北方草原家庭牧场智能化系统设计

江 杰，刘延琦

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

北方草原家庭牧场智能化系统设计

江 杰，刘延琦

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

为保障北方草原放牧与冬季、极端天气补饲互补养殖模式的执行，建立新型草原自动化养殖系统，提高现代化牧场的精准化管理水平，提出了一种北方草原家庭牧场智能化系统.该系统通过传感器节点采集圈舍环境数据，利用Zigbee无线通信传给Labview上位机监控平台，进行实时数据的接收、显示和存储.实验测试结果表明，该系统能够准确实时显示圈舍环境状况，保障圈舍在不同功能时的环境需求，实现对家庭牧场圈舍的智能化控制.

智能控制； Zigbee ；Labview

随着信息技术和农业科技的不断发展与深入应用，畜牧业亟待与高精度的自动化控制技术和检测技术相结合，逐步构建出可持续性牲畜数字化健康的养殖环境，从而实现现代化的精细养殖.Labview作为美国国家仪器NI( National -Instrument)开发的一种虚拟仪器平台[1]，提供了丰富的数据采集、显示、分析和存储库函数以及各种仪器通信标准的所有功能函数.图形化的语言便于设计、观察和修改，因此大大降低了测试系统的开发周期和编程量，提高了开发的效率[2].传统的有线控制方法，不但增加了布线所带来的昂贵成本，还造成了监测的局限性和后期改进维护的复杂度.Zigbee技术是一种短距离无线通信技术，其符合IEEE802.15.4协议标准，目前在环境监测、工业控制等领域的应用较为广泛，该技术能够提供灵活的组网方式[3].由于其具有安全性高、实时性好、移植性强、应用简单等特点，所以将其应用于圈舍环境的监控系统中，可以提高牧农对牧场信息化、智能化的管理水平，因此本文将设计基于Zigbee和Labview的家庭牧场智能化系统.

1 系统总体设计

圈舍环境监控系统工作原理如图1所示，包括多个传感器终端节点、路由器节点、协调器和上位机监控平台.牧场工作人员将多个传感器节点部署在监测区域内，通过传感器节点来采集环境状况参数.传感器每隔半小时采集一次环境信息数据，并将环境参数通过Zigbee无线通信模块发送至协调器.协调器通过Modbus协议与上位机监控平台建立连接，将环境数据发送至监控平台.上位机通过对上传的环境监测数据进行分析处理，控制天窗、风机、水帘、湿帘等执行器装置，从而实现羊舍环境的远程、自动化控制，并且以简单直观的界面呈现给用户，便于用户实时处理，并进行历史数据存储，方便用户查看.

图1 系统工作原理Fig.1 The working principle of the system

2 硬件设计

2.1 Zigbee传感器节点

传感器节点通过多跳中继方式将监测数据传输到协调器节点，并完成对相应执行器的控制.传感器节点为终端节点设备，它由电池供电[4].传感器节点用于检测圈舍内的温度、湿度和各种有毒有害气体浓度，分别安装在检测杆高低不同的位置，测量圈舍不同高度的环境参数，便于准确检测和处理融合.传感器节点示意图如图2所示.

图2 传感器节点示意图Fig.2 Sensor nodes diagram

2.1.1 CC2530模块

如图3所示为CC2530引脚图，CC2530芯片是TI公司推出的一款实际意义的片上系统，它能很好地支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议.根据芯片内部闪存大小的不同，分别具有32KB/64KB/128KB/256KB的内置内存[5].

图3 CC2530引脚 Fig.3 CC2530 Pin

2.1.2 温湿度模块

选用瑞士Sensirion公司生产的SHT10温湿度传感器芯片[6]，SHT10芯片的相对湿度和温度的测量兼有露点输出，接口采用的是两线制，响应速度较快，功耗超低，能够进行自动休眠，体积较小，具有长期的稳定性，测湿的精度可以达到±4.5%RH，测温的精度可以达到±0.5℃(25℃)，能够满足本系统的设计指标需求.SHT10的硬件连接图如图4所示.

图4 SHT10硬件连接图 Fig.4 SHT10 hardware connection diagram

2.1.3 气体浓度检测模块

CO2浓度检测采用MG811传感器模块[7](如图5所示)，该传感器具有很高的灵敏度和良好的选择性；NH3、H2S的浓度检测采用MQ-135传感器(如图6所示)，其由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层组成[8]，检测浓度10～1 000mg/m3,在较宽的浓度范围内对有害气体有良好的灵敏度.

图5 MG811传感器Fig.5 MG811 sensor

图6 MQ-135传感器 Fig.6 MQ-135 sensor

2.1.4 电源模块

如图7所示，圈舍环境检测系统的传感器节点采用2节蓄电池来进行供电，路由器节点分别需要+5V，3.3V，1.8V 3种电源，LM2576T5.0具有非常优良的电压调整率和负载调整率，能够提供3A的负载电流.它有3.3V，5V，12V固定输出电压型和可调输出电压，内置频率补偿电路和固定频率振荡器.开关频率为52kHZ，在额定输入电压和输出负载的条件下，输出电压容差为±4%，振荡频率的容差为±15% .待机电流为80μA(典型值)，内置两级过流保护电路和过热保护电路，最大输入电压为45V或63V，工作温度为-40～+125℃，转换效率为70%～85%(不同电压输出时的效率不同)[9].在正常状态下由电网提供电力，当外来供电中断时，蓄电池继续为设备供电.当恢复供电以后，会切换到电网供电，并且为蓄电池充电[10].

图7 LM2576T5.0稳压模块 Fig.7 LM2576T5.0 regulator module

2.2 Zigbee路由器

路由器允许其他设备加入网络，需要由主干线路进行供电，主要任务是接收和转发监测数据.路由器及结构如图8所示.

(a)路由器

(b)结构图图8 Zigbee路由器及结构图Fig.8 Zigbee router and structure diagram

2.3 Zigbee协调器

协调器及结构如图9所示.Zigbee 协调器主要实现圈舍无线传感器网络与监控平台以太网之间互联及协议转换[11]. Zigbee 协调器负责整个Zigbee网络的建立、管理，是网络的中心，实现数据的接收和发送功能.

(a)协调器

(b)结构图图9 Zigbee 协调器及结构图 Fig.9 Zigbee coordinator and structure diagram

3 系统软件设计

3.1 Zigbee模块设计

本设计所有节点采用网状的网络拓扑结构，发送状态为非信标模式，终端节点主动向其父节点提取数据，父节点负责为其子节点缓存数据帧.

3.2 Modbus协议格式

本系统的通信协议采用的是 Modbus协议中的RTU协议模式.主机发送的查询命令、从机返回的正常响应帧和异常响应帧协议格式见表1～表3.当接收到一个请求指令时，在处理请求要求的动作前需要进行报文包的相应检测，当子节点在接收到的帧中检测到错误时，则没有响应返回到子节点.

表1 查询命令协议格式
Tab.1 The protocol format of the query commond

帧头地址命令代码数据校验和帧尾4bit8bit0x554个8bit16bit4bit

表2 正常响应帧协议格式
Tab.2 The protocol format of normal response frame

帧头地址命令代码数据校验和帧尾4bit8bit0x5516bit16bit4bit

表3 异常响应帧协议格式
Tab.3 The protocol format of exception response frame

帧头地址命令代码数据校验和帧尾4bit8bit0xd516bit16bit4bit

3.3 系统通信实现过程

(1)主机.主机采用不间断询问的方式依次发送查询命令给每个监测节点并接收、存储、显示对应数据，主机程序流程图如10所示.

图10 主机程序流程图 Fig.10 The flow chart of host program

(2)从机.从机实现了主机和相应地址指针监测节点的数据转发.从初始到空闲态转换需要3.5s定时超时，链路空闲时，检测到的字符识别为帧起始，链路变为活动状态，当没有字符的传输，达到3.5s时，识别则为数据的帧结束.当检测到数据帧结束以后，需要进行CRC的校验和计算.分析数据地址域，确定相应的数据帧是否需要发往此设备，如果不是，则丢弃掉.CRC的相应计算只需要在寻址到数据帧时再进行.

(3)监测节点.Zigbee协议内部已经CRC校验，因此监测节点通信不需进行Modbus协议CRC校验了，但仍需采用其数据帧格式.从机接收指令和执行指令流程图如图11、图12所示.

图11 从机接收指令流程图 Fig.11 The flow chart of the slave receives the instruction

图12 从机执行指令流程图 Fig.12 The flow chart of the slave executes the instruction

4 测试结果

实验测试时，Labview上位机界面如图13、图14所示.测试结果显示，在系统误差允许的范围内，各传感器节点监测数据能够得到准确反映，并且相应执行机构能得到迅速控制，因此证实该方案可行.

图13 历史曲线 Fig.13 Historical curve

图14 监测数据 Fig.14 Monitoring data

[1] 李江全.LabVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2] 赵奇峰，闵涛，杨黔龙，等.基于LabVIEW串口数据采集系统设计[J].计算机技术与发展，2011(11)：224-226.

[3] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[4] 杜焕军，张维勇，刘国田. ZigBee网络的路由协议研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2008，31(10)：1 617-1 621.

[5] 青岛东合信息技术有限公司.ZigBee开发技术及实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[6] AKYILDIZ I F，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al. A survey on sen-sor networks[J].IEEE Communications Magazine，2002，40(8):102 -114．

[7] 陈树成，杨志勇，王科. 基于MG811探头的二氧化碳采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014(1)：47-50.

[8]田莉，方有康，胡益彬. 有毒气体检测报警监控系统设计[J]. 盐城工学院学报(自然科学版)，2016，29(2)：31-34.

[9]徐丽萍，李党婴. 基于LM2576的Buck型直流变换器设计[J].电气应用，2010，29(4)：42-44.

[10] 杨乐.基于无线传感网的粮库环境监测系统设计[J].信息技术，2015(2)：188-191.

[11] ANONYMOUS. Audio-controllers based on ARM Cortex-M3[J].Electronics Weekly,2011，2466：20.

Thenortherngrasslandfamilyranchintelligentsystemdesign

JIANG Jie, LIU Yan-qi

(Information Engineering Institute, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In order to guarantee the implementation of the complementary cultivation mode of northern grassland grazing and winter and extreme weather, we establish a new grassland automatic breeding system and improve the precision management level of modern ranch, and put forward an intelligent system of northern grassland family ranch. The system collects the cave environmental data through the sensor node, and uses Zigbee wireless communication to transmit to the Labview host computer monitoring platform for real-time data receiving, display and storage. The experimental results show that the system can accurately display the environmental conditions of the pens in real time, guarantee the environmental requirements of the kennel in different functions, and realize the intelligent control of the family ranch.

intelligent control；Zigbee ；Labview

2016-12-02

内蒙古重大专项

江杰, 男,jie5881@126.com;

刘延琦, 男, 15098849385@163.com

1672-6197(2018)01-0056-05

TP273

A

(编辑：郝秀清)