基于ZIGBEE傳感技術(shù)的種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)

鐘毅鋒等

摘 要：為了解決種雞養(yǎng)殖業(yè)中測(cè)量體溫時(shí)存在的一系列問(wèn)題，筆者所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZIGBEE傳感技術(shù)的種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和遠(yuǎn)程主機(jī)四大部分組成，通過(guò)該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)所有種雞體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能大大減少養(yǎng)殖人員的工作量。該文將簡(jiǎn)單介紹ZIGBEE技術(shù)和種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)的工作方式，以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中如何選擇元器件及各種輔助軟件。希望該文能對(duì)研究ZIGBEE技術(shù)的同行提供一些參考，并且加快種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用到養(yǎng)殖業(yè)中的步伐。

關(guān)鍵詞：ZIGBEE技術(shù) 體溫測(cè)量系統(tǒng) 種雞 遠(yuǎn)程監(jiān)控 無(wú)線技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（b）-0048-01

家禽的體溫是衡量其是否健康的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是本文提到的種雞，它的健康不僅關(guān)系到雞肉的安全，還關(guān)系到養(yǎng)殖人員和種雞所下的蛋的安全。在傳統(tǒng)的種雞養(yǎng)殖業(yè)中一般都采用直腸測(cè)溫的方法測(cè)量雞的體溫，這種方式具有測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差、對(duì)雞群應(yīng)激性大和工作量大的缺點(diǎn)，不能適應(yīng)現(xiàn)在大規(guī)模的現(xiàn)代化家禽養(yǎng)殖的需要。為了解決傳統(tǒng)的直腸測(cè)溫方法存在的不足，該文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZIGBEE傳感技術(shù)的種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)種雞體溫的實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和存儲(chǔ)，最大限度地減少養(yǎng)殖人員的勞動(dòng)量。

1 ZIGBEE技術(shù)簡(jiǎn)介

ZIGBEE技術(shù)是一種應(yīng)用于電子設(shè)備間的無(wú)線雙向傳輸技術(shù)，其具有可靠性高、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸率低、延時(shí)短、網(wǎng)絡(luò)容量大、開(kāi)發(fā)成本低的特點(diǎn)。其主要應(yīng)用在距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的各種電子設(shè)備之間，它傳輸?shù)牡湫蛿?shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和重復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。ZigBee是通過(guò)數(shù)千個(gè)微小的傳感器以相互協(xié)調(diào)的傳遞方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)?，由于每個(gè)傳感器消耗的能量是非常有限的，而且在大部分時(shí)間它們都處于省電模式，所以整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常低，完全可以用電池實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間供電。ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)能夠支持樹(shù)型、星型和網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其理論容量最大可以達(dá)到65536個(gè)節(jié)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)大面積的覆蓋。ZIGBEE技術(shù)具有的這些特點(diǎn)，使得它能在智能家居、傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)監(jiān)控、消費(fèi)電子、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2 種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)的組成分析

2.1 體溫采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

種雞的體溫測(cè)量系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和遠(yuǎn)程主機(jī)四大部分組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)安裝在種雞雞翼下方無(wú)毛處的溫度傳感器測(cè)得種雞的實(shí)時(shí)體溫，然后通過(guò)無(wú)線通信模塊將測(cè)得的種雞體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)模塊再通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將接收到的數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)方的主機(jī)。主機(jī)在得到數(shù)據(jù)后，可以在電腦上實(shí)時(shí)顯示雞場(chǎng)中各種雞的實(shí)時(shí)體溫情況，也可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，有利于更加全面地了解種雞的健康情況。

2.2 節(jié)點(diǎn)硬件的選型

節(jié)點(diǎn)硬件的選型主要包括溫度傳感器、ZIGBEE芯片、ZIGBEE節(jié)點(diǎn)硬件和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的選型。溫度傳感器是種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)中最重要的組成部分，假若溫度測(cè)不準(zhǔn)，那后面的工作都沒(méi)有意義。在本文設(shè)計(jì)的體溫測(cè)量系統(tǒng)中，采用的是數(shù)字型溫度傳感器，與常用的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出所測(cè)的溫度，具有精度高、分辨率可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)簡(jiǎn)單的編程就能溫度值轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)值，非常利于數(shù)據(jù)的傳遞。由于養(yǎng)雞場(chǎng)的室內(nèi)環(huán)境特殊，夏季潮濕、溫度高、粉塵多，冬季有害氣體多、腐蝕性強(qiáng)，這都不利于電子器件的正常工作，因此在元件的選型中要充分考慮到工作環(huán)境對(duì)它們正常工作的影響。ZIGBEE芯片、節(jié)點(diǎn)硬件和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的另一個(gè)選型參考因素就是通信距離，由于佩戴在雞身上的，所選的芯片應(yīng)保障最小的通訊距離為50 m。功耗也是選擇元件時(shí)要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，由于所設(shè)計(jì)的體溫測(cè)量系統(tǒng)采用的是電池供電，當(dāng)元件功耗過(guò)大時(shí)，需要頻繁更換電池，這樣不僅增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本，而且操作的可行性也差。節(jié)點(diǎn)元件質(zhì)量直接決定著這個(gè)系統(tǒng)的性能，在選型的過(guò)程中一定要從實(shí)際出發(fā)，在能滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量選擇性價(jià)比高的元器件。

2.3 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)所用的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)由計(jì)算機(jī)、ZIGBEE協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)安放在種雞身上溫度傳感器——ZIGBEE終端節(jié)點(diǎn)組成，由于種雞數(shù)量眾多且一直處于活動(dòng)的狀態(tài)，位置具有不確定性，在給種雞安置過(guò)溫度傳感器后應(yīng)對(duì)種雞和所用的傳感器進(jìn)行編號(hào)，這樣有利于在電腦終端發(fā)現(xiàn)有種雞的體溫出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)地進(jìn)行定位，迅速找出到底是哪只雞的體溫出現(xiàn)了問(wèn)題。ZIGBEE有三種常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹(shù)形和網(wǎng)狀，種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)由于節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多，故選用了網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和眾多終端節(jié)點(diǎn)或路由器組成，其結(jié)構(gòu)與樹(shù)形結(jié)構(gòu)相似，但比樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信更靈活，通信效率更高。

3 體溫測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

種雞體溫檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位監(jiān)控軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)、協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)、終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)這四大部分。在本次種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用IAR編譯器對(duì)用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序進(jìn)行編譯和調(diào)試。為了能將溫度傳感器采集到的非線性數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，需要選擇一臺(tái)PC機(jī)作為后端的控制主機(jī)，即上位機(jī)。上位機(jī)需要安裝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和系統(tǒng)控制軟件，這樣才能通過(guò)操作控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制和測(cè)量數(shù)據(jù)的后期處理。通信的硬件和軟件如何在不同的層協(xié)調(diào)工作是由協(xié)議棧定義的，在協(xié)議棧軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)將協(xié)議棧看作一個(gè)整體，采用統(tǒng)一編寫(xiě)的方式進(jìn)行程序編寫(xiě)，引用宏定義語(yǔ)句來(lái)區(qū)分各功能節(jié)點(diǎn)在各協(xié)議層中的相應(yīng)操作，以便于后面的程序移植。終端軟件設(shè)計(jì)的目的是幫助溫度傳感器完成數(shù)據(jù)信息的采集、處理和發(fā)送工作，同時(shí)協(xié)助終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的網(wǎng)絡(luò)地址信息。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是為了輔助硬件系統(tǒng)更好地完成工作，使整個(gè)體溫檢測(cè)系統(tǒng)操作變得簡(jiǎn)單，可靠性得到提高。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ZIGBEE傳感技術(shù)的種雞體溫測(cè)量系統(tǒng)旨在解決傳統(tǒng)的養(yǎng)雞業(yè)中體溫測(cè)量工作中存在的不足。但在研究的過(guò)程中也遇到一些問(wèn)題，特別是由于雞的位置是活動(dòng)的，這增加了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度。在元器件的選擇過(guò)程中，要綜合考慮成本、功耗和工作效率等多方面的因素，合理選擇測(cè)溫系統(tǒng)的硬件和軟件。

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