基于ZigBee的豬舍環境監測系統設計

劉思遠++賈艷玲

摘要：為了實現豬場的規模化和節約化養殖，以CC2530模塊為核心，提出了一種基于ZigBee技術的豬舍環境監測系統設計方案。首先根據待采集環境參數數據特點，選取SHT15等元件完成了傳感器節點的硬件設計，其次討論了傳感器節點及匯聚節點的軟件設計流程，最終實現了由傳感器節點、匯聚節點和用戶平臺等組成的環境監測系統。該系統性能穩定、可靠，對實施豬舍的環境監測具有一定的參考價值。

關鍵詞：ZigBee；豬舍；CC2530；監測系統

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-4041-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.054

Design of Piggery Environment Monitoring System Based on ZigBee

LIU Si-yuana， JIA Yan-lingb

（a.Department of Development Planning and Discipline Construction； b. School of Physics & Electrical Information

Engineering/Ningxia Key Laboratory of Information Sensing & Intelligent Desert，Ningxia University， Yinchuan 750021，China）

Abstract：In order to realize large scale farming and conservation farming， with the CC2530 module as the core， a design scheme of the piggery environment monitoring system based on ZigBee is proposed. In the first place， the sensor nodes hardware design is completed by selecting SHT15 and other elements according to the characteristics of environment parameters， secondly， software processes of the sensor node and the sink node are discussed in details， finally， the environment monitoring system is carried out， which is constituted by the sensor node， the sink node， and the user platform. The system is stable， reliable and has certain reference value for the environment monitoring of piggery.

Key words： ZigBee； piggery； CC2530； monitoring system

豬肉是我國大多數城鄉居民餐桌上重要的動物性食品之一。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，人們不僅對肉類的數量，更對其質量提出了更高的要求，健康養殖的概念應運而生。健康養殖是指根據養殖對象的生物學特性，運用生態學、營養學原理來指導養殖生產，即為養殖對象營造一個良好的、有利于快速生長的生態環境，提供充足的、全價營養的飼料，使其在生長發育期間最大限度減少疾病的發生，使生產的食用產品無污染、個體健康、肉質鮮嫩、營養豐富與天然鮮品相當[1]。對于商品豬而言，環境、品種、飼料和疾病構成養豬生產的4大技術限制因素，其中環境因素占到20%～30%[2]，良好的養殖環境不僅可以使品種及飼料的優勢得到充分發揮，更可以使生豬患病幾率大幅下降，提高豬肉品質。為此，建立可實時對豬舍環境信息進行采集與分析的豬舍環境監測系統，具有重要的現實意義。

傳統的豬舍環境監測主要依靠養殖人員人工完成，一方面對環境信息采集實時性不強、準確性不高；另一方面消耗了大量的人力資源，增加了養殖成本。ZigBee技術是一種具有自組織、低復雜度、低成本和高可靠性的無線通信技術，在短程傳輸中有很好的優勢[3]，已經在環境監測、節水灌溉等領域得到了廣泛的應用[4-7]。本研究利用ZigBee技術，提出了一種基于無線傳感器網絡架構的豬舍環境監測系統設計方案，首先根據豬舍待采集環境信息特點，對系統硬件進行了設計，其次對匯聚節點及傳感器節點的軟件實現流程進行了討論，實現了由傳感器節點、匯聚節點和用戶管理平臺等組成的豬舍環境監測系統。

1 系統總體設計方案

影響豬舍環境的因素主要有：溫度、濕度和氨氣、二氧化碳及硫化氫等。高溫和低溫都會降低飼料轉化率，成年豬在35 ℃高溫環境下，不僅會發生中暑，還會產生厭食癥狀，延長出欄時間，而其長時間在8 ℃低溫情況下，同樣會產生厭食、抖動等癥狀，極大影響生長發育，且容易感染腹瀉性疾病，嚴重危害健康成長；而豬舍內濕度過大，會使豬的成長速度減慢，引起很多疾病的產生；而氨氣等有害氣體是生豬呼吸道等疾病爆發的主要誘因之一[8]。因此，本研究設計的豬舍環境監測系統總體結構如圖1所示，主要由傳感器節點（負責采集溫度、濕度和氨氣濃度等數據）、匯聚節點和用戶管理平臺等組成。

傳感器節點按照豬舍環境采集信息數據需求合理布置在監測區域內，實現豬舍環境信息數據的實時采集，所有節點均通過ZigBee協議以自組網方式構成無線網絡，并將采集到的信息數據以多跳形式傳送到匯聚節點；匯聚節點通過RS232串口與用戶管理平臺相連，管理平臺將收集到的信息數據保存到平臺數據庫中，實現數據的統一管理；用戶根據平臺數據庫提供的數據執行相應操作，以保證良好的豬舍環境。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點能否準確地采集到豬舍環境信息數據，對整個監測系統的性能有極大影響。傳感器節點由傳感器模塊（溫濕度、二氧化碳、氨氣及硫化氫模塊）、微處理器模塊、射頻模塊及電源模塊等組成，其硬件框架如圖2所示。

匯聚節點與傳感器節點相比，不包括傳感器模塊，不具有參數采集功能，通過RS232串口與用戶管理平臺相連，設計中匯聚節點微處理器模塊和射頻模塊所用元器件與傳感器模塊中所用元器件相同。

2.2 模塊元器件選擇

傳感器節點是構成豬舍環境監測系統的基本組成單元，從系統成本及實用性角度考慮，傳感器節點應具有成本低、體積小、功耗低、適應性強等特點。根據系統設計需要，傳感器節點各模塊選擇元器件如下：

1）傳感器模塊。該模塊包含有溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器和硫化氫傳感器。溫濕度傳感器選用由Sensirion推出的SHT15傳感器[9]，該數字溫濕度傳感器基于領先世界的CMOSens？誖技術，溫度測量范圍-40-+123 ℃，測量分辨率0.01 ℃，濕度RH測量范圍0～100%，測量分辨率0.03%，具有低能耗、抗干擾能力強及溫濕一體的特點，性價比高，可應用于多種場合；二氧化碳傳感器選用MH-Z14[10]，該傳感器是氣體檢測技術與精密光路設計、精良電路設計緊密結合制作出的通用型紅外氣體傳感器，測量范圍0～10 000 mmol/L（有多個量程可供選擇），精確度為±50 mmol/L ±讀數5%，具有良好的選擇性、無氧氣依賴性、壽命長，其內置溫度傳感器可進行溫度補償，同時具有數字輸出與模擬電壓輸出，方便使用；氨氣傳感器選用MQ137，該氣體傳感器對氨氣的靈敏度高，對其他有機胺（如三甲胺、乙醇胺等）的監測也很理想，使用壽命長、成本低、驅動電路簡單，是一款適合多種應用的傳感器[11]；硫化氫傳感器選用ME4-H2S[12]，該氣體傳感器檢測范圍0～100 mmol/L，靈敏度0.70±0.15 μA/mmol·L，分辨率0.1 mmol/L，具有功耗低、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強等特點。

2）微處理器模塊。以ATMEL公司的ATmega128 L為核心，該款單片機工作電壓2.7～5.5 V，內置有高性能、低功耗的AVR？誖R8位微處理器，采用先進的RISC結構，具有8路10位ADC和2個可編程的串行USART接口，128 kb的系統內可編程Flash，多達64 kb的優化外部存儲器空間，除正常操作模式外，還具有6種不同等級的低能耗操作模式[6]，可滿足節點低能耗要求。

3）射頻模塊。選用TI公司的CC2530，該款芯片含有高性能、低功耗的8051微控制器內核，具有極高接收靈敏度和抗干擾性能的，并適應2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發器，擁有8 kb SRAM，8路輸入8～14位ADC，具備各種供電方式下的數據保持能力，只需極少的外接元件即可形成一個簡單的應用系統[13]。同時，CC2530還具有主動模式、供電模式等不同的運行模式，運行模式之間的轉換時間很短，進一步確保了低能源消耗[14]，使其非常適應超低功耗要求的系統。

4）電源模塊。采用連續供電與電池供電2種方式，避免頻繁更換，保證系統長期運行，可有效降低系統能耗。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要指匯聚節點和傳感器節點的軟件設計。匯聚節點主要負責建立和啟動整個無線網絡，網絡建成后允許傳感器節點加入，協調和管理網絡通信，維護網絡穩定，接收傳感器節點傳送的信息數據，并通過RS232串口發送到用戶平臺，流程如圖3所示。

為增加靈活性，傳感器節點采用網狀拓撲，加入匯聚節點建立的網絡后，節點將各個傳感器所采集的環境參數數據（溫濕度、有害氣體濃度數據）通過RF射頻發送出去，流程如圖4所示。

4 小結

基于ZigBee技術的豬舍環境監測系統設計方案選用CC2530、SHT15等功耗低、適應性強、性價比高的元器件完成了節點的硬件設計，給出了匯聚節點及傳感器節點的軟件實現流程。結果表明，該系統可實現對豬舍內環境參數的有效采集，性能穩定、可靠，滿足設計要求。

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