北方草原家庭牧場智能化系統設計

江 杰，劉延琦

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

北方草原家庭牧場智能化系統設計

江 杰，劉延琦

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

為保障北方草原放牧與冬季、極端天氣補飼互補養殖模式的執行，建立新型草原自動化養殖系統，提高現代化牧場的精準化管理水平，提出了一種北方草原家庭牧場智能化系統.該系統通過傳感器節點采集圈舍環境數據，利用Zigbee無線通信傳給Labview上位機監控平臺，進行實時數據的接收、顯示和存儲.實驗測試結果表明，該系統能夠準確實時顯示圈舍環境狀況，保障圈舍在不同功能時的環境需求，實現對家庭牧場圈舍的智能化控制.

智能控制； Zigbee ；Labview

隨著信息技術和農業科技的不斷發展與深入應用，畜牧業亟待與高精度的自動化控制技術和檢測技術相結合，逐步構建出可持續性牲畜數字化健康的養殖環境，從而實現現代化的精細養殖.Labview作為美國國家儀器NI( National -Instrument)開發的一種虛擬儀器平臺[1]，提供了豐富的數據采集、顯示、分析和存儲庫函數以及各種儀器通信標準的所有功能函數.圖形化的語言便于設計、觀察和修改，因此大大降低了測試系統的開發周期和編程量，提高了開發的效率[2].傳統的有線控制方法，不但增加了布線所帶來的昂貴成本，還造成了監測的局限性和后期改進維護的復雜度.Zigbee技術是一種短距離無線通信技術，其符合IEEE802.15.4協議標準，目前在環境監測、工業控制等領域的應用較為廣泛，該技術能夠提供靈活的組網方式[3].由于其具有安全性高、實時性好、移植性強、應用簡單等特點，所以將其應用于圈舍環境的監控系統中，可以提高牧農對牧場信息化、智能化的管理水平，因此本文將設計基于Zigbee和Labview的家庭牧場智能化系統.

1 系統總體設計

圈舍環境監控系統工作原理如圖1所示，包括多個傳感器終端節點、路由器節點、協調器和上位機監控平臺.牧場工作人員將多個傳感器節點部署在監測區域內，通過傳感器節點來采集環境狀況參數.傳感器每隔半小時采集一次環境信息數據，并將環境參數通過Zigbee無線通信模塊發送至協調器.協調器通過Modbus協議與上位機監控平臺建立連接，將環境數據發送至監控平臺.上位機通過對上傳的環境監測數據進行分析處理，控制天窗、風機、水簾、濕簾等執行器裝置，從而實現羊舍環境的遠程、自動化控制，并且以簡單直觀的界面呈現給用戶，便于用戶實時處理，并進行歷史數據存儲，方便用戶查看.

圖1 系統工作原理Fig.1 The working principle of the system

2 硬件設計

2.1 Zigbee傳感器節點

傳感器節點通過多跳中繼方式將監測數據傳輸到協調器節點，并完成對相應執行器的控制.傳感器節點為終端節點設備，它由電池供電[4].傳感器節點用于檢測圈舍內的溫度、濕度和各種有毒有害氣體濃度，分別安裝在檢測桿高低不同的位置，測量圈舍不同高度的環境參數，便于準確檢測和處理融合.傳感器節點示意圖如圖2所示.

圖2 傳感器節點示意圖Fig.2 Sensor nodes diagram

2.1.1 CC2530模塊

如圖3所示為CC2530引腳圖，CC2530芯片是TI公司推出的一款實際意義的片上系統，它能很好地支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協議.根據芯片內部閃存大小的不同，分別具有32KB/64KB/128KB/256KB的內置內存[5].

圖3 CC2530引腳 Fig.3 CC2530 Pin

2.1.2 溫濕度模塊

選用瑞士Sensirion公司生產的SHT10溫濕度傳感器芯片[6]，SHT10芯片的相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出，接口采用的是兩線制，響應速度較快，功耗超低，能夠進行自動休眠，體積較小，具有長期的穩定性，測濕的精度可以達到±4.5%RH，測溫的精度可以達到±0.5℃(25℃)，能夠滿足本系統的設計指標需求.SHT10的硬件連接圖如圖4所示.

圖4 SHT10硬件連接圖 Fig.4 SHT10 hardware connection diagram

2.1.3 氣體濃度檢測模塊

CO2濃度檢測采用MG811傳感器模塊[7](如圖5所示)，該傳感器具有很高的靈敏度和良好的選擇性；NH3、H2S的濃度檢測采用MQ-135傳感器(如圖6所示)，其由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層組成[8]，檢測濃度10～1 000mg/m3,在較寬的濃度范圍內對有害氣體有良好的靈敏度.

圖5 MG811傳感器Fig.5 MG811 sensor

圖6 MQ-135傳感器 Fig.6 MQ-135 sensor

2.1.4 電源模塊

如圖7所示，圈舍環境檢測系統的傳感器節點采用2節蓄電池來進行供電，路由器節點分別需要+5V，3.3V，1.8V 3種電源，LM2576T5.0具有非常優良的電壓調整率和負載調整率，能夠提供3A的負載電流.它有3.3V，5V，12V固定輸出電壓型和可調輸出電壓，內置頻率補償電路和固定頻率振蕩器.開關頻率為52kHZ，在額定輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓容差為±4%，振蕩頻率的容差為±15% .待機電流為80μA(典型值)，內置兩級過流保護電路和過熱保護電路，最大輸入電壓為45V或63V，工作溫度為-40～+125℃，轉換效率為70%～85%(不同電壓輸出時的效率不同)[9].在正常狀態下由電網提供電力，當外來供電中斷時，蓄電池繼續為設備供電.當恢復供電以后，會切換到電網供電，并且為蓄電池充電[10].

圖7 LM2576T5.0穩壓模塊 Fig.7 LM2576T5.0 regulator module

2.2 Zigbee路由器

路由器允許其他設備加入網絡，需要由主干線路進行供電，主要任務是接收和轉發監測數據.路由器及結構如圖8所示.

(a)路由器

(b)結構圖圖8 Zigbee路由器及結構圖Fig.8 Zigbee router and structure diagram

2.3 Zigbee協調器

協調器及結構如圖9所示.Zigbee 協調器主要實現圈舍無線傳感器網絡與監控平臺以太網之間互聯及協議轉換[11]. Zigbee 協調器負責整個Zigbee網絡的建立、管理，是網絡的中心，實現數據的接收和發送功能.

(a)協調器

(b)結構圖圖9 Zigbee 協調器及結構圖 Fig.9 Zigbee coordinator and structure diagram

3 系統軟件設計

3.1 Zigbee模塊設計

本設計所有節點采用網狀的網絡拓撲結構，發送狀態為非信標模式，終端節點主動向其父節點提取數據，父節點負責為其子節點緩存數據幀.

3.2 Modbus協議格式

本系統的通信協議采用的是 Modbus協議中的RTU協議模式.主機發送的查詢命令、從機返回的正常響應幀和異常響應幀協議格式見表1～表3.當接收到一個請求指令時，在處理請求要求的動作前需要進行報文包的相應檢測，當子節點在接收到的幀中檢測到錯誤時，則沒有響應返回到子節點.

表1 查詢命令協議格式
Tab.1 The protocol format of the query commond

幀頭地址命令代碼數據校驗和幀尾4bit8bit0x554個8bit16bit4bit

表2 正常響應幀協議格式
Tab.2 The protocol format of normal response frame

幀頭地址命令代碼數據校驗和幀尾4bit8bit0x5516bit16bit4bit

表3 異常響應幀協議格式
Tab.3 The protocol format of exception response frame

幀頭地址命令代碼數據校驗和幀尾4bit8bit0xd516bit16bit4bit

3.3 系統通信實現過程

(1)主機.主機采用不間斷詢問的方式依次發送查詢命令給每個監測節點并接收、存儲、顯示對應數據，主機程序流程圖如10所示.

圖10 主機程序流程圖 Fig.10 The flow chart of host program

(2)從機.從機實現了主機和相應地址指針監測節點的數據轉發.從初始到空閑態轉換需要3.5s定時超時，鏈路空閑時，檢測到的字符識別為幀起始，鏈路變為活動狀態，當沒有字符的傳輸，達到3.5s時，識別則為數據的幀結束.當檢測到數據幀結束以后，需要進行CRC的校驗和計算.分析數據地址域，確定相應的數據幀是否需要發往此設備，如果不是，則丟棄掉.CRC的相應計算只需要在尋址到數據幀時再進行.

(3)監測節點.Zigbee協議內部已經CRC校驗，因此監測節點通信不需進行Modbus協議CRC校驗了，但仍需采用其數據幀格式.從機接收指令和執行指令流程圖如圖11、圖12所示.

圖11 從機接收指令流程圖 Fig.11 The flow chart of the slave receives the instruction

圖12 從機執行指令流程圖 Fig.12 The flow chart of the slave executes the instruction

4 測試結果

實驗測試時，Labview上位機界面如圖13、圖14所示.測試結果顯示，在系統誤差允許的范圍內，各傳感器節點監測數據能夠得到準確反映，并且相應執行機構能得到迅速控制，因此證實該方案可行.

圖13 歷史曲線 Fig.13 Historical curve

圖14 監測數據 Fig.14 Monitoring data

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Thenortherngrasslandfamilyranchintelligentsystemdesign

JIANG Jie, LIU Yan-qi

(Information Engineering Institute, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In order to guarantee the implementation of the complementary cultivation mode of northern grassland grazing and winter and extreme weather, we establish a new grassland automatic breeding system and improve the precision management level of modern ranch, and put forward an intelligent system of northern grassland family ranch. The system collects the cave environmental data through the sensor node, and uses Zigbee wireless communication to transmit to the Labview host computer monitoring platform for real-time data receiving, display and storage. The experimental results show that the system can accurately display the environmental conditions of the pens in real time, guarantee the environmental requirements of the kennel in different functions, and realize the intelligent control of the family ranch.

intelligent control；Zigbee ；Labview

2016-12-02

內蒙古重大專項

江杰, 男,jie5881@126.com;

劉延琦, 男, 15098849385@163.com

1672-6197(2018)01-0056-05

TP273

A

(編輯：郝秀清)