基于ZigBee无线网络的养殖场信息监测系统设计

李　颀， 冯宇谦， 周晓岚

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安　710021)



基于ZigBee无线网络的养殖场信息监测系统设计

李颀， 冯宇谦， 周晓岚

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：针对养殖场部分信息监测需要人工测量与人工记录，且监测信息不全面，不能综合反映养殖场环境信息等问题，设计开发了一种基于ZigBee无线网络的养殖场信息监测系统.该系统能够对养殖场禽畜舍温度、湿度、NH3浓度、风速、用水量和用电量进行采集，并通过ZigBee网络将传感器数据传输到监控室内上位机监测系统，该系统基于Delphi和SQL Server2005编程，便于养殖场信息存储、查询和分析.实际测试表明：该系统能够有效、准确地监测养殖场内各禽畜舍的环境信息，通过ZigBee自组网特性，布线复杂程度低、可扩展性强，系统具有一定的推广应用价值.

关键词：养殖场； 信息监测； ZigBee无线网络； Delphi

0引言

近几年来，随着畜牧业的发展，养殖产业发展速度不断加快，并向规模化、现代化方向推进，特别是大群体、高密度饲养畜禽的日益增加，养殖场内的环境质量已经上升为影响畜禽健康状态与生产性能的首要问题.各类流行性疾病的不断爆发和传播，将会给畜禽养殖带来严重的打击，为了有效防治疫病的发生与传播，在不断加强疫病防控体系的同时，对养殖场环境的监测逐渐得到国内外企业和学者的重视[1-6].

随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线组网要求的ZigBee技术，它是一种近距离、低成本、低功耗、低速率的双向无线传输技术，主要适用于自动控制、远程控制甚至家用设备联网的需要.通过ZigBee网络技术实现传感器节点与数据汇集中心节点的无线通信，并可以充当路由进行信息交换，更加符合养殖场信息检测过程中对多点检测、多要素、移动性、便捷性等方面的要求.

养殖场内禽畜舍环境通常比较复杂，环境信息之间相互影响，目前虽已有相关学者在养殖场信息采集方面进行了相关研究，并已实现相关功能，但大多数只是涉及畜禽舍内部温度、湿度、CO2、SO2、NH3和光照等信息检测[7-12]，并未涉及整个养殖场信息的采集管理，因此不能全面综合地反映整个养殖场内的环境信息.

从环境信息综合性和牲畜的健康角度出发，还需要考虑到其他环境因素.禽畜舍内适当的风速会对温度、湿度和NH3浓度起到一定的调节作用；通过观察禽畜舍用水量可以了解到牲畜的生长状况和健康状况；通过观察禽畜舍用电量可以得知养殖场内大型风机设备以及取暖设备的运转状况，同时也间接反映了禽畜舍内通风量、温度、湿度、NH3浓度的变化.

本文结合河南某牧业公司对养殖场综合信息采集需求，针对上述问题，设计了基于ZigBee技术的养殖场信息采集系统，使用ZigBee无线通信技术将养殖场内畜禽舍温度、湿度、NH3浓度、风速、畜禽舍用水量和用电量信息传输到监测管理中心上位机，工作人员通过上位机监测整个养殖场的采集信息，当传感器数据超过阈值时，及时报警以便于现场监控人员进行调控，还可以通过上位机查看传感器历史数据，便于工作人员分析历史数据，提高养殖场生产力.该系统组网灵活，信息采集完整准确，系统部署方便，维护成本低，降低工作人员劳动强度，为养殖场进行科学养殖提供了基础的环境数据依据.

1系统方案设计

本系统实际应用的养殖场所处环境较为广阔，此养殖场一共建有22个禽畜舍，布局为2排11列，监测室处于第一排禽畜舍正前方，单个禽畜舍长105 m，宽17.2 m，相邻禽畜舍横向间隔8 m，纵向间隔10 m.每个禽畜舍安装1个传感器检测节点检测禽畜舍环境信息，路由器节点安装于人行道旁，协调器安装于监控室内部通过RS-232串口连接上位机电脑，系统总体结构如图1所示.

图1　养殖场信息监测系统结构图

根据传感器节点和协调器节点的位置情况测量，最远直线距离为170 m，因此ZigBee节点的传输距离只要能够大于170 m，便可以实现传感器数据的采集与传输.然而ZigBee的传输范围一般介于10~100 m之间，为了保障传感器检测节点能够和协调器节点稳定通信，使用CC2591增加无发射功率，配合2.4 GHz全向天线发射，相邻节点之间可靠传输距离可以高达500 m，自动重连距离高达400 m，完全满足此养殖场内数据传输距离.为了避免ZigBee信号受到养殖场内障碍物阻挡，影响无线信号强度，在两排禽畜舍中间人行道的路边处每隔90 m放置1个路由器节点，通过ZigBee网络进行多跳转发，保障养殖场ZigBee内无线数据的稳定传输.

为了达到系统设计需求，系统整体设计分为两部分：养殖场信息采集子系统设计与上位机监测子系统设计.养殖场信息采集子系统主要由传感器检测节点、路由器节点和协调器节点组成，传感器检测节点主要负责对畜禽舍温度、湿度、NH3浓度、风速、用水量和用电量信息进行采集，然后通过路由器节点以无线多跳方式发送给协调器，完成养殖场传感器信息的采集与传输；上位机监测子系统由图形用户界面和数据库组成，上位机接收到传感器数据后，通过图形用户界面显示各畜禽舍环境参数，然后存储在数据库中，便于工作人员查询和分析养殖场数据，提高养殖场的养殖和管理水平.

1.1　养殖场信息采集子系统

养殖场信息采集子系统主要实现养殖场信息通过以CC2530为核心的ZigBee无线网络技术进行传感器数据的采集，主要由传感器检测节点、路由器节点和协调器节点组成.

传感器检测节点主要采集养殖场畜禽舍中的传感器数据，包括养殖场畜禽舍环境温度、湿度、风速、NH3浓度、畜禽舍用水量和畜禽舍用电量.传感器节点根据养殖场的需求布置在监测点，通过ZigBee传感器检测节点核心处理器依次采集运算后，依照系统定义的通信数据帧结构组成数据发送帧，然后将数据帧无线发送出去.

路由器节点主要为整个信息采集系统提供无线信息路由转发功能，整个信息采集子系统中的ZigBee节点通过自组网的方式组成网状结构，构成无线传感器网络.ZigBee传感器检测节点通过采集各个传感器的数据，沿着路由器节点以多跳方式进行数据传输，经过多跳路由发往协调器接收节点.

协调器节点为整个网络的建立发起者，具有整个网络的最高权限，是整个网络的维护者，管理传感器节点和路由器节点的加入和离开，并接收所有传感器节点发送的传感器数据，再通过串口将传感器数据发送至上位机监测系统.

1.2　上位机监测子系统

上位机监测子系统是整个ZigBee网络系统的数据汇聚中心和系统监测中心.上位机监测系统使用Delphi可视化编程软件编写，结合SQL Server 2005数据库存储传感器数据.通过连接协调器节点接收养殖场信息采集节点中传感器数据，在图形用户界面显示养殖场中传感器数据，实时监测养殖场情况，并存储在数据中，便于管理人员对养殖场传感器信息查看和分析.

2系统硬件设计

本系统采用的ZigBee无线传输技术的核心处理器使用TI公司的CC2530单芯片集成SOC，支持IEEE 802.15.4标准，集成了高性能的RF收发器，标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8KB RAM，最高拥有256KB的闪存，8通道12位模数转换，1个16位定时器和2个8位定时器，21个可编程I/O引脚和许多其它强大的功能.结合TI公司开发的ZigBee协议栈(Z-StackTM)，为养殖场多种传感器数据采集和传输提供了硬件支持，适用于多种传感器数据采集.

2.1　传感器采集节点硬件设计

传感器采集节点主要用于检测畜禽舍室内温度、湿度、风速和NH3浓度以及畜禽舍用电量与畜禽舍用水量的环境参数，传感器采集节点硬件结构如图2所示，主要由ZigBee核心处理单元CC2530、温湿度传感器、NH3传感器、风速传感器、用水量传感器、用电量传感器、复位电路、电源模块组成.

图2　传感器采集节点结构图

ZigBee核心处理单元CC2530主要负责传感器数据采集和无线数据传输，采用3.3 V电压供电，通过CC2591功率放大，增强无线发射信号强度，保障信号传输的稳定性.图3为CC2530+CC2591的核心模块的电路原理图，也是所有ZigBee节点的最小系统.

图3　CC2530+CC2591核心模块原理图

温湿度传感器采用SHT10数字式温湿度一体传感器，此传感器采用IIC通讯接口，温度测量精度为±0.5 ℃，湿度测量精度为±4.5%RH；温度测量范围为-40 ℃～123.8 ℃；湿度测量范围为0～100%RH；传感器默认返回14位温度数据和12位湿度数据，外壳采用防水设计，完全适用于畜禽舍环境内部温度和湿度采集.

NH3浓度传感器采用型号为BGD-NH3电化学式传感器，电化学传感器通过与被测NH3发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来检测NH3浓度.测量范围为0~100 mg/L，测量精度为±1%F.S，防护等级为IP66，采用4~20 mA标准电流输出；采集传感器数据前需要把4~20 mA电流信号转换为电压信号，再通过CC2530内部自带12位A/D通道进行电压采集，从而实现采集NH3浓度采集.

风速传感器采用YGC-FS三杯式风速传感器，其测量范围为0~70 m/s，启动风速为0.3 m/s，其输出为RS-485信号，抗干扰能力好，且精度较高，防护等级为IP45；通过MAX485将CC2530的串口电平转为RS-485电平，再与风速传感器连接，通过指令读取当前环境风速.

用电量传感器采用DTS862电子式三相四线电能表，其遵循DL/T645-1997通讯规约，适用于大型自动抄表系统，该电表内部通过计算实际用电量后再以RS-485的方式输出.CC2530通过使用通信规约中的数据帧命令读取实时用电量信息.

用水量传感器采用JRM-2C计数直读式用水量传感器进行检测，传感器通过检测安装在水表上的磁针的转动圈数来检测用水量，磁针的安装位置可以根据实际情况来选择安装精度，安装位置精度越小，磁针转圈数越多，计数也越多.用水量通过圈数与磁针的精度乘积来计算用水量，CC2530通过RS-485方式读取用水量传感器的检测信号.

由于传感器节点需要多种电压供电，数据采集频率较高，采用锂电池供电，势必造成带电时间短，会给工作人员带来维护不便；禽畜舍中安装有大量的照明设备和取暖烤灯，留有大量的220 V电源接口，为了保障传感器采集节点的稳定工作，采集节点采用开关电源模块供电，电源接入方便，布线简短，既不影响传感器工作稳定性，又能根据采集需求合理布局传感器节点.开关电源输出24 V/1 A和5 V/1 A，再通过稳压芯片LM2576-12和ASM1117-3.3转换12 V和3.3 V，24 V为NH3传感器供电，12 V为用水量传感器供电，5 V为风速传感器供电，3.3 V为核心模块及温湿度传感器供电.

2.2　路由器节点硬件设计

路由器节点的核心模块和传感器检测节点的核心模块相同，均使用CC2530主控芯片和CC2591功率放大芯片，区别在于路由器节点在此不进行传感器数据采集，因此硬件上只需要最小系统便可以工作.

2.3　协调器节点硬件设计

协调器节点主要负责接收所有传感器节点的无线发送数据，同时作为数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)通过EIA-RS-232C标准接口与上位机通信，将传感器数据传输到上位机监测系统.

由于EIA-RS-232C接口电气特性规定逻辑1为-3~-15 V，逻辑0为3~15 V.而协调器使用TTL电平，为了实现上位机EIA-RS-232C与TTL电平和逻辑关系的转换，在此使用MAX232芯片把CC2530串口电平转换为EIA-RS-232C电平，其工作电路如图4所示.

图4　TTL电平与EIA-RS-232C电平转换电路图

3系统软件设计

系统软件主要包含ZigBee协议栈Z-Stack开发和上位机软件开发两部分.Z-Stack开发的目的是使得协议栈能够满足实际系统功能需求，主要进行应用层开发，实现养殖场传感器信息采集，并组成ZigBee网络，进行采集终端节点与协调器通信.上位机软件开发主要包含图形用户界面开发和数据库开发，通过图形用户界面可以帮助工作人员可以直观的读取养殖场的传感器数据，同时利用数据库存储采集到的传感器数据，便于工作人员查看和分析历史数据.

3.1　Z-Stack应用开发

ZigBee网络中协调器和路由器均属于全功能设备(FFD)，传感器节点(终端节点)属于精简功能设备(RFD)，RFD设备不具有FFD设备的路由功能，而路由节点区别于协调器节点的最重要一点是：协调器负责网络的发起和建立，因此路由器节点和传感器节点只能向协调器节点申请加入网络[13-16].

协调器节点上电后会初始化并建立网络，然后监听网络中是否有采集节点请求加入网络，如果收到采集节点请求加入网络，协调器会采用分布式分配机制为采集节点分配16位扩展地址(Extended address)，协调器在建立网络成功后将使用0X000作为自己的扩展地址，采集节点入网成功后将以16位扩展地址与协调器通信，协调器收到采集节点发送的数据后会通过串口发送给上位机.协调器节点软件流程图如图5所示，传感器节点软件流程图如图6所示.

图5　协调器节点流程图

图6　传感器采集节点流程图

本系统为了便于管理所有畜禽舍中传感器节点发送的数据帧，且由于采集传感器数量多，各传感器有效数据字节长度不同，为保障协调器节点和上位机监控系统能够准确的识别各个畜禽舍中传感器节点发送的数据帧，因此定义传感器数据帧结构如表1所示.传感器数据帧的结构主要由数据帧头、传感器节点地址、协调器节点地址、畜禽舍编号、传感器数据和帧尾组成.各个传感器的数据在通信帧中的位置固定，传感器节点依次采集各个传感器数据，并存放在对应位置，传感器数据采集完成后，通过ZigBee射频信号发送给协调器.

表1　ZigBee传感器通信帧结构

使用ZigBee无线网络分析仪进行抓包分析，数据包如图7所示.从Texas Instruments Packet Sniffer软件抓到的数据包可以看到每个数据包由很多段组成，由于协议栈采用分层结构实现，所以数据包显示时不同层使用不同的颜色表示.

从数据包中可以看到协调器组建网络直到终端节点加入网络的整个过程，以及采集节点与协调器节点的通信数据帧，在图7介质访问控制层MAC payload 栏中后面有如下数据帧：FE FE 6F 79 00 00 01 01 05 03 1D 06 A4 30 31 31 00 00 1B 83 33 35 6A 9C EF EF，此为采集节点发送给协调器节点的数据帧，数据帧中包含了采集到的各个传感器数据信息，协调器收到后再通过串口发送到上位机，上位机在对数据进行解析、显示、存储和分析.

图7　ZigBee协议分析仪捕获的数据包

3.2　上位机软件开发

上位机借助于Delphi可视化的集成开发环境(IDE)，其采用面向对象的Object Pascal编程语言和基于部件的开发结构框架，配合高速的编译器和强大的数据库支持，与Windows编程紧密结合.数据库使用SQL Server 2005，通过ADOConnection和ADOQuery连接Delphi开发环境，为数据库开发和管理提供了便捷.

为了测试本文养殖场环境监测系统的稳定性，本系统在河南某牧业有限公司进行了长达6个月的测试，系统运行稳定.图8为上位机监测界面，通过上位机图形用户界面，工作人员直观的看到养殖场内所有传感器采集的数据，了解到养殖场内全面的环境信息；图9为历史数据查询界面，以湿度作为查询对象为例，工作人员通过上位机可以查看数据库中的历史数据，为养殖场提供完整的环境信息数据，便于养殖场工作人员依据历史数据合理科学的调节饲养环境和饲养过程，提高养殖场生产力.

图8　上位机监测子系统图形用户界面

图9　湿度历史数据变化曲线

4结束语

本文根据河南某牧业公司养殖场信息监测需求，设计了基于ZigBee无线网络的养殖场信息监测系统.首先介绍了检测系统中传感器采集节点中核心硬件设计和各传感器选择，然后对Z-Stack开发和基于Delphi和数据库的上位机开发做了具体的应用介绍，最后对系统进行了实地测试.该系统通过部署在养殖场内的ZigBee节点构成自组网络，传感器节点完成传感器信息采集后，经由多跳方式传往协调器节点，通过监控室的上位机监测界面查看传感器数据，经过在实际环境中测试，能够准确地监测养殖场内环境信息.该系统布线简单、组网方便，适应不同规模的养殖场需求，并可以根据实际需要，增加其他类型的传感器，具有安装灵活性和硬件可裁剪性，为企业提供全面综合的环境监测信息，同时为疾病判断和预测提供数据支持，具有一定的推广应用价值.

参考文献

[1] 丛希，胡晓丽，袁洪印．国内外畜禽舍环境监控系统研究现状[J]．农业与技术，2012，32(6)：106-107．

[2] 陆明洲，沈明霞，丁永前，等．畜牧信息智能监测研究进展[J]．中国农业科学，2012，45(14)：2 939-2 947．

[3] 王雷雨，孙瑞志，曹振丽．畜禽健康养殖中环境监测及预警系统研究[J]．农机化研究，2012,34(10)：199-203．

[4] 许建林．物联网技术在禽舍环境监控中的应用[J]．中国家禽，2013，35(14)：56-57．

[5] 付倩．基于单片机禽舍环境控制系统设计[J]．科技创新与应用，2014,4(14)：31-32．

[6] 师树恒，和东周．基于ATmega128的禽舍环境控制器的设计[J]．华北水利水电学院学报，2011，32(4)：14-18．

[7] 孙岐峰，杜锋．基于ARM的禽舍环境监控系统设计[J]．电子测试，2013,20(12)：73-74．

[8] 钟翔，李刚，张桂英，等．无线传感器网络技术及其在畜禽舍环境监控中的应用[J]．中国家禽，2012，34(22)：41-43．

[9] 张书涛，吴孜越．分布式无线禽舍环境监控系统设计[J]．中国家禽，2014，36(9)：50-52．

[10] 高中霞，朱凤武，涂川川，等．基于无线传感器网络(WSN)的禽舍环境监测系统[J]．农机化研究，2012,34(5)：139-142,146．

[11] 王冉，徐本崇，魏瑞成，等．基于无线传感网络的畜禽舍环境监控系统的设计与实现[J]．江苏农业学报，2010，26(3)：562-566．

[12] 张飞云．基于ZigBee无线网络的智能猪舍控制系统设计[J]．广东农业科学，2013(15)：185-187．

[13] 韩华峰，杜克明，孙忠富，等．基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J]．农业工程学报，2009，25(7)：158-163．

[14] 吴沧海，何火娇，熊焕亮，等．基于RFID与ZigBee的牛场远程监测系统设计[J]．农机化研究，2013,35(2)：163-166．

[15] 张亮，李树珍，谢永军，等．基于单片机的鸡舍环境监控系统的硬件设计[J]．河北科技师范学院学报，2011，25(4)：1-4．

[16] 李惠敏，连京华，孙凯，等．家禽环境自动化控制技术研究进展[J]．中国家禽，2013，35(14)：41-44．

【责任编辑：蒋亚儒】

Design of information monitoring system based on

ZigBee wireless network for breeding farms

LI Qi， FENG Yu-qian， ZHOU Xiao-lan

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:In view of the need for monitoring the information in the breeding farms,manual measurement and manual recording are applied to monitoring of some information,which is not comprehensive, and can′t reflect the environmental information of the breeding farms.For the above situation, an information monitoring system based on ZigBee wireless network is designed and developed for breeding farm,which can collect the temperature,humidity,NH3concentration,wind speed,water and electricity of poultry houses,and the sensor data is transmitted to the computer monitoring system based on Delphi and SQL Server2005 programming in monitoring room though the ZigBee network,the computer monitoring system is convenient to storage,query and analysis the breeding farm information.Experimental result shows:the system monitors the sensor information effectively and accurately in breeding farm,and it reduces the complexity of wiring and enhances scalability by means of ZigBee wireless network.The system has application value.

Key words:breeding farm； information monitoring； ZigBee wireless network； Delphi

中图分类号：S126

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)01-0164-07

作者简介:李颀(1973-)，女，陕西西安人，教授，研究方向：工业自动化与智能控制

基金项目：陕西省科技厅农业科技攻关计划项目(2015NY028)； 西安市未央区科技计划项目(201305)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ13-15)

收稿日期:*2015-11-13