基于ZigBee和GPRS網絡的兔舍無線溫度監測系統設計

畢春光+劉欣偉+任東波

摘要：隨著畜牧業的不斷發展，養殖場的規模越來越大，不斷增加的人力、物力和復雜的操作給養殖戶帶來了挑戰。融合ZigBee和GPRS技術，利用傳感器來監測兔舍的溫度，然后通過GPRS網絡將數據傳送到智能終端設備上，養殖戶可以隨時隨地對大型兔舍進行監控和相關操作。采用無線控制技術，使兔舍更加整潔清爽，同時節省了大量的人力，使得操作更加快捷、準確。

關鍵詞：ZigBee；GPRS；兔舍；無線監測系統

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）18-4434-03

為了提高畜牧業的生產效率、降低生產成本、合理利用資源，將現代化的電子、通信、計算機和自動控制等技術應用于畜牧業生產中是現代畜牧業發展的必然趨勢。在養兔生產過程中，由于養殖規模不斷擴大，養殖戶希望在有效地空間內養殖更多的種兔，兔舍溫度成為影響養兔成本的必要條件之一。傳統的有線監測存在著諸多缺點，制約了其應用和推廣，將ZigBee和GPRS技術結合，使兔舍的無線實時監控和遠程操作成為可能[1]。

1 ZigBee簡介及模塊設計

ZigBee技術是一種功耗較低，復雜度較低，自行組織并且成本低的無線通信技術，在短程數據傳輸中有很好的優勢[2]。ZigBee無線傳感器網絡由多個ZigBee無線節點匯集而成，這些節點定時采集數據信息，與預先設定的閾值進行比較，得出相應的控制指令，開啟或關閉加熱器或散熱設備。同時，通過CC2430模塊將ZigBee無線網絡數據傳送到GPRS網絡。ZigBee的節點鋪設比較簡單，只需要每隔一段距離放置一個傳感器，則所有的傳感器可以自動組網[3]。將采集的數據傳送到控制臺，而且單個網絡節點工作異常并不會對整個網絡正常工作帶來任何影響。系統供電后先進行ZigBee模塊和系統的初始化，讀出當前系統的運行模式、采集時間，然后啟動定時器、開始采集數據信息。信息采集完成后會將這些數據傳送到CC2430模塊，并且與設定好的閾值進行比較，然后根據系統所處的運行模式對設備執行相應的命令[4]。由于無線采集節點采用電池供電方式，必須要保證節點的低功耗，當無線采集節點需要發送數據時，向CC2430模塊發送中斷請求，當CC2430模塊收到中斷請求時觸發中斷并激活節點，然后完成數據包的發送，待處理完畢后繼續進入休眠狀態，等待有請求時再次激活。

本系統的溫度傳感器采用KTR-11，帶有485接口，每隔20 m2放置一個節點。8路模擬量采集模塊采用KTR-8017，此模擬量輸入模塊用于采集模擬量。模擬量是表示在一定范圍內連續變化的任意取值，與數字量是相對立的一個狀態表示。此芯片采用24位ADC進行模數轉換。電源供應器采用DC-12V/3A，此電源供應器直流紋波小，工作效率高，在75%～80%之間；額定輸出功率36 W，待機功耗小于0.9 W。

圖1是無線溫度傳感器節點采集信息流程圖。溫度傳感器定時采集溫度信息，并與預先設定的閾值進行比較。如果采集的溫度比預先設定的閾值大，那么代表兔舍的溫度過高，則開啟散熱設備；如果采集的溫度比預先設定的閾值小，那么代表兔舍的溫度過低，則開啟加熱器；如果采集的溫度在預先設定的閾值范圍內，那么代表兔舍的溫度適宜兔子生長，則關閉散熱設備與加熱器。

2 GPRS簡介及模塊設計

GPRS通信技術具有覆蓋域廣、按量計費、接入迅速等優點，在遠程突發性數據傳輸中具有很好的優勢，滿足了遠距離條件下對兔舍信息監測的需要。所以應用GPRS將數據傳送到智能終端，智能終端可以對加熱器，散熱設備進行遠程操作以使兔舍具有最適宜兔子生長的條件。CC2430模塊可以接收無線傳感器節點發送來的數據信息，并且通過標準的串口與GPRS網絡進行連接，進行數據交互，實現通信。而當GPRS模塊接收到數據信息后，按照GPRS數據格式對信息進行打包，通過GPRS網絡上傳數據包，從而實現數據的遠程傳輸。數據通過串口發送給GPRS模塊，然后通過GPRS網絡再將 數據發送到監控中心，當GPRS模塊發送數據失敗時，便返回一個信號給CC2430模塊，要求重新發送，直至發送成功。同時可以接收來自數據服務器的控制指令，再由CC2430模塊發送給各個無線傳感器節點，并對相應設備進行操作。

CC2430模塊作為網關協調器的微控制器，可以對ZigBee射頻模塊進行相應的配置，接收無線傳感器節點發送的兔舍信息，然后采用AT指令的格式來初始化GPRS模塊，并利用PPP協議將網關協調器連接到GPRS網絡，獲得網絡運營商動態分配的IP地址，與智能終端建立有效的連接，并將傳感器采集的數據發送到智能終端[5]。

本系統中GPRS模塊選用的是西門子MC55模塊。此無線模塊設計緊湊，尺寸小巧；為三頻GSM/GPRS模塊，適用于歐洲和亞洲的頻段；內嵌TCP/IP協議棧，從而降低了設計的難度[6]。

3 融合GPRS技術的ZigBee應用

由于ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議，一般ZigBee網絡有效通訊范圍為10～300 m，對于空間上相對分布比較分散的單位或者距離較遠的單位之間，各個ZigBee網絡網內或網間控制數據的傳送往往需要非常遠的距離，有可能超過ZigBee網絡通訊的有效距離。空間距離非常大的廣域網的運行和維護如果采用數傳電臺等用戶系統，不但運行和維護成本較高，所需要的無線電頻段可能還需要申請和付費，而采用GPRS這種成熟的第三方傳輸服務就可以節省大量的運行和維護費用，GPRS采用封包的方式來傳輸數據，使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，目前采用GPRS傳送數據每1 000字節成本不到一分錢，相對來說非常經濟[7]。

4 系統總體設計

系統共分為3個部分，ZigBee無線傳感器網絡，GPRS遠程數據傳輸模塊和智能終端（圖2）。ZigBee無線傳感器網絡由多個ZigBee無線節點匯集而成。這些節點定時采集數據信息，與設定的閾值進行比較，得出相應的控制指令，開啟或關閉加熱器、散熱設備等ZigBee無線節點設備。同時，把采集的數據通過CC2430模塊將ZigBee無線網絡數據傳送到GPRS網絡。GPRS遠程數據傳輸系統由GPRS無線模塊和GPRS網絡組成。GPRS無線模塊負責把數據打包后，然后通過GPRS網絡發送到智能終端。endprint

智能終端由SQL數據庫支持，通過網絡接收到傳感器采集到的多項數據信息后，將數據存儲到SQL數據庫中，并將數據通過IE瀏覽器的形式展示給養殖戶，提供用戶操作界面，讓養殖戶可以方便的實現對兔舍的實時監控和管理。

5 智能終端設計

智能終端是使用Visual studio開發環境進行編程設計的，主要負責將接收到的傳感器數據信息進行處理，以瀏覽器的形式顯示給用戶，并提供給用戶遠程控制加熱器，散熱設備等功能。在后臺應用SQL Server建立關系型數據庫，將接收到的數據進行整理保存，以備后續查詢和數據統計。此系統還可以將數據轉化為圖表的形式展示給養殖戶，以便用戶更加直觀地了解溫度的變化范圍和趨勢，幫助其做出兔舍改建決策。該程序包括用戶登錄管理、遠程實時數據監控、數據不同形式展示、數據庫查詢和遠程設備操作等模塊。

6 小結

隨著現代農牧業的發展，將計算機及通信技術應用在農牧業生產中成為了節省人力、物力資源和實現特殊要求的有效途徑。對在短程數據傳輸中有很好優勢的ZigBee網絡和在遠程突發性數據傳輸中具有很好優勢的GPRS網絡進行了結合。通過這兩種技術的結合，彌補了兩種網絡各自的缺點和不足，大幅提高了系統的性能。使ZigBee網絡節點采集的溫度信息可以通過GPRS網絡傳輸到距離較遠的智能終端，同時可以使距離較遠的ZigBee網絡之間實現通信[8]。為兔舍溫度的自動采集，設備的自動控制，用戶的實時遠程監測與遠程控制提供了一個合理的解決方案。此系統在實際應用上搭建簡單，ZigBee網絡節點是自動組網的。此系統費用相對較低，GPRS網絡數據包的傳輸為用戶節省大量的運行和維護費用。同時，此系統采用無線控制技術，省去了布線的煩惱，操作更加的快捷和簡單，在實際應用中是高效可行的[9]。

參考文獻：

[1] 李立揚，王華斌，白鳳山.基于Zigbee和GPRS網絡的溫室大棚無線監測系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（13）：3148-3150.

[2] 孫學巖.基于Zigbee的雞舍智能監控系統[J].農機化研究，2011，1（1）：107-110.

[3] 沈娣麗，上官同英，孟雅俊，等.Zigbee和百度地府API在農田信息采集系統中的應用[J].中國農機化，2012，（4）：184-188.

[4] 張觀山，束懷瑞，高東升，等.基于Zigbee和GPRS的遠程果園智能灌溉系統的設計與實現[J].山東農業大學學報，2012，43（3）：377-380.

[5] ANTONIO J G S， FELIPE G S， JOAN G H. Wireless sensor network deployment for integrating video-surveillance anddata-monitoring in precision agriculture over distributed crops[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2011，75：288-303.

[6] 張 磊.基于GPRS技術的農田土壤水分檢測校正系統[J].農機化研究，2012，（9）：124-126.

[7] 黃 培，徐立鴻，王樂達，等.基于GSM/GPRS的溫室環境遠程監控系統設計[J].網絡與通信，2012，（18）：45-47.

[8] 米海濤付立思，基于ZIGBEE技術的溫室環境遠程監測系統[J]. 農機化研究，2010（7）：68-73.

[9] 劉瑞玲.基于無線傳感網絡的溫室環境監測系統的研究[D].蘭州：蘭州大學，2011.endprint

智能終端由SQL數據庫支持，通過網絡接收到傳感器采集到的多項數據信息后，將數據存儲到SQL數據庫中，并將數據通過IE瀏覽器的形式展示給養殖戶，提供用戶操作界面，讓養殖戶可以方便的實現對兔舍的實時監控和管理。

5 智能終端設計

智能終端是使用Visual studio開發環境進行編程設計的，主要負責將接收到的傳感器數據信息進行處理，以瀏覽器的形式顯示給用戶，并提供給用戶遠程控制加熱器，散熱設備等功能。在后臺應用SQL Server建立關系型數據庫，將接收到的數據進行整理保存，以備后續查詢和數據統計。此系統還可以將數據轉化為圖表的形式展示給養殖戶，以便用戶更加直觀地了解溫度的變化范圍和趨勢，幫助其做出兔舍改建決策。該程序包括用戶登錄管理、遠程實時數據監控、數據不同形式展示、數據庫查詢和遠程設備操作等模塊。

6 小結

隨著現代農牧業的發展，將計算機及通信技術應用在農牧業生產中成為了節省人力、物力資源和實現特殊要求的有效途徑。對在短程數據傳輸中有很好優勢的ZigBee網絡和在遠程突發性數據傳輸中具有很好優勢的GPRS網絡進行了結合。通過這兩種技術的結合，彌補了兩種網絡各自的缺點和不足，大幅提高了系統的性能。使ZigBee網絡節點采集的溫度信息可以通過GPRS網絡傳輸到距離較遠的智能終端，同時可以使距離較遠的ZigBee網絡之間實現通信[8]。為兔舍溫度的自動采集，設備的自動控制，用戶的實時遠程監測與遠程控制提供了一個合理的解決方案。此系統在實際應用上搭建簡單，ZigBee網絡節點是自動組網的。此系統費用相對較低，GPRS網絡數據包的傳輸為用戶節省大量的運行和維護費用。同時，此系統采用無線控制技術，省去了布線的煩惱，操作更加的快捷和簡單，在實際應用中是高效可行的[9]。

參考文獻：

[1] 李立揚，王華斌，白鳳山.基于Zigbee和GPRS網絡的溫室大棚無線監測系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（13）：3148-3150.

[2] 孫學巖.基于Zigbee的雞舍智能監控系統[J].農機化研究，2011，1（1）：107-110.

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[7] 黃 培，徐立鴻，王樂達，等.基于GSM/GPRS的溫室環境遠程監控系統設計[J].網絡與通信，2012，（18）：45-47.

[8] 米海濤付立思，基于ZIGBEE技術的溫室環境遠程監測系統[J]. 農機化研究，2010（7）：68-73.

[9] 劉瑞玲.基于無線傳感網絡的溫室環境監測系統的研究[D].蘭州：蘭州大學，2011.endprint

智能終端由SQL數據庫支持，通過網絡接收到傳感器采集到的多項數據信息后，將數據存儲到SQL數據庫中，并將數據通過IE瀏覽器的形式展示給養殖戶，提供用戶操作界面，讓養殖戶可以方便的實現對兔舍的實時監控和管理。

5 智能終端設計

智能終端是使用Visual studio開發環境進行編程設計的，主要負責將接收到的傳感器數據信息進行處理，以瀏覽器的形式顯示給用戶，并提供給用戶遠程控制加熱器，散熱設備等功能。在后臺應用SQL Server建立關系型數據庫，將接收到的數據進行整理保存，以備后續查詢和數據統計。此系統還可以將數據轉化為圖表的形式展示給養殖戶，以便用戶更加直觀地了解溫度的變化范圍和趨勢，幫助其做出兔舍改建決策。該程序包括用戶登錄管理、遠程實時數據監控、數據不同形式展示、數據庫查詢和遠程設備操作等模塊。

6 小結

隨著現代農牧業的發展，將計算機及通信技術應用在農牧業生產中成為了節省人力、物力資源和實現特殊要求的有效途徑。對在短程數據傳輸中有很好優勢的ZigBee網絡和在遠程突發性數據傳輸中具有很好優勢的GPRS網絡進行了結合。通過這兩種技術的結合，彌補了兩種網絡各自的缺點和不足，大幅提高了系統的性能。使ZigBee網絡節點采集的溫度信息可以通過GPRS網絡傳輸到距離較遠的智能終端，同時可以使距離較遠的ZigBee網絡之間實現通信[8]。為兔舍溫度的自動采集，設備的自動控制，用戶的實時遠程監測與遠程控制提供了一個合理的解決方案。此系統在實際應用上搭建簡單，ZigBee網絡節點是自動組網的。此系統費用相對較低，GPRS網絡數據包的傳輸為用戶節省大量的運行和維護費用。同時，此系統采用無線控制技術，省去了布線的煩惱，操作更加的快捷和簡單，在實際應用中是高效可行的[9]。

參考文獻：

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[8] 米海濤付立思，基于ZIGBEE技術的溫室環境遠程監測系統[J]. 農機化研究，2010（7）：68-73.

[9] 劉瑞玲.基于無線傳感網絡的溫室環境監測系統的研究[D].蘭州：蘭州大學，2011.endprint