基于Zigbee 的畜牧养殖数字化系统设计与实现

范晓红，孙成磊

（山东信息职业技术学院，山东潍坊，261000）

0 引言

在农业振兴、乡村发展过程中畜牧养殖一直是其中的重要组成部分，也是我国经济的支柱产业之一。随着技术的成熟与进步，畜牧养殖的水平也在不断地提升。传统畜牧养殖行业由于养殖技术、管理理念相对落后，大规模养殖生产难于管理，人工成本高，牲畜健康监测管理难度大，环境维护成本高。

国家高度重视畜牧行业的现代化进程，并在《“十四五”全国畜牧兽医行业发展规划》中提出目标，到2025 年，畜牧业的现代化水平要取得显著进展。畜牧行业的数字化进程不断地加快，大批数字化转型的成果也在接二连三应用到畜牧养殖领域，例如智慧农业、智慧牧场、智慧灌溉、智能监控等。物联网、大数据等新一代信息技术的出现助力了畜牧行业的数字化转型，有助于提升畜牧养殖的效率、降低人工成本、加速畜牧业的现代化进程。

本系统以物联网关键技术Zigbee 为基础，设计并实现了基于Zigbee 的物联网畜牧养殖系统。通过感知层传感器获取温湿度、烟雾等数据，并进行智能报警、智能电灯开关、智能门禁等。通过Zigbee 进行组网，并开发设计畜牧养殖Android 移动客户端，进行智能化监测、控制，将畜牧养殖过程进行数字化转型，提升畜牧养殖现代化进程。

图1

1 畜牧养殖系统研究

1.1 系统整体架构

Zigbee 技术功耗低、带宽低且数据稳定，十分符合物联网通信的标准。基于Zigbee 技术构建的无线传感网络由大量传感器节点通过无线通信技术构成，遵循IEEE802.15.4 标准，是一种短距离、低速率的自组织多跳网络。

1.2 系统硬件设计

ZigBee 搭载了TI 公司的CC2530 单片机核心模组，它的工作周期较短、可以通过切换电源的模式进入休眠状态从而减少电源损耗、收发信息功耗低。传输范围一般在10～100m 之间，数据传输速率为10～250kbit/s，工作频段主要分布在2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国）。可以通过网络协调器自动组建网络。主要应用于传输速率要求低的场景，可靠性较高。

图2

Zigbee 主要遵循四层网络模型，分别是物理层、媒体网络控制层、网络层、应用层。

应用层：基于检测的任务，为用户开发不同的应用层软件服务；

网络层：通过路由与交换，实现节点的拓扑结构建立；

介质访问控制层：主要负责数据帧的封装、处理及链路管理等；

物理层：主要负责从无线信道中收发数据并对数据的调制与解调等管理。

畜牧场地选用的传感器主要包括温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器等，选用的执行设备包括风扇、电灯、门锁等。所有的设备均是通过Zigbee 模块进行连接、控制。其中Zigbee 模组采用的核心芯片是CC2530，系统主要组成部分：供电装置、传感器模块、MCU模块、无线通信模块、嵌入式软件。

其中各传感器选用的型号及功能特点如表1 所示。

表1

1.3 Zigbee 自组网设计

牧场环境之所以使用Zigbee 组网主要是因为它是一种分布式自组织的数据采集网络，可以快速组建局域网络，实现牧场环境监测控制，具有功耗低、复杂度低、成本低等特点。根据功能及角色的不同，网络节点中的Zigbee 设备大致分为三类：协调器（Coordinator）、路由节点（Router）、终端节点（End-Device）。其中协调器主要用于启动和配置网络，负责与网关通信，是网络的中心节点[1]。一个Zigbee 网络只有一个协调器。路由器节点可以将数据转发给其他设备，也可以进行环境的监测。终端设备直接与传感器通信实现数据采集与控制。

基于IEEE802.15.4 协议规范，ZigBee 无线自组网技术规定了3 种无线网络拓扑结构：星型结构、树状结构以及网状结构[2]。星型结构是其中最简单的网络拓扑结构，结构中的路由器节点和终端设备节点都只和协调器进行通信。树状结构中协调器担任顶层父节点，负责汇集所有传感器节点中的网络数据，路由器节点负责承接上下节点，用于汇集子节点转发的数据，子节点间没有直接通信线路，只能与父节点通信，节点与节点之间通过中间的路由器节点形成多跳通信，主要应用于网络容量相对较小的场合。网状结构由协调器、路由节点及终端节点构成的多路径、自组织网络结构，通信方式灵活，一条通信路径的损坏不会影响对整个网络通信质量。

图3

本文采用的是树状结构通信方式进行自组网，组网结构图如图4 所示。

图4

ZigBee 在2.4GHz 频段内具备强抗干扰能力，该频段划分为16 个通信信道，信道11～26。协调器创建网络并设置网络号PANID，选用其中一个信道CHANNEL 进行通信。终端设备通电后扫描通道中的网络，然后选择合适网络并向协调器或者路由器发送入网请求，请求通过后，即可将感知层采集的传感器数据通过指定的PANID、CHANNEL 进行汇聚并经由协调器上传到网关中，与互联网建立通信。

2 系统软件设计

传感器节点采集的温湿度、光照等数据经过Zigbee 终端设备节点，经由路由节点转发、协调器节点汇聚后通过串口与网关相连接，网关数据与云平台实现数据共享，云平台上实现牧场的远程监测与控制。并实时对异常数据进行预警处理。

图5

同时本畜牧养殖系统开发了配套的Android手机客户端，用户可以通过手机实时查看牧场环境状态，及时了解牲畜的活动状态信息。手机客户端APP主要由注册/登录、环境监测、棚舍控制、我的信息等四大模块组成。注册/登录模块主要包括新用户身份信息登记注册、老用户账号登录功能。欢迎界面展示牧场信息，用于宣传牧场。注册/登录功能通过记录用户数据并对新老用户进行注册、登记。环境监测模块主要负责将感知层传感器采集的数据实时显示供用户查阅使用。棚舍控制模块主要负责远程实现牧场设备的控制开关等。我的信息模块主要记录用户的信息及意见反馈等。

图6

主要分为界面设计和功能开发两部分。其中界面开发主要通过布局+控件完成设计，常用的布局和控件有RelativeLayout、LinearLayout、ConstraintLayout、TextView、Button、ImageView 等。功能开发主要涉及数据的采集及控制，本模块主要通过网络请求框架Retrofit 实现远程数据的采集和控制，Retrofit 是对okhttp 的二次封装，可以实现同步、异步、支持多数据解析。本文采用的网络通信及Json 数据解析关键代码如下：

同时采用多线程通信方式进行温湿度等数据的实时采集与显示。并添加异常状态预警模块，通过阈值监测，对环境数据进行实时监控，如果监测数据超过阈值，及时预警并通知相关管理人员，主要使用的API 为：

软件主要功能效果图如图7 所示。

图7

3 结语

使用该畜牧养殖系统可以实现对牧场环境的实时监测与控制，并能够及时预警潜在隐患信息，提高了牧场的管理和维护效率和水平，减少了劳动力的浪费。通过云平台、手机客户端等多平台监测和使用，方便用户和管理者对牧场进行及时管理，历史数据的分析处理，有利于对畜牧状态的统计分析。安装并运行设计程序到手机中，用户体验度良好。