基于ZigBee的智能养殖系统设计研究

刁梦梦 王璐 霍梦媛 王慧怡 刘伊菲

摘  要：采用ZigBee技术结合物联网系统，对养殖场的设备进行智能化改造，在养殖场安装若干传感器节点，并将节点和上位机相连。利用ZigBee无线传感器节点，及时准确地收集、存储和分析养殖场信息，管理人员可以通过手机APP或者PC端对养殖场实时监测和远程控制得到所采集数据形成报表，为采购、饲养、销售提供准确、可靠的数据。测试结果表明该系统具有便捷性、适用性、广泛性等优点，在促进养殖场发展的同时也为工作人员提供更有效的管理方法。

关键词：ZigBee;物联网;传感器;远程控制

中图分类号：TP273;TN92;           文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0160-04

Design and Research on Intelligent Breeding System Based on ZigBee

DIAO Mengmeng， WANG Lu， HUO Mengyuan， WANG Huiyi， LIU Yifei

（School of Electronics and Information Engineering， Zhengzhou SIAS University， Zhengzhou  451150， China）

Abstract： ZigBee technology and Internet of things system are used to conduct intelligent transformation of farm equipments. Several sensor nodes are installed in the farm and connected with the upper computer. ZigBee wireless sensor nodes are used to collect， store and analyze farm information timely and accurately. Managers can monitor and remotely control the farm in real time through mobile APP or PC terminal to form reports from the collected data， so as to provide accurate and reliable data for purchase， feeding and sales. The test results show that the system has the advantages of convenience， applicability and universality. It not only promotes the development of the farm， but also provides more effective management methods for the staff.

Keywords： ZigBee; Internet of things; sensor; remote control

0  引  言

在如今經济高速发展的趋势下，国家对于畜牧养殖业的发展愈发重视，2006年中央财政开始实施相关政策，向畜牧养殖业提供补贴，为之后养殖业的发展奠定基础。世界工业革命之后中国畜牧养殖业才逐渐现代化，以至于相较美国、荷兰以及澳大利亚等发展较为成熟的国家，我国的养殖业存在起步较晚、缺乏经验等问题，虽然发展速度很快，但当前与世界水平仍然还有较大的差距。目前，国外大多数养殖场使用无线传感器与网络技术结合的方式，把现有的数据实时传输到云平台，然后进行分析存储，可以及时有效的发现并解决问题，这种方式拥有随时监测、节省资源、减少人力物力、提高效率的优点。但国内大多数养殖场还在采用生产模式落后、使用人为监测、规模较小的传统养殖方式。这种传统养殖方式通常会出现人为监测养殖场内影响参量的变化以至于出现数据不够准确等问题，甚至还有一些养殖场会采用半开放式构造，这种构造方式一般依赖于气候与全球环境的变化，不可控制的因素过多。传统养殖还存在技术不够普及、应用水平较低、相关核心技术的发展相对落后等问题。本课题采用ZigBee与物联网技术结合的方式，通过若干传感器节点与上位机的连接，实时远程监测养殖场内各种影响因素的变化，自动采集信息并存储。此外，养殖场的管理人员可以通过手机APP或者PC端对养殖场进行远程控制管理，有利于养殖场内牲畜的健康生长、提高养殖产量。

1  系统整体框架

如图1所示，该智能养殖系统总体架构分为应用层、传输层、感知层。

应用层通过手机、计算机等设备，对养殖场内进行实时监测、信息采集、远程控制等，一改以往养殖场依靠人工养殖的经验，耗费大量的人力物力的养殖方式。

传输层是通过5G、Wi-Fi、蓝牙等连接方式使用终端对养殖场进行远程控制，将从传感器中获取的环境参数，实时传输到系统的操作界面，以此来完成工作人员对养殖场的监测、远程控制和视频监控[1]。同时将每天采集的数据形成报表，为采购、饲养、销售提供准确、可靠的大数据。

感知层主要是使用ZigBee网络，通过在养殖场安装若干传感器节点，并将这些节点和上位机相连，传感器将采集到的信息经传输层反馈至整个应用层，使该系统形成在线化，数字化，精准化，可视化的智能化养殖，帮助单个养殖场提高生产效率。

该系统主要采用ZigBee网络和Wi-Fi网络进行数据的网络传输，以STM32作为主控，将ZigBee技术、物联网系统与互联网技术结合，对养殖场的设备进行智能化改造，形成一个覆盖全国养殖场的联网，从而使各个养殖场内的整体情况可以实时呈现，信息互通，资源共享，互联互通。将养殖技术、计算机信息采集技术、自动控制技术、网络通讯与信息处理技术等先进技术相结合，在线监测生物的生长情况，养殖场的环境信息和安全信息，根据实际情况调控养殖场的可控因素，以实现牲畜的健康生长和繁殖。

2  系统硬件设计

2.1  ZigBee的硬件设计

ZigBee硬件框图如图2所示，本系统采用STM32作为主控，其强大的处理能力、高运算速度、超低功耗为整体应用提供了良好的硬件基础。主控作为智能养殖系统中较为重要的部分，与PC端连接，通过PC端对养殖系统进行实时监测，STM32与ZigBee通过串口直接连接，ZigBee协调器可以启动和维护网络，网络运用过程中只需要一个协调器就可以实现与其他终端节点连接的功能。在网络配置完成后利用ZigBee协议实现无线通信（ZigBee协议分为两部分：IEEE802.15.4（物理层与MAC层）、ZigBee联盟（网络层、应用层、应用程序支持层）），由于ZigBee协议在使用过程中需要按照一定的标准进行无线通信，在整个网络配置时加入网络节点，建立发送与接收函数，利用协议栈内发送与接收的无线调用协议实现对指令的接收与数据的发送，ZigBee协调器通过串口通信与ZigBee终端节点进行连接[2]，与CC2530射频模块结合实现ZigBee协议栈的初始化。在传感器节点加入之后，则可以通过上位机观测养殖场内光照、二氧化碳浓度、氨气浓度、温度与湿度的变化，为数据的采集、传输、转化、存储以及呈现搭建了桥梁。

2.2  传感器硬件组成部分与测试电路

传感器作为一种检测装置，它是通过敏感元件和转换元件把需要的被测信号，按一定规律方式转换成一种可用信号输出，用来满足信息的交换、处理、记录、显示和控制等需求[3]。适宜的温度和湿度以及光照等是养殖的必要条件，而传感器可以实时精确的将养殖环境的数据信息反馈与上位机显示。智能检测系统主要由CC25230射频芯片、STM32微控制器及各组传感器构成。该系统主要功能是实时监测养殖基地各项指标并进行记录。采用适配器和PW6513解决各组传感器适应环境及所需配电不同的问题。

2.2.1  光照传感器与电路设计

光照传感器是测量自然光照或人工光照条件下照射在物体表面的度的传感器，本项目选用光照传感器BH1750：一个16位的两线式串行总线接口数字传感器[4]，使用I²C通讯编写指令，形成自动状态的转换，BH1750的输入电压为2.4 V～3.6 V，误差范围在20%。在使用过程中单片机通过I²C协议可以实现与BH1750双向通讯，得到BH1750寄存器中的测量数据。它的电压大小反映光照强度，它的高分辨率能实现较大范围内光照强度变化的检测，可以通过降低功率达到低电流化。如图3所示，BH1750的内部由光敏二极管、运算放大器AMP、ADC模数转换、晶振等组成。PD二极管通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大器AMP电路放大后，将光敏二极管的电流转化为电压，经ADC模数转换，通过逻辑电路与I²C中的SCL（时钟线）、SDA（数据线）连接，单片机I/O口直接给SCL发送一个方波脉冲信号，脉冲信号中高低电平的延迟会影响通讯速率，SDA可以实现数据双向传输，反复整个过程，实现单片机与BH1750的通讯[5]。

2.2.2  二氧化碳濃度检测与应用

二氧化碳本身不具有危害性，但养殖场内二氧化碳浓度高低影响养殖场内牲畜新陈代谢的快慢。传感器采用MH-Z16红外二氧化碳检测传感器， MH-Z16不但与各类单片机兼容而且利用非色散红外原理可以准确读取空气中二氧化碳的浓度。传感器与Grove Shield连接，由单片机发送指令，连接后先对设备进行预热，在完成初始化后当数值显示稳定进行使用，程序控制进行测量，通过串口指令获取传感器数值或者通过PWM波的脉宽计算测量结果，测量结果由模拟量转换为数字量传送至单片机，单片机控制OLED显示屏进行显示，同时控制ZigBee进行数据无线发送。该传感器有三种校零方式：手动校零、命令校零以及自动校零，由于自动调零需要较长的周期所以本项目中采用自动校零和命令校零，无论是手动校零还是命令校零都需传感器在400 ppm稳定的气体环境下连续工作20分钟[6]。

2.2.3  温湿度传感器电路设计与应用

温湿度传感器是利用特定的检测装置将测量到的空气中的温湿度转换为电信号或者其他需要的形式作为信息输出的传感器。如图4所示，本项目选用DHT11传感器，与ESP8266温湿度测量盒子适配，通过串口输出空气质量数据，可以通过手机或者电脑查看实时数据的传感器，DHT11数字温湿度传感器内部有专用的数字模块采集与温湿度传感技术，在使用过程中不需要其他额外的设备或者器件[7]，传感器刷新速率只需要1秒，它的测量范围：湿度20～90% RH，温度0～50℃，测量精度：湿度+-5% RH，温度+-2 ℃，在电路中通过一根数据线与CC2530相连，采集数据由于DHT11是一个单线性串行接口，有着很高的可靠性和稳定性，而且它的抗干扰能力非常强[8]，性价比较高，传输信号的距离在20米以上，与养殖场的适配度极高。

2.2.4  氨气浓度传感器电路设计

在养殖过程中，牲畜的粪尿挥发和微生物发酵均会产生氨气。氨气浓度超过一定限度，不仅降低牲畜的疫苗免疫效果、抵抗力和生长性能，而且影响人体的健康。因此，工作人员必须时刻关注养殖场中氨气浓度的变化。此系统对氨气的监测使用了MQ135传感器模块，该模块具有高度稳定性、且寿命较长，适用于养殖业。其内部采用了光敏材料二氧化锡，因此空气中氨气浓度增加时传感器的电导率随之增大[9]。图5为MQ135的原理图，其中传感器内串入电阻组成的回路可以减少冷上电时电热丝的损坏，模拟接口D0在氨气浓度未超过限定值时输出高电平。模拟接口A0输出的电压会随气体浓度的影响慢慢增大，通过其接口电路可以看出，当检测到氨气浓度高于限定值时，LED灯亮报警[10]。

3  系统软件设计

整个系统的软件程序结构如图6所示，在智能养殖系统各模块上电之后，对系统中的STM32单片机主控部分与传感器模块初始化，搜索合适的信道使ZigBee能够成功连接并组网，然后进行网络模块初始化，初始化之后设置合适的参数（包括模式、时间等），使系统能够正常运行，在单片机与ZigBee协调器通过串口连接之后，单片机给ZigBee协调器发送指令，指令发送成功后对串口是否能够成功接收并传送数据、ZigBee协调器与ZigBee终端节点之间是否能接收无线数据进行检测，检测结果显示无误则传感器对养殖场内各影响参量的信息进行采集、分析与存储，在分析过程中检测数据是否异常，如果异常GSM模块自动给工作人员发送报警信息，如果没有出现异常数据，在分析完成数据后自动上传云端，数据上传成功可以随时通过PC端对养殖场内牲畜的状态进行观测，监控养殖场内避免出现因环境不适以及其他因素造成养殖失败。

4  调试

在完成软硬件的设计之后，开始对系统的性能进行测试，在测试开始时，依次将主控、ZigBee协调器、ZigBee终端节点与上位机连接启动，待系统运行稳定，等待ZigBee组网成功后，可以发送与接收无线数据，之后尝试使用手机端进行远程监测与控制，登录手机APP，登录界面如图7所示，选取同一养殖场内不同时间段进行监测。首先设定氨气浓度为20 ppm，二氧化碳浓度为0.15%，温度为30摄氏度，湿度为50%。如数据表1所示，在同一场所中选取四个时间点（8：00 am、12：00 am、16：00 pm、20：00 pm），在20：00 pm检测到氨气浓度升高，工作人员的手机APP会受到来着系统GSM模块的报警信息，提醒养殖人员及时使养殖场内通风以及清理养殖场内卫生。在16：00 pm檢测到二氧化碳浓度较高，二氧化碳浓度较高表明养殖场内空气污浊可能会导致牲畜食欲不振、精神不佳，所以需工作人员及时通风。在12：00 am时检测到温度过高，则需工作人员将喷淋安装在屋顶、给养殖场内冲水降温或者加强通风系统。

5  结  论

本设计利用ZigBee与物联网的结合，实时监测养殖场内各影响因素（光照、温湿度、二氧化碳浓度以及氨气浓度）的变化。该系统可准确采集、分析、存储及呈现数据，用户通过手机APP或PC端对养殖场进行远程操控，相较于传统养殖减少了人力物力的浪费，提高了养殖场内设备与管理自动化、信息化的程度。但是存在监控范围较小，自然环境对ZigBee网络可靠性和稳定性的影响等问题，之后应该扩大监控范围，让监测不只存在于养殖场内。修改ZigBee网络模块的连接，使ZigBee网络连接更加稳定。本系统可以提高养殖场的经济效益，同时又为消费者提供优质的全程可追溯的产品，为生产与生活中带来更多的益处，促进养殖场智能养殖模式的发展。

参考文献：

[1] 李佳辕，刘彬.基于ZigBee的温室监测系统设计与实现 [J].现代信息科技，2020，4（24）：13-16.

[2] 曲坤.基于ZigBee技术的智能水产养殖系统设计 [J].中国水产，2015（7）：77-78.

[3] 刁志刚，孙云龙.基于智能养殖的通信设计与实现 [J].电子测试，2016（5）：27-28.

[4] 董延昌，宋良图，严曙.基于ZigBee和GPRS的智能渔业养殖监控系统 [J].仪表技术，2014（8）：7-10+13.

[5] 王萌.基于ZigBee技术的智能养殖系统 [J].科技风，2012（7）：27-28.

[6] 罗江涛，李目，李波，刘昶忻.基于物联网技术的智能喷灌控制系统设计 [J].现代信息科技，2019，3（24）：182-185+188.

[7] 胡欣宇，郭凯星，郭军君，等.基于ZigBee的智能养殖生态控制系统 [J].物联网技术，2017，7（01）：67-70+74.

[8] 亓良元.基于Zigbee的智能生猪养殖环境监控系统的设计 [J].农业开发与装备，2017（10）：77-79..

[9] 应胜斌，雷必成，周坤，等.基于物联网的禽畜智能养殖监控系统的设计 [J].电子测量技术，2014，37（11）：86-89.

[10] 刘会哲. 基于ZigBee和组态技术的智能养殖场控制系统 [D].天津：天津科技大学，2017.

作者简介：刁梦梦（2002—），女，汉族，河南信阳人，本科在读，研究方向：物联网技术。

收稿日期：2022-02-28

基金项目：河南省本科高校省级大学生创新创业训练计划项目（S202114654003）;郑州西亚斯学院校级项目（2022-D70）