高 瑞，張 雄，楊延寧，王蕭揚

（延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000）

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域中，無線數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)的應用越來越廣泛。禽類生活環(huán)境復雜且多變，使得現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)限制了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。針對無線環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中禽舍環(huán)境信息監(jiān)測的多樣化，設計一種智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要，通過多點實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并控制設備及時改善室內(nèi)環(huán)境，達到科學養(yǎng)殖的目的[1]。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks， WSN）可通過各種傳感器實時感知和采集各種監(jiān)測對象的信息，并將采集到的信息以多跳無線網(wǎng)絡傳送方式傳送給用戶[2]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存儲等部分在以ARM為核心的開發(fā)平臺上進行，具有豐富的軟硬件資源。

1 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)分為信息采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和上位機監(jiān)控模塊三部分。信息采集模塊主要是對溫度，濕度，NH3濃度的采集；數(shù)據(jù)通信模塊包含路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，將采集到的數(shù)據(jù)通過路由器節(jié)點以無線多跳的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，完成信息數(shù)據(jù)傳輸；上位機監(jiān)控模塊主要由圖形用戶界面和數(shù)據(jù)庫組成，通過界面對接收到的數(shù)據(jù)進行管理。系統(tǒng)設計總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信息采集模塊

在無線通信技術(shù)中，WSN技術(shù)主要有Bluetooth，WiFi，UWB，NFC和ZigBee等。在傳感器網(wǎng)絡應用中， ZigBee具有技術(shù)容量大、組網(wǎng)能力強、成本較低的優(yōu)點[3]，雖然傳輸速度不及其他無線通信技術(shù)，但本文系統(tǒng)所設計的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量范圍在20～250 kbit/s之間，足以滿足系統(tǒng)需求，所以選擇ZigBee技術(shù)組建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

信息采集模塊主要包括主控制器和用于采集禽舍環(huán)境中溫度，濕度，NH3濃度的傳感器。系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的CC2530作為ZigBee節(jié)點的主控制器，負責WSN的建立、環(huán)境信息的采集和傳輸。CC2530是一款完全兼容8051內(nèi)核同時支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機[4]。溫度傳感器和濕度傳感器采用集成的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT10，供電電壓為直流5 V。NH3濃度傳感器采用MQ-X型氣體傳感器模塊，采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有害氣體NH3的濃度。氣體傳感器模塊原理如圖2所示[5]。

圖2 氣體傳感器模塊原理圖

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

在本設計中，ZigBee模塊分為處于ZigBee網(wǎng)絡底層的EndDevice模塊、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的Router模塊和網(wǎng)絡頂層的Coordinator模塊。由采集禽舍中環(huán)境信息參數(shù)的傳感器檢測節(jié)點、提供無線信息路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的路由器節(jié)點和負責網(wǎng)絡發(fā)起、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)管理的協(xié)調(diào)器節(jié)點共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡[6]。Coordinator模塊主要負責接收傳感器節(jié)點發(fā)送的無線送，同時作為數(shù)據(jù)終端設備DTE通過RS 232C與TTL電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換，再次使用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，與嵌入式網(wǎng)關(guān)（ARM11）通信。

2.3 上位機監(jiān)控模塊

為滿足系統(tǒng)設計要求，保證上位機正常運行，系統(tǒng)采用低功耗、低成本、接口豐富的以Samsung公司生產(chǎn)的ARM11微處理器S3C6410為核心的嵌入式開發(fā)平臺[7]。使用可視化編程軟件編寫，結(jié)合SQLite存儲傳感器數(shù)據(jù)，在用戶界面顯示傳感器數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測并存儲數(shù)據(jù)，便于后續(xù)管理與查看分析。嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包括無線傳感網(wǎng)絡軟件開發(fā)和上位機軟件開發(fā)兩部分。無線傳感網(wǎng)絡開發(fā)用于采集環(huán)境信息，組成ZigBee網(wǎng)絡，實現(xiàn)采集終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器的通信，主要包括End Device節(jié)點軟件設計，Router節(jié)點軟件設計，Coordinator節(jié)點軟件設計[8]。上位機軟件開發(fā)主要包含圖形用戶界面和數(shù)據(jù)庫開發(fā)，工作人員通過圖形用戶界面直觀地讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，便于查看和分析歷史數(shù)據(jù)。

3.1 無線傳感網(wǎng)絡軟件開發(fā)

在本文所構(gòu)建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中，Coordinator節(jié)點上電后，首先初始化硬件和協(xié)議棧，然后通過檢測和掃描信道能量，從中選出能量最強的空閑信道建立網(wǎng)絡[9]。成功建立網(wǎng)絡后，進入偵聽狀態(tài)，若有設備申請入網(wǎng)則允許其加入并為之分配16位的網(wǎng)絡地址，同時建立綁定文件。若沒有，則Coordinator串口還可利用DMA的方式接收嵌入式網(wǎng)關(guān)（ARM11）發(fā)來的命令數(shù)據(jù)，并將命令數(shù)據(jù)無線發(fā)送給End Device；若Coordinator節(jié)點收到End Device節(jié)點發(fā)來的無線數(shù)據(jù)，則直接將該數(shù)據(jù)通過RS 232串口發(fā)往嵌入式網(wǎng)關(guān)繼續(xù)處理。Coordinator節(jié)點的軟件設計流程如圖4所示。

Router節(jié)點在本系統(tǒng)中僅僅負責子節(jié)點入網(wǎng)請求和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)/命令。End Device節(jié)點上電初始化后，開始尋找可加入的網(wǎng)絡信道，并向Coordinator或Router節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)申請：若成功入網(wǎng)，Router或Coordinator節(jié)點會給其分配一個16位的網(wǎng)絡地址；若入網(wǎng)失敗，則繼續(xù)向Router或Coordinator節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，直到成功入網(wǎng)。成功入網(wǎng)后，偵聽網(wǎng)絡信息，查詢是否接收到Coordinator節(jié)點的無線數(shù)據(jù)。當接收到解析該命令數(shù)據(jù)時，若是數(shù)據(jù)采集命令，則啟動相應的傳感器，獲取傳感器數(shù)據(jù)并通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到Coordinator節(jié)點；若是其他控制命令，則根據(jù)命令類型執(zhí)行相應操作[10]。End Device節(jié)點的軟件設計流程如圖5所示。

圖4 Coordinator節(jié)點設計流程圖

圖5 End Device節(jié)點設計流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機主要由一個移植了嵌入式Web服務器和嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的ARM11平臺構(gòu)成，連接著外部Internet和內(nèi)部負責采集環(huán)境信息的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)Web瀏覽器與WSN之間的信息交互。環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡Coordinator上傳到ARM網(wǎng)關(guān)中，并選用SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)進行管理和維護。

4 實驗測試與結(jié)果分析

系統(tǒng)硬件實物如圖6所示。最左邊為ARM網(wǎng)關(guān)，ARM通過串口0連接到上位機，上位機通過ARM系統(tǒng)終端打印調(diào)試信息，Coordinator節(jié)點與ARM網(wǎng)關(guān)的串口1相連。End Device節(jié)點由電池供電，Router和Coordinator節(jié)點均由5V電源供電。三個節(jié)點組成了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡。

圖6 系統(tǒng)硬件實物圖

為驗證ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡和嵌入式網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸、存儲和顯示的正確性，從ARM網(wǎng)關(guān)的Web服務器中取出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)A～E 5個監(jiān)測點監(jiān)測12 h內(nèi)有害氣體NH3濃度隨時間變化的情況，見表1所列。

由表1可知，監(jiān)測點A～E有害氣體NH3的平均濃度如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點A～E有害氣體NH3的平均濃度

由圖7可知，監(jiān)測點C和E的NH3濃度值明顯高于其他監(jiān)測點。結(jié)合監(jiān)測區(qū)域通風條件分析，監(jiān)測點C和E處于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部通風條件較差的地方，導致NH3濃度較高，所以通風條件對有害氣體濃度有重要影響。

在12 h內(nèi)監(jiān)測區(qū)域各監(jiān)測節(jié)點的溫度變化范圍為16.0～23.5 ℃，濕度變化范圍為48～64%RH，溫濕度基本符合要求。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)存在安裝維護復雜、多點布線困難等問題，本文設計開發(fā)了一種基于ARM和WSN技術(shù)的環(huán)境信息檢測系統(tǒng)，主要用于解決禽舍養(yǎng)殖不易實時監(jiān)測的問題。經(jīng)過測試驗證，該系統(tǒng)正常工作，能夠?qū)崟r準確地檢測禽舍環(huán)境信息，從而實現(xiàn)智能養(yǎng)殖。

[1]叢希，胡曉麗，袁洪印.國內(nèi)外畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012，32（6）：106-107.

[2]林曉鵬.無線傳感器網(wǎng)絡及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].智能計算機與應用，2015，5（1）：81-83.

[3]沈忱.基于無線傳感網(wǎng)的養(yǎng)禽環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].淮南：安徽理工大學， 2017.

[4]王正萬.基于WSN的幾種短距離無線通信技術(shù)應用分析[J].數(shù)字技術(shù)與應用， 2014（2）：23-24.

[5]杜軍朝，劉惠，劉傳益，等. ZigBee技術(shù)原理與實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[6]王海森.畜禽健康養(yǎng)殖中環(huán)境監(jiān)測及預警系統(tǒng)研究[J].中國動物保健，2016，18（1）：26，28.

[7]李惠敏，連京華，孫凱，等.家禽環(huán)境自動化控制技術(shù)研究進展[J].中國家禽，2013，35（14）：41-44.

[8]孫岐峰，杜鋒.基于ARM的禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子測試，2013（12）：73-74.

[9]任瑾，龍小麗，張曉亞.基于ARM和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設計[J].自動化應用， 2017（8）：49-51，54.

[10] 鐘翔，李剛，張桂英，等.無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)及其在畜禽舍環(huán)境監(jiān)控中的應用[J].中國家禽，2012， 34（22）：41-43.