基于IoT的養殖場監控系統的設計與實現

摘要：該系統以ZigBee節點無線通信技術為核心，設計了一套物聯網環境下的奶牛場智能監控系統。該系統不僅可以有效地采集、存儲奶牛個體體溫、環境溫濕度、光照強度、空氣質量等信息，并將其發送到遠程PC機，還可以對采集到的信息進行實時分析、報警和智能處理。

關鍵詞：物聯網;Zigbee;養殖場監控

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）08-0056-02

隨著科技的不斷進步發展、生活水平的不斷提高，人們對自己和家人的健康逐漸重視起來。高品質的牛奶含有大量的蛋白質和對人體健康有益的微量元素，為了滿足市場對優質牛奶的需求，各種規模的牛奶養殖場不斷出現。

目前，我國奶牛養殖業正處于蓬勃發展階段，大量養殖戶仍采用傳統的圈養放養模式。傳統的養殖方式有許多缺點，它不僅需要大量的人力資源，而且不能及時、準確地檢測奶牛是否生病或是否處于發情期。如果奶牛生病，會直接影響當天的牛奶質量，假如奶牛在懷孕期間生病，更會對下一代犢牛的體質產生很大的負面影響。此外，牛舍的環境直接決定了牛群能否健康成長，一旦牛群生病，將給奶農帶來不可逆轉的經濟損失。傳統的養殖戶作業通常采用人工現場數據采集等方法來判斷目前的牛舍環境是否適合牛群的生長，但這浪費了大量的人力。針對此情況，本文設計了一個完善的養殖系統，包括奶牛健康數據監測、環境和生長指標異常報警、監測數據記錄、歷史數據回顧、周統計和月統計等功能。

1 系統設計

與傳統的人工檢測相比，本系統設計的智能監控系統具有明顯的優勢。它可以檢測奶牛的體溫和運動量、環境溫濕度以及光照強度。它具有實時、快速、同時檢測多個奶牛和多個環境節點的特點。本系統以PC機為終端，采用2.4G無線網絡對所有信息進行監控。采集的數據被發送到PC機并存儲，用戶可以在一定時間內掌握被測信息，達到智能處理的效果。

本系統通過單片機控制多個傳感器節點同時驅動多個傳感器，并將獲取的數據通過ZigBee無線傳感器網絡實時發送到PC終端進行存儲和可視化處理，具有異常報警提示等功能，使管理者能夠及時采取有效措施。

1.1 體溫無線監測功能

在本設計中，ZigBee網絡節點和溫度傳感器組成一個奶牛體溫探測器，放置在奶牛腿上。傳感器檢測到奶牛體溫后，通過網絡節點將數據發送給網絡協調器。當溫度超過正常奶牛體溫時（需提前設定閾值），會觸發聲光報警功能，提醒工作人員及時處理此異常情況。

1.2 光控/溫控系統

在奶牛場安裝監控系統和控制系統，對牛舍的環境指標（室內溫濕度、光照強度）進行監控，并通過控制系統實現自動調節功能。在監測系統中，為農場的溫度和濕度設置一個初始閾值。當檢測系統檢測到實際溫度和濕度值超過預定閾值時，控制系統將被激活，以控制農場排氣扇的運行，通風的目的就是用來散熱。光控系統和溫控系統的功能相似，還設置了初始光強閾值。當室內光線強度超過設定閾值時，控制系統控制窗簾落下遮陽。當光線強度較弱時，可以控制窗簾卷起，增強室內采光，保持相對較好的光照空間。

2 系統實現

2.1 感知層技術

溫度模塊采用的溫度傳感器為DS18B20，占用空間小、抗干擾能力較強、測溫精度較高。它通常用于空調環境控制和建筑物中系統、設備或機械設備的溫度監測。應用范圍廣、價格低廉、實用性強，因此本設計采用DS18B20芯片進行溫度采集。

DHT11數字溫/濕度傳感器是一種含有已校正的數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器分別內置了一個電阻式濕度測量元件和負溫度系數熱敏電阻器溫度測量元件，它可以與高性能的8位單片機相連接。由于該傳感器采用的串行接口遵循單線制規范，從而使得系統的集成過程變得簡單快捷。此外，該傳感器還具備超小的體積、極低的功耗，超快的響應、較強的抗干擾能力等優點，其信號傳輸距離可以超過20米，所以是各類應用場合的合理選擇。

ADXL345是一種體積小、功耗低、基于 iMEMS 技術的三軸數字輸出加速度傳感器。它的測量范圍涵蓋+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g，具有最高達13位的分辨率，最高靈敏度可達 3.9mg/LSB，甚至可測量到傾斜角度在 1度以內的微小改變。這款傳感器提供多種特殊的檢測功能，尤其適合配置在移動設備上。

光感電阻的工作原理是基于內部光電效應。光感電阻是由半導體光電效應產生的電阻，其電阻值隨入射光強度的變化而變化;當入射光強時，電阻減小;入射光弱時，電阻增大。光感電阻一般用于光測量、光控制和光電轉換（將光的變化轉化為電的變化）。它基于半導體光電效應，光感電阻沒有極性，而且是一個純電阻元件，使用時可以添加直流電壓或交流電壓。

該系統采用的氣體傳感器為MQ-135傳感器，它利用二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料，因為其電導率在清潔空氣中較低。此傳感器采用高低溫循環檢測法，在低溫（1.5V加熱）下檢測一氧化碳。傳感器的電導率隨著空氣中一氧化碳濃度的增加而增加，并且在高溫（5.0V加熱）下檢測到甲烷和丙烷并對低溫吸附的雜散氣體加以凈化。利用簡單的電路可以將電導率的變化轉換為對應于氣體濃度的輸出信號。MQ-135傳感器對氨氣、硫化物和苯蒸氣具有很高的靈敏度，它也是煙霧和其他有害監測的理想選擇。這種傳感器可以檢測各種有害氣體，是一種適合各種應用的低成本傳感器。

步進電機其實是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的運動驅動裝置，控制器發送一個脈沖信號給步進電機，步進電機立即根據信號設計的頻率在預定的方向上旋轉一個固定的單位角度。因為脈沖信號的數量多少實際上代表需要控制的角位移大小，所以可以利用這個原理實現對目標精確定位的效果。當一系列連續的控制脈沖作用于步進電機時，步進電機可以連續旋轉。每個脈沖信號對應于步進電機的一相或兩相繞組通電狀態的變化，該變化對應于轉子轉動一定角度（步進角）。當通電狀態的變化完成一個循環時，轉子旋轉一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電模式下運行。常用的通電模式有單四拍、雙四拍和八拍。

2.2 傳輸層技術

近年來，ZigBee技術因其特有的應用特性受到了人們的青睞。該技術作為一種傳感器網絡支撐技術，非常適合傳輸的數據量小，需要實時傳輸的場合。本設計的應用場合恰好需要一款這樣的產品作為信號傳輸的中介，因此本設計使用多個節點組成ZigBee平臺。由于同一協議棧的網絡握手協議和過程是相同的，因此必須保證網絡中信息傳輸過程的一致性。協調器、路由器和終端設備之間只能使用相同的協議棧來實現互操作。在組網實驗中，統一使用了協議棧。

CC2530 ZigBee模塊結合了領先射頻收發器、行業標準增強型8051 CPU和德州儀器行業領先的gold cell ZigBee協議棧（Z-stack?）的優異性能，提供強大而完整的ZigBee解決方案。CC2530具有不同的工作模式，特別適用于具有超低功耗要求的系統。CC2530可以通過自己的ZigBee模塊將采集到的有用數據發送給協調器，并通過串口傳輸到PC機上，使技術人員能夠實時了解奶牛個體和環境的狀況。

2.3 控制層技術

本設計采用的CC2530（無線片上系統單片機）是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個典型的片上系統（SoC）解決方案。CC2530芯片結合了領先的2.4GHz的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051單片機，系統內置可編程閃存，8KB RAM和許多其他強大的功能。正是通過CC2530內置優良性能的2.4GHzRF（Radio frequency 射頻）收發器，可以實現本設計系統中所需的無線通信功能。基于此，可以以很低的總材料成本構建一個功能十分完美的應用平臺。

CC2530 ZigBee模塊包含性能優異的低功耗8051微控制器核心、2.4 GHz IEEE802.15.4射頻收發器、USB到串行接口、天線接口、晶體振蕩器和I/O擴展端口。兩種有源模式和三種供電方式，低功耗性能較好。

2.4 軟件開發技術

本設計使用的開發環境是IAR for 8051V8.10，用于編寫程序。SmartRF Flash Program是用戶的SmartRF Flash編程手冊。閃存編程器可以用來編程閃存。對于IEEE802.15.4兼容設備（如CC2530）和藍牙（R）低功耗設備（如CC2540），flash編程器支持讀寫IEEE MAC地址。包嗅探器是一種軟件工具，它幫助維護、故障檢測和微調局域網和廣域網。該工具觀察網段的流量，學習掌握網絡配置，解碼協議，提交統計數據，自動識別許多常見的網絡問題，并能生成管理報告。

本系統方案的設計思想是以CC2530協調器為核心控制器，接收多個節點采集的傳感器數據（測量的奶牛體溫、運動量、溫濕度、光照強度），協調器對數據進行處理，控制電機執行相應動作，數據通過串口傳輸到PC機進行顯示。

3 結束語

本系統設計了一個能自動檢測奶牛體溫和運動狀態的智能系統。其功能基于CC2530 ZigBee模塊，實現多點溫度測量和運動監測，并對奶牛場的生長環境進行及時調整。作為一種奶牛場智能監控系統設計，它順應了當今時代科學技術的發展趨勢，適合規模化奶牛養殖環境。本設計充分結合了前人的研究成果和創新成果，將科學技術應用于特定場合，具有較高的經濟價值和社會效益。

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【通聯編輯：代影】