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摘要：

針對養殖場部分信息監測需要人工測量與人工記錄，且監測信息不全面，不能綜合反映養殖場環境信息等問題，設計開發了一種基于ZigBee無線網絡的養殖場信息監測系統．該系統能夠對養殖場禽畜舍溫度、濕度、NH3濃度、風速、用水量和用電量進行采集，并通過Zig－Bee網絡將傳感器數據傳輸到監控室內上位機監測系統，該系統基于Delphi和SQLServ－er2005編程，便于養殖場信息存儲、查詢和分析．實際測試表明：該系統能夠有效、準確地監測養殖場內各禽畜舍的環境信息，通過ZigBee自組網特性，布線復雜程度低、可擴展性強，系統具有一定的推廣應用價值．

關鍵詞：

養殖場；信息監測；ZigBee無線網絡；Delphi

近幾年來，隨著畜牧業的發展，養殖產業發展速度不斷加快，并向規模化、現代化方向推進，特別是大群體、高密度飼養畜禽的日益增加，養殖場內的環境質量已經上升為影響畜禽健康狀態與生產性能的首要問題．各類流行性疾病的不斷爆發和傳播，將會給畜禽養殖帶來嚴重的打擊，為了有效防治疫病的發生與傳播，在不斷加強疫病防控體系的同時，對養殖場環境的監測逐漸得到國內外企業和學者的重視［1－6］．隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線組網要求的ZigBee技術，它是一種近距離、低成本、低功耗、低速率的雙向無線傳輸技術，主要適用于自動控制、遠程控制甚至家用設備聯網的需要．通過ZigBee網絡技術實現傳感器節點與數據匯集中心節點的無線通信，并可以充當路由進行信息交換，更加符合養殖場信息檢測過程中對多點檢測、多要素、移動性、便捷性等方面的要求．

養殖場內禽畜舍環境通常比較復雜，環境信息之間相互影響，目前雖已有相關學者在養殖場信息采集方面進行了相關研究，并已實現相關功能，但大多數只是涉及畜禽舍內部溫度、濕度、CO2、SO2、NH3和光照等信息檢測［7－12］，并未涉及整個養殖場信息的采集管理，因此不能全面綜合地反映整個養殖場內的環境信息．從環境信息綜合性和牲畜的健康角度出發，還需要考慮到其他環境因素．禽畜舍內適當的風速會對溫度、濕度和NH3濃度起到一定的調節作用；通過觀察禽畜舍用水量可以了解到牲畜的生長狀況和健康狀況；通過觀察禽畜舍用電量可以得知養殖場內大型風機設備以及取暖設備的運轉狀況，同時也間接反映了禽畜舍內通風量、溫度、濕度、NH3濃度的變化．本文結合河南某牧業公司對養殖場綜合信息采集需求，針對上述問題，設計了基于ZigBee技術的養殖場信息采集系統，使用ZigBee無線通信技術將養殖場內畜禽舍溫度、濕度、NH3濃度、風速、畜禽舍用水量和用電量信息傳輸到監測管理中心上位機，工作人員通過上位機監測整個養殖場的采集信息，當傳感器數據超過閾值時，及時報警以便于現場監控人員進行調控，還可以通過上位機查看傳感器歷史數據，便于工作人員分析歷史數據，提高養殖場生產力．該系統組網靈活，信息采集完整準確，系統部署方便，維護成本低，降低工作人員勞動強度，為養殖場進行科學養殖提供了基礎的環境數據依據．

1系統方案設計

本系統實際應用的養殖場所處環境較為廣闊，此養殖場一共建有22個禽畜舍，布局為2排11列，監測室處于第一排禽畜舍正前方，單個禽畜舍長105m，寬17．2m，相鄰禽畜舍橫向間隔8m，縱向間隔10m．每個禽畜舍安裝1個傳感器檢測節點檢測禽畜舍環境信息，路由器節點安裝于人行道旁，協調器安裝于監控室內部通過RS－232串口連接上位機電腦，系統總體結構如圖1所示。根據傳感器節點和協調器節點的位置情況測量，最遠直線距離為170m，因此ZigBee節點的傳輸距離只要能夠大于170m，便可以實現傳感器數據的采集與傳輸．然而ZigBee的傳輸范圍一般介于10～100m之間，為了保障傳感器檢測節點能夠和協調器節點穩定通信，使用CC2591增加無發射功率，配合2．4GHz全向天線發射，相鄰節點之間可靠傳輸距離可以高達500m，自動重連距離高達400m，完全滿足此養殖場內數據傳輸距離．為了避免ZigBee信號受到養殖場內障礙物阻擋，影響無線信號強度，在兩排禽畜舍中間人行道的路邊處每隔90m放置1個路由器節點，通過ZigBee網絡進行多跳轉發，保障養殖場ZigBee內無線數據的穩定傳輸．為了達到系統設計需求，系統整體設計分為兩部分：養殖場信息采集子系統設計與上位機監測子系統設計．養殖場信息采集子系統主要由傳感器檢測節點、路由器節點和協調器節點組成，傳感器檢測節點主要負責對畜禽舍溫度、濕度、NH3濃度、風速、用水量和用電量信息進行采集，然后通過路由器節點以無線多跳方式發送給協調器，完成養殖場傳感器信息的采集與傳輸；上位機監測子系統由圖形用戶界面和數據庫組成，上位機接收到傳感器數據后，通過圖形用戶界面顯示各畜禽舍環境參數，然后存儲在數據庫中，便于工作人員查詢和分析養殖場數據，提高養殖場的養殖和管理水平．

1．1養殖場信息采集子系統養殖場信息采集子系統主要實現養殖場信息通過以CC2530為核心的ZigBee無線網絡技術進行傳感器數據的采集，主要由傳感器檢測節點、路由器節點和協調器節點組成．傳感器檢測節點主要采集養殖場畜禽舍中的傳感器數據，包括養殖場畜禽舍環境溫度、濕度、風速、NH3濃度、畜禽舍用水量和畜禽舍用電量．傳感器節點根據養殖場的需求布置在監測點，通過ZigBee傳感器檢測節點核心處理器依次采集運算后，依照系統定義的通信數據幀結構組成數據發送幀，然后將數據幀無線發送出去．路由器節點主要為整個信息采集系統提供無線信息路由轉發功能，整個信息采集子系統中的ZigBee節點通過自組網的方式組成網狀結構，構成無線傳感器網絡．ZigBee傳感器檢測節點通過采集各個傳感器的數據，沿著路由器節點以多跳方式進行數據傳輸，經過多跳路由發往協調器接收節點．協調器節點為整個網絡的建立發起者，具有整個網絡的最高權限，是整個網絡的維護者，管理傳感器節點和路由器節點的加入和離開，并接收所有傳感器節點發送的傳感器數據，再通過串口將傳感器數據發送至上位機監測系統．

1．2上位機監測子系統上位機監測子系統是整個ZigBee網絡系統的數據匯聚中心和系統監測中心．上位機監測系統使用Delphi可視化編程軟件編寫，結合SQLServer2005數據庫存儲傳感器數據．通過連接協調器節點接收養殖場信息采集節點中傳感器數據，在圖形用戶界面顯示養殖場中傳感器數據，實時監測養殖場情況，并存儲在數據中，便于管理人員對養殖場傳感器信息查看和分析．

2系統硬件設計

本系統采用的ZigBee無線傳輸技術的核心處理器使用TI公司的CC2530單芯片集成SOC，支持IEEE802．15．4標準，集成了高性能的RF收發器，標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8KBRAM，最高擁有256KB的閃存，8通道12位模數轉換，1個16位定時器和2個8位定時器，21個可編程I／O引腳和許多其它強大的功能．結合TI公司開發的ZigBee協議棧（Z－StackTM），為養殖場多種傳感器數據采集和傳輸提供了硬件支持，適用于多種傳感器數據采集．

2．1傳感器采集節點硬件設計傳感器采集節點主要用于檢測畜禽舍室內溫度、濕度、風速和NH3濃度以及畜禽舍用電量與畜禽舍用水量的環境參數，傳感器采集節點硬件結構如圖2所示，主要由ZigBee核心處理單元CC2530、溫濕度傳感器、NH3傳感器、風速傳感器、用水量傳感器、用電量傳感器、復位電路、電源模塊組成．ZigBee核心處理單元CC2530主要負責傳感器數據采集和無線數據傳輸，采用3．3V電壓供電，通過CC2591功率放大，增強無線發射信號強度，保障信號傳輸的穩定性．圖3為CC2530＋CC2591的核心模塊的電路原理圖，也是所有Zig－Bee節點的最小系統．溫濕度傳感器采用SHT10數字式溫濕度一體傳感器，此傳感器采用IIC通訊接口，溫度測量精度為±0．5℃，濕度測量精度為±4．5％RH；溫度測量范圍為－40℃～123．8℃；濕度測量范圍為0～100％RH；傳感器默認返回14位溫度數據和12位濕度數據，外殼采用防水設計，完全適用于畜禽舍環境內部溫度和濕度采集．NH3濃度傳感器采用型號為BGD－NH3電化學式傳感器，電化學傳感器通過與被測NH3發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來檢測NH3濃度．測量范圍為0～100mg／L，測量精度為±1％F．S，防護等級為IP66，采用4～20mA標準電流輸出；采集傳感器數據前需要把4～20mA電流信號轉換為電壓信號，再通過CC2530內部自帶12位A／D通道進行電壓采集，從而實現采集NH3濃度采集．風速傳感器采用YGC－FS三杯式風速傳感器，其測量范圍為0～70m／s，啟動風速為0．3m／s，其輸出為RS－485信號，抗干擾能力好，且精度較高，防護等級為IP45；通過MAX485將CC2530的串口電平轉為RS－485電平，再與風速傳感器連接，通過指令讀取當前環境風速．用電量傳感器采用DTS862電子式三相四線電能表，其遵循DL／T645－1997通訊規約，適用于大型自動抄表系統，該電表內部通過計算實際用電量后再以RS－485的方式輸出．CC2530通過使用通信規約中的數據幀命令讀取實時用電量信息．用水量傳感器采用JRM－2C計數直讀式用水量傳感器進行檢測，傳感器通過檢測安裝在水表上的磁針的轉動圈數來檢測用水量，磁針的安裝位置可以根據實際情況來選擇安裝精度，安裝位置精度越小，磁針轉圈數越多，計數也越多．用水量通過圈數與磁針的精度乘積來計算用水量，CC2530通過RS－485方式讀取用水量傳感器的檢測信號．由于傳感器節點需要多種電壓供電，數據采集頻率較高，采用鋰電池供電，勢必造成帶電時間短，會給工作人員帶來維護不便；禽畜舍中安裝有大量的照明設備和取暖烤燈，留有大量的220V電源接口，為了保障傳感器采集節點的穩定工作，采集節點采用開關電源模塊供電，電源接入方便，布線簡短，既不影響傳感器工作穩定性，又能根據采集需求合理布局傳感器節點．開關電源輸出24V／1A和5V／1A，再通過穩壓芯片LM2576－12和ASM1117－3．3轉換12V和3．3V，24V為NH3傳感器供電，12V為用水量傳感器供電，5V為風速傳感器供電，3．3V為核心模塊及溫濕度傳感器供電．

2．2路由器節點硬件設計路由器節點的核心模塊和傳感器檢測節點的核心模塊相同，均使用CC2530主控芯片和CC2591功率放大芯片，區別在于路由器節點在此不進行傳感器數據采集，因此硬件上只需要最小系統便可以工作．

2．3協調器節點硬件設計協調器節點主要負責接收所有傳感器節點的無線發送數據，同時作為數據終端設備DTE（DataTerminalEquipment）通過EIA－RS－232C標準接口與上位機通信，將傳感器數據傳輸到上位機監測系統．由于EIA－RS－232C接口電氣特性規定邏輯1為－3～－15V，邏輯0為3～15V．而協調器使用TTL電平，為了實現上位機EIA－RS－232C與TTL電平和邏輯關系的轉換，在此使用MAX232芯片把CC2530串口電平轉換為EIA－RS－232C電平，其工作電路如圖4所示．

3系統軟件設計

系統軟件主要包含ZigBee協議棧Z－Stack開發和上位機軟件開發兩部分．Z－Stack開發的目的是使得協議棧能夠滿足實際系統功能需求，主要進行應用層開發，實現養殖場傳感器信息采集，并組成ZigBee網絡，進行采集終端節點與協調器通信．上位機軟件開發主要包含圖形用戶界面開發和數據庫開發，通過圖形用戶界面可以幫助工作人員可以直觀的讀取養殖場的傳感器數據，同時利用數據庫存儲采集到的傳感器數據，便于工作人員查看和分析歷史數據．

3．1Z－Stack應用開發ZigBee網絡中協調器和路由器均屬于全功能設備（FFD），傳感器節點（終端節點）屬于精簡功能設備（RFD），RFD設備不具有FFD設備的路由功能，而路由節點區別于協調器節點的最重要一點是：協調器負責網絡的發起和建立，因此路由器節點和傳感器節點只能向協調器節點申請加入網絡［13－16］．協調器節點上電后會初始化并建立網絡，然后監聽網絡中是否有采集節點請求加入網絡，如果收到采集節點請求加入網絡，協調器會采用分布式分配機制為采集節點分配16位擴展地址（Extendedaddress），協調器在建立網絡成功后將使用0X000作為自己的擴展地址，采集節點入網成功后將以16位擴展地址與協調器通信，協調器收到采集節點發送的數據后會通過串口發送給上位機．協調器節點軟件流程圖如圖5所示，傳感器節點軟件流程圖如圖6所示．本系統為了便于管理所有畜禽舍中傳感器節點發送的數據幀，且由于采集傳感器數量多，各傳感器有效數據字節長度不同，為保障協調器節點和上位機監控系統能夠準確的識別各個畜禽舍中傳感器節點發送的數據幀，因此定義傳感器數據幀結構如表1所示．傳感器數據幀的結構主要由數據幀頭、傳感器節點地址、協調器節點地址、畜禽舍編號、傳感器數據和幀尾組成．各個傳感器的數據在通信幀中的位置固定，傳感器節點依次采集各個傳感器數據，并存放在對應位置，傳感器數據采集完成后，通過ZigBee射頻信號發送給協調器。使用ZigBee無線網絡分析儀進行抓包分析，數據包如圖7所示．從TexasInstrumentsPacketSniffer軟件抓到的數據包可以看到每個數據包由很多段組成，由于協議棧采用分層結構實現，所以數據包顯示時不同層使用不同的顏色表示．從數據包中可以看到協調器組建網絡直到終端節點加入網絡的整個過程，以及采集節點與協調器節點的通信數據幀，在圖7介質訪問控制層MACpayload欄中后面有如下數據幀：此為采集節點發送給協調器節點的數據幀，數據幀中包含了采集到的各個傳感器數據信息，協調器收到后再通過串口發送到上位機，上位機在對數據進行解析、顯示、存儲和分析．

3．2上位機軟件開發上位機借助于Delphi可視化的集成開發環境（IDE），其采用面向對象的ObjectPascal編程語言和基于部件的開發結構框架，配合高速的編譯器和強大的數據庫支持，與Windows編程緊密結合．數據庫使用SQLServer2005，通過ADOConnection和ADOQuery連接Delphi開發環境，為數據庫開發和管理提供了便捷．為了測試本文養殖場環境監測系統的穩定性，本系統在河南某牧業有限公司進行了長達6個月的測試，系統運行穩定．圖8為上位機監測界面，通過上位機圖形用戶界面，工作人員直觀的看到養殖場內所有傳感器采集的數據，了解到養殖場內全面的環境信息；圖9為歷史數據查詢界面，以濕度作為查詢對象為例，工作人員通過上位機可以查看數據庫中的歷史數據，為養殖場提供完整的環境信息數據，便于養殖場工作人員依據歷史數據合理科學的調節飼養環境和飼養過程，提高養殖場生產力．

4結束語

本文根據河南某牧業公司養殖場信息監測需求，設計了基于ZigBee無線網絡的養殖場信息監測系統．首先介紹了檢測系統中傳感器采集節點中核心硬件設計和各傳感器選擇，然后對Z－Stack開發和基于Delphi和數據庫的上位機開發做了具體的應用介紹，最后對系統進行了實地測試．該系統通過部署在養殖場內的ZigBee節點構成自組網絡，傳感器節點完成傳感器信息采集后，經由多跳方式傳往協調器節點，通過監控室的上位機監測界面查看傳感器數據，經過在實際環境中測試，能夠準確地監測養殖場內環境信息．該系統布線簡單、組網方便，適應不同規模的養殖場需求，并可以根據實際需要，增加其他類型的傳感器，具有安裝靈活性和硬件可裁剪性，為企業提供全面綜合的環境監測信息，同時為疾病判斷和預測提供數據支持，具有一定的推廣應用價值．

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作者：李頎 馮宇謙 周曉嵐 單位：陜西科技大學 電氣與信息工程學院