基于Zigbee及組態(tài)王的無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

祝天龍

（河南師范大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453007）

基于Zigbee及組態(tài)王的無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

祝天龍

（河南師范大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453007）

設(shè)計了基于Zigbee芯片CC2530的無線養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)由傳感器、傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、監(jiān)控計算機等組成.傳感器節(jié)點接收并處理來自傳感器的數(shù)據(jù),本地顯示或傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點.監(jiān)控計算機采用組態(tài)軟件Kingview 6.5完成人機交互界面編程,實時顯示環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài),下達控制命令,參數(shù)高低報警等功能.實驗室測試系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)要求,可用于養(yǎng)殖行業(yè)監(jiān)控.

CC2530；Zigbee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；組態(tài)王

現(xiàn)代化、規(guī)?；?、封閉式的畜禽養(yǎng)殖場,大大方便了人民生活.但養(yǎng)殖場的環(huán)境惡劣、氣味難聞、傳染病多發(fā)給食品安全帶來隱患.隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展,養(yǎng)殖場視頻監(jiān)控得到普遍應(yīng)用,但對環(huán)境的監(jiān)控及改善仍存在不足.近年來,基于單片機和嵌入式（ARM）的養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控逐漸普及,通過單片機及嵌入式對養(yǎng)殖場環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、氧氣體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、光照強度、氨氣體積分數(shù)等參數(shù)采集,送入處理器,根據(jù)環(huán)境要求策略發(fā)出控制指令,驅(qū)動濕簾風機、噴淋閥、遮陽開關(guān)、頂窗側(cè)窗開關(guān)、加溫補光等調(diào)節(jié)設(shè)備,改善養(yǎng)殖場外部環(huán)境,促進生物健康生長發(fā)育.

Zigbee技術(shù)自出現(xiàn)以來,將WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的應(yīng)用帶到各行各業(yè).文獻[1]對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用進行了總結(jié),文獻[2]介紹了融合IPV6與Zigbee的WSN在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用,文獻[3]給出了Zigbee在溫室控制中的應(yīng)用實例,另外還被用于溫濕度監(jiān)控、水質(zhì)檢測、煤礦檢測、心電監(jiān)護等方面[4-11].作為與人民生產(chǎn)生活密切相關(guān)的養(yǎng)殖行業(yè),采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線、智能、便捷的監(jiān)控也是大勢所趨.相對而言Zigbee在養(yǎng)殖場監(jiān)控的應(yīng)用還較少,文獻[12]介紹了在牛舍監(jiān)控中的應(yīng)用.本文正是基于這個背景,將Zigbee模塊用于養(yǎng)殖場的參數(shù)采集及自動化監(jiān)控.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

根據(jù)控制任務(wù),可將系統(tǒng)分為上位機監(jiān)控及下位機數(shù)據(jù)采集.其中上位機采用計算機高級語言或工業(yè)組態(tài)軟件完成人機交互界面編程,實現(xiàn)采集環(huán)境參數(shù)實時顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示、控制命令指示、參數(shù)高低報警等功能.下位機以Zigbee模塊為核心,結(jié)合微處理器及外圍電路完成傳感器數(shù)據(jù)采集、顯示、傳送,包括多個采集節(jié)點,一個協(xié)調(diào)器及控制驅(qū)動板.整個系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 養(yǎng)殖場無線監(jiān)控框圖Fig.1 Block chart for wireless breeding monitoring system

1.1 參數(shù)選取及傳感器選型

首先根據(jù)控制應(yīng)用目標分析需要采集的工藝參數(shù).根據(jù)生物發(fā)育特點,每種生物都有適宜生長的溫濕度范圍,過高過低都會帶來不適,甚至疾病,因此溫度、濕度是首要監(jiān)控的參數(shù).由于養(yǎng)殖業(yè)的特點,動物糞便會產(chǎn)生臭氣,因此需對廢氣體積分數(shù)監(jiān)測,如氨氣.另外,適當?shù)墓庹斩扔兄诖龠M畜禽新陳代謝,助于其良好的生長發(fā)育.因此選取溫度、濕度、光照度、氨氣體積分數(shù)等作為主要采集參數(shù).

溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion DHT22型數(shù)字傳感器,內(nèi)部兩個敏感元件首先將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號,并送入微弱信號放大器進行放大,然后通過轉(zhuǎn)換器和二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號.

本系統(tǒng)的光照傳感器選用模塊,采用的是ROHM公司的芯片BH1750FVI芯片,它是一種數(shù)字型光強度GY-30光照傳感器集成電路,傳感器內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器,可直接輸出對應(yīng)亮度的數(shù)字值,省略復(fù)雜的計算.根據(jù)養(yǎng)殖場環(huán)境的特點和檢測的需求,本項目選用MQ135系列的氨氣傳感器模塊,雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）0～5V電壓,對氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、煙霧有較好的靈敏度.

1.2 Zigbee模塊選取

在Zigbee芯片設(shè)計上,TI（CC2x系列）,Freescale（MC1319X）,Ember（EM250ZigBEE）,Jenic（JN5121）等廠商占主要市場,其中尤以TI芯片占據(jù)主要市場.TI（Chipcon公司）從最早CC1X（CC1000,CC1010, CC1100,CC1020等）經(jīng)CC24x系列（CC2400,CC2420,CC2430,CC2431）到最近幾年的CC25x系列,在Zigbee芯片應(yīng)用備受青睞.本文選擇基于CC2530的Zigbee模塊作為采集節(jié)點及協(xié)調(diào)器的核心硬件.

CC2530是一款完全兼容8051單片機內(nèi)核,同時支持IEEE802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機.功能模塊集成了2.4 GHz的收發(fā)器、增強工業(yè)標準的、閃存和等高性能模塊.網(wǎng)絡(luò)中一般包含協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點三類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點.網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點,它的主要任務(wù)是負責發(fā)起建立新網(wǎng)絡(luò)和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù),同時協(xié)調(diào)器還負責維護網(wǎng)絡(luò)的正常工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信,因此協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心,它必須是一個全功能設(shè)備.在網(wǎng)絡(luò)建立好后,協(xié)調(diào)器可以執(zhí)行路由器的功能.

1.3 協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器與節(jié)點硬件是相通的,主要由下載的程序決定其是協(xié)調(diào)器還是節(jié)點,這里就以協(xié)調(diào)器為例說明.基于CC2530芯片的協(xié)調(diào)器電路包括電源電路、JTAG調(diào)試接口、串口接口電路、顯示器模塊電路、射頻發(fā)射外圍電路及按鍵、傳感器等.串口部分采用PL2303芯片將串口轉(zhuǎn)為USB接口,易于連接臺式機及筆記本電腦.電源用LDO-33電源模塊將5 V電壓變?yōu)?.3 V電壓作為協(xié)調(diào)器電源.JTAG調(diào)試接口主要用于芯片的調(diào)試及方針,配合IAR軟件完成程序的硬件仿真及調(diào)試.顯示模塊主要用于協(xié)調(diào)器相關(guān)信息的顯示如數(shù)據(jù)收發(fā)、傳感器數(shù)據(jù)、故障等.具體電路如圖2所示.

圖2 基于CC2530的協(xié)調(diào)器硬件原理Fig.2 Hardware principle chart for coordinator based on CC2530

2 硬件開發(fā)平臺搭建

Zigbee的開發(fā)環(huán)境主要是在IAR集成開發(fā)平臺實現(xiàn)的,Zigbee開發(fā)設(shè)備包括：CC2530核心板加帶下載接口的底板；IAR集成開發(fā)環(huán)境,使用8.1版本；Smart RF04EB仿真器或者CC Debugger仿真器；PC計算機一臺,XP或者WIN 7系統(tǒng).

IAR Embedded Workbench（簡稱EW）的C交叉編繹器是一款完整、穩(wěn)定、很容易上手的開發(fā)工具,可以支持許多處理器,如ARM430等處理器的編程應(yīng)用.安裝完成后,創(chuàng)建一個新的源文件,并加入工程,編寫跑馬燈測試源代碼.安裝仿真器cc-debug驅(qū)動及程序下載工具SmartRF Flash Programmer軟件.將仿真器接到開發(fā)板上,再用USB線把仿真器和電腦連接起來使用IAR軟件打開前面創(chuàng)建的工程,點擊,開始下載程序并在線仿真調(diào)試,LED燈閃爍,到此系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境就建立起來了.

3 系統(tǒng)測試

程序采用模塊化編程思想,只需調(diào)用采集API函數(shù)即可,程序包括串口初始化,獲取溫濕度,將溫濕度的轉(zhuǎn)換成字符串,獲得的溫濕度通過串口輸出到電腦顯示等模塊.因CC2530芯片的Z-stack協(xié)議棧已集成在TI的設(shè)計軟件IAR Embeded Workbench當中,只要在項目中包含進來即可.程序編譯無誤后,通過SmartRF Flash Programmer軟件下載到CC2530芯片中.圖3為使用CC2530通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測溫度的調(diào)試,DS18B20的VCC（+）接開發(fā)板的3.3 V,OUT接開發(fā)板的P07,GND接開發(fā)板的GND,在OLED顯示器顯示當前溫度,通過USB轉(zhuǎn)串口線送到串口終端顯示.

上位機部分采用亞控公司組態(tài)王Kingview 6.55進行軟件設(shè)計,包括登錄界面、主監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、手動調(diào)試畫面、歷史數(shù)據(jù)及報警畫面.監(jiān)控部分界面如圖4所示,顯示了養(yǎng)殖場某節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示界面,界面不僅數(shù)字式顯示當前養(yǎng)殖場環(huán)境的情況,并以儀表形的形式顯示采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)變化情況,給出了當前各設(shè)備的工作狀態(tài).

圖3 DS18B20溫度采集實驗Fig.3 Temperature acquirement based on DS18B20

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)模擬畫Fig.4 Simulation figure of monitoring system

4 小結(jié)

本文主要介紹了基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代養(yǎng)殖農(nóng)場中的應(yīng)用,分析了系統(tǒng)原理及硬件構(gòu)成,完成了畜禽養(yǎng)殖綜合監(jiān)控系統(tǒng)底層硬件平臺構(gòu)建,進行了組態(tài)畫面設(shè)計,可以實現(xiàn)對養(yǎng)殖場環(huán)境參數(shù)如溫濕度、氣體體積分數(shù)、光照度的自動調(diào)節(jié)與控制,同時提供手動與自動切換,達到較理想的控制,為動物營造舒適、健康的成長與生活環(huán)境,可以用于實際農(nóng)業(yè)監(jiān)控養(yǎng)殖場智能生產(chǎn)中.

[1]Tamoghna O,Sudip M.Wireless sensor networks for agriculture：The state-of-the-art in practice and future challenges[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2015,118：66-84.

[2]ZOU Z Y,LI K J.Smart home system based on IPV6 and Zigbee tech[J].Procedia Engineering,2011,15：1529-1533.

[3]張猛,房俊龍,韓雨.基于Zigbee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2013,29（4）：171-176.

[4]王鑫,潘賀,楊簡.基于CC2530的Zigbee無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2014,35（3）：217-220,238.

[5]李金鳳,劉豐喜,楊中華,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及GPRS的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2014,22（12）：3887-3890.

[6]徐建,劉三軍.基于Zigbee技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2015,33（2）：197-199.

[7]高偉霞,張永峰,韓新鳳.基于Zigbee的礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].赤峰學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2014,30（2下）：14-15.

[8]秦曉靜,李海富.基于Zigbee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的研究[J].長春大學(xué)學(xué)報,2012,22（2）：153-156.

[9]趙琳娜,寶力高,孫可,等.基于Zigbee的火電廠儲煤自燃監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2015,30（4）：287-291.

[10]焦尚彬,宋丹,張青,等.基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報,2013,27（5）：436-442.

[11]李建設(shè),張友能.新型Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].長春大學(xué)學(xué)報,2015,25（6）：24-29.

[12]王廷江,楊麗珊.規(guī)模化奶牛場舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2015（2）：210-213.

（責任編輯：盧奇）

Wireless breeding monitoring system based on Zigbee&Kingview

ZHU Tianlong
（College of Computer&Information Engineering,Henan Normal University,Xinxiang 453007,China）

Wireless breeding monitoring system based on Zigbee chip of CC2530 was designed.System is composed of sensors,sensors nodes,coordinator nodes,monitoring computer etc.Sensors nodereceive and process data from sensors,then display them locally or send to coordinator node.Human-machine interactive screen is completed with SCADA of Kingview 6.5,can display monitoring data real time and status of device,pass on correct order,alarm over higher or lower.Laboratory test showed the system works well and expand to breeding monitoring application.

CC2530；Zigbee；WRN（wireless sensor networks）；Kingview

TP393

A

1008-7516（2016）02-0059-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.02.014

2016-02-26

河南師范大學(xué)青年科學(xué)基金（2011QK24）

祝天龍（1975―）,男,山西曲沃人,碩士,講師.主要從事智能控制應(yīng)用研究.