基于ZigBee和GPRS雞舍有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱鳳舞 梁天航

摘 要：針對(duì)雞舍養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套雞舍有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)。融合ZigBee和GPRS技術(shù)，利用短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)雞舍的環(huán)境參數(shù)，然后通過遠(yuǎn)距離GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)端。通過上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，對(duì)節(jié)點(diǎn)繼電器發(fā)出執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)預(yù)期調(diào)控。給雞舍帶來了良好的繁殖環(huán)境，同時(shí)避免了布線困難，操作更加快捷、準(zhǔn)確，達(dá)到了雞舍現(xiàn)代化建設(shè)、管理的目的。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS；雞舍；無線監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S831.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431026

引言

家禽疾病復(fù)雜多變，其中傳染病種類也是最多的，不僅給養(yǎng)殖戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重危害了人類的健康安全。雞舍內(nèi)有害氣體含量是影響家禽疾病爆發(fā)的主要因素。對(duì)有害氣體濃度值進(jìn)行監(jiān)控，可實(shí)時(shí)顯示、調(diào)控雞舍內(nèi)環(huán)境狀況，進(jìn)而降低家禽疾病爆發(fā)率具有重要意義[1]。本文充分依托學(xué)校肉雞養(yǎng)殖基地這樣一個(gè)優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選取3項(xiàng)有害氣體指標(biāo)構(gòu)建了雞舍環(huán)境監(jiān)控微體系。應(yīng)用LabWindows/CVI開發(fā)了環(huán)境監(jiān)控虛擬儀器系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)已投入實(shí)際使用，并且也取得了良好效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用PDCA循環(huán)理論，也就是所說的戴明環(huán)體系思想進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，它的原理圖如圖1所示。

在P階段：分析雞舍現(xiàn)狀，找出實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)遇到的問題，確認(rèn)問題，收集和組織資料，設(shè)定目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)方法。分析問題的各種原因或影響因素，找出主要因素。制定措施，提出實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。尋找可能的解決辦法，測(cè)試并選擇。

在D階段：實(shí)施實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，實(shí)施實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。通過傳感器的采集，將參數(shù)傳輸給可以靈活組網(wǎng)的ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)，完成了短距離數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)的數(shù)據(jù)會(huì)通過RS-485串口以有線的方式發(fā)送到GPRS-DTU端，GPRS和服務(wù)器進(jìn)行TC/IP配置，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。上位機(jī)PC端可以實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警和控制繼電器，從而調(diào)控雞舍的有害氣體含量，達(dá)到智能調(diào)控雞舍環(huán)境的目標(biāo)。

在C階段：評(píng)估結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在A階段：對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)、修正；提出這一PDCA循環(huán)尚未解決的問題，把它轉(zhuǎn)到下一個(gè)PDCA繼續(xù)完善。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

二氧化碳傳感器選擇的是藍(lán)月科技制造的B-530[2]。釆用的是紅外NIRD檢測(cè)原理，量程范圍為0～5000ppm，精度/分辨率為10ppm，使用壽命可達(dá)10a以上。

氨氣傳感器選擇的是美國RAE Systems公司制造的4NH3～100傳感器[3]。量程范圍為0～100ppm，分辨率為0.5 ppm，響應(yīng)時(shí)間不大于10s，穩(wěn)定性相對(duì)可靠，靈敏度極高。

硫化氫傳感器選擇的是鄭州煒盛科技公司生產(chǎn)的ME4-H2S電化學(xué)式氣敏傳感器。該傳感器的特點(diǎn)是：功耗低、精度高、靈敏度極強(qiáng)、線性度寬、抗干擾能力突出，以及優(yōu)異的重復(fù)性和高度穩(wěn)定性，廣泛適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及環(huán)保中H2S的檢測(cè)。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

短距離無線數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ZigBee模塊采用的是深圳隔壁科技生產(chǎn)的GB-SMA-10系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品特點(diǎn)是底板結(jié)構(gòu)清晰、擴(kuò)展通道數(shù)量較多、網(wǎng)絡(luò)自組織、數(shù)據(jù)傳輸透明、簡單易用。本實(shí)驗(yàn)共選擇了5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，所以需要采集節(jié)點(diǎn)模塊5塊、外加1塊協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊，共計(jì)6塊模塊。

遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸采用北京天同誠業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的COMWAY WG-8010系列GPRS-DTU，該模塊具有性能可靠、使用簡單、兼容性好等特點(diǎn)。且內(nèi)部封裝了TC/IP協(xié)議，適用于AT命令擴(kuò)展，可完美實(shí)現(xiàn)DTU與服務(wù)器之間的通信。

2.3 系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

控制部分位于采集節(jié)點(diǎn)的底層板，主要器件是深圳育松電子的SRD-05VDC系列的繼電器，該繼電器通過上位機(jī)發(fā)來的控制指令，來控制風(fēng)機(jī)的開和關(guān)。且繼電器控制區(qū)域和負(fù)載區(qū)域有隔離槽，信號(hào)輸出穩(wěn)定。保證了雞舍空氣的相對(duì)優(yōu)良。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee自組網(wǎng)

ZigBee的組網(wǎng)方式有3種，分別是廣播、組播、點(diǎn)播。本課題采用了最普遍應(yīng)用的廣播模式。它的構(gòu)造形式是：在ZigBee自組網(wǎng)體系中會(huì)有若干個(gè)CC2530采集模塊（本系統(tǒng)有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)故需要5塊）和有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊。而且有的系統(tǒng)還會(huì)有若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)模塊，由于本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境所限，故無需路由節(jié)點(diǎn)。它的組網(wǎng)流程如圖3，是通過協(xié)調(diào)器建立自組網(wǎng)絡(luò)，并以廣播的形式發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)，另外5個(gè)采集節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并以單播的形式向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)或是接受命令。

3.2 GPRS模塊與服務(wù)器的通訊

GPRS-DTU端即所說的客戶端是GPRS模塊與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器信息交互的起始端。而信息的TXD和RXD在兩端口之間均是可逆的，GPRS-DTU端通過接收的信息對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行反饋，反之服務(wù)器端也同樣會(huì)對(duì)GPRS-DTU端做出響應(yīng)。交互的兩端共同擔(dān)負(fù)起基于GPRS與INTERNET網(wǎng)絡(luò)通訊的責(zé)任并建立了一套閉環(huán)系統(tǒng)。但事實(shí)是：服務(wù)器端要比DTU端不論是基礎(chǔ)安裝、系統(tǒng)軟件的建設(shè)、能夠接受通訊信息的質(zhì)量都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過不少，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

整個(gè)通訊開始前必須先發(fā)出通訊請(qǐng)求，這個(gè)過程是由DTU端完成的，他通過預(yù)先獲得的INTERNET服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)發(fā)起請(qǐng)求。請(qǐng)求一旦被應(yīng)答且建立通訊，服務(wù)器端和DTU端就變得一體化。也就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

在通訊過程中不論是公網(wǎng)IP還是通過解析域名服務(wù)器獲取的動(dòng)態(tài)域名IP地址都可以作為服務(wù)器IP，服務(wù)器端運(yùn)行的特定應(yīng)用程序往往也需要與服務(wù)器的端口號(hào)進(jìn)行匹配使用，如TCP 54這個(gè)端口號(hào)就需要和FTP服務(wù)匹配，TCP78這個(gè)端口號(hào)就需要和超文本服務(wù)器（Http）匹配。即自定義的端口號(hào)還支持與特定的服務(wù)器端的應(yīng)用程序匹配實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。GPRS-DTU端與服務(wù)器端的通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換的過程如圖4。

3.4 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件選擇LabWindows/CVI這樣一個(gè)用于開發(fā)虛擬儀器應(yīng)用的系統(tǒng)。它的開發(fā)環(huán)境是完全標(biāo)準(zhǔn)的C語境；數(shù)據(jù)的采集、分析、和顯示也都可以通過LabWindows/CVI的內(nèi)置式函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)；同時(shí)LabWindows/CVI的自動(dòng)代碼生成工具以及拖放式用戶界面編輯器都可以在其內(nèi)部靈活可調(diào)。通過該虛擬軟件的部分功能在未將代碼加入到Project時(shí)，就可以完成對(duì)基礎(chǔ)項(xiàng)目的人機(jī)交互測(cè)試。LabWindows/CVI不僅可以定義和繪制人機(jī)界面，還能夠開發(fā)多線程應(yīng)用，及生成或運(yùn)行ActiveX組件[4]。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)功能圖如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是驗(yàn)證系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的手段，同時(shí)也是驗(yàn)證系統(tǒng)適用性的有效方式。本實(shí)驗(yàn)選取了2處環(huán)境基本一致的雞舍（舍1-自然條件監(jiān)測(cè)，舍2-自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)）通過對(duì)比分析法來描述實(shí)驗(yàn)的最終效果。

通過圖6有害氣體濃度數(shù)據(jù)對(duì)比圖表明，在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)和不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)折線變化，能夠得到這樣一個(gè)結(jié)論：在自然條件下雞舍的有害氣體參數(shù)變化無明顯規(guī)律且波動(dòng)比較大，在自控系統(tǒng)的條件下雞舍的有害氣體參數(shù)變化明顯穩(wěn)定了很多，且有比較明顯的同定規(guī)律。這也說明該系統(tǒng)具有可靠的智能調(diào)控作用，是可以實(shí)踐應(yīng)用的。

5 結(jié)束語

本文通過分析把有3大有害氣體作為影響肉雞生產(chǎn)的主要環(huán)境因素，針對(duì)以上主要因素設(shè)計(jì)了適合雞舍復(fù)雜環(huán)境的微型監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功的對(duì)雞舍CO2濃度、H2S濃度、HN3濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、圖像顯示、以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和對(duì)環(huán)境的調(diào)控。且經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析證明該系統(tǒng)能夠滿足基本的生產(chǎn)需求。相信隨著農(nóng)業(yè)和其他學(xué)科的交叉，以及在互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，這類型的自動(dòng)控制技術(shù)會(huì)上一個(gè)新臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

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