is constituted by the sensor node， the sink node， and the user platform. The system is stable， reliable and has certain reference value for the environment monitoring of piggery.

Key words： ZigBee； piggery； CC2530； monitoring system

猪肉是我国大多数城乡居民餐桌上重要的动物性食品之一。近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们不仅对肉类的数量，更对其质量提出了更高的要求，健康养殖的概念应运而生。健康养殖是指根据养殖对象的生物学特性，运用生态学、营养学原理来指导养殖生产，即为养殖对象营造一个良好的、有利于快速生长的生态环境，提供充足的、全价营养的饲料，使其在生长发育期间最大限度减少疾病的发生，使生产的食用产品无污染、个体健康、肉质鲜嫩、营养丰富与天然鲜品相当[1]。对于商品猪而言，环境、品种、饲料和疾病构成养猪生产的4大技术限制因素，其中环境因素占到20%～30%[2]，良好的养殖环境不仅可以使品种及饲料的优势得到充分发挥，更可以使生猪患病几率大幅下降，提高猪肉品质。为此，建立可实时对猪舍环境信息进行采集与分析的猪舍环境监测系统，具有重要的现实意义。

传统的猪舍环境监测主要依靠养殖人员人工完成，一方面对环境信息采集实时性不强、准确性不高；另一方面消耗了大量的人力资源，增加了养殖成本。ZigBee技术是一种具有自组织、低复杂度、低成本和高可靠性的无线通信技术，在短程传输中有很好的优势[3]，已经在环境监测、节水灌溉等领域得到了广泛的应用[4-7]。本研究利用ZigBee技术，提出了一种基于无线传感器网络架构的猪舍环境监测系统设计方案，首先根据猪舍待采集环境信息特点，对系统硬件进行了设计，其次对汇聚节点及传感器节点的软件实现流程进行了讨论，实现了由传感器节点、汇聚节点和用户管理平台等组成的猪舍环境监测系统。

1 系统总体设计方案

影响猪舍环境的因素主要有：温度、湿度和氨气、二氧化碳及硫化氢等。高温和低温都会降低饲料转化率，成年猪在35 ℃高温环境下，不仅会发生中暑，还会产生厌食症状，延长出栏时间，而其长时间在8 ℃低温情况下，同样会产生厌食、抖动等症状，极大影响生长发育，且容易感染腹泻性疾病，严重危害健康成长；而猪舍内湿度过大，会使猪的成长速度减慢，引起很多疾病的产生；而氨气等有害气体是生猪呼吸道等疾病爆发的主要诱因之一[8]。因此，本研究设计的猪舍环境监测系统总体结构如图1所示，主要由传感器节点（负责采集温度、湿度和氨气浓度等数据）、汇聚节点和用户管理平台等组成。

传感器节点按照猪舍环境采集信息数据需求合理布置在监测区域内，实现猪舍环境信息数据的实时采集，所有节点均通过ZigBee协议以自组网方式构成无线网络，并将采集到的信息数据以多跳形式传送到汇聚节点；汇聚节点通过RS232串口与用户管理平台相连，管理平台将收集到的信息数据保存到平台数据库中，实现数据的统一管理；用户根据平台数据库提供的数据执行相应操作，以保证良好的猪舍环境。

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点硬件设计

传感器节点能否准确地采集到猪舍环境信息数据，对整个监测系统的性能有极大影响。传感器节点由传感器模块（温湿度、二氧化碳、氨气及硫化氢模块）、微处理器模块、射频模块及电源模块等组成，其硬件框架如图2所示。

汇聚节点与传感器节点相比，不包括传感器模块，不具有参数采集功能，通过RS232串口与用户管理平台相连，设计中汇聚节点微处理器模块和射频模块所用元器件与传感器模块中所用元器件相同。

2.2 模块元器件选择

传感器节点是构成猪舍环境监测系统的基本组成单元，从系统成本及实用性角度考虑，传感器节点应具有成本低、体积小、功耗低、适应性强等特点。根据系统设计需要，传感器节点各模块选择元器件如下：

1）传感器模块。该模块包含有温湿度传感器、二氧化碳传感器、氨气传感器和硫化氢传感器。温湿度传感器选用由Sensirion推出的SHT15传感器[9]，该数字温湿度传感器基于领先世界的CMOSens？誖技术，温度测量范围-40-+123 ℃，测量分辨率0.01 ℃，湿度RH测量范围0～100%，测量分辨率0.03%，具有低能耗、抗干扰能力强及温湿一体的特点，性价比高，可应用于多种场合；二氧化碳传感器选用MH-Z14[10]，该传感器是气体检测技术与精密光路设计、精良电路设计紧密结合制作出的通用型红外气体传感器，测量范围0～10 000 mmol/L（有多个量程可供选择），精确度为±50 mmol/L ±读数5%，具有良好的选择性、无氧气依赖性、寿命长，其内置温度传感器可进行温度补偿，同时具有数字输出与模拟电压输出，方便使用；氨气传感器选用MQ137，该气体传感器对氨气的灵敏度高，对其他有机胺（如三甲胺、乙醇胺等）的监测也很理想，使用寿命长、成本低、驱动电路简单，是一款适合多种应用的传感器[11]；硫化氢传感器选用ME4-H2S[12]，该气体传感器检测范围0～100 mmol/L，灵敏度0.70±0.15 μA/mmol·L，分辨率0.1 mmol/L，具有功耗低、灵敏度高、线性范围宽、抗干扰能力强等特点。

2）微处理器模块。以ATMEL公司的ATmega128 L为核心，该款单片机工作电压2.7～5.5 V，内置有高性能、低功耗的AVR？誖R8位微处理器，采用先进的RISC结构，具有8路10位ADC和2个可编程的串行USART接口，128 kb的系统内可编程Flash，多达64 kb的优化外部存储器空间，除正常操作模式外，还具有6种不同等级的低能耗操作模式[6]，可满足节点低能耗要求。

3）射频模块。选用TI公司的CC2530，该款芯片含有高性能、低功耗的8051微控制器内核，具有极高接收灵敏度和抗干扰性能的，并适应2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，拥有8 kb SRAM，8路输入8～14位ADC，具备各种供电方式下的数据保持能力，只需极少的外接元件即可形成一个简单的应用系统[13]。同时，CC2530还具有主动模式、供电模式等不同的运行模式，运行模式之间的转换时间很短，进一步确保了低能源消耗[14]，使其非常适应超低功耗要求的系统。

4）电源模块。采用连续供电与电池供电2种方式，避免频繁更换，保证系统长期运行，可有效降低系统能耗。

3 系统软件设计

系统软件设计主要指汇聚节点和传感器节点的软件设计。汇聚节点主要负责建立和启动整个无线网络，网络建成后允许传感器节点加入，协调和管理网络通信，维护网络稳定，接收传感器节点传送的信息数据，并通过RS232串口发送到用户平台，流程如图3所示。

为增加灵活性，传感器节点采用网状拓扑，加入汇聚节点建立的网络后，节点将各个传感器所采集的环境参数数据（温湿度、有害气体浓度数据）通过RF射频发送出去，流程如图4所示。

4 小结

基于ZigBee技术的猪舍环境监测系统设计方案选用CC2530、SHT15等功耗低、适应性强、性价比高的元器件完成了节点的硬件设计，给出了汇聚节点及传感器节点的软件实现流程。结果表明，该系统可实现对猪舍内环境参数的有效采集，性能稳定、可靠，满足设计要求。

参考文献：

[1] 施正香.健康养猪的空间环境构建与养殖技术模式研究[D].北京：中国农业大学，2014.

[2] 王雷雨，孙瑞志，曹振丽.畜禽健康养殖中环境监测及预警系统研究[J].农机化研究，2012，34（10）：199-203.

[3] 毕春光，刘欣伟，任东波.基于ZigBee和GPRS网络的兔舍无线温度监测系统设计[J].湖北农业科学，2014，53（18）：4434-4436.

[4] 贾科进，王文贞，杜太行，等.基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统[J].节水灌溉，2014（3）：69-71，74.

[5] 高中霞，朱凤武，涂川川，等.基于无线传感器网络（WSN）的禽舍环境监测系统[J].农机化研究，2012，34（5）：139-142，146.