基于ZigBee技術(shù)的自動化立體農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計

張龍浩

摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與養(yǎng)殖業(yè)之間的聯(lián)系日益密切，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的立體農(nóng)業(yè)在部分發(fā)達(dá)國家家已經(jīng)得到實(shí)施并且效果顯著。現(xiàn)如今自動化已經(jīng)給我們的生活帶來了巨大的方便，并給社會帶來了巨大的利益。新興的無線技術(shù)更成為了我們生活中必不可少的一部分，其中的ZigBee技術(shù)有著成本低，易操作且支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，如果把這種技術(shù)與立體化養(yǎng)殖相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場的自動化控制，進(jìn)一步減少人工的使用，并達(dá)到資源的最大化利用，從而減少成本，優(yōu)化養(yǎng)殖戶的利益。

關(guān)鍵詞 ZigBee技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；立體農(nóng)業(yè)

中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）199-0129-03

1 研究背景與社會意義

為了實(shí)現(xiàn)在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)能耗低、簡單易操作的無線連接檢測和控制，ZigBee聯(lián)盟于2001年8月成立，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司在2002年共同加入該聯(lián)盟并研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。

自古以來，養(yǎng)殖業(yè)就是一項勞動力需求大、就業(yè)人數(shù)多、效率低的行業(yè)，但隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，近年來養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，正逐步走向智能化、高效化、機(jī)械化、一體化的道路，而ZigBee等一些無線通信技術(shù)的發(fā)展將推動養(yǎng)殖業(yè)走向立體自動化的道路。而近年來基于物聯(lián)網(wǎng)的立體養(yǎng)殖逐漸發(fā)展，技術(shù)也日益成熟。

澳大利亞、美國、荷蘭等國家養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展從起步時就步入了機(jī)械化生產(chǎn)模式，在一個養(yǎng)殖場中何時升溫、何時喂食、何時通風(fēng)供氧這些日常工作都是由添加了多元化傳感器的ZigBee中央控制電腦控制并發(fā)出指令讓其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成的，養(yǎng)殖業(yè)中所需要的大量人力已經(jīng)被機(jī)器人或者一些精密的設(shè)備取代，達(dá)到了對養(yǎng)殖場環(huán)境的精準(zhǔn)控制并給予家畜最合適的生活環(huán)境，減少了家畜的發(fā)病率和飼料、燃料的浪費(fèi)。生產(chǎn)規(guī)模得到了提高，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖規(guī)模大、單產(chǎn)水平高、農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率提高發(fā)展得以推廣很多新技術(shù)，使養(yǎng)殖業(yè)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

作為一個農(nóng)業(yè)大國，養(yǎng)殖業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)中所占比重約為48%且總產(chǎn)值年均增速16.1%，但由于我國由于科學(xué)技術(shù)水平、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異、個人財富和文化水平的限制，絕大多數(shù)地區(qū)自動化養(yǎng)殖的普及率非常低，依然以人類勞動為主的養(yǎng)殖形式，尤其是西北地區(qū)，至今還沿襲著古老的游牧刀耕火種方式。但近年來由于引進(jìn)國外技術(shù)和我國科技水平的發(fā)展，傳統(tǒng)的畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化與改善，但禽畜養(yǎng)殖發(fā)展水平對于上述國家仍存在自動化程度低、人力勞動需求大、效益差等問題。

在我國，立體養(yǎng)殖業(yè)將是一個趨勢；頂層種植名貴植株，中部飼養(yǎng)禽畜，末層種植食用植物的模式在很多國家得以實(shí)施，并取得了良好的效益。我國養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ蟮詣踊降停瑢igBee技術(shù)引入自動化、立體化養(yǎng)殖業(yè)的養(yǎng)殖方式，會減少我國養(yǎng)殖業(yè)對人力的投入，保證資源的最大化利用，也非常符合未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。

2 自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 Zigbee技術(shù)的原理

ZigBee技術(shù)也稱作紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要優(yōu)點(diǎn)有耗能低、易操作、快速、安全并且支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌阎饾u成為各行各業(yè)經(jīng)常使用的短距低速無線通訊技術(shù)之一。

物聯(lián)網(wǎng)定義為當(dāng)下幾乎所有技術(shù)與計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)物體與物體，環(huán)境以及狀態(tài)信息之間實(shí)施實(shí)時共享以及智能化的收集傳遞、處理、執(zhí)行讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，可以概括為“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，立體養(yǎng)殖業(yè)就是基于物聯(lián)網(wǎng)而建立的一種將生產(chǎn)者消費(fèi)者分解者三者緊密相連現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。

隨著新技術(shù)革命的到來，再利用信息的過程中首先要解決的就是獲取準(zhǔn)確而又可靠的信息，而人們依靠自身的感覺器官獲取的信息已經(jīng)無法滿足的需求，為了改變這一現(xiàn)狀，就需要傳感器。傳感器是能感受規(guī)定的測量物并按照數(shù)學(xué)函數(shù)法則轉(zhuǎn)化成可用信號的裝置，是實(shí)現(xiàn)自動化養(yǎng)殖十分重要的原件。

2.2 自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)的調(diào)控設(shè)計

2.2.1 光照強(qiáng)度的控制

光照在植物體的光合作用中是必不可少的，還可以促進(jìn)動物體體對鈣的吸收，但強(qiáng)度過于大的光照會對生物的生活習(xí)慣造成巨大的影響，導(dǎo)致動物進(jìn)食緩慢、中暑植物脫水等一系列影響生物體正常生活的行為，我們在光照處安裝光照傳感器并根據(jù)養(yǎng)殖物種的不同設(shè)定不同的光照強(qiáng)度參考值并通過ZigBee光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)由ZigBee系統(tǒng)控制遮光板、補(bǔ)光燈等一系列改變光照強(qiáng)度的措施，以給禽畜和植物合適的光照條件。

2.2.2 溫度的控制

溫度的變化會引起禽畜和植株生長、發(fā)育、繁殖和疾病的產(chǎn)生會造成影響，不同的季節(jié)也會有不同的溫度，養(yǎng)殖場中溫度的調(diào)節(jié)是一直以來的難題，在本系統(tǒng)中養(yǎng)殖場中將會安置多個溫度傳感器，并根據(jù)養(yǎng)殖物種的不同設(shè)定不同的溫度參考值和傳感器收集到的數(shù)據(jù)對溫度進(jìn)行調(diào)控，由ZigBee系統(tǒng)控制射頻接受設(shè)備控制地暖、空調(diào)等設(shè)施的自動開閉，保證每一層的溫度達(dá)到最舒適值。

2.2.3 空氣含氧量的控制

氧氣是生物生存的必要保障，缺氧會導(dǎo)致窒息以至休克，會嚴(yán)重影響禽畜的健康，甚至?xí)?dǎo)致死亡以至養(yǎng)殖戶收入虧損，養(yǎng)殖禽畜種群密度高，容易導(dǎo)致氧氣不足情況發(fā)生，本系統(tǒng)中植物的存在會很好的避免缺氧的情況發(fā)生。但由于植物光合作用強(qiáng)度的限制，本系統(tǒng)將會在養(yǎng)殖場布置多個氧氣濃度傳感器，并通過不同種群對氧氣的需求不同設(shè)定不同的氧氣濃度參考值，并由ZigBee系統(tǒng)控制排氣機(jī)的自動開閉，以實(shí)現(xiàn)動植物生存環(huán)境氧氣濃度的最合理性。

2.2.4 系統(tǒng)自清潔的控制

糞便處理是困擾禽畜養(yǎng)殖的一大難題，工人們對于糞便處理也是避之不及，本系統(tǒng)將會在養(yǎng)殖欄中安放凸轉(zhuǎn)離子泵并由控制中心控制開閉已達(dá)到遠(yuǎn)距離、高粘度的運(yùn)輸，糞便將會通過管道運(yùn)輸，可以保持地面的干凈更能夠節(jié)省人力，減少了人工成本。運(yùn)輸?shù)募S便將會被收集到一個具有壓力傳感器的容器中，在達(dá)到一定的參考值時將信息傳至中央控制中心，ZigBee系統(tǒng)會控制該一部分糞便分流入下一層的食用蔬菜養(yǎng)殖中去；超過這一參考值的部分將會排入地下的沼氣池以生產(chǎn)沼氣，來實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。endprint