基于ZigBee網絡的動物養殖環境溫濕度遠程監測系統

馬國強+田云臣+馬吉飛+路寧+包蕊

摘 要：對集約化、智能化的養殖業來說，環境監測十分關鍵，尤其是溫濕度，這是最基本的監測指標。文中基于ZigBee無線自組織網絡和DHT11溫濕度傳感器設計和實現了動物養殖環境遠程監測系統，并采用B / S（ 瀏覽器/ 服務器） 模式，通過遠程控制系統實現遠程實時監控。試驗結果表明，該系統對傳感器數據的采集性能穩定，可擴展至多類型傳感器，能應用于智能化養殖業的生產管理。

關鍵詞：動物養殖；物聯網；環境監測；B / S

中圖分類號：TP274.+ 4；S817.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-04

0 引 言

一切生命體賴以生存的環境中必不可少的元素除了合適的光照、水分、空氣、養料，還有環境的溫濕度。環境溫濕度對農業、醫藥業、氣象業、食品行業、工控行業等都有極其重要的影響[1]。

畜禽養殖是經濟體中的一個重要組成部分，規模化畜禽養殖已成為畜禽養殖的趨勢[2，3]。

我國畜禽業正處在由規模化養殖向更加智能化養殖轉型的關鍵時期。在動物養殖過程中，尤其針對剛出生的動物，恒定的溫濕度指標是保證成活率的關鍵因素。因此，設計出一種能方便地為飼養員使用的溫濕度實時監測系統就顯得尤其重要。故環境調控水平是決定動物養殖行業生產水平高低的重要因素之一[4]。一些大型養殖場配置了傳統的環境監控系統，采用PLC（ 可編程邏輯控制器） 作為現場監控中心，采用有線方式分布設備[5，6]。其系統布線復雜，容易造成接觸不良等問題，導致維護困難且成本較高。

目前，物聯網技術的不斷發展與成熟，為精細農業發展中存在的問題提供了新的解決方案，并在精細管理農業環境領域取得了很大的進展。精準管理農業環境的技術在動物養殖領域的應用中也有了突破性進展。Soldatos A G、刁智華[7-11]等對設施環境的無線監控系統信息采集做了研究；吳秋明[12]等基于物聯網的干旱區智能化微灌系統，設計并實現了棉花智能化微灌系統；W.S. Lee 等提出了傳感技術在農作物精確種植中的應用，利用無線傳感技術精確采集農業現場數據信息，實現農作物的精確管理[13]；韓華鋒等基于ZigBee技術設計了一套溫室環境遠程監控系統，可以精確采集溫室環境的數據信息[14]。

本文在參考和借鑒相關研究的基礎上，提出了一種結合ZigBee無線自組網技術和溫濕度傳感器技術的動物養殖環境遠程監測系統。系統采用CC2530模塊作為ZigBee無線網的通信硬件，并在模塊上增加CC2591功率放大芯片，保證了有效通信距離和信號質量；采用DHT11溫濕度傳感器監測環境的溫濕度參數。系統采用B/S結構體系，以HTML5為標準，開發網絡管理信息系統；遵循“胖服務器端、瘦客戶端”的原則，既最大化利用網絡服務器的運算和處理能力，又減少使用客戶端主機的存儲空間和運算資源。同時設計了智能化遠程監測模型，為動物養殖環境監測的智慧化提供了理論基礎，為下一步實現動物養殖環境監控的智能控制和科學決策打下基礎。

1 系統總體方案設計

1.1 系統的總體目標和設計指導思想

本系統定名為“動物養殖環境遠程監測系統”，系統功能的總體目標是利用物聯網技術，通過各種傳感器實時采集、監測養殖環境參數，并實時存儲入數據庫文件中；利用互聯網技術實現遠程訪問系統的網絡信息系統，監測環境數據及其分析結果；指導飼養員工作，使養殖環境達到最佳狀態，保障動物生長、發育的環境，實現科學養殖、提高效益的目標。

系統設計的指導思想是“技術先進，系統實用，結構合理，產品主流，成本低易維護”。具體設計原則如下：

（1）可行性和適應性相統一。保證技術和經濟上的可行性，保證使用上的適應性。做到有比較高的性能價格比。

（2）先進性和成熟性相統一。結合最新開發技術，采用先進的設計理念、技術、方法；采用技術成熟的設備，保證系統的穩定可靠，不能做成試驗性系統。考慮技術先進性和開放性的同時，還應從系統結構、技術措施、設備性能、系統管理、廠商技術支持及維修能力等方面著手，采用成熟的產品，確保系統運行的可靠性和穩定性。

（3）標準性和開放性相統一。既要遵循已有的各級各類標準，又要兼顧系統功能日后不斷擴展的潛在需求，努力實現系統的標準性和開放性相統一。

1.2 系統體系結構介紹

按照由下至上的順序將整個系統分為感知層、傳輸層和應用層。感知層主要包括溫濕度傳感器以及相應的設備，用于采集現場的環境溫濕度信息參數，以字符串的形式輸出溫濕度值；傳輸層主要包括ZigBee網絡自組網設備，加電后自動組成ZigBee無線網，主要功能是將感知層的信息數據以空中電波為載體，傳輸到應用層設備（比如網絡數據庫服務器）；應用層主要包括連接互聯網的網絡信息系統服務器，通過服務器端運行的腳本程序，讀取和分析數據庫服務器中存儲的環境溫濕度數據信息，以網頁訪問的形式提供給遠程登錄的用戶，供用戶對養殖環境決策分析使用。動物養殖環境溫濕度遠程監測系統體系結構如圖1所示。

1.3 系統數據流圖

數據流圖也稱為數據流程圖（Date Flow Diagram ， DFD），是一種便于用戶理解和分析系統數據流程的圖形工具， 重點表示信息和數據從輸入到輸出的過程中所經歷的一系列變換。本系統的頂層數據流圖如圖2所示。

1.4 無線傳感器節點設計

傳感器節點是組成無線傳感器網絡的基本元素，本系統中傳感器節點由溫濕度傳感器DH11和美國國家儀器公司（TI）的ZigBee芯片CC2530構成。實物和結構示意圖如圖3所示。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款較為通用的空氣環境溫濕度傳感器，同時也是一種已校準的數字信號輸出形式溫濕度復合傳感器。它采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）熱敏電阻測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。

CC2530芯片是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8 KB RAM和許多其它強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本CC2530F32/64/128/256分別具有32/64/128/256 KB的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗[15]。

為了簡化開發，使用CC2530支持的Z-Stack網絡協議棧。該協議棧是由TI開發的遵循IEEE802.15.4、ZigBee協議規范的網絡協議棧[16]。

1.5 無線自組織網絡設計

為了保證網絡通信的穩定性，同時基于每個協調器可以支持255個終端節點加入本網絡的特點，本系統采用單簇型無線傳感器網絡設計。將養殖場區域設置成單簇型無線傳感器網絡，ZigBee網絡結構如圖4所示。

自組織網絡由兩類網絡節點組成，分別是發起網絡的ZigBee協調器和自動加入網絡的ZigBee終端傳感器節點。Zigbee終端節點工作流程如圖5所示。ZigBee協調器工作流程如圖6所示。

2 固件程序

固件（firmware）一般存儲于設備中的電可擦除只讀存儲器E2PROM（Electrically Erasable Programmable ROM）或Flash芯片中，可由用戶通過特定的刷新程序進行升級。在這里，固件程序即指存儲于終端節點和協調器節點中的程序。

2.1 固件程序開發環境簡介

IAR Embedded Workbench 是瑞典 IAR Systems 公司為微處理器開發的一個集成開發環境（下面簡稱IAR EW），支持ARM，AVR，MSP430等芯片內核平臺[17]。

該集成開發環境中包含了C/C++編譯器、匯編工具、鏈接器、庫管理器、文本編輯器、工程管理器和C-SPY調試器。通過其內置的針對不同芯片的代碼優化器，IAR Embedded Workbench可以為8051系列芯片生成非常高效和可靠的Flash/PROMable代碼。

2.2 終端節點固件程序中的關鍵代碼簡介

終端節點的主要功能是讀取DHT11溫濕度傳感器的數據，并以溫濕度數值的形式通過ZigBee網絡的某個信道發送出去，供協調器接收。

關鍵代碼文件如下：

（1）驅動DHT11溫濕度傳感器

代碼文件名DHT11.C。此部分代碼由傳感器供應商提供，其中包含參數定義、微秒級和毫秒級延時、傳感器啟動、數值讀取等內容。

（2）網絡頻段選擇和網絡ID設置

代碼文件名F8wConfig.cfg。此文件屬于Z-Stack網絡協議棧中的配置文件。網絡頻段選擇語句如下：

-DDEFAULT_CHANLIST=0x00000800 // 11 - 0x0B

網絡ID設置語句如下：

-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFF1

其中，0xFFF1為網絡ID。

（3）終端節點的消息傳送

代碼文件名SamPleApp.c。此文件是終端節點固件程序的主文件。其中SampleApp_SendPeriodicMessage（）函數負責啟動DHT11傳感器，讀取傳感器的數據，并發送數據給協調器。

2.3 協調器固件程序

協調器固件程序的主要功能是發起ZigBee網絡、接收終端節點加入網絡申請、接收終端節點發送的數據，并將數據發送到計算機串口。

代碼文件名SamPleApp.c。此文件是終端節點固件程序的主文件。其中SampleApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）函數實現數據接收和發送到計算機串口的功能。

3 上位機通信軟件

上位機通信軟件是指和計算機串口進行通信、將串口接收的數據保存成數據庫或文本文件的軟件。

這里使用MicroSoft公司的經典開發工具Visual C++6.0開發了“Serial To MySQL”上位機軟件。其主要功能包括串口設置、連接MySQL服務器、接收串口數據、將串口數據寫入MySQL數據庫等功能。

該軟件已申請軟件著作權，并已經被受理。細節此處不再贅述。

4 服務器端遠程監測系統

4.1 系統總體結構

該系統使用Dreamweaver CS6開發，是基于PHP腳本語言和MySQL數據庫系統的網絡信息管理系統，屬于瀏覽器/服務器模式的信息管理系統。采用瀏覽器+網絡遠程訪問的方式。遠程監測系統的總體結構如圖7所示。

4.2 溫度監測頁面

系統總體頁面風格設計為白色、綠色和藍色。白色代表天空，綠色代表節能環保，藍色代表大地。瀏覽器中的環境溫度監測界面如圖8所示。

5 結 語

本文簡要介紹了基于無線傳感網技術的動物養殖環境遠程監測系統的設計目標、基本原則和方法。從基于Z-Stack網絡協議棧的ZigBee自組網方式到傳感器節點和協調器節點設計，從串口通信到MySQL數據庫存儲，從服務器端的信息管理系統設計到主要頁面布局都做了詳細闡述。

通過在終端節點上更換不同的傳感器，該系統還可以方便地進行擴展，以完成其他多種環境參數的監測。

如何有效部署多類型、多數量的傳感器，如何保證網絡傳輸數據的準確性和穩定性，以便更加全面地監測動物養殖環境信息，均有待于進一步的研究。

參考文獻

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