基于ZigBee無線傳感網絡的豬舍監控系統

周景文，李臨生，李慧霞

(太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024)

基于ZigBee無線傳感網絡的豬舍監控系統

周景文，李臨生，李慧霞

(太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024)

針對現代養豬場建設地點空曠偏僻、豬舍環境復雜、布線困難等問題，設計了一種基于ZigBee無線傳感網絡的豬舍監控系統。通過在豬舍內部安裝各類傳感器組成ZigBee無線網絡系統，以RT5350主控芯片為核心的嵌入式網關負責數據的匯總和轉發，及時將豬舍環境參數傳輸到上位機監控系統。局域網客戶端可以通過連接WIFI監控實時數據，遠程用戶可以通過連接Internet查看實時數據，實現環境、設備和人之間的信息交換。實際測試表明：該系統能夠可靠和高效地傳輸豬舍各類參數信息，豬舍內各調控設備運行穩定，提高了生豬養殖的科學化水平，具有良好的應用前景。

豬舍;ZigBee無線網絡;RT5350嵌入式系統;監控

最近幾年，全國各地的養豬業的規?；ㄔO迅速，生豬養殖越來越科學化和現代化。生豬的生長不僅受營養、遺傳因素影響，其生長環境也起著至關重要的作用[1]。傳統的封閉式豬舍因其建筑結構的局限性，不僅導致豬舍缺乏光照和通風不暢，而且豬舍容易積累了大量有害氣體，這些氣體主要包括二氧化碳、氨氣、硫化氫等，這些因素制約著生豬養殖業的發展。因此要對生豬養殖環境進行實時監測，并在分析監控信息的基礎上采取必要的措施，適宜的養殖環境有利于減少疾病的發生，降低養殖風險，提高生豬養殖效益，目前，對生豬養殖環境的監控受到越來越多的重視[2]。文獻[3]基于ZigBee網絡的農田信息采集系統，利用ZigBee無線通信技術對農田信息進行了精確采集與傳輸；文獻[4]基于無線傳感器網絡的溫濕度監控系統，結合ZigBee技術和移動網絡通信技術，實現了對養殖場內溫濕度的采集并調控；文獻[5]基于物聯網的保育豬舍環境監控系統，精確管理保育豬舍環境信息和調控設備。本文已有的研究基礎上，將RT5350-Linux嵌入式系統、ZigBee技術與WIFI無線通信技術相結合，擴展監測內容，增設環境調控設備，進一步提高了生豬養殖場的精準化管理水平。

1 系統總體方案

結合江蘇省灌云縣某養豬場對生豬養殖地綜合信息采集的需求，針對養豬場存在的上述問題，設計了一個豬舍監控系統，該生豬養殖場共有3排豬舍，每排豬舍長110 m，寬18.2 m，整體結構由生豬養殖場ZigBee無線傳感器網絡、RT5350嵌入式網關、WIFI無線路由和上位機監控中心四個部分組成。

圖1 豬舍監控系統整體結構圖

養殖場ZigBee無線傳感網絡由ZigBee終端節點、路由器和協調器節點組成。ZigBee終端節點連接風速、光照度以及各有毒氣體濃度等常規豬舍環境數據監測的傳感器；ZigBee路由器具有中繼轉發功能，使距離較遠的網絡節點可以通過多跳路由方式將數據發送到ZigBee協調器中；ZigBee協調節點主要功能是在一定范圍內組建ZigBee網絡，匯總來自終端和路由器的信息，負責轉發嵌入式網關與傳感器網絡之間的數據，實現雙向通信[6-7]。

本系統通過RT5350嵌入式網關進行通信協議的轉換，實現兩種網絡之間的交互通信，是WIFI無線通信與ZigBee無線網絡、Internet無縫連接的橋梁。網關自身具備的串口收發模塊和ZigBee協調節點通過UART串口相連，實現串口通信；網關的WIFI模塊與Internet連接，用戶可對豬舍實現遠程監控。上位機的監控端軟件通過圖形化實時顯示當前的溫濕度、各類有毒氣體等信息，及時啟動豬舍調控設備，是豬舍環境達到適宜，從而實現對豬舍的實時監控。

2 硬件設計

為了保證生豬生長環境合格，豬舍監控系統應具有環境參數采集、信息匯總發送、數據存儲分析、遠程操控等功能。

2.1 ZigBee節點與傳感器組成無線網絡硬件設計

ZigBee技術是一種短距離無線通信技術，具有成本低、功耗小、可雙向無線傳輸等特點，可采用2.4 GHz頻段跳頻和擴頻技術，最多支持254個節點網絡，配合使用CC2591增加無線網絡的發射功率，可以是有效傳輸距離達到400 m左右，非常適合地點空曠偏僻，監測點多，不用布線，組網容易的生豬養殖場。本系統的ZigBee節點核心采用TI公司生產的CC2530F256芯片，其內部擁有一個增強型8051微處理器，結合先進的微功率無線射頻性能，支持電源管理功能，提供多種工作模式，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。通過將外圍的傳感器(溫濕度傳感器、有毒氣體濃度傳感器等)連接到CC2530的A/D轉換器上，共同組成傳感器節點的硬件結構[8-11]。

傳感器主要是監測豬舍內部的溫濕度、有毒氣體濃度、風速和光照強度等環境參數，其中溫濕度傳感器采用的是瑞士Sensirion公司生產的SHT10溫濕度復合傳感器；二氧化碳濃度檢測傳感器采用的是日本弗加邏公司生產的TGS4160固態電化學型傳感器；硫化氫和氨氣濃度檢測傳感器分別采用的是美國RAE Systems公司的4NH3-100氨氣傳感器和4H2S-100硫化氫傳感器，由于模擬量輸出比較小，需要接上數字放大器，這里選用TI公司生產的PGA204百倍放大器，實現與CC2530內部自帶的A/D通道進行信息采集和處理。這幾款傳感器均具有體積小、壽命長、穩定性好等特性，在農業和工業中廣泛應用。

另外，風速傳感器采用TR-FS02三杯風速傳感器，該傳感器啟動風速為0.3 m/s，具有測量范圍寬、精度高、靈敏度高的特點，其輸出為RS485信號，抗雷電干擾能力強，工作穩定，在農林、環保等鄰域被廣泛的使用。將CC2530的串口電平經過MAX485轉換成RS485信號，在連接風速傳感器，便可以獲取豬舍環境風速。

光照強度傳感器采用GY-30模塊，該傳感器用I2C總線通訊，并且接口和采集方式與STH10溫濕度傳感器均相同，該模塊具有較高感光靈敏度、外圍電路少，安裝方便且價格低廉等特性，非常適合應用于豬舍環境內的光照的監測。

表1 傳感器技術參數表

Tab.1 Technology parameter tables of sensors

參數名稱STH10(溫度)STH10(濕度)TGS41604NH3?1004H2S?100TR?FS02GY?30電壓(VDC)3．33．355553～5測量范圍-40℃?+123．8℃0?100%RH0?5000ppm0?100ppm0?100ppm0?70m/s0?62236lx分辨率0．01℃0．03%RH10ppm0．5ppm0．4ppm0．1m/s1lx使用壽命(年)2262253

Fig.2Theprinciplediagramofthecoremodules

Fig.3ThestructureofZigBeeterminalnode

CC2530F256芯片通過P0_2、P0_3和P0_4組成的UART接口與各傳感器相連。

由于這些傳感器的工作電壓有所差別，大致分為12 V、5 V和3.3 V，為了保證系統中傳感器穩定高效的工作，采用開關電源模式供電，開關電源具有供電效率高，布線簡單等優點。將24 V的開關電源通過LM2576HVT-12穩壓器轉換成12 V，再分別通過LM2576HVT-3.3和LM2576T-5.0穩壓片將其轉換成3.3 V和5 V，溫濕度傳感器STH10用3.3 V供電，有毒氣體和光照強度傳感器采用5 V供電，風速傳感器采用12 V供電。

圖4 CC2530模塊實物圖

2.2 RT5350嵌入式網關模塊設計

嵌入式網關硬件由RT5350芯片、串口收發器模塊、WIFI收發模塊以及電源和外部存儲器組成[12]。Ralink公司生產的RT5350芯片是網關硬件的核心，它支持802.11 n以太網協議，采用通用串行接口，不僅可以與Zigbee協調器節點的CC2530芯片進行數據交換，而且可以實現與WIFI無線網絡之間的通信，吞吐速率可以達到100 Mbit/s，片上自帶主頻為360 MHz的高速處理器，處理能力充足。電源模塊為嵌入式網關的正常運行提供支持。

圖5 RT5350嵌入式網關結構

外圍存儲器包括32 M的SDRAM和256 M的SPI FLASH，開發板上還擁有很多各式端口，可以擴展更多的功能。ZigBee協調節點采用與終端采集節點相同的CC2530模塊，這一節點集成在嵌入式網關上，負責建立網絡，分配地址，轉發信息等功能。

2.3 WIFI無線路由

WIFI無線路由Acess Point和無線網卡組成，可直接作為室外智能型大功率802.11n無線基站接入設備。不僅無需布線，方便與現有以太網整合，而且生豬養殖場地點多在郊區，周圍空曠，信號干擾少，自行架設接入點，無需另付費用，大大降低養殖場的運營成本。因此本系統采用WIFI無線網絡技術，用于連接每個豬舍嵌入式網關控制器與上位機監控中心的網絡，實現對豬舍環境的實時監測和遠程調控。

3 軟件設計

3.1 ZigBee無線網絡的程序流程設計

ZigBee協調器節點負責組建和維護網絡，匯聚采集終端節點發送的豬舍環境參數的采集數據并將其轉發到網關，進而發送到監控中心。協調器節點上電后，首先掃描周圍信道信息，在空閑信道上創建ZigBee網絡，然后進入等待狀態，收到網絡請求后進行相應的任務處理。接收來自采集節點的采集信息并反饋回應，同時，向終端節點轉發來自監控中心的控制命令。ZigBee協調器節點的程序流程如圖6所示，豬舍環境參數采集終端ZigBee節點軟件流程圖如圖7所示。

圖6 ZigBee協調器節點程序流程圖

圖7 ZigBee采集終端節點程序流程圖

由于本系統中傳感器數量眾多，各傳感器信息傳遞的數據幀格式不同，無線網絡間的傳輸速度有差異等，容易造成信息處理錯亂，為了保障協調節點與數據監控中心有效穩定的通信，因此需要對傳感器數據幀進行統一的定義[13-14]。表2定義RT5350發向數據監控中心的上行鏈路數據幀格式，表3定義了發給ZigBee協調節點的下行鏈路數據幀格式。

其中上行數據幀的結構包括幀頭、幀尾、豬舍地址、協調器節點地址、傳感器節點地址以及各環境傳感器數據；下行數據幀的結構中，除了幀頭、幀尾，還具備組網指令、數據采集命令、驅動外圍設備指令、配置網絡參數指令等，從結構上保證信息交流的準確和有效。

表2 上行數據幀格式

Tab.2 Up-data format of frame

定義幀頭地址段設備號溫濕度二氧化碳氨氣硫化氫風速光照度幀尾字節長度2424222222

表3 下行數據幀格式

Tab.3 Down-data format of frame

定義幀頭地址段命令字設備號保留位數據段幀尾字節長度2422422

3.2 RT5350嵌入式網關程序流程設計

該嵌入式網關是基于RT5350嵌入式平臺設計的，當RT5350模塊接到數據中心經WIFI無線基站傳來的數據時，它作為服務器，將數據放入RT5350的外部內存緩存區中，待數據接收完后，再將數據拷到串口的發送緩沖區，串口按指令發送信息，最終將串口數據發送到ZigBee協調器節點。反之，ZigBee協調器要向數據中心發送數據時，RT5350便作為客戶端，將數據經WIFI無線網絡轉發至數據中心。

3.3 上位機數據管理系統

上位機數據管理系統為用戶提供Web數據訪問服務，采用C#、ASP.NET編寫，Microsoft SQL Server 2010作為數據庫，基于模型-視圖-控制器模型結構框架，確保程序運行良好[15]，方便工作人員通過瀏覽器登錄系統界面，查詢相關養殖信息，發布信息，實現對豬舍的實時監控和對豬舍內部設施的調控。

4 系統測試

一個穩定可靠的系統首先應該測量到真實可靠的數據，才能在實際的應用中起到作用，因此數據的精度決定著系統的優劣。

圖8 RT5350嵌入式網關程序流程圖

圖9 豬舍智能監控系統

4.1 無線傳感網絡協調器節點測試

ZigBee節點通電初始化完成后，協調器節點建立一個網絡，采集終端ZigBee節點加入該網絡。通過協調器節點向與終端ZigBee節點連接的傳感器下發讀取命令。將所測試的ZigBee協調器節點與PC機經CC Debugger連接，用TI Packet Sniffer軟件分析無線網絡中所發送的數據包，在圖10介質訪問層MAC payload 欄中數據幀：EF EF 53 66 01 01 00 00 06 33 2A 03 A2 31 30 30 01 01 1C 79 5C 78 FE FE，該數據是采集終端ZigBee節點所發送的采集數據，協調器節點接收到采集節點所發送的數據包后對其進行處理，提取有效數據部分，將其發送到上位機數據管理系統。

Fig.10ThedetailsofZigBeedatapacket

4.2 ZigBee無線網絡系統精度驗證

選取江蘇省灌云縣某生豬養殖場作為系統測試地，在實驗地選取3個主節點，12個了節點進行驗證。在實驗場地處的每個終端節點放置較為準確的測試儀，將兩組測定的數據進行比對[16]。其中，測定項目包含豬舍內的空氣溫濕度、二氧化碳、氨氣、硫化氫濃度、風速以及光照度，測試儀分別為德國的Kobold溫濕度傳感器、二氧化碳測試儀、德爾格氨氣檢測儀、瑞凱雷AWW300-H2S檢測儀、綠萱DAHF-1風速儀和美國HOBOH8光照強度測試儀。

表4 系統數據精度驗證

Fig.4 The verification of system data accuracy

從表4的對比結果中可以看到，該系統所測的溫濕度和風速數據，與儀器所測數據的誤差在5%，光照度誤差在5%～10%之間，二氧化碳、氨氣和硫化氫氣體濃度誤差在11%～17%之間，說明當前系統具有相當的可靠性和使用性，可以滿足豬舍環境的監控要求。豬舍內有毒氣體濃度傳感器的測量位置受其密度影響，例如氨氣和硫化氫濃度傳感器應該安裝在豬舍上部位置，二氧化碳濃度傳感器應該安裝在下部位置；溫濕度會受到每天時間段和地勢高低的影響等等這些客觀因素，都會給系統造成測量誤差，接下來會綜合考慮各方面因素對系統再調試，使之更高效地工作。

5 結束語

根據生豬養殖場信息監測的需要，設計了一種基于ZigBee無線傳感網絡的豬舍監控系統，通過對傳感器和ZigBee無線網絡各節點以及嵌入式網關進行硬件和軟件開發，然后對系統進行實地測試，表明本系統可以實現生豬養殖場各ZigBee無線傳感器網絡與RT5350嵌入式網關、WIFI無線路由、上位機之間雙向的通信，實現了對豬舍的實時監控和調控，解決豬舍環境檢測復雜、布線困難等問題，降低了生豬養殖場的運營成本，具有一定的應用推廣價值。

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DesignofPiggeryMonitoringSystemBasedOnZigBeeNetwork

ZHOU Jing-wen , LI Lin-sheng , LI Hui-xia

(College of Electronics and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

This paper designs a pigsty monitoring system based on the ZigBee wireless sensor network aiming at solving such tricky problems as the remote location selection of modern pig farms construction site, complexity of pigsty environment and wiring difficulties. By installing various types of sensors inside the pigsty, the ZigBee wireless network system summarizes and puts forward relevant data through using RT5350 as the main MUC embedded gateway to data collection and forwarding, transmitting a piggery environmental parameters in a timely manner to the PC monitoring system. The clients can monitor the real-time data by connecting to the WIFI, meanwhile, the remote users can check the real-time data by connecting to the internet, realizing interconnection of the environment, devices and users. Practical tests show that such a system can reliably and efficiently transmit various parameter information on pigsties and has a good prospect of application by running stability control equipment and improving the scientific level of the pigsties.

piggery, ZigBee wireless network, RT5350 embedded system, monitoring

1673-2057(2018)01-0018-08

2016-10-22

太原科技大學研究生科技創新項目(21051006,2016XC09)

周景文(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為智能信息與圖像信息處理、模式識別。

TN92

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2018.01.004