一种鸡舍环境监控系统的ZigBee组网设计

师斌杰，于亚萍



一种鸡舍环境监控系统的ZigBee组网设计

师斌杰，于亚萍通信作者

（天津农学院 工程技术学院，天津 300384）

针对部分养鸡场因为养殖环境差而使鸡易受到各种细菌和病毒侵扰这一问题，本文设计了一套基于ZigBee和Android应用的鸡舍环境监控系统来改善鸡舍环境。对鸡舍温湿度、光照和氨气浓度3个主要参数进行采集，并对排气扇和照明灯进行控制。系统采用TI公司的CC2530作为ZigBee协调器和终端节点的主控芯片，将传感器和控制装置挂载在终端节点上组成该系统的硬件连接。把终端节点合理分布在鸡舍中，并运用现有的ZigBee2007/PRO协议栈组建ZigBee星型连接网络，将数据采集终端节点采集到的环境参数信息传输到协调器，之后再传输到手机，协调器处理环境参数数据并发送指令到控制终端节点，形成一套从采集到控制的完整系统。

鸡舍；CC2530；ZigBee；环境参数检测；控制

鸡肉和鸡蛋是我们日常生活中必不可少的食材，家禽养殖在我国占据很大的市场。如果鸡舍环境不及时维护，会出现以下问题：（1）环境潮湿。一些病原菌和霉菌易于生长繁殖，鸡粪会发酵产生有毒气体[1]；（2）温度过高。鸡的代谢十分旺盛，如果环境温度长期过高，就有热死的危险[2]；（3）光照不适。光照强度及光照时间对鸡产蛋量有很大影响[3]。因此需检测鸡舍环境的主要参数有：鸡舍废气（氨气）、温度、湿度及光照度。随着计算机技术以及无线通讯技术的不断发展，畜禽舍环境监控随着养殖业的产业化、规模化和集约化而迅速发展，针对有线监测布线复杂的缺点，多点无线监测已经广泛应用于该领域[4-6]。如今，ZigBee技术已应用于畜禽舍的环境监控[[7- 9]，但它们多数是将ZigBee无线网络传感器采集到的鸡舍环境参数上传到PC机进行监控；如何使养殖户便捷地监控畜禽舍环境成为养殖业的当务之急，因此本文设计了一套基于ZigBee协议和Android应用的鸡舍环境监控系统。该系统采用TI公司的CC2530作为ZigBee协调器和终端节点的主控芯片，将温湿度、光照、氨气传感器和控制装置挂载在终端节点上组成该系统的硬件连接。把终端节点合理分布在鸡舍中，并运用ZigBee2007/PRO协议栈组建ZigBee星型连接网络将终端节点采集到的环境参数信息传输到协调器，然后再传输到养殖户手机，用户可通过手机来接收环境参数和控制现场执行装置。本系统采用手机接收环境参数和控制执行器件工作，省去了制作专门显示与控制命令发生装置的成本；用户仅需一部支持蓝牙通讯的手机即可对鸡舍环境进行监控，而无需额外的布置Internet网络。

1 系统结构

本套系统应用于鸡舍环境参数的监测与控制。将ZigBee的不同节点放置在鸡舍中，用户可通过手机查看环境数据和控制有关设备的开关。数据采集与传输系统由一个协调器和若干终端节点、温湿度传感器、光照传感器、氨气传感器以及控制装置、按键模块、液晶屏模块、与手机通讯的数据传输模块和手机构成。协调器是整个系统的核心，它负责ZigBee网络的组网与维护、数据的处理、发出控制指令以及与手机进行交互。终端节点负责数据的采集和控制执行机构。按键模块和显示模块起到了人机交互的作用，可让用户不需要手机的情况下，手动通过按键输入系统的各种参数。数据传输模块用于协调器与手机进行数据与指令交互。手机可以显示系统采集到的环境参数以及对系统进行控制。系统框图如图1所示：

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1 传感器电路

数据采集系统共采用了3种传感器模块，分别为温湿度传感器DHT11、光照传感器BH1750FVI和氨气传感器MQ137，提供现场的主要参数状态传感器电路连接图如图2所示。

（a）温湿度传感器电路

（b）光照传感器电路

（c）氨气传感器电路

2.2 控制装置电路设计

系统对温度、湿度、氨气浓度进行闭环控制的方式为：经继电器控制通风和照明装置工作与否来对环境进行调节。为保证系统工作的稳定性，将弱电与强电进行电磁隔离；对光照强度的闭环控制同样采用电磁隔离的方式控制电灯的工作状态，封闭式鸡舍一般采用人工光照，主要由节能灯或白织灯组成。照明控制电路如图3所示。

图3 照明控制电路

2.3 系统供电电路设计

根据系统特点分别提供固定式供电和移动式供电。由于协调器需要持续供电且其一旦安装好将不会移动，所以在本系统中协调器采用固定式供电。固定供电方式将市电经变压器转换为12 V，再经开关稳压芯片LM2596转为5 V，为需要5 V电源供电的模块供电，如图4（a），由于开关稳压芯片电压纹波比较大，因此本系统采用线性稳压芯片7333将电压降至3.3 V为主控芯片CC2530供电，如图4（b），减少干扰，保证系统的正常运行。移动供电方式采用电池和图4（b）相配合的方式。

（a）

（b）

图4 供电方式

3 软件电路设计

3.1 ZigBee协调器的软件设计

协调器主要负责ZigBee网络的组建、维护和控制终端节点的加入、数据处理与指令发送等[10-11]。协调器上电后首先进行ZigBee网络的组建和控制终端节点的加入，随后自动转换为路由器的功能。其中ZigBee网络的组建和控制终端节点的加入在协调器上电后ZigBee2007/PRO协议栈会自动进行，ZigBee2007/PRO协议栈的使用者无需操作[12-13]。进行数据的接收与处理程序需要开发者根据自己需要进行编写。其工作的具体步骤为：

初始化串口和各传感器。

初始化任务优先级。该优先级由ZigBee2007/ PRO协议栈采用的OSAL操作系统进行分配。

设置消息的发送模式。在本系统中由协调器到终端节点的发送模式采用广播模式。

使用afRegister函数将节点描述符进行注册。注册以后才可以使用OSAL提供的系统服务，调用协议栈提供的用于接收数据的API，然后判断是否接收到数据，如果接收到无线数据，则调用相应的函数进行处理，如将接收到的环境参数与设定的阈值比较，从而对挂载有控制装置的终端节点发送控制指令进行闭环控制。

释放消息所占据的存储空间。因为ZigBee 2007/PRO协议栈中接收到的消息存放在堆栈上，如果不进行内存释放就可能会引起“内存泄漏”。

本系统实现了对两个环境参数采集节点和两个控制装置节点的数据采集与控制。其中一个环境参数采集节点和一个控制装置节点作为一组放置在同一范围。不同的环境参数采集节点向协调器发送的数据前缀标志不同，例如环境参数采集节点1向协调器发送温度数据的数据格式为T1＋温度值，这样协调器收到数据根据不同的数据前缀做出判断，得出是哪一组的环境采集节点发出的数据，再将实际数据提取出来与科学值比较，如果超出科学值广播发送相应的控制指令，例如发送到控制节点1的打开通风机的指令为W1。这时所有节点都收到这条指令，但只有控制节点1对该指令做出响应，其他节点丢弃这条指令。这样可以分范围有针对地对鸡舍环境做出监控。但是发送给上位机的数据是多个节点数据的平均值。

协调器通过串口接收上位机发来的控制指令。然后对数据进行相应处理，再通过协议栈提供的接口函数发送ZigBee控制指令到相应控制装置节点。例如上位机发来的指令为“W1”则协调器广播“W1”到所有节点，对应节点将对这条指令做出处理。

以上为协调器的数据处理方法。其程序流程图如图5所示。

图5 协调器程序流程图

3.2 ZigBee终端节点的软件设计

3.2.1 数据采集节点的软件设计

本系统采用一个节点负责3个传感器的数据采集。使用定时器控制数据采集任务的开启和关闭，其余时间休眠，定时时间为10 min。在ZigBee协议中，ZigBee模块之间的通讯方式有3种，分为广播、组播和单播。本系统中，终端节点向协调器发送数据采用的方式为单播，协调器向终端节点发送数据采用的方式为广播。不同的环境参数采集节点发送的数据前缀是不同的，例如环境参数采集节点1温度数据前缀为T1，光照数据前缀为L1。程序流程图如图6所示。

图6 数据采集节点程序流程图

3.2.2 控制节点的软件设计

控制节点加入网络后，只有协调器向其发送命令，它才执行相应动作，其余时间休眠。程序流程图如图7所示。

图7 控制节点程序流程图

3.2.3 上位机的软件设计

上位机在Android操作系统中采用java语言进行开发，与下位机采用蓝牙技术进行通讯。上位机可以对环境参数进行显示以及控制调节装置的开与关。上位机通过手机接收数据和实现现场控制，人机交互界面如图8所示。

图8 人机交互界面

4 结论

本文设计了一套基于ZigBee协议和Android应用的鸡舍环境监控系统，能实现对鸡舍内环境多点温湿度、光照和氨气浓度的数据采集，通过ZigBee网络实现多点数据采集；在Android操作系统上设计人机交互界面，让养殖户通过手机全面了解鸡舍内部的情况，并控制风机开关和照明灯对环境进行调节，实现了鸡舍小环境的监测与控制。

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[13] 胡森来. 基于ZigBee的嵌入式环境监控系统路由机制的研究[D]. 杭州：浙江大学，2008.

责任编辑：杨霞

Design of monitoring system in henhouse environment based on ZigBee

SHI Bin-jie , YU Ya-pingCorresponding Author

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Aiming at the problems that some henhouse environments are bad so that hens are easily infected by some bacteria and viruses, environmental monitoring system in henhouse is developed based on ZigBee 2007/PRO and android application. Three main parameters, such as temperature and humidity, illumination intensity and ammonia concentration are collected; and then ventilators and lights are controlled. The system employs CC2530 of TI Company as coordinators and terminals. Sensors and control devices are connected with terminals, which are properly distributed in henhouse, and then ZigBee2007/PRO is used to build ZigBee star network. Environmental parameters are collected from terminals and transferred to a coordinator and mobile phone, and then the coordinator handles the environment parameter data and sends the instruction to the control terminal node to form the whole monitoring system.

henhouse; CC2530; ZigBee; environmental parameters detection; control

TP274

A

1008-5394（2018）01-0076-05

10.19640/j.cnki.jtau.2018.01.017

2017-05-02

天津市农业科技成果转化与推广项目（201604050）；国家自然科学基金项目（31101867）

师斌杰（1993 -），男，本科在读，主要从事测控技术与仪器方向研究。E-mail：578982393@qq.com。

于亚萍（1979-），女，副教授，博士在读，主要从事散养鸡场智能管理系统研究与开发。E-mail：yaping261@163.com。