基于ZigBee的豬舍環境檢測系統的設計

王麗芬+馬明濤

摘 要：吉林省是我國畜牧養殖大省，畜牧業經過“十二五”時期的快速發展，在養殖的總量和質量方面都發生了巨大的變化。隨著畜牧業的迅猛發展，畜產品質量安全問題日益受到人們的重視。目前，我國畜牧業發展過程中表現出疫病防控存在漏洞、飼料及其原料存在安全隱患、違規生產和使用獸藥的現象仍然存在、畜禽飼養環境存在污染等方面的不足。信息化是促進畜牧業發展的關鍵，目前我國對信息化在畜禽養殖生產管理領域、營養與飼料、疾病防治等方面的研究，已取得了一定的成績，但由于信息技術的快速發展，目前市場上銷售的管理軟件比較陳舊，影響了生豬飼養的管理水平。因此需要一款新的生豬飼養管理軟件的推出，以滿足市場需求。本系統針對豬舍的環境系統進行檢測和分析。

關鍵詞：ZigBee；環境監測；設計

一、基于ZigBee技術的圖書室檢測系統的特點及結構

豬舍環境檢測系統是以煙霧傳感器、光敏電阻傳感器和溫濕度傳感器為基礎，結合Zig Bee無線通信技術組成的一個可以實時檢測當前環境的煙霧濃度、光照強度以及溫濕度自動化檢測系統，其工作流程如圖1所示：

各傳感器把采集到的信息傳送給ZigBee終端節點，終端節點進行數據的收集和分析然后通過無線傳感器將數據輸送給ZigBee協調器，ZigBee協調器將數據打包傳送給串口模塊，串口模塊與PC機端是通過Uart總線連接，通過總線將數據傳送給PC機。

環境檢測系統的系統結構大體來講分為三個部分，分別是：下位驅動層、中央通訊層和上位用戶層，如圖2所示。

此中下位驅動層是采取模塊化結構的信息采集的方式，其中包括CC2530模塊、光敏電阻傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器組成硬件結構，是上位用戶層數據的來源，同時又是支撐整個平臺運行的基礎。在某種意義上來講，系統中的傳感器節點具有雙重作用，它既負責數據的檢測，同時又是數據傳輸者。協調器節點運用以CC2530無線微控傳感器組件的ZigBee無線通信網絡。ZigBee是一種自組織網的無線通信網絡，它的每個終端節點會自動的加入無線網絡來進行數據的傳輸。網絡中的每個節點都可以互相通信，所以假如某終端節點不能把數據直接傳送給協調器，也可以通過其他節點進行數據繼承，然后由繼承數據的節點傳輸到協調器當中。

中央通訊層溝通著下位傳感層和上位用戶層，其功用即是將來自傳感層的數據信息進行處理，并發送到用戶層進行存儲分析，同時接收用戶層發送的控制指令反饋傳感層且內部有著特定的通信協議，協議規定了哪些數據可以通過通信層繼而傳送到驅動層或者是用戶層，哪些數據不能通過通信層進行傳遞。

上位用戶層負責收集通信層傳來的全部數據并將最終處理得到的數據以曲線的形式體現出來，并對其進行存儲，以方便后期進行的數據查詢和數據刪除等功能，使得圖書室管理人員可以及時明了的讀取圖書室內部的動態環境信息，并且可以根據現實需求對中央通訊發送動作指令，從而達到用戶層的監控需求。

二、硬件設計

為了更好的延伸系統的功用和降低給射頻電路帶來的影響，把節點細成為具有信息傳送功能的射頻電路和主板兩個部分。協調器和路由器都是由射頻電路模塊和主板組成，硬件設計沒有什么不同，區別在于程序的準備和功能的實現。

射頻電路模塊整個節點的核心就是承擔下位驅動層的信息傳送任務。由于其內部匯聚了許多電路所以只需要少量的外部電路就可以體現它的功用。

射頻電路模塊把CC2530的P0口、P1口和P2_0—P2_2引腳全部引出，通過排針接口連接到主板上。它與主板上的接口相對應。

主控芯片采用CC2530芯片。該芯片結合Zig Bee的協議棧，工作在2.4GHz頻段，使用8051處理器核心，可以通過三個不同的寄存器進行訪問總線，擁有21個I0口可以進行輸入或者輸出，具備高頻收發器。其工作電壓為2～3.6V，功耗極低。不僅如此，CC2530芯片在CC2430芯片的基礎上增加了存儲容量，在保證功率消耗極低的同時還提高了信號傳輸容量，使系統不需要添加功率放大器也可以進行擴大傳輸距離，從而降低成本和提高無線傳輸的穩定性。

主板既是連接射頻電路模塊和傳感器模塊的“介質”，又是所有節點的電源源泉，不僅如此，主板還是節點和PC機之間通信的接口。電源電路、RS232接口、聯合測試行動組接口電路等共同組成了主板。主板分別給射頻電路模塊和傳感器模塊各一個接口，通過這兩個接口實現了傳感器模塊與射頻電路模塊之間引腳的連接，主板為射頻電路模塊和傳感器模塊提供電源也是通過這兩個接口。

豬舍環境檢測系統中的CC2530芯片正常工作電壓是3.3V，而普通適配器都是220V輸入5V輸出，所以需要對電壓轉換芯片進行對5V的電壓轉換，其中使用AMS1117-3.3芯片產生穩定的電壓供給系統的正常工作需要。整個Zig Bee無線通信網絡的重要組成部分就是使用電源供電并占有主導地位的主節點。

系統所用的路由是DL-LN33模塊。它是一款無線自組織網絡多跳模塊，無需配置、不依賴WiFi和基站便可以自動完成組網。組網之后模塊給用戶的微程序控制器供應無線通信服務。該模塊的特點是易于開發、通信穩定、自動組網、自動多跳、無控制中心、多對多網狀通信，該方案相對于其他自組網無線通信解決方案更加靈活、可長期穩定的工作。所用路由模塊DL-LN33引腳配置。

三、軟件的設計

（一）協調器的軟件設計

協調器通電后，初始化硬件、軟件系統，構建網絡。隨后協調器進行組建Zig Bee網絡并檢測是否組建成功，如果失敗，則重復上一步；如果成功，繼續接受來自節點的入網請求，并為其分配網絡地址，向節點發送入網響應，節點加入網絡開始接收環境采集模塊的數據。

（二）終端節點的軟件設計

此系統的節點在成功連接上電源之后，首先進行初始化動作，這個動作完畢之后為了進入網絡會向協調器發送請求指令，若加入失敗會重新嘗試加入。成功的話，就會得到協調器分配的網絡地址并嘗試加入網絡，加入失敗的話，重新進行上一步，當節點加入成功之后會自動進入休眠狀態來降低系統的功耗提高節點的使用壽命。在遇到突發情況的時候，節點觸發系統，節點每過一段相同的時間就會自動的收集當前圖書室的環境信息，采集成功后，會檢查煙霧濃度是否超過預定值，如果超過預定值，就會有火災報警，如果沒有超過預定值，就會向鄰近的父節點發送被打包的數據。若傳輸成功則進入休眠模式，否則，繼續嘗試傳輸數據，一直到數據可以成功的傳送給父節點。

四、結論

基于ZigBee無線傳輸豬舍環境檢測系統，旨在實時檢測豬舍室內環境溫濕度、空氣中煙霧濃度以及光照的強度，無論這三項中的哪一項超出預定值，系統都會自動報警，相關的管理人員采取行之有效的辦法來解決問題。再者，這一環境檢測系統解決了傳統手持式監控、布線式方法的布線繁雜、測量的數據與實時環境各指數誤差大、技術成本高、耗費人力的諸多問題。由于條件有限，因此系統還存在著一些不足之處，但我相信，隨著科技的進步以后的監控系統會更加的智能、人性化。endprint