基于ZigBee和PLC的豬舍環境監控系統

朱 艷, 張亞萍, 盧 意, 胡衛東, 關鳴九

(泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300)

隨著養殖業集約化、規?；陌l展，特別是飼養面積和密度的日益增加，養殖環境變得日益惡劣，從而造成了大量畜禽疾病的發生和流行，同時畜禽生長、產量和生產率的提高直接受到畜禽生長環境質量好壞的影響[1-2]。因此，適宜的養殖環境可以充分發揮畜禽的生產潛力，增強動物抵抗力，減少疾病的發生，繼而提高養殖業的生產效益[3]。為了滿足我國生豬養殖集約化發展的需要，現階段生豬養殖豬舍大多采用封閉式。一些生豬養殖場在封閉式豬舍中安裝監控系統，達到對豬舍的環境如溫濕度、光照、氨氣、二氧化碳、硫化氫和空氣雜質等進行實時監測[4]，并控制相應的外部設備對檢測到的豬舍環境中的不合理環境因子進行優化控制[5]?，F有的豬舍環境監控系統大多采用單片機作為現場主控單元，用有線方式分布設備，雖能有效地實施監測[6]，但存在布線復雜，容易造成接觸不良，維護困難等缺點，同時由于系統的擴展性差使監測容量相對較小，因而系統性價比較低。無線網絡監測系統配置靈活[7]，無需布線；同一個傳感器節點上能同時集成多個傳感器、監控多個參數，降低系統成本。為此，進行基于ZigBee和PLC的豬舍環境監控系統研究，以期對生豬生長環境和生長情況進行有效監測，及時發現和控制生豬疾病的發生和流行，為豬舍的環境調控提供有力的技術保障，提高生豬養殖的經濟效益。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體結構

基于ZigBee和PLC的豬舍環境監控系統整體結構(圖1)主要由傳感器感知單元、ZigBee終端節點及協調器無線傳輸單元、PLC控制單元、上位機監控單元和GPRS遠程通訊單元組成。傳感器感知單元主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器和氨氣傳感器，用于實時采集豬舍中的環境參數。傳感器節點(ZigBee終端節點)將采集到的豬舍環境信息發送到中轉的路由器節點，路由器節點再通過無線傳輸方式將接收到的傳感器節點信息發送到最終的協調器。選擇西門子S7-200作為下位機控制器，由于西門子S7-200的串口都是RS485端口，而系統選用的ZigBee JN5139模塊的串口為RS232端口，因此選擇Max485模塊將RS232端口轉換成RS485端口，實現協調器和PLC之間的通訊連接。PLC根據協調器傳送得到的豬舍環境信息，控制開關窗系統、冷風風機、濕簾系統、加熱系統、和補光系統等外部輸出設備的運行，從而使豬舍各項環境因子達到最佳狀態。上位機采用LabVIEW虛擬儀器軟件對系統運行狀態進行可視化監控，西門子S7-200和上位機之間采用OPC通訊標準進行數據傳輸，同時上位機通過RS232轉USB電纜和GPRS模塊進行硬線連接，用于實現數據的異地傳輸，完成異地監控的功能。

1.2 ZigBee模塊選型

系統選用具有低成本、低功耗、支持ZigBee協議的JN5139作為終端傳感器節點和協調器節點。該模塊擁有豐富的外設接口，包括通用I/O接口、AD/DA轉換接口、串口通信接口等。其內部嵌入完整的Zigbee協議棧，可支持3種協議類型：終端節點用于分散式現場的數據采集；路由節點用于發現、數據轉發功能；協調器節點用于實時接收和管理終端節點和路由節點發送的數據。同時JN5139內部集成成熟的射頻電路，數據傳輸穩定可靠，傳輸距離可達數百米。

1.3 溫濕度傳感器選型及接口電路

溫濕度對肉豬生產性能影響很大[8]，適宜的豬舍溫度對豬的生長發育很重要，生豬生長發育的理想溫度在28～35℃，濕度在55%～80%。系統選用SHT10數字式溫濕度傳感器，這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其內部包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。兩線制串行接口和內部基準電壓，使系統集成變得簡易快捷，傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數字信號。該傳感器響應迅速、抗干擾能力強、性價比高，具有較高的可靠性和長期的穩定性。接口電路(圖2)中，SHT10溫濕度傳感器的GND引腳接地；DATA引腳和JN5139的DI12引腳相接，用于數據通訊；引腳VCC接3.3 V直流電源；SCK引腳和JN5139的DO13引腳相接，用于控制數據通訊狀態。

1.4 光照傳感器選型及接口電路

光照度在一定程度上會影響生豬的生長發育[9]，適宜的光照條件無論是對生豬生理機能的調節，還是對工作人員進行生產操作都十分重要。為能準確檢測豬舍環境光照條件，系統選用BH1750FVI數學輸出類型的光照強度傳感器，該傳感器反應速度快，抗干擾能力強，測量范圍大，擁有串行通訊接口并且功耗較低，完全滿足系統的需要。接口電路(圖3)中，VCC引腳接4.5～5.0 V直流電源，總線始終引腳SCL接JN5139的DO14引腳相連，數據輸出引腳SDA和JN5139的DI15引腳相連，GN引腳接地。

1.5 氣體傳感器選型及接口電路

豬舍環境中有害氣體的濃度和豬舍的通風條件、封閉程度、糞尿處理頻率和飼養密度等因素密切相關。有害氣體的濃度較低時，生豬不會出現明顯的不良反應，但如果生豬長期生活在低濃度有害氣體的環境中，生豬的免疫力降低，發病率和死亡率明顯升高。這種不良影響不易監測，常使養殖者蒙受巨大損失，因此應引起足夠重視。系統選用MG811二氧化碳傳感器和TGS2444氨氣傳感器檢測豬舍環境中的有害氣體。2種傳感器均具有成本低、性能高、壽命長、響應快和抗干擾能力強等優點以滿足系統需求。MG811二氧化碳傳感器接口電路(圖4)中，VCC引腳接6V直流電源，GND引腳接地，數字量輸出引腳DOUT懸空，模擬量輸出引腳AOUT和JN5139的模擬量輸入引腳ADC1連接。

2 下位機軟件設計

系統的軟件設計主要是實現傳感器數據采集和傳送功能、數據無線傳輸功能和上位機監控功能。由于傳感器數據采集、傳送功能和數據無線傳輸功能的實現都需用到JN5139模塊，均需完成傳感器節點、路由器節點和協調器節點的配置和編程，且都是在Code-Blocks軟件環境下實現的，因此兩者開發流程類似，僅介紹如何完成傳感器數據采集和傳送功能。

2.1 傳感器數據采集和傳送軟件設計

由于豬舍空間較大，各處的環境因子不盡相同，因此系統需要布置多個終端節點。每個終端節點JN5139模塊上連接的溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器和氨氣傳感器，可實時檢測豬舍的環境信息[10]。

終端節點的工作流程(圖5a)：上電運行后，首先對系統數據和協議堆棧進行初始化，然后和協調器建立的網絡進行連接，聯網成功后終端節點開始對傳感器進行數據讀取，并且通過bBosCreateTimer()函數將數據向路由器節點進行發送，發送完成后，系統調用bBosRequestSleep()函數，讓終端節點進入休眠狀態。休眠時間到了以后，重復數據采集和發送過程。

路由器節點主要對傳感器節點傳送來的數據進行管理和轉發，在網絡中加入路由器節點可以大大擴大網絡覆蓋面積，保證通訊質量，保障ZigBee無線網絡的安全。路由器節點工作流程(圖5b):路由器上電運行后，系統調用vJenie＿CbInit()函數，對系統參數和協議堆棧進行初始化操作。然后向協調器節點發送申請入網的網絡地址，當入網成功后，路由器節點開始監視所連接終端節點的通訊狀態，若接收到需要轉發的數據，則將數據轉發給協調器節點。

協調器在ZigBee無線網絡中負責網絡的建立、網絡相關參數設定和處理路由節點或終端節點的入網申請等。協調器節點工作流程(圖5c):首先通過AppColdStart()函數對系統硬件及參數進行初始化操作，配置無線網絡的基本參數。然后協調器開始掃描信道，并建立一個ZigBee無線網絡通道。當收到一個新的節點入網申請，并且該節點和協調器處于同一信道，則允許其加入該網絡，同時為該節點分配網絡短地址用于數據傳輸。最后，路由器節點將接收到的傳感器節點數據通過建立的網絡連接傳輸到協調器節點，并通過協調器的串口和PLC控制器進行數據通訊。

2.2 協調器和PLC的通訊

西門子S200 PLC有2個RS485通訊接口PORT0和PORT1，其中1個端口用于和協調器JN5139數據通訊，而JN5139的通訊接口UART0是RS232串行接口，因此選擇Max485模塊將RS232端口轉換成RS485端口。系統選擇PLC的PORT0接口采用自由口通訊方式和協調器JN5139進行通訊，通訊程序如下:

3 上位機軟件設計

3.1 GPRS遠程通訊程序設計

為了讓用戶能隨時隨地的監控整個豬舍的運行，提高工作效率，降低人工成本，系統通過先進的互聯網技術實現異地監控。考慮到系統的通用性，選用DATA-6121低功耗GPRS無線模塊，依靠三大運營商的3G/4G基站完成數據異地傳輸。DATA-6121模塊具有1個RS232通訊接口，因此系統選用RS232轉USB電纜完成GPRS模塊和上位機LabVIEW之間的連接，其數據接收程序如圖6所示。首先，LabVIEW中“VISA Configure Serial Port”函數用來進行通訊參數配置和串口名稱定義。當“VISA串口讀取”函數檢測到串口緩存區有數據更新時，程序向“VISA串口寫入”函數發送讀取指令，GPRS模塊在收到指令后即返回信息報文。程序通過“匹配模式”和“截取字符串”函數從返回的信息報文中提取信息數據。

3.2 上位機和下位機通訊程序設計

OPC通訊標準是為了不同供應廠商的設備和應用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數據交換更加簡單化。Labview虛擬儀器在安裝了OPC SERVERS后即可作為OPC客戶機，下位機西門子S-200 PLC作為OPC服務機。為了保證通訊質量和通訊速度，S-200 PLC擴展CP243-1以太網模塊實現數據傳輸，CP243-1通訊模塊配置如圖7所示。PLC端設置為服務器，本地TSAP屬性設置為10.00，遠程TSAP屬性設置成10.11，接受所有客戶機連接請求。上位機Labview配置如圖8所示，Local TSAP屬性設置成1011和CP243-1模塊的遠程屬性相對應，Remote TSAP屬性設置成1 000和CP243-1的本地屬性相對應。在Labview中創建I/O Server變量和PLC控制器里的數據地址相對應即可以實現兩者間的數據通訊。

4 系統測試

監控系統在300 m2規模的封閉式生豬養殖基地進行測試，協調器連接2個路由器節點，每個路由器連接4個傳感器節點，每個傳感器節點均連接有溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器和氨氣傳感器。豬舍內溫度通過冷卻風機和加熱系統調節。有害氣體通過開關窗系統和循環風機控制，光照強度通過補光裝置來控制。系統測試現場如圖9所示，豬舍內環境因子數據實時狀態如圖10所示。測試結果表明，ZigBee無線網絡數據傳輸流暢，系統運行平穩，能夠滿足無線化、精確化、智能化和低功耗的要求，具有一定的推廣價值。