基于ZigBee的鴿舍溫濕度控制采集預(yù)警系統(tǒng)

楊哲銘 熊子琪 程 奇

(1.華北理工大學(xué)信息工程學(xué)院 河北 唐山 063000;2.大連海事大學(xué)航運(yùn)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 遼寧 大連 116026)

基于ZigBee的鴿舍溫濕度控制采集預(yù)警系統(tǒng)

楊哲銘1熊子琪2程 奇1

(1.華北理工大學(xué)信息工程學(xué)院 河北 唐山 063000;2.大連海事大學(xué)航運(yùn)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 遼寧 大連 116026)

為了幫助養(yǎng)殖業(yè)主更好地對(duì)鴿舍進(jìn)行智能化管理，推動(dòng)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了鴿舍溫濕度等環(huán)境參數(shù)的控制采集預(yù)警系統(tǒng)。各個(gè)鴿舍內(nèi)安裝鴿舍環(huán)境終端，通過(guò)多個(gè)傳感器來(lái)采集鴿舍內(nèi)部的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)zigbee無(wú)線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)的控制終端，養(yǎng)殖業(yè)主可通過(guò)控制終端顯示屏實(shí)時(shí)了解鴿舍環(huán)境情況并及時(shí)采取措施改善鴿舍環(huán)境。養(yǎng)殖業(yè)主也可對(duì)鴿舍環(huán)境參數(shù)設(shè)定正常范圍值。當(dāng)溫濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，控制終端會(huì)通過(guò)語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音提示及顯示屏相應(yīng)區(qū)域閃爍來(lái)警示養(yǎng)殖業(yè)主；進(jìn)一步地，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)各個(gè)鴿舍環(huán)境終端控制啟動(dòng)相應(yīng)鴿舍的加濕器、抽濕器、加熱器等設(shè)備，來(lái)調(diào)整環(huán)境參數(shù)值至指定范圍內(nèi)。各鴿舍環(huán)境終端另加攝像頭功能，在控制器終端顯示屏上可以查看鴿舍內(nèi)的整體情況，為養(yǎng)殖業(yè)主帶來(lái)方便。

ZigBee；鴿舍；Cortex-M3/M4；溫濕度；預(yù)警系統(tǒng)

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起及發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。許多智能設(shè)備不斷地應(yīng)用到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)等社會(huì)化生產(chǎn)環(huán)境中。在養(yǎng)鴿業(yè)中，也存在一些便于人們管理的智能設(shè)備。但是由于成本較高和穩(wěn)定性較差等原因，所以很難大范圍推廣。鴿舍管理信息化水平落后是規(guī)模化肉鴿養(yǎng)殖主要存在的制約因素之一，隨著科學(xué)技術(shù)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鴿舍管理方式已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前肉鴿養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。因此，需要建立一套有效的鴿舍信息化管理系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題。為了方便管理員對(duì)鴿舍進(jìn)行高效管理，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于無(wú)線通訊的鴿舍信息化管理系統(tǒng)。

目前市場(chǎng)上尚未有廣泛使用的鴿舍溫濕度采集和控制設(shè)備。優(yōu)秀的電子產(chǎn)品必須在保證質(zhì)量的同時(shí)最大程度地滿足實(shí)際應(yīng)用需求，所設(shè)計(jì)的鴿舍溫濕度控制采集預(yù)警系統(tǒng)充分考慮了鴿舍各種環(huán)境條件，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，采用穩(wěn)定的工業(yè)用近距離無(wú)線通訊協(xié)議zigbee來(lái)進(jìn)行終端間的數(shù)據(jù)傳輸，在控制端使用觸摸屏[1]來(lái)進(jìn)行圖形界面人機(jī)交互，具有穩(wěn)定可靠、交互簡(jiǎn)單易用、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)市場(chǎng)上存在的設(shè)計(jì)方案在成本和易用性方面有較大優(yōu)勢(shì)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括鴿舍環(huán)境終端和控制終端，分別采用Cortex-M3/M4作為主控芯片，能夠滿足相應(yīng)功能對(duì)處理速度的要求。各傳感器模塊可直接采購(gòu)或自行設(shè)計(jì)，攝像頭模塊、繼電器模塊可直接采購(gòu)，加濕器、加熱器可根據(jù)實(shí)際需求采購(gòu)后進(jìn)行改裝。在控制終端部分，可通過(guò)語(yǔ)音模塊播放較為簡(jiǎn)單的語(yǔ)音提示信息； 對(duì)LCD數(shù)模顯示控制[2]需要進(jìn)行細(xì)致設(shè)計(jì)和調(diào)試來(lái)提升用戶體驗(yàn)。Zigbee通信數(shù)據(jù)傳輸速率約為250Kbps,組網(wǎng)規(guī)模大，功耗低，適用于少量數(shù)據(jù)穩(wěn)定組網(wǎng)傳輸。該系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制終端來(lái)控制多個(gè)鴿舍環(huán)境終端的功能，可采用圖像分割和壓縮等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各鴿舍定時(shí)圖像數(shù)據(jù)[3]傳輸。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

二、硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用恩智浦公司的LPC1857和LPC4357作為微控制器[4]。它們分別基于ARM Cortex-M3和Cortex-M4的微控制器的嵌入式應(yīng)用程序。提供系統(tǒng)增強(qiáng)功能，如低功耗，增強(qiáng)的調(diào)試功能，以及一個(gè)高層次的支持塊集成。其中LPC1857在CPU頻率高達(dá)180 MHz，LPC4357高達(dá)204MHz。它們具有3級(jí)流水線，并采用了哈佛架構(gòu)，具有獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及第三總線的外圍設(shè)備。還包括一個(gè)內(nèi)部預(yù)取單元，支持投機(jī)分支。還有一個(gè)靜態(tài)可配置定時(shí)器(SCT)子系統(tǒng)，2個(gè)高速USB控制器，以太網(wǎng)，LCD，外部存儲(chǔ)器控制器，以及多種模擬和數(shù)字外設(shè)。采用zigbee[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信，ZigBee是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

三、系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)通過(guò)環(huán)境終端上多個(gè)傳感器[6]來(lái)檢測(cè)采集鴿舍內(nèi)部的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)zigbee無(wú)線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂平K端，本系統(tǒng)主要針對(duì)養(yǎng)鴿業(yè)，利用現(xiàn)代電子通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了鴿舍溫濕度等環(huán)境參數(shù)的控制采集預(yù)警系統(tǒng)。在各個(gè)鴿舍內(nèi)安裝鴿舍環(huán)境終端，通過(guò)多個(gè)傳感器來(lái)檢測(cè)采集鴿舍內(nèi)部的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)zigbee無(wú)線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)的控制終端，養(yǎng)殖業(yè)主可通過(guò)控制終端顯示屏實(shí)時(shí)了解鴿舍環(huán)境情況并及時(shí)采取措施改善鴿舍環(huán)境[7]。通過(guò)該系統(tǒng)，養(yǎng)殖業(yè)主可對(duì)鴿舍環(huán)境參數(shù)設(shè)定正常范圍值。當(dāng)溫濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，控制終端會(huì)通過(guò)語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音提示及顯示屏相應(yīng)區(qū)域閃爍來(lái)警示養(yǎng)殖業(yè)主；進(jìn)一步地，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)各個(gè)鴿舍環(huán)境終端控制啟動(dòng)相應(yīng)鴿舍的加濕器、抽濕器、加熱器等設(shè)備，來(lái)調(diào)整環(huán)境參數(shù)值至指定范圍內(nèi)。各鴿舍環(huán)境終端另加攝像頭功能，在控制器終端顯示屏上可以查看鴿舍內(nèi)的整體情況，為養(yǎng)殖業(yè)主帶來(lái)方便。

四、結(jié)論

該系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)鴿業(yè)智能監(jiān)測(cè)的需求，基于ARM微控制器和ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了這套鴿舍溫濕度控制采集預(yù)警系統(tǒng)。它不但可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鴿舍的溫濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度等鴿舍環(huán)境參數(shù)，還可以自動(dòng)控制加濕器、加熱器等設(shè)備調(diào)節(jié)鴿舍溫濕度。在這基礎(chǔ)之上，還采用攝像頭進(jìn)行可視化監(jiān)控，并將鴿舍情況顯示在7寸LCD屏幕上，突破了傳統(tǒng)的局限。有效地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了養(yǎng)鴿業(yè)中。并且這套系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單易懂、可移植性強(qiáng)、成本較低，所以將來(lái)會(huì)很好地在養(yǎng)鴿業(yè)發(fā)展起來(lái)。

[1]孫志全.耕作部件性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)—基于ZigBee和LabVIEW[J].農(nóng)機(jī)化研究,2018,05.

[2]何勉.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,2017,01.

[3]李松濤.基于Android和ZigBee的移動(dòng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2017,03.

[4]王星明.集成3S,ZigBee和射頻識(shí)別的土壤采樣遠(yuǎn)程智能管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017，S1.

[5]張少凡.ZigBee技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2017,02.

[6]向鳳紅.基于ZigBee的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)協(xié)議[J].傳感器與微系統(tǒng),2017,02.

[7]苗連強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010,10.