基于Zigbee 的畜牧養殖數字化系統設計與實現

范曉紅，孫成磊

（山東信息職業技術學院，山東濰坊，261000）

0 引言

在農業振興、鄉村發展過程中畜牧養殖一直是其中的重要組成部分，也是我國經濟的支柱產業之一。隨著技術的成熟與進步，畜牧養殖的水平也在不斷地提升。傳統畜牧養殖行業由于養殖技術、管理理念相對落后，大規模養殖生產難于管理，人工成本高，牲畜健康監測管理難度大，環境維護成本高。

國家高度重視畜牧行業的現代化進程，并在《“十四五”全國畜牧獸醫行業發展規劃》中提出目標，到2025 年，畜牧業的現代化水平要取得顯著進展。畜牧行業的數字化進程不斷地加快，大批數字化轉型的成果也在接二連三應用到畜牧養殖領域，例如智慧農業、智慧牧場、智慧灌溉、智能監控等。物聯網、大數據等新一代信息技術的出現助力了畜牧行業的數字化轉型，有助于提升畜牧養殖的效率、降低人工成本、加速畜牧業的現代化進程。

本系統以物聯網關鍵技術Zigbee 為基礎，設計并實現了基于Zigbee 的物聯網畜牧養殖系統。通過感知層傳感器獲取溫濕度、煙霧等數據，并進行智能報警、智能電燈開關、智能門禁等。通過Zigbee 進行組網，并開發設計畜牧養殖Android 移動客戶端，進行智能化監測、控制，將畜牧養殖過程進行數字化轉型，提升畜牧養殖現代化進程。

圖1

1 畜牧養殖系統研究

1.1 系統整體架構

Zigbee 技術功耗低、帶寬低且數據穩定，十分符合物聯網通信的標準。基于Zigbee 技術構建的無線傳感網絡由大量傳感器節點通過無線通信技術構成，遵循IEEE802.15.4 標準，是一種短距離、低速率的自組織多跳網絡。

1.2 系統硬件設計

ZigBee 搭載了TI 公司的CC2530 單片機核心模組，它的工作周期較短、可以通過切換電源的模式進入休眠狀態從而減少電源損耗、收發信息功耗低。傳輸范圍一般在10～100m 之間，數據傳輸速率為10～250kbit/s，工作頻段主要分布在2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）、915MHz（美國）。可以通過網絡協調器自動組建網絡。主要應用于傳輸速率要求低的場景，可靠性較高。

圖2

Zigbee 主要遵循四層網絡模型，分別是物理層、媒體網絡控制層、網絡層、應用層。

應用層：基于檢測的任務，為用戶開發不同的應用層軟件服務；

網絡層：通過路由與交換，實現節點的拓撲結構建立；

介質訪問控制層：主要負責數據幀的封裝、處理及鏈路管理等；

物理層：主要負責從無線信道中收發數據并對數據的調制與解調等管理。

畜牧場地選用的傳感器主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器等，選用的執行設備包括風扇、電燈、門鎖等。所有的設備均是通過Zigbee 模塊進行連接、控制。其中Zigbee 模組采用的核心芯片是CC2530，系統主要組成部分：供電裝置、傳感器模塊、MCU模塊、無線通信模塊、嵌入式軟件。

其中各傳感器選用的型號及功能特點如表1 所示。

表1

1.3 Zigbee 自組網設計

牧場環境之所以使用Zigbee 組網主要是因為它是一種分布式自組織的數據采集網絡，可以快速組建局域網絡，實現牧場環境監測控制，具有功耗低、復雜度低、成本低等特點。根據功能及角色的不同，網絡節點中的Zigbee 設備大致分為三類：協調器（Coordinator）、路由節點（Router）、終端節點（End-Device）。其中協調器主要用于啟動和配置網絡，負責與網關通信，是網絡的中心節點[1]。一個Zigbee 網絡只有一個協調器。路由器節點可以將數據轉發給其他設備，也可以進行環境的監測。終端設備直接與傳感器通信實現數據采集與控制。

基于IEEE802.15.4 協議規范，ZigBee 無線自組網技術規定了3 種無線網絡拓撲結構：星型結構、樹狀結構以及網狀結構[2]。星型結構是其中最簡單的網絡拓撲結構，結構中的路由器節點和終端設備節點都只和協調器進行通信。樹狀結構中協調器擔任頂層父節點，負責匯集所有傳感器節點中的網絡數據，路由器節點負責承接上下節點，用于匯集子節點轉發的數據，子節點間沒有直接通信線路，只能與父節點通信，節點與節點之間通過中間的路由器節點形成多跳通信，主要應用于網絡容量相對較小的場合。網狀結構由協調器、路由節點及終端節點構成的多路徑、自組織網絡結構，通信方式靈活，一條通信路徑的損壞不會影響對整個網絡通信質量。

圖3

本文采用的是樹狀結構通信方式進行自組網，組網結構圖如圖4 所示。

圖4

ZigBee 在2.4GHz 頻段內具備強抗干擾能力，該頻段劃分為16 個通信信道，信道11～26。協調器創建網絡并設置網絡號PANID，選用其中一個信道CHANNEL 進行通信。終端設備通電后掃描通道中的網絡，然后選擇合適網絡并向協調器或者路由器發送入網請求，請求通過后，即可將感知層采集的傳感器數據通過指定的PANID、CHANNEL 進行匯聚并經由協調器上傳到網關中，與互聯網建立通信。

2 系統軟件設計

傳感器節點采集的溫濕度、光照等數據經過Zigbee 終端設備節點，經由路由節點轉發、協調器節點匯聚后通過串口與網關相連接，網關數據與云平臺實現數據共享，云平臺上實現牧場的遠程監測與控制。并實時對異常數據進行預警處理。

圖5

同時本畜牧養殖系統開發了配套的Android手機客戶端，用戶可以通過手機實時查看牧場環境狀態，及時了解牲畜的活動狀態信息。手機客戶端APP主要由注冊/登錄、環境監測、棚舍控制、我的信息等四大模塊組成。注冊/登錄模塊主要包括新用戶身份信息登記注冊、老用戶賬號登錄功能。歡迎界面展示牧場信息，用于宣傳牧場。注冊/登錄功能通過記錄用戶數據并對新老用戶進行注冊、登記。環境監測模塊主要負責將感知層傳感器采集的數據實時顯示供用戶查閱使用。棚舍控制模塊主要負責遠程實現牧場設備的控制開關等。我的信息模塊主要記錄用戶的信息及意見反饋等。

圖6

主要分為界面設計和功能開發兩部分。其中界面開發主要通過布局+控件完成設計，常用的布局和控件有RelativeLayout、LinearLayout、ConstraintLayout、TextView、Button、ImageView 等。功能開發主要涉及數據的采集及控制，本模塊主要通過網絡請求框架Retrofit 實現遠程數據的采集和控制，Retrofit 是對okhttp 的二次封裝，可以實現同步、異步、支持多數據解析。本文采用的網絡通信及Json 數據解析關鍵代碼如下：

同時采用多線程通信方式進行溫濕度等數據的實時采集與顯示。并添加異常狀態預警模塊，通過閾值監測，對環境數據進行實時監控，如果監測數據超過閾值，及時預警并通知相關管理人員，主要使用的API 為：

軟件主要功能效果圖如圖7 所示。

圖7

3 結語

使用該畜牧養殖系統可以實現對牧場環境的實時監測與控制，并能夠及時預警潛在隱患信息，提高了牧場的管理和維護效率和水平，減少了勞動力的浪費。通過云平臺、手機客戶端等多平臺監測和使用，方便用戶和管理者對牧場進行及時管理，歷史數據的分析處理，有利于對畜牧狀態的統計分析。安裝并運行設計程序到手機中，用戶體驗度良好。