基于ZigBee和PLC的猪舍环境监控系统

朱 艳, 张亚萍, 卢 意, 胡卫东, 关鸣九

(泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300)

随着养殖业集约化、规模化的发展，特别是饲养面积和密度的日益增加，养殖环境变得日益恶劣，从而造成了大量畜禽疾病的发生和流行，同时畜禽生长、产量和生产率的提高直接受到畜禽生长环境质量好坏的影响[1-2]。因此，适宜的养殖环境可以充分发挥畜禽的生产潜力，增强动物抵抗力，减少疾病的发生，继而提高养殖业的生产效益[3]。为了满足我国生猪养殖集约化发展的需要，现阶段生猪养殖猪舍大多采用封闭式。一些生猪养殖场在封闭式猪舍中安装监控系统，达到对猪舍的环境如温湿度、光照、氨气、二氧化碳、硫化氢和空气杂质等进行实时监测[4]，并控制相应的外部设备对检测到的猪舍环境中的不合理环境因子进行优化控制[5]。现有的猪舍环境监控系统大多采用单片机作为现场主控单元，用有线方式分布设备，虽能有效地实施监测[6]，但存在布线复杂，容易造成接触不良，维护困难等缺点，同时由于系统的扩展性差使监测容量相对较小，因而系统性价比较低。无线网络监测系统配置灵活[7]，无需布线；同一个传感器节点上能同时集成多个传感器、监控多个参数，降低系统成本。为此，进行基于ZigBee和PLC的猪舍环境监控系统研究，以期对生猪生长环境和生长情况进行有效监测，及时发现和控制生猪疾病的发生和流行，为猪舍的环境调控提供有力的技术保障，提高生猪养殖的经济效益。

1 系统硬件设计

1.1 系统整体结构

基于ZigBee和PLC的猪舍环境监控系统整体结构(图1)主要由传感器感知单元、ZigBee终端节点及协调器无线传输单元、PLC控制单元、上位机监控单元和GPRS远程通讯单元组成。传感器感知单元主要包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和氨气传感器，用于实时采集猪舍中的环境参数。传感器节点(ZigBee终端节点)将采集到的猪舍环境信息发送到中转的路由器节点，路由器节点再通过无线传输方式将接收到的传感器节点信息发送到最终的协调器。选择西门子S7-200作为下位机控制器，由于西门子S7-200的串口都是RS485端口，而系统选用的ZigBee JN5139模块的串口为RS232端口，因此选择Max485模块将RS232端口转换成RS485端口，实现协调器和PLC之间的通讯连接。PLC根据协调器传送得到的猪舍环境信息，控制开关窗系统、冷风风机、湿帘系统、加热系统、和补光系统等外部输出设备的运行，从而使猪舍各项环境因子达到最佳状态。上位机采用LabVIEW虚拟仪器软件对系统运行状态进行可视化监控，西门子S7-200和上位机之间采用OPC通讯标准进行数据传输，同时上位机通过RS232转USB电缆和GPRS模块进行硬线连接，用于实现数据的异地传输，完成异地监控的功能。

1.2 ZigBee模块选型

系统选用具有低成本、低功耗、支持ZigBee协议的JN5139作为终端传感器节点和协调器节点。该模块拥有丰富的外设接口，包括通用I/O接口、AD/DA转换接口、串口通信接口等。其内部嵌入完整的Zigbee协议栈，可支持3种协议类型：终端节点用于分散式现场的数据采集；路由节点用于发现、数据转发功能；协调器节点用于实时接收和管理终端节点和路由节点发送的数据。同时JN5139内部集成成熟的射频电路，数据传输稳定可靠，传输距离可达数百米。

1.3 温湿度传感器选型及接口电路

温湿度对肉猪生产性能影响很大[8]，适宜的猪舍温度对猪的生长发育很重要，生猪生长发育的理想温度在28～35℃，湿度在55%～80%。系统选用SHT10数字式温湿度传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其内部包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷，传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。该传感器响应迅速、抗干扰能力强、性价比高，具有较高的可靠性和长期的稳定性。接口电路(图2)中，SHT10温湿度传感器的GND引脚接地；DATA引脚和JN5139的DI12引脚相接，用于数据通讯；引脚VCC接3.3 V直流电源；SCK引脚和JN5139的DO13引脚相接，用于控制数据通讯状态。

1.4 光照传感器选型及接口电路

光照度在一定程度上会影响生猪的生长发育[9]，适宜的光照条件无论是对生猪生理机能的调节，还是对工作人员进行生产操作都十分重要。为能准确检测猪舍环境光照条件，系统选用BH1750FVI数学输出类型的光照强度传感器，该传感器反应速度快，抗干扰能力强，测量范围大，拥有串行通讯接口并且功耗较低，完全满足系统的需要。接口电路(图3)中，VCC引脚接4.5～5.0 V直流电源，总线始终引脚SCL接JN5139的DO14引脚相连，数据输出引脚SDA和JN5139的DI15引脚相连，GN引脚接地。

1.5 气体传感器选型及接口电路

猪舍环境中有害气体的浓度和猪舍的通风条件、封闭程度、粪尿处理频率和饲养密度等因素密切相关。有害气体的浓度较低时，生猪不会出现明显的不良反应，但如果生猪长期生活在低浓度有害气体的环境中，生猪的免疫力降低，发病率和死亡率明显升高。这种不良影响不易监测，常使养殖者蒙受巨大损失，因此应引起足够重视。系统选用MG811二氧化碳传感器和TGS2444氨气传感器检测猪舍环境中的有害气体。2种传感器均具有成本低、性能高、寿命长、响应快和抗干扰能力强等优点以满足系统需求。MG811二氧化碳传感器接口电路(图4)中，VCC引脚接6V直流电源，GND引脚接地，数字量输出引脚DOUT悬空，模拟量输出引脚AOUT和JN5139的模拟量输入引脚ADC1连接。

2 下位机软件设计

系统的软件设计主要是实现传感器数据采集和传送功能、数据无线传输功能和上位机监控功能。由于传感器数据采集、传送功能和数据无线传输功能的实现都需用到JN5139模块，均需完成传感器节点、路由器节点和协调器节点的配置和编程，且都是在Code-Blocks软件环境下实现的，因此两者开发流程类似，仅介绍如何完成传感器数据采集和传送功能。

2.1 传感器数据采集和传送软件设计

由于猪舍空间较大，各处的环境因子不尽相同，因此系统需要布置多个终端节点。每个终端节点JN5139模块上连接的温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和氨气传感器，可实时检测猪舍的环境信息[10]。

终端节点的工作流程(图5a)：上电运行后，首先对系统数据和协议堆栈进行初始化，然后和协调器建立的网络进行连接，联网成功后终端节点开始对传感器进行数据读取，并且通过bBosCreateTimer()函数将数据向路由器节点进行发送，发送完成后，系统调用bBosRequestSleep()函数，让终端节点进入休眠状态。休眠时间到了以后，重复数据采集和发送过程。

路由器节点主要对传感器节点传送来的数据进行管理和转发，在网络中加入路由器节点可以大大扩大网络覆盖面积，保证通讯质量，保障ZigBee无线网络的安全。路由器节点工作流程(图5b):路由器上电运行后，系统调用vJenie＿CbInit()函数，对系统参数和协议堆栈进行初始化操作。然后向协调器节点发送申请入网的网络地址，当入网成功后，路由器节点开始监视所连接终端节点的通讯状态，若接收到需要转发的数据，则将数据转发给协调器节点。

协调器在ZigBee无线网络中负责网络的建立、网络相关参数设定和处理路由节点或终端节点的入网申请等。协调器节点工作流程(图5c):首先通过AppColdStart()函数对系统硬件及参数进行初始化操作，配置无线网络的基本参数。然后协调器开始扫描信道，并建立一个ZigBee无线网络通道。当收到一个新的节点入网申请，并且该节点和协调器处于同一信道，则允许其加入该网络，同时为该节点分配网络短地址用于数据传输。最后，路由器节点将接收到的传感器节点数据通过建立的网络连接传输到协调器节点，并通过协调器的串口和PLC控制器进行数据通讯。

2.2 协调器和PLC的通讯

西门子S200 PLC有2个RS485通讯接口PORT0和PORT1，其中1个端口用于和协调器JN5139数据通讯，而JN5139的通讯接口UART0是RS232串行接口，因此选择Max485模块将RS232端口转换成RS485端口。系统选择PLC的PORT0接口采用自由口通讯方式和协调器JN5139进行通讯，通讯程序如下:

3 上位机软件设计

3.1 GPRS远程通讯程序设计

为了让用户能随时随地的监控整个猪舍的运行，提高工作效率，降低人工成本，系统通过先进的互联网技术实现异地监控。考虑到系统的通用性，选用DATA-6121低功耗GPRS无线模块，依靠三大运营商的3G/4G基站完成数据异地传输。DATA-6121模块具有1个RS232通讯接口，因此系统选用RS232转USB电缆完成GPRS模块和上位机LabVIEW之间的连接，其数据接收程序如图6所示。首先，LabVIEW中“VISA Configure Serial Port”函数用来进行通讯参数配置和串口名称定义。当“VISA串口读取”函数检测到串口缓存区有数据更新时，程序向“VISA串口写入”函数发送读取指令，GPRS模块在收到指令后即返回信息报文。程序通过“匹配模式”和“截取字符串”函数从返回的信息报文中提取信息数据。

3.2 上位机和下位机通讯程序设计

OPC通讯标准是为了不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化，使其间的数据交换更加简单化。Labview虚拟仪器在安装了OPC SERVERS后即可作为OPC客户机，下位机西门子S-200 PLC作为OPC服务机。为了保证通讯质量和通讯速度，S-200 PLC扩展CP243-1以太网模块实现数据传输，CP243-1通讯模块配置如图7所示。PLC端设置为服务器，本地TSAP属性设置为10.00，远程TSAP属性设置成10.11，接受所有客户机连接请求。上位机Labview配置如图8所示，Local TSAP属性设置成1011和CP243-1模块的远程属性相对应，Remote TSAP属性设置成1 000和CP243-1的本地属性相对应。在Labview中创建I/O Server变量和PLC控制器里的数据地址相对应即可以实现两者间的数据通讯。

4 系统测试

监控系统在300 m2规模的封闭式生猪养殖基地进行测试，协调器连接2个路由器节点，每个路由器连接4个传感器节点，每个传感器节点均连接有温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和氨气传感器。猪舍内温度通过冷却风机和加热系统调节。有害气体通过开关窗系统和循环风机控制，光照强度通过补光装置来控制。系统测试现场如图9所示，猪舍内环境因子数据实时状态如图10所示。测试结果表明，ZigBee无线网络数据传输流畅，系统运行平稳，能够满足无线化、精确化、智能化和低功耗的要求，具有一定的推广价值。