基于ZigBee的智能養(yǎng)殖系統(tǒng)設計研究

刁夢夢?王璐?霍夢媛?王慧怡?劉伊菲

摘? 要：采用ZigBee技術結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對養(yǎng)殖場的設備進行智能化改造，在養(yǎng)殖場安裝若干傳感器節(jié)點，并將節(jié)點和上位機相連。利用ZigBee無線傳感器節(jié)點，及時準確地收集、存儲和分析養(yǎng)殖場信息，管理人員可以通過手機APP或者PC端對養(yǎng)殖場實時監(jiān)測和遠程控制得到所采集數(shù)據(jù)形成報表，為采購、飼養(yǎng)、銷售提供準確、可靠的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有便捷性、適用性、廣泛性等優(yōu)點，在促進養(yǎng)殖場發(fā)展的同時也為工作人員提供更有效的管理方法。

關鍵詞：ZigBee;物聯(lián)網(wǎng);傳感器;遠程控制

中圖分類號：TP273;TN92; ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0160-04

Design and Research on Intelligent Breeding System Based on ZigBee

DIAO Mengmeng， WANG Lu， HUO Mengyuan， WANG Huiyi， LIU Yifei

（School of Electronics and Information Engineering， Zhengzhou SIAS University， Zhengzhou? 451150， China）

Abstract： ZigBee technology and Internet of things system are used to conduct intelligent transformation of farm equipments. Several sensor nodes are installed in the farm and connected with the upper computer. ZigBee wireless sensor nodes are used to collect， store and analyze farm information timely and accurately. Managers can monitor and remotely control the farm in real time through mobile APP or PC terminal to form reports from the collected data， so as to provide accurate and reliable data for purchase， feeding and sales. The test results show that the system has the advantages of convenience， applicability and universality. It not only promotes the development of the farm， but also provides more effective management methods for the staff.

Keywords： ZigBee; Internet of things; sensor; remote control

0? 引? 言

在如今經(jīng)濟高速發(fā)展的趨勢下，國家對于畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展愈發(fā)重視，2006年中央財政開始實施相關政策，向畜牧養(yǎng)殖業(yè)提供補貼，為之后養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展奠定基礎。世界工業(yè)革命之后中國畜牧養(yǎng)殖業(yè)才逐漸現(xiàn)代化，以至于相較美國、荷蘭以及澳大利亞等發(fā)展較為成熟的國家，我國的養(yǎng)殖業(yè)存在起步較晚、缺乏經(jīng)驗等問題，雖然發(fā)展速度很快，但當前與世界水平仍然還有較大的差距。目前，國外大多數(shù)養(yǎng)殖場使用無線傳感器與網(wǎng)絡技術結(jié)合的方式，把現(xiàn)有的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆破脚_，然后進行分析存儲，可以及時有效的發(fā)現(xiàn)并解決問題，這種方式擁有隨時監(jiān)測、節(jié)省資源、減少人力物力、提高效率的優(yōu)點。但國內(nèi)大多數(shù)養(yǎng)殖場還在采用生產(chǎn)模式落后、使用人為監(jiān)測、規(guī)模較小的傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式。這種傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式通常會出現(xiàn)人為監(jiān)測養(yǎng)殖場內(nèi)影響參量的變化以至于出現(xiàn)數(shù)據(jù)不夠準確等問題，甚至還有一些養(yǎng)殖場會采用半開放式構(gòu)造，這種構(gòu)造方式一般依賴于氣候與全球環(huán)境的變化，不可控制的因素過多。傳統(tǒng)養(yǎng)殖還存在技術不夠普及、應用水平較低、相關核心技術的發(fā)展相對落后等問題。本課題采用ZigBee與物聯(lián)網(wǎng)技術結(jié)合的方式，通過若干傳感器節(jié)點與上位機的連接，實時遠程監(jiān)測養(yǎng)殖場內(nèi)各種影響因素的變化，自動采集信息并存儲。此外，養(yǎng)殖場的管理人員可以通過手機APP或者PC端對養(yǎng)殖場進行遠程控制管理，有利于養(yǎng)殖場內(nèi)牲畜的健康生長、提高養(yǎng)殖產(chǎn)量。

1? 系統(tǒng)整體框架

如圖1所示，該智能養(yǎng)殖系統(tǒng)總體架構(gòu)分為應用層、傳輸層、感知層。

應用層通過手機、計算機等設備，對養(yǎng)殖場內(nèi)進行實時監(jiān)測、信息采集、遠程控制等，一改以往養(yǎng)殖場依靠人工養(yǎng)殖的經(jīng)驗，耗費大量的人力物力的養(yǎng)殖方式。

傳輸層是通過5G、Wi-Fi、藍牙等連接方式使用終端對養(yǎng)殖場進行遠程控制，將從傳感器中獲取的環(huán)境參數(shù)，實時傳輸?shù)较到y(tǒng)的操作界面，以此來完成工作人員對養(yǎng)殖場的監(jiān)測、遠程控制和視頻監(jiān)控[1]。同時將每天采集的數(shù)據(jù)形成報表，為采購、飼養(yǎng)、銷售提供準確、可靠的大數(shù)據(jù)。

感知層主要是使用ZigBee網(wǎng)絡，通過在養(yǎng)殖場安裝若干傳感器節(jié)點，并將這些節(jié)點和上位機相連，傳感器將采集到的信息經(jīng)傳輸層反饋至整個應用層，使該系統(tǒng)形成在線化，數(shù)字化，精準化，可視化的智能化養(yǎng)殖，幫助單個養(yǎng)殖場提高生產(chǎn)效率。

該系統(tǒng)主要采用ZigBee網(wǎng)絡和Wi-Fi網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸，以STM32作為主控，將ZigBee技術、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術結(jié)合，對養(yǎng)殖場的設備進行智能化改造，形成一個覆蓋全國養(yǎng)殖場的聯(lián)網(wǎng)，從而使各個養(yǎng)殖場內(nèi)的整體情況可以實時呈現(xiàn)，信息互通，資源共享，互聯(lián)互通。將養(yǎng)殖技術、計算機信息采集技術、自動控制技術、網(wǎng)絡通訊與信息處理技術等先進技術相結(jié)合，在線監(jiān)測生物的生長情況，養(yǎng)殖場的環(huán)境信息和安全信息，根據(jù)實際情況調(diào)控養(yǎng)殖場的可控因素，以實現(xiàn)牲畜的健康生長和繁殖。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1? ZigBee的硬件設計

ZigBee硬件框圖如圖2所示，本系統(tǒng)采用STM32作為主控，其強大的處理能力、高運算速度、超低功耗為整體應用提供了良好的硬件基礎。主控作為智能養(yǎng)殖系統(tǒng)中較為重要的部分，與PC端連接，通過PC端對養(yǎng)殖系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，STM32與ZigBee通過串口直接連接，ZigBee協(xié)調(diào)器可以啟動和維護網(wǎng)絡，網(wǎng)絡運用過程中只需要一個協(xié)調(diào)器就可以實現(xiàn)與其他終端節(jié)點連接的功能。在網(wǎng)絡配置完成后利用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)無線通信（ZigBee協(xié)議分為兩部分：IEEE802.15.4（物理層與MAC層）、ZigBee聯(lián)盟（網(wǎng)絡層、應用層、應用程序支持層）），由于ZigBee協(xié)議在使用過程中需要按照一定的標準進行無線通信，在整個網(wǎng)絡配置時加入網(wǎng)絡節(jié)點，建立發(fā)送與接收函數(shù)，利用協(xié)議棧內(nèi)發(fā)送與接收的無線調(diào)用協(xié)議實現(xiàn)對指令的接收與數(shù)據(jù)的發(fā)送，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口通信與ZigBee終端節(jié)點進行連接[2]，與CC2530射頻模塊結(jié)合實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧的初始化。在傳感器節(jié)點加入之后，則可以通過上位機觀測養(yǎng)殖場內(nèi)光照、二氧化碳濃度、氨氣濃度、溫度與濕度的變化，為數(shù)據(jù)的采集、傳輸、轉(zhuǎn)化、存儲以及呈現(xiàn)搭建了橋梁。

2.2? 傳感器硬件組成部分與測試電路

傳感器作為一種檢測裝置，它是通過敏感元件和轉(zhuǎn)換元件把需要的被測信號，按一定規(guī)律方式轉(zhuǎn)換成一種可用信號輸出，用來滿足信息的交換、處理、記錄、顯示和控制等需求[3]。適宜的溫度和濕度以及光照等是養(yǎng)殖的必要條件，而傳感器可以實時精確的將養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)信息反饋與上位機顯示。智能檢測系統(tǒng)主要由CC25230射頻芯片、STM32微控制器及各組傳感器構(gòu)成。該系統(tǒng)主要功能是實時監(jiān)測養(yǎng)殖基地各項指標并進行記錄。采用適配器和PW6513解決各組傳感器適應環(huán)境及所需配電不同的問題。

2.2.1? 光照傳感器與電路設計

光照傳感器是測量自然光照或人工光照條件下照射在物體表面的度的傳感器，本項目選用光照傳感器BH1750：一個16位的兩線式串行總線接口數(shù)字傳感器[4]，使用I2C通訊編寫指令，形成自動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，BH1750的輸入電壓為2.4 V～3.6 V，誤差范圍在20%。在使用過程中單片機通過I2C協(xié)議可以實現(xiàn)與BH1750雙向通訊，得到BH1750寄存器中的測量數(shù)據(jù)。它的電壓大小反映光照強度，它的高分辨率能實現(xiàn)較大范圍內(nèi)光照強度變化的檢測，可以通過降低功率達到低電流化。如圖3所示，BH1750的內(nèi)部由光敏二極管、運算放大器AMP、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、晶振等組成。PD二極管通過光生伏特效應將輸入光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)運算放大器AMP電路放大后，將光敏二極管的電流轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過邏輯電路與I2C中的SCL（時鐘線）、SDA（數(shù)據(jù)線）連接，單片機I/O口直接給SCL發(fā)送一個方波脈沖信號，脈沖信號中高低電平的延遲會影響通訊速率，SDA可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，反復整個過程，實現(xiàn)單片機與BH1750的通訊[5]。

2.2.2? 二氧化碳濃度檢測與應用

二氧化碳本身不具有危害性，但養(yǎng)殖場內(nèi)二氧化碳濃度高低影響?zhàn)B殖場內(nèi)牲畜新陳代謝的快慢。傳感器采用MH-Z16紅外二氧化碳檢測傳感器， MH-Z16不但與各類單片機兼容而且利用非色散紅外原理可以準確讀取空氣中二氧化碳的濃度。傳感器與Grove Shield連接，由單片機發(fā)送指令，連接后先對設備進行預熱，在完成初始化后當數(shù)值顯示穩(wěn)定進行使用，程序控制進行測量，通過串口指令獲取傳感器數(shù)值或者通過PWM波的脈寬計算測量結(jié)果，測量結(jié)果由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送至單片機，單片機控制OLED顯示屏進行顯示，同時控制ZigBee進行數(shù)據(jù)無線發(fā)送。該傳感器有三種校零方式：手動校零、命令校零以及自動校零，由于自動調(diào)零需要較長的周期所以本項目中采用自動校零和命令校零，無論是手動校零還是命令校零都需傳感器在400 ppm穩(wěn)定的氣體環(huán)境下連續(xù)工作20分鐘[6]。

2.2.3? 溫濕度傳感器電路設計與應用

溫濕度傳感器是利用特定的檢測裝置將測量到的空氣中的溫濕度轉(zhuǎn)換為電信號或者其他需要的形式作為信息輸出的傳感器。如圖4所示，本項目選用DHT11傳感器，與ESP8266溫濕度測量盒子適配，通過串口輸出空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以通過手機或者電腦查看實時數(shù)據(jù)的傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器內(nèi)部有專用的數(shù)字模塊采集與溫濕度傳感技術，在使用過程中不需要其他額外的設備或者器件[7]，傳感器刷新速率只需要1秒，它的測量范圍：濕度20～90% RH，溫度0～50℃，測量精度：濕度+-5% RH，溫度+-2 ℃，在電路中通過一根數(shù)據(jù)線與CC2530相連，采集數(shù)據(jù)由于DHT11是一個單線性串行接口，有著很高的可靠性和穩(wěn)定性，而且它的抗干擾能力非常強[8]，性價比較高，傳輸信號的距離在20米以上，與養(yǎng)殖場的適配度極高。

2.2.4? 氨氣濃度傳感器電路設計

在養(yǎng)殖過程中，牲畜的糞尿揮發(fā)和微生物發(fā)酵均會產(chǎn)生氨氣。氨氣濃度超過一定限度，不僅降低牲畜的疫苗免疫效果、抵抗力和生長性能，而且影響人體的健康。因此，工作人員必須時刻關注養(yǎng)殖場中氨氣濃度的變化。此系統(tǒng)對氨氣的監(jiān)測使用了MQ135傳感器模塊，該模塊具有高度穩(wěn)定性、且壽命較長，適用于養(yǎng)殖業(yè)。其內(nèi)部采用了光敏材料二氧化錫，因此空氣中氨氣濃度增加時傳感器的電導率隨之增大[9]。圖5為MQ135的原理圖，其中傳感器內(nèi)串入電阻組成的回路可以減少冷上電時電熱絲的損壞，模擬接口D0在氨氣濃度未超過限定值時輸出高電平。模擬接口A0輸出的電壓會隨氣體濃度的影響慢慢增大，通過其接口電路可以看出，當檢測到氨氣濃度高于限定值時，LED燈亮報警[10]。

3? 系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)的軟件程序結(jié)構(gòu)如圖6所示，在智能養(yǎng)殖系統(tǒng)各模塊上電之后，對系統(tǒng)中的STM32單片機主控部分與傳感器模塊初始化，搜索合適的信道使ZigBee能夠成功連接并組網(wǎng)，然后進行網(wǎng)絡模塊初始化，初始化之后設置合適的參數(shù)（包括模式、時間等），使系統(tǒng)能夠正常運行，在單片機與ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口連接之后，單片機給ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，指令發(fā)送成功后對串口是否能夠成功接收并傳送數(shù)據(jù)、ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端節(jié)點之間是否能接收無線數(shù)據(jù)進行檢測，檢測結(jié)果顯示無誤則傳感器對養(yǎng)殖場內(nèi)各影響參量的信息進行采集、分析與存儲，在分析過程中檢測數(shù)據(jù)是否異常，如果異常GSM模塊自動給工作人員發(fā)送報警信息，如果沒有出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，在分析完成數(shù)據(jù)后自動上傳云端，數(shù)據(jù)上傳成功可以隨時通過PC端對養(yǎng)殖場內(nèi)牲畜的狀態(tài)進行觀測，監(jiān)控養(yǎng)殖場內(nèi)避免出現(xiàn)因環(huán)境不適以及其他因素造成養(yǎng)殖失敗。

4? 調(diào)試

在完成軟硬件的設計之后，開始對系統(tǒng)的性能進行測試，在測試開始時，依次將主控、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端節(jié)點與上位機連接啟動，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定，等待ZigBee組網(wǎng)成功后，可以發(fā)送與接收無線數(shù)據(jù)，之后嘗試使用手機端進行遠程監(jiān)測與控制，登錄手機APP，登錄界面如圖7所示，選取同一養(yǎng)殖場內(nèi)不同時間段進行監(jiān)測。首先設定氨氣濃度為20 ppm，二氧化碳濃度為0.15%，溫度為30攝氏度，濕度為50%。如數(shù)據(jù)表1所示，在同一場所中選取四個時間點（8：00 am、12：00 am、16：00 pm、20：00 pm），在20：00 pm檢測到氨氣濃度升高，工作人員的手機APP會受到來著系統(tǒng)GSM模塊的報警信息，提醒養(yǎng)殖人員及時使養(yǎng)殖場內(nèi)通風以及清理養(yǎng)殖場內(nèi)衛(wèi)生。在16：00 pm檢測到二氧化碳濃度較高，二氧化碳濃度較高表明養(yǎng)殖場內(nèi)空氣污濁可能會導致牲畜食欲不振、精神不佳，所以需工作人員及時通風。在12：00 am時檢測到溫度過高，則需工作人員將噴淋安裝在屋頂、給養(yǎng)殖場內(nèi)沖水降溫或者加強通風系統(tǒng)。

5? 結(jié)? 論

本設計利用ZigBee與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，實時監(jiān)測養(yǎng)殖場內(nèi)各影響因素（光照、溫濕度、二氧化碳濃度以及氨氣濃度）的變化。該系統(tǒng)可準確采集、分析、存儲及呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，用戶通過手機APP或PC端對養(yǎng)殖場進行遠程操控，相較于傳統(tǒng)養(yǎng)殖減少了人力物力的浪費，提高了養(yǎng)殖場內(nèi)設備與管理自動化、信息化的程度。但是存在監(jiān)控范圍較小，自然環(huán)境對ZigBee網(wǎng)絡可靠性和穩(wěn)定性的影響等問題，之后應該擴大監(jiān)控范圍，讓監(jiān)測不只存在于養(yǎng)殖場內(nèi)。修改ZigBee網(wǎng)絡模塊的連接，使ZigBee網(wǎng)絡連接更加穩(wěn)定。本系統(tǒng)可以提高養(yǎng)殖場的經(jīng)濟效益，同時又為消費者提供優(yōu)質(zhì)的全程可追溯的產(chǎn)品，為生產(chǎn)與生活中帶來更多的益處，促進養(yǎng)殖場智能養(yǎng)殖模式的發(fā)展。

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作者簡介：刁夢夢（2002—），女，漢族，河南信陽人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術。

收稿日期：2022-02-28

基金項目：河南省本科高校省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202114654003）;鄭州西亞斯學院校級項目（2022-D70）