基于ZigBee與GPRS的畜禽養殖環境監測

收稿日期：2014－04－24

基金項目：惠州市科技計劃(2012B020004005，2013W15)。

作者簡介：高蕾(1976-)，女，廣東韶關人，碩士，講師，主要研究方向：無線傳感器網絡技術、網絡優化。

摘要：針對畜禽養殖對環境的要求，設計開發了一個畜禽養殖環境監測系統。系統采用基于ZigBee和GPRS的無線通訊協議，結合傳感器技術，形成自組織網絡。 該系統不但具有對畜禽養殖環境進行24小時監控的功能，還具有遠程查詢的功能。系統整體監控精度高、成本低廉、部署與運行維護容易，適合大多數的畜禽養殖環境。在實驗室和畜禽養殖場所的測試表明：系統運行穩定、監測數據真實可靠。

關鍵詞：ZigBee協議； 環境監測； 無線傳感網絡； 傳感器； 遠程查詢

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2014）03-0019-04

Livestock Breeding Environment Monitoring based on ZigBee and GPRS

GAO Lei

(Computer Science Department， Huizhou University， Huizhou Guangdong 516007， China)

Abstract：According to the requirement of livestock and poultry breeding on the environment， a livestock breeding environment monitoring system is designed and implemented. The system uses ZigBee and GPRS wireless communication protocol， combined with sensor technology， forming a self-organizing network. The system not only has 24 hours monitoring function for the livestock and poultry breeding environment， also has the function of remote query. The whole system has several advantages: high monitoring precision， low cost， deployment and maintenance easy， suitable for the majority of livestock and poultry breeding environment. In the laboratory and animal farms test showed that: the system is stable， monitoring data is reliable.

Key words：ZigBee Protocol; Environmental Monitoring; Wireless Sensor Networks; Sensor; Remote Query

0引言

隨著國家經濟實力和人民生活水平的不斷提高，整個社會需要更多畜禽肉的充足供應。但目前我國食品安全現狀卻實在不容樂觀，如此即將迫切要求畜禽養殖的企業和個人對畜禽養殖的環境做出合理的改進與完善。我國人口眾多，要滿足如此巨量的消費需求，畜禽的養殖必然朝著產業化方向發展。產業化的畜禽養殖也就是高密度、集約型的養殖方式，為此養殖環境就變得尤其重要［1-2］。首先，畜禽的養殖環境對畜禽的生產能力有很大影響，良好的畜禽養殖環境能提高10%~20%的生產能力；其次，自從我國加入WTO后，畜禽類產品的出口必須符合相關出口國家對畜禽養殖環境的要求，完好的畜禽養殖環境對于提高我國畜禽類產品的出口總額也大有裨益。因此，畜禽養殖環境中動態實時監測及合理調節機制的建立，對畜禽的健康生產、疾病的發生控制以及疫情的大肆傳播、也包括生產能力和經濟效益的提高都具有重要意義。

目前已有的畜禽養殖環境監測系統只是采用分散測量控制加集中管理，也就是以微處理器為核心的計算機集散監控模式。具體來說，這一模式就是以PLC可編程邏輯器件、單片機、傳感器模塊和電氣設備等作為下位機，實現畜禽養殖環境數據的監測；同時再以工業控制計算機作為實施的現場監控上位機，并通過RS485和CAN總線等方式與下位機實現其連接［3］。上述監測方式雖然可以滿足一定的生產需求，并對畜禽養殖環境狀況實施有限監測，但也存在相應不足，主要表現在：畜禽養殖環境的特點，使得布線困難，并且線路容易遭到破壞或腐蝕老化，監測系統的可靠性差，運營成本高；監控區域有限，多數不具備網絡功能，難以實現遠程監控。而基于ZigBee的無線傳感器網絡因其所具有的自組織、可移動，布置簡單、易于維護、成本低廉且無需布置線路等優點，使其已逐漸成為畜禽養殖環境的一種重要及有效的監測手段［4］。

本文針對畜禽養殖的環境特點及其對監測系統的具體要求，并結合ZigBee的技術優勢，成功設計了一個畜禽養殖環境監測系統，現已投入實際使用，并且也取得了良好效果。

1系統總體設計

系統的總體結構設計，決定了整個系統是否符合畜禽養殖環境的監測需求。而畜禽養殖環境監測系統，雖是基于ZigBee，但其實現卻需要多種應用技術的有機綜合，這些技術重點包括了：畜禽養殖技術、無線傳感網絡技術、數據采集技術、數據庫技術以及遠程訪問技術等等［1，5］。本文即是根據畜禽養殖的實際環境和監測系統的具體功能，將系統分為三個主要部分：畜禽養殖環境監測設備、無線傳感網絡組網設備以及環境監測數據采集和遠程查詢等。該系統的總體結構如圖1所示。

圖1系統總體結構

Fig.1The overall structure of system由圖1可見，畜禽養殖環境監測設備主要包括：溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、氨氣濃度傳感器以及硫化氫濃度傳感器等畜禽養殖環境需要監測的一些傳感監測設備；而無線傳感網絡組網設備則主要包括：基于ZigBee的無線通信設備、基于RS485的有線通信設備、基于GPRS的無線通信設備。相應地系統的另一可見組成，也就是環境監測數據采集部分主要實現的功能是：環境因素的數據采集、處理和存儲上傳等，同時也接受遠程控制指令，并為本地用戶提供查詢等；此外，遠程查詢部分的主要功能就是提供遠程查詢服務、還可根據用戶的需求提供各種時間維度的報表、圖形顯示以及各種權限控制等。第3期高蕾：基于ZigBee與GPRS的畜禽養殖環境監測智能計算機與應用第4卷

2監測系統硬件總體結構

硬件系統是整個畜禽養殖環境監測系統的物理基礎。以此為平臺，可使得硬件系統在支撐畜禽養殖環境監測的功能要求得以滿足的同時，還需要將系統的精確度、無線傳感網絡的傳輸距離以及傳輸速度等重要指標實現無損、高效的傳輸。本文即是將圖1所示的系統總體結構中的畜禽養殖環境監測設備和無線傳感網絡組網設備劃歸入硬件系統中，這兩類設備的作用主要是負責畜禽養殖環境參數的監測和數據的傳輸。無線傳感網絡通信組網設備可將畜禽養殖環境監測的各種傳感設備所采集的數據，轉換為ZigBee標準信號發送至數據采集系統。硬件總體結構如圖2所示。

圖2 系統硬件總體結構

Fig.2The overall structure of hardware system2.1環境監測傳感設備

畜禽養殖環境參數感知的傳感設備包括：溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器、硫化氫傳感器和光照傳感器等。在具體選擇傳感器時，則要根據實際情況詳細考量現場內外環境、市場供應、開發難度及經濟條件，并在對其進行綜合評判后，最終確定合適的傳感器。

在畜禽養殖環境監測系統中，有多種不同的環境因素需要監測，這就要求各個環境監測傳感器對非電量數據也具備感知和探測能力，進一步地還能將其轉換為與被監測量具有一定映射關系的電量值。各個傳感器監測的非電量環境因素是在不斷變化的，傳感器能否將這些變化轉換為對應的電量值，取決于該傳感器的“輸入-輸出”特性。傳感器的“輸入-輸出”特性可以通過傳感器的線性度、遲滯、靈敏度和重復性等性能指標來描述［1］。下面則將給出各個性能指標的定義及計算公式。

(1)傳感器的線性度：指傳感器的實際“輸入-輸出”特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即：

εL＝±ΔLmaxyFS×100%(1)

(2)傳感器遲滯：傳感器在輸入量增加和輸入量減少的行程中，“輸入-輸出”特性曲線之間不重合的程度，即：

γH＝ΔHmyFS×100%(2)

(3)傳感器靈敏度：傳感器在穩定狀態下的輸出變化量與被監測的輸入變化量之比值，即：

S0=ΔyΔx(3)

(4)傳感器重復性：傳感器的輸入量在同一方向變化時，在滿量程內連續進行重復測量所得到的“輸入-輸出”特性曲線不一致的程度，即：

γR=±ΔRmyFS×100%(4)

基于上述指標，本系統選用的傳感設備則分別為：瑞士Sensirion公司制造的SHT10溫濕度傳感器［6］；藍月科技制造的B-530二氧化碳傳感器［7］；美國RAE Systems公司制造的4NH3-100氨氣傳感器［8］；美國 RAE Systems公司制造的 4H2S-100硫化氫傳感器［9］；北京迪輝科技有限公司制造的GY-30光照傳感器［10］。各個傳感器的相關參數，如表1~表5所示。

表1SHT10溫濕度傳感器命令代碼對應表

Tab.1The corresponding table of command

code of SHT10

命令代碼(二進制)溫度測量00011濕度測量00101讀狀態寄存器00111寫狀態寄存器00110軟復位11110表2B-530二氧化碳傳感器技術參數

Tab.2Technology parameters of B-530參數名稱參數值電壓12VDC測量范圍0-5 000ppm精度小于±7%分辨率10ppm相應時間小于4秒輸出ASC碼串行數據，TTL電平穩定性小于1%/年表34NH3-100氨氣傳感器技術參數

Tab.3Technology parameters of 4NH3-100參數名稱參數值電壓5VDC測量范圍0-100ppm靈敏度0.01±0.02uA/ppm分辨率0.5ppm響應時間小于10秒輸出模擬量信號穩定性小于2%/月表44H2S-100硫化氫傳感器技術參數

Tab.4Technology parameters of 4H2S-100參數名稱參數值電壓5VDC測量范圍0-100ppm靈敏度0.8±0.02uA/ppm分辨率0.1ppm響應時間小于20秒輸出模擬量信號穩定性小于2%/月表5GY-30光照傳感器技術參數

Tab.5Technology parameters of GY-30參數名稱參數值電壓3-5VDC測量范圍0-65536lx精度101x分辨率11x響應時間小于120毫秒輸出I2C總線數字輸出穩定性小于1%/年2.2無線傳感網絡組網設備

文中的畜禽養殖環境監測系統在整體上主要采用基于ZigBee和GPRS兩種無線通訊方式，為此系統則具有免布線、運營維護簡單的特點，并且特別需要一提的就是，還非常適合于對老舊畜禽養殖場所實現改造升級。

2.2.1ZigBee無線通信

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee協議從下到上分別劃定為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中的物理層和媒體訪問控制層遵循的則是IEEE 802.15.4標準的規定。ZigBee網絡主要特點是低功耗、低成本、低速率、低復雜度、支持大量節點、支持多種網絡拓撲、并且快速、可靠而又安全。ZigBee網絡中的設備可分為協調器(Coordinator)、匯聚節點(Router)、傳感器節點(EndDevice)等三種角色［11］。

本文的畜禽養殖環境監測系統采用了鼎泰電子公司生產的ZigBee-DRF1600無線傳輸模塊，其獨特之處在于：網絡自組織、數據傳輸透明、簡單易用。此處則將其外形實拍，獲得影像即如圖3所示。

圖3ZigBee-DRF1600外形圖

Fig.3Appearance of ZigBee-DRF1600ZigBee-DRF1600具有兩種數據傳輸模式。

方式之一就是一對多的數據透明傳輸模式。Coordinator節點從串口接收數據，自動發送給所有其他節點，串口接收到數據也會自動發送給Coordinator節點；

方式之二就是點對點數據傳輸方式。ZigBee網絡內的任意兩個節點之間，可以進行點對點的數據和指令傳輸。

根據畜禽養殖環境監測系統的具體需求，本文即采用了一對多的數據透明傳輸模式。

2.2.2GPRS無線通信

GPRS是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service)的簡稱，該技術是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。由宏觀發展來說，GPRS可說是GSM的延續。與以往連續在頻道傳輸的方式有所不同的是，GPRS是以封包（Packet）式來進行傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位實現相應計算的，而并非使用了整個頻道，在理論上較為經濟實用。GPRS的傳輸速率可提升至56、甚至114Kbps［12］。本文的畜禽養殖環境監測系統使用了基于GPRS的Internet接入方法，就是將畜禽養殖環境監測到的環境數據通過互聯網傳輸至遠程的數據處理中心。

文中采用了北京同誠業科技有限公司出品的WG-8010 GPRS模塊，該模塊具有性能可靠、使用簡單、兼容性好等特點。具體的產品外形則如圖4所示。

3系統軟件設計

為了實現對監控場所實施24小時全面監測，便于用戶的生產管理，系統的數據采集平臺采用了C/S架構；而遠程查詢平臺則采用B/S架構。數據采集平臺主要負責對畜禽養殖環境數據的采集、傳輸、存儲和報警等任務；遠程查詢平臺，則主要是為用戶提供遠程查詢的支持，具體還可以根據用戶的需求，按不同的時間維度顯示相應的統計信息。圖4 WG-8010 GPRS模塊外形圖

Fig.4Appearance of WG-8010 GPRS module畜禽養殖環境監測系統的軟件部分采用Microsoft Visual Studio .Net平臺開發，數據庫采用SQL Server 2008，軟件的總體架構如圖5所示。

圖5 軟件總體結構圖

Fig.5Overall structure of software考慮到系統的可擴充性和可遷移性，對數據庫訪問的遠程查詢模塊采用Spring.Net，Enterprise Library以及ADO.Net三個組件來實施開發。開發后的系統將具有很好的數據訪問性能、可擴充性和可遷移性，并能滿足不同數據庫系統的要求。在現今流行的SQL Server、Oracle、MySQL數據庫系統中都能應用和運行。

4結束語

結合我國畜禽養殖的實際情況，設計開發了一個畜禽養殖環境監測系統。該系統采用基于ZigBee和GPRS的無線傳輸協議，以及傳感器技術，能夠對畜禽養殖場所的溫濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度、硫化氫濃度以及光照強度等環境因素進行24小時全天候有效監測。系統具有易于實施、運營維護簡單、監測范圍廣、性能可靠等優點，并已在實際應用中證明了該系統的良好有效性，可望對我國日后的畜禽養殖環境監測提供有益的借鑒與參考。參考文獻：

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