畜禽養殖監控系統的研究

周鵬+燕斌+田晨

摘要：設計了智能畜禽養殖監控系統，采用ZigBee和以太網相結合的通信方式，在畜禽舍內部署各類環境監測傳感器，傳感器節點構成監控網絡。通過各種傳感器采集養殖場的相關環境因素，結合季節、養殖品種的生理特點，編制有效的養殖環境信息采集及調控程序，達到自動完成禽舍環境控制的目的。

關鍵詞：無線傳感器網絡；Zigbee；以太網；畜禽養殖

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）01-0115-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.01.030

Abstract： Intelligent livestock breeding monitoring system deploys various types of monitoring sensors in livestock building.Large amount of sensor nodes constitute monitoring network. Through collecting related environment factors by various sensors，combining with physiological features of seasons and breeding species，it can form effective breeding environment information collection and regulation and control procedure，so to reach the target of automatically completing breed building environment control.

Key words： wireless sensor network； Zigbee； Ethernet； livestock breeding

溫濕度、光照等環境因素，對畜禽的健康和生長有重要影響。畜禽在低溫高濕環境比在低溫適宜濕度環境更容易患風濕癥、腸炎等疾病。高溫環境中，高濕妨礙畜禽的蒸發散熱，很容易使畜禽體內積熱過多，體溫升高而導致疾病。因此，需要對畜禽舍的溫濕度進行有效地控制[1]。

智能畜禽養殖監控系統應能夠采集畜禽舍內溫濕度、光照等數據，并將采集到的數據通過無線及有線的方式進行傳輸至后臺管理系統。僅獲取當前的溫濕度值是不夠的，通常情況下，養殖者還希望能夠通過必要的干預手段，將禽舍內的環境參數控制在合理的范圍，以提高畜禽養殖的質量和效率。本研究設計了一套智能畜禽養殖監控系統，采用ZigBee和以太網相結合的通信方式在畜禽舍內部署各類環境監測傳感器，大量的傳感器節點構成監控網絡。通過各種傳感器采集養殖場的相關環境因素，結合季節、養殖品種的生理特點，編制有效的養殖環境信息采集及調控程序，達到自動完成禽舍環境控制的目的。

1 智能畜禽養殖監控系統體系結構設計

智能畜禽養殖監控系統的網絡結構遵循物聯網的3層基本結構[2]。感知層通過傳感器采集節點，實現畜禽養殖場所環境信息的采集，并將數據匯聚至協調器節點做必要處理，最后將數據發送至網關[3]。網關起到連接無線傳感器網絡[4]與局域網或廣域網的作用，通過網關可以將數據通過網卡模塊或GPRS模塊將數據傳輸至服務器供所有用戶訪問。用戶在應用層實現養殖場環境信息的接收和發送控制命令[5]。

畜禽舍監控系統分為3部分：Zigbee無線傳感器網絡、網關和計算機監控軟件，整個系統的體系結構如圖1所示。該系統的具體實施需要完成各種節點硬件平臺、節點應用程序和PC端監控軟件3個方面的設計，其中硬件平臺的設計包括傳感器節點和網關節點的設計。

2 硬件設計

傳感器節點主要包含數據采集單元和數據傳輸單元。傳感器節點采用TI公司的CC2530片上系統為核心，濕度、光照等傳感器將采集的數據送至CC2530經必要處理后以無線傳輸的方式傳送至網關節點。

網關節點主要由數據傳輸單元、數據處理單元和網卡模塊組成，實現的功能主要包括接收無線傳感器網絡中傳感器節點發送的數據，將基于Zigbee協議的數據轉換成符合TCP/IP協議的數據。轉換完成后，通過網卡模塊把數據發送到計算機。

2.1 傳感器節點硬件平臺的設計

溫濕度傳感器節點主要由DHT11數字溫濕度傳感器及CC2530構成，兩者間的數據傳輸采用單總線方式。DHT11負責禽舍內溫度、濕度數據的采集，采集的數據經CC2530做簡單處理后由其射頻部件以無線傳輸的方式轉發至網關節點。

光照傳感器節點主要由BH1750FVI光照傳感器及CC2530構成，兩者采用IIC總線方式進行數據傳輸。BH1750FVI光照傳感器負責采集禽舍內的光照數據并將數據實時傳送至CC2530，CC2530對數據進行濾波等處理后轉發至網關節點。

2.2 網關節點硬件平臺的設計

網關節點主要由ENC28J60網卡模塊及CC2530構成，ENC28J60帶有SPI接口，通過該接口可以將其與CC2530進行連接（圖2）。網關節點的CC2530芯片用于與其他傳感器節點組成Zigbee網絡，對各傳感器節點轉發的數據做數據融合后，ENC28J60模塊將處理好的數據借助計算機網絡傳輸至計算機。

3 軟件設計

3.1 溫濕度傳感器程序設計

DHT11溫濕度傳感器采集的數據分為小數部分和整數部分，每次傳輸數據位數為40 bit，高位在前低位在后。具體數據格式：8 bit濕度整數數據、8 bit濕度小數數據、8 bit溫度整數數據、8 bit溫度小數數據及8 bit校驗和。根據對該傳感器時序圖的詳細分析，繪制了操作該傳感器的流程，如圖3所示。endprint

3.2 Zigbee節點的程序設計

在Zigbee協議中規定了3種類型的節點，分別是終端節點（傳感器節點）、路由器節點、協調器節點（網關節點）[6]。3種節點程序的設計都是在Z-Stack 2007 PRO協議棧的基礎上進行，本系統主要涉及協調器節點和傳感器節點程序的設計[7]。

傳感器節點上電進行初始化工作后，申請加入網絡，并判斷是否加入成功。若沒有加入成功則繼續申請加入網絡，如果成功加入某網絡，節點建立綁定表。接著傳感器節點進行網絡監控，讀取傳感器數據后發送數據包給網關節點并判斷發送是否成功，沒有發送成功時節點將重新發送。

網關節點負責創建網絡，MAC層掃描有效信道，判斷是否有節點加入網絡。如果有節點加入網絡，將節點地址存入地址表綁定，沒有其他節點加入則繼續掃描有效信道。網關節點判斷是否收到數據包，收到則對數據進行處理，然后調用ENC28J60模塊程序將數據傳輸給計算機。

3.3 基于uIP的網程序設計

TCP/IP協議棧的實現需要消耗較多的程序存儲空間，資源有限的嵌入式系統無法滿足這樣的需求[8]。經過精簡后的uIP協議棧包含了TCP/IP里IP、TCP、uDP和ICMP協議等必要的部分[9]。編寫應用程序實現網絡通信功能時，可以直接調用uIP協議棧對用戶提供的API。本設計在網關節點和計算機之間建立客戶機-服務器模式的網絡通信機制，由CC2530組成的網關節點作為客戶機，計算機為服務器[10]。

網關節點上電后，首先進行系統的初始化工作，然后等待傳感器節點發送的數據。當接收到傳感器節點的數據時，uIP協議棧可將數據封裝成以太網數據報，最后調用硬件層的API將數據報發送至計算機。計算機有命令或數據發送到網關節點時，uIP協議棧將數據報中的有效載荷解析出來交給網關節點的應用程序處理。網關節點工作流程如圖4所示。

為構建良好的人機界面，計算機監控軟件采用2種方式顯示有效數據。在界面的右側直觀的顯示各個時間點所測量的數據，在界面的左側以曲線的方式顯示所測量數據的數值及變化趨勢。打開計算機上的監測軟件，并點擊界面右下方的“開始服務”按鈕，啟動網關節點及傳感器節點后可在上位機上觀測禽舍內的溫濕度數據。禽舍內的溫度變化緩慢，為快速直觀的測試該系統的基本功能，采取將溫度傳感器靠近熱水和冰水的方式進行觀測，測試結果如圖5所示。

4 結論

采用ZigBee和以太網相結合的通信方式，實現了畜禽舍環境的實時監測和控制。結果表明，該智能畜禽養殖監控系統能穩定、可靠的運行，實現了預期目標。不僅適用于畜禽舍環境的監控，還可用于其他眾多場合，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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[2] 鄭紀業，阮懷軍，封文杰，等.農業物聯網體系結構與應用領域研究進展[J].中國農業科學，2017，50（4）：657-668.

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[4] 周 鵬，燕 斌.TinyOS在MSP430F149上的移植與應用[J].自動化儀表，2016（8）：13-15，20.

[5] 李明河，郭建忠，王 健.基于GPRS的村鎮污水處理遠程監控系統設計[J].控制工程，2017，24（4）：799-803.

[6] WANG R C，CHANG R S，YEN J H，et al.A dynamic topology reformation algorithm for power saving in ZigBee sensor networks[J].International Journal of Distributed Sensor Networks，2013（2）：1-10.

[7] Z-Stack-Zigbee協議棧[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/tool/cn/z-stack，2017-08-09.

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[9] 蔣 萊.幾個主流TCP/IP協議棧介紹[J].計算機與網絡，2016（8）：46.

[10] 孫衛佳，許永康.基于TCP/IP協議棧的數據包分片技術[J].長春工業大學學報，2015，36（6）：684-686.endprint