基于ZigBee和云平臺的智慧養殖環境監測系統設計

薛鴻民 王煒卓

摘 ?要：畜牧業是我國經濟發展的基礎產業，傳統的養殖場主要采用人工養殖，實行粗放式管理，不僅浪費人力物力，也不能實時有效地監管養殖場環境。為此，設計出一種基于ZigBee和云平臺的智慧養殖環境監測系統，借助ZigBee模塊采集養殖環境中的各項信息，并通過Wi-Fi模塊發送至OneNET云平臺，實現對數據的實時監測與管理。測試結果表明，該系統擴展性強，節點數目易于改變，具有很強的實用價值。

關鍵詞：物聯網;智慧養殖;ZigBee;OneNET云平臺

中圖分類號：TN929.5 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0164-05

Design of Intelligent Breeding Environment Monitoring System Based on ZigBee and Cloud Platform

XUE Hongmin， WANG Weizhuo

（School of Information Engineering， Shaanxi Xueqian Normal University， Xi’an 710100， China）

Abstract： Animal husbandry is the basic industry of China’s economic development. Traditional farms mainly adopt artificial breeding and extensive management， which not only wastes human and material resources， but also can not effectively supervise the breeding environment in real time. Therefore， we design a smart breeding environment monitoring system based on ZigBee and cloud platform， which uses ZigBee module to collect all kinds of information in the breeding environment and sent it to OneNET cloud platform through Wi-Fi module for real-time monitoring and management of data. The test results show that the system has strong scalability， the number of nodes is easy to change， and has strong practical value.

Keywords： Internet of things; smart breeding; ZigBee; OneNET cloud platform

0 ?引 ?言

隨著新一代信息技術的發展，動物的養殖方式也發生了很大的變化，智慧養殖是當下的熱點，也是未來養殖產業發展的方向。基于ZigBee和云平臺的智慧養殖環境監測系統提供橫跨云、邊、端多個維度的計算服務和智能處理能力，可使養殖場滿足節能、環保的要求，管理人員通過物聯網云平臺可實現實時決策和自主協作，從而實現對養殖場高效有序的監管。

為了精準高效地獲取當前養殖環境中的各項信息，實現對養殖設備的自動控制，我們設計了基于ZigBee和云平臺的智慧養殖環境監測系統。選用ZigBee（cc2530最小系統）模塊完成主體搭建，加入溫濕度傳感器、光敏電阻、有害氣體傳感器等傳感節點，以做到智能化感知養殖環境中的環境數據，通過Wi-Fi模塊將采集到的環境數據發送給遠程服務器——OneNET云平臺端。此外，系統具有自動控制設備的功能，為管理人員提供遠程控制操作以及數據顯示的界面，構建網絡化、數字化、智能化的現代養殖環境以及現代養殖系統，推動養殖產業的智能化和可持續發展[1]。

1 ?系統設計方案

相較于傳統的養殖方式，基于ZigBee和云平臺的智慧養殖環境監測系統能夠更加精準高效地獲取養殖環境中的各項信息，并通過數據分析和處理自動對養殖場的設備進行控制，建立更加智慧化的養殖生態體系。本系統采用ZigBee協調器設備驅動傳感器對養殖環境中的各項信息進行實時的感知、監測、采集，利用ZigBee無線通信技術、以自組多跳的傳輸方式進行數據的無線收發，通過ZigBee終端設備驅動控制模塊，實現遠程控制和自動控制的功能;同時利用Wi-Fi通信模塊將采集到的環境信息發送至OneNET云平臺端，創建直觀的數據顯示和設備控制頁面。管理人員在移動終端設備上登錄云平臺賬號，即可直接觀察養殖環境中的真時狀況，進行設備的遠程控制操作[2]。系統整體設計方案如圖1所示。

2 ?物聯網體系架構

2.1 ?感知層與控制層

感知層是采集信息和數據預處理的基礎與核心，通過傳感器器件獲取環境信息（例如溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等），進行適當的處理后，傳感器將采集到的實時數據發送到ZigBee協調器并上傳至云平臺，同時與系統所設定的閾值進行比較，若超出設定閾值范圍即可自動控制ZigBee終端設備。

2.2 ?網絡層

傳輸層負責安全傳遞采集到的信息，是信息傳輸與交互的關鍵所在。通過ZigBee無線通信技術將信息、數據與指令在感知層、控制層、平臺服務層，應用層之間傳遞。本系統通過Wi-Fi模塊ESP8266芯片建立通信過程，依據傳輸應用層的各種指令，將數據通過Wi-Fi模塊傳送到物聯網OneNET云平臺端。

2.3 ?平臺服務層

平臺服務層負責數據的鑒權、接入和收發，是物聯網網絡架構中最重要的一部分。OneNET云平臺提供豐富的API和數據分發能力，滿足開發者的系統需求，降低設備運維成本。本系統接入OneNET云平臺進行設備管理，設備命令交互操作，通過MQTT協議和HTTP/HTTPS的API接口根據場景搭建不同的應用系統。

2.4 ?應用層

應用層負責根據具體的場景需求，通過OneNET云平臺上的數據可視化工具，創立直觀的數據可視化及控制頁面，并設計出便于管理人員操作的手機控制端APP，在云端可以反映設備的當前狀態，實現監控、分析、預警、可視化以及智能控制，實現智能化的智慧養殖系統[3]。

3 ?硬件系統設計

3.1 ?數據節點微處理器選型

本系統選用的處理器為ZigBee cc2530最小系統（集成有8051單片機的計算處理核心），是真正的SOC片上系統解決方案，支持IEEE 802.15.4協議，256 KB閃存，擁有龐大的快閃記憶體，多達256個字節，包含2個USART12位的ADC和21個通用GPIO。cc2530提供101 dB的鏈路質量、優秀的接收器靈敏性和卓越的抗干擾性，配備標準兼容或專有的網絡協議棧來簡化開發[4]。cc2530最小系統電路如圖2所示。

3.2 ?傳感器選型

傳感器是一種檢測裝置，可以將檢測到的信息按照一定的規律轉換成電信號并通過其他方式輸出，通常由敏感元件和轉換元件組成。本系統選用的是光敏電阻（GM5516）、溫濕度傳感器（DHT11）和有害氣體傳感器（MQ-135）。

光敏電阻（GM5516）的工作原理是內光電效應，即光照越弱，阻值就越高，光敏電阻對光線十分敏感，具有超強的穩定性和可靠性。溫濕度傳感器（DHT11）是一款數字信號傳輸傳感器，可以感知環境溫濕度，支持單總線數字信號，兼容3.3 V/5 V電平，尺寸小，功耗低，精密度高且穩定性好。有害氣體傳感器（MQ-135）在較寬的濃度范圍內對有害氣體有良好的靈敏度，可以檢測出氨氣、硫化物等有害氣體，支持DO輸出數字信號，適用于環境監測、智能控制等多種應用場景。各傳感器電路接口圖如圖3所示。

3.3 ?無線通信模塊選型

Wi-Fi技術是一種允許電子設備連接到無線局域網（WLAN）的技術，它對應一套通信的規則，保證讓兩個節點互相連接，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射頻頻段。具有無線電波的覆蓋范圍廣、傳輸速率快，便于設備接入等優點。Wi-Fi模塊內置無線網絡協議（IEEE802.11b.g.n協議棧及TCP/IP協議棧），以此連接互聯網絡，傳輸數據。

本系統無線通信模塊選用Wi-Fi（ESP8266）模塊。配置管腳、通信串口管腳已全部引出。Wi-Fi模塊可以充當一個站點SP，也可以是AP接入點，可以連接手機、路由器等Wi-Fi設備。使用Wi-Fi模塊連接ZigBee協調器和OneNET云平臺，上行數據流將ZigBee終端采集到的溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等數據以無線通信的方式發送給ZigBee協調器，再通過Wi-Fi模塊發送至OneNET云平臺端，為用戶提供便捷的數據可視化界面;下行數據流由用戶端發出設備控制指令，經Wi-Fi模塊發送至ZigBee協調器，ZigBee協調器以無線通信的方式控制ZigBee終端上的設備運行[5]。Wi-Fi模塊通信串口如圖4所示。

4 ?軟件設計

4.1 ?系統軟件設計

本系統軟件開發平臺選用IAR EW8051-8.1，編程語言為C語言，仿真器驅動為SmartRF04EB。智慧養殖環境監測系統硬件由ZigBee協調器和終端設備組成，采用簡單的星狀拓撲結構，包含一個ZigBee協調器節點和多個ZigBee終端節點，ZigBee協調器節點負責建立新的網絡系統，設定網絡參數和管理網絡中的節點;ZigBee終端節點則負責加入網絡，執行數據采集與傳送，并通過協調器設備關聯網絡[6]。

首先，ZigBee協調器上電并啟動，完成網絡建立和網絡的初始化，選擇一個合適的信道并為自己的網絡選擇一個PANID（網絡標識符），然后通過周期廣播函數向周圍發出數據幀，開始執行輪轉查詢式操作;終端節點上電初始化完成后，應用層向網絡層發送原語請求加入網絡，網絡層收到請求后主動掃描周圍網絡，找到合適的PANID后向MAC層請求關聯，網絡層再向應用層報告加入網絡的結果。在ZigBee設備組網完成后，系統啟動監測當前的環境信息，實時性采集所監測的數據并與閾值進行比較，若高于閾值范圍則自動開啟設備。系統軟件設計流程圖如圖5所示。

4.2 ?Z-Stack協議棧

Z-Stack協議棧是半開源的程序代碼庫，提供操作系統抽象層OSAL的協議棧調度程序，基于IEEE 802.15.4協議，是一種無線自組網技術標準（由ZigBee聯盟制定）。在使用時僅需調用API函數，工作頻段為2.4 GHz，傳輸距離在10～100 m的范圍內，適用于監測或控制通信覆蓋范圍較大的網絡。

ZigBee協議棧的核心部分為網絡層，網絡層負責拓撲結構的建立和維護，協同完成尋址、路由以及傳送數據。用戶可以在App層添加應用程序，在HAL層對具體的硬件進行修改，在OSAL層實現操作系統的功能并通過片輪轉算法實現多任務調度。首先在main（）函數中完成系統初始化工作，然后通過osal_start_system（）啟動操作系統，通過tasksEvents[idx]任務事件數組來判斷OSAL中是否有事件發生。在調用了各層的任務初始化函數之后，系統就會調用osal_set_event（taskID，event）函數，將各層任務的事件存儲到taskEvent數組中。osal_start_system（）函數通過輪詢的方式不斷查詢是否有事件發生，通過串口通信將協調器上的整個網絡信息發送給上位機，進行可視化和數據存儲等處理。ZigBee協調器節點的工作流程如圖6所示。

在應用層任務初始化函數中添加：

MT_UartInit（）; ? //串口初始化

MT_UartRegisterTaskID（task_id）; ? //串口任務注冊

串口操作相關函數：

unit16HalUARTRead（unit8 port，unit8*buf，unit16 len）; //從UART中讀數據

unit16HalUARTWrite（unit8 port，unit8 *buf，unit16 len）;//把數據寫入到UART中

4.3 ?系統應用平臺

云平臺使物聯網應用的快速實現成為可能，從開發難度、功能性和穩定性等多方面提供服務保證。開放第三方API接口，實現個性化應用場景構建。云平臺具有數據接收、數據存儲、數據分析顯示、數據可視化組件及控制下發和賬戶管理等功能，實現了應用程序的快速開發和管理的簡化。

本項目選用OneNET云平臺作為系統應用平臺，在USART_Data_Send（）函數中集成數據，將數據打包后發送到OneNET平臺，就可以實時記錄用戶采集到的數據;在USART1_IRQHand（）函數中接收并保存控制命令，讓Control_Execution（）函數執行該命令，用戶就可以通過執行OneNET下發的控制命令來控制設備。OneNET云平臺用戶控制界面如圖7所示。

5 ?系統測試與分析

基于ZigBee和云平臺的智慧養殖環境監測系統主要由ZigBee協調器節點、ZigBee終端節點和OneNET云平臺三部分構成。

由表1的測試結果可知，在測試ZigBee協調器與終端節點功能時，節點是否能采集到養殖環境數據與養殖環境中是否存在ZigBee協調器節點有關，若環境中存在ZigBee協調器節點，節點將自動入網，且終端節點定時發送監測數據至ZigBee協調器節點。在表2中，ZigBee協調器節點的工作狀態與節點是否入網以及Wi-Fi是否成功連接TCP服務器均有關系。當且僅當網絡中有節點與Wi-Fi成功連接TCP服務器后，ZigBee協調器節點才會進入正常的工作模式。該系統測試同樣符合系統的功能設定。

根據功能設計，系統一共有三種控制模式，分別是手動控制模式、自動控制模式和遠程控制模式。為驗證系統實現的功能是否完整，對所有的功能進行測試，根據功能的不同模式進行相應的測試，最終獲得的結果如表3所示。

6 ?結 ?論

本項目將傳統養殖產業與ZigBee無線通信技術和云平臺技術相結合，實現了對養殖環境的實時監測、數據可視化以及對養殖設備的智能化控制，便于管理人員的統一管理，構建智能化現代養殖系統。

參考文獻：

[1] 徐巧年.基于物聯網的農業養殖基地智能管控與精準預警系統設計 [J].信息技術與信息化，2021（6）：232-235.

[2] 鄭小南，楊凡，李富忠.基于物聯網的智慧豬舍養殖系統 [J].物聯網技術，2020，10（10）：79-81.

[3] 范慶宇，孫澤軍.基于ZigBee的物聯網養殖場環境智能監測系統的設計與實現 [J].物聯網技術，2021，11（11）：73-78.

[4] 羅雪雪，陳敏，朱泉水，等.基于ZigBee和CC2530的無線溫濕度數據采集和存儲模塊研究 [J].科技創新與生產力，2021（4）：66-68+71.

[5] 劉飛飛，徐隆姬，馬禮然.基于ZigBee的分布式農業環境監測系統設計 [J]傳感器與微系統，2021，40（3）：90-92.

[6] 張萍，胡應坤.基于ZigBee和OneNET云平臺的智能農業溫控系統 [J].物聯網技術，2021，11（1）：25-28.

作者簡介：薛鴻民（1970—），男，漢族，陜西渭南人，教授，博士，主要研究方向：面向對象技術、信息處理;王煒卓（2001—），女，漢族，陜西渭南人，本科在讀，研究方向：物聯網工程。