北方草原家庭牧場智能化系統(tǒng)設計

江 杰，劉延琦

(內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

北方草原家庭牧場智能化系統(tǒng)設計

江 杰，劉延琦

(內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為保障北方草原放牧與冬季、極端天氣補飼互補養(yǎng)殖模式的執(zhí)行，建立新型草原自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)，提高現(xiàn)代化牧場的精準化管理水平，提出了一種北方草原家庭牧場智能化系統(tǒng).該系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點采集圈舍環(huán)境數(shù)據(jù)，利用Zigbee無線通信傳給Labview上位機監(jiān)控平臺，進行實時數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲.實驗測試結果表明，該系統(tǒng)能夠準確實時顯示圈舍環(huán)境狀況，保障圈舍在不同功能時的環(huán)境需求，實現(xiàn)對家庭牧場圈舍的智能化控制.

智能控制； Zigbee ；Labview

隨著信息技術和農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展與深入應用，畜牧業(yè)亟待與高精度的自動化控制技術和檢測技術相結合，逐步構建出可持續(xù)性牲畜數(shù)字化健康的養(yǎng)殖環(huán)境，從而實現(xiàn)現(xiàn)代化的精細養(yǎng)殖.Labview作為美國國家儀器NI( National -Instrument)開發(fā)的一種虛擬儀器平臺[1]，提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析和存儲庫函數(shù)以及各種儀器通信標準的所有功能函數(shù).圖形化的語言便于設計、觀察和修改，因此大大降低了測試系統(tǒng)的開發(fā)周期和編程量，提高了開發(fā)的效率[2].傳統(tǒng)的有線控制方法，不但增加了布線所帶來的昂貴成本，還造成了監(jiān)測的局限性和后期改進維護的復雜度.Zigbee技術是一種短距離無線通信技術，其符合IEEE802.15.4協(xié)議標準，目前在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領域的應用較為廣泛，該技術能夠提供靈活的組網(wǎng)方式[3].由于其具有安全性高、實時性好、移植性強、應用簡單等特點，所以將其應用于圈舍環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)中，可以提高牧農(nóng)對牧場信息化、智能化的管理水平，因此本文將設計基于Zigbee和Labview的家庭牧場智能化系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體設計

圈舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖1所示，包括多個傳感器終端節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器和上位機監(jiān)控平臺.牧場工作人員將多個傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過傳感器節(jié)點來采集環(huán)境狀況參數(shù).傳感器每隔半小時采集一次環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并將環(huán)境參數(shù)通過Zigbee無線通信模塊發(fā)送至協(xié)調(diào)器.協(xié)調(diào)器通過Modbus協(xié)議與上位機監(jiān)控平臺建立連接，將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺.上位機通過對上傳的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，控制天窗、風機、水簾、濕簾等執(zhí)行器裝置，從而實現(xiàn)羊舍環(huán)境的遠程、自動化控制，并且以簡單直觀的界面呈現(xiàn)給用戶，便于用戶實時處理，并進行歷史數(shù)據(jù)存儲，方便用戶查看.

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 The working principle of the system

2 硬件設計

2.1 Zigbee傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，并完成對相應執(zhí)行器的控制.傳感器節(jié)點為終端節(jié)點設備，它由電池供電[4].傳感器節(jié)點用于檢測圈舍內(nèi)的溫度、濕度和各種有毒有害氣體濃度，分別安裝在檢測桿高低不同的位置，測量圈舍不同高度的環(huán)境參數(shù)，便于準確檢測和處理融合.傳感器節(jié)點示意圖如圖2所示.

圖2 傳感器節(jié)點示意圖Fig.2 Sensor nodes diagram

2.1.1 CC2530模塊

如圖3所示為CC2530引腳圖，CC2530芯片是TI公司推出的一款實際意義的片上系統(tǒng)，它能很好地支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議.根據(jù)芯片內(nèi)部閃存大小的不同，分別具有32KB/64KB/128KB/256KB的內(nèi)置內(nèi)存[5].

圖3 CC2530引腳 Fig.3 CC2530 Pin

2.1.2 溫濕度模塊

選用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器芯片[6]，SHT10芯片的相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出，接口采用的是兩線制，響應速度較快，功耗超低，能夠進行自動休眠，體積較小，具有長期的穩(wěn)定性，測濕的精度可以達到±4.5%RH，測溫的精度可以達到±0.5℃(25℃)，能夠滿足本系統(tǒng)的設計指標需求.SHT10的硬件連接圖如圖4所示.

圖4 SHT10硬件連接圖 Fig.4 SHT10 hardware connection diagram

2.1.3 氣體濃度檢測模塊

CO2濃度檢測采用MG811傳感器模塊[7](如圖5所示)，該傳感器具有很高的靈敏度和良好的選擇性；NH3、H2S的濃度檢測采用MQ-135傳感器(如圖6所示)，其由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層組成[8]，檢測濃度10～1 000mg/m3,在較寬的濃度范圍內(nèi)對有害氣體有良好的靈敏度.

圖5 MG811傳感器Fig.5 MG811 sensor

圖6 MQ-135傳感器 Fig.6 MQ-135 sensor

2.1.4 電源模塊

如圖7所示，圈舍環(huán)境檢測系統(tǒng)的傳感器節(jié)點采用2節(jié)蓄電池來進行供電，路由器節(jié)點分別需要+5V，3.3V，1.8V 3種電源，LM2576T5.0具有非常優(yōu)良的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率，能夠提供3A的負載電流.它有3.3V，5V，12V固定輸出電壓型和可調(diào)輸出電壓，內(nèi)置頻率補償電路和固定頻率振蕩器.開關頻率為52kHZ，在額定輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓容差為±4%，振蕩頻率的容差為±15% .待機電流為80μA(典型值)，內(nèi)置兩級過流保護電路和過熱保護電路，最大輸入電壓為45V或63V，工作溫度為-40～+125℃，轉換效率為70%～85%(不同電壓輸出時的效率不同)[9].在正常狀態(tài)下由電網(wǎng)提供電力，當外來供電中斷時，蓄電池繼續(xù)為設備供電.當恢復供電以后，會切換到電網(wǎng)供電，并且為蓄電池充電[10].

圖7 LM2576T5.0穩(wěn)壓模塊 Fig.7 LM2576T5.0 regulator module

2.2 Zigbee路由器

路由器允許其他設備加入網(wǎng)絡，需要由主干線路進行供電，主要任務是接收和轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù).路由器及結構如圖8所示.

(a)路由器

(b)結構圖圖8 Zigbee路由器及結構圖Fig.8 Zigbee router and structure diagram

2.3 Zigbee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器及結構如圖9所示.Zigbee 協(xié)調(diào)器主要實現(xiàn)圈舍無線傳感器網(wǎng)絡與監(jiān)控平臺以太網(wǎng)之間互聯(lián)及協(xié)議轉換[11]. Zigbee 協(xié)調(diào)器負責整個Zigbee網(wǎng)絡的建立、管理，是網(wǎng)絡的中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能.

(a)協(xié)調(diào)器

(b)結構圖圖9 Zigbee 協(xié)調(diào)器及結構圖 Fig.9 Zigbee coordinator and structure diagram

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 Zigbee模塊設計

本設計所有節(jié)點采用網(wǎng)狀的網(wǎng)絡拓撲結構，發(fā)送狀態(tài)為非信標模式，終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，父節(jié)點負責為其子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀.

3.2 Modbus協(xié)議格式

本系統(tǒng)的通信協(xié)議采用的是 Modbus協(xié)議中的RTU協(xié)議模式.主機發(fā)送的查詢命令、從機返回的正常響應幀和異常響應幀協(xié)議格式見表1～表3.當接收到一個請求指令時，在處理請求要求的動作前需要進行報文包的相應檢測，當子節(jié)點在接收到的幀中檢測到錯誤時，則沒有響應返回到子節(jié)點.

表1 查詢命令協(xié)議格式
Tab.1 The protocol format of the query commond

幀頭地址命令代碼數(shù)據(jù)校驗和幀尾4bit8bit0x554個8bit16bit4bit

表2 正常響應幀協(xié)議格式
Tab.2 The protocol format of normal response frame

幀頭地址命令代碼數(shù)據(jù)校驗和幀尾4bit8bit0x5516bit16bit4bit

表3 異常響應幀協(xié)議格式
Tab.3 The protocol format of exception response frame

幀頭地址命令代碼數(shù)據(jù)校驗和幀尾4bit8bit0xd516bit16bit4bit

3.3 系統(tǒng)通信實現(xiàn)過程

(1)主機.主機采用不間斷詢問的方式依次發(fā)送查詢命令給每個監(jiān)測節(jié)點并接收、存儲、顯示對應數(shù)據(jù)，主機程序流程圖如10所示.

圖10 主機程序流程圖 Fig.10 The flow chart of host program

(2)從機.從機實現(xiàn)了主機和相應地址指針監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)轉發(fā).從初始到空閑態(tài)轉換需要3.5s定時超時，鏈路空閑時，檢測到的字符識別為幀起始，鏈路變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，當沒有字符的傳輸，達到3.5s時，識別則為數(shù)據(jù)的幀結束.當檢測到數(shù)據(jù)幀結束以后，需要進行CRC的校驗和計算.分析數(shù)據(jù)地址域，確定相應的數(shù)據(jù)幀是否需要發(fā)往此設備，如果不是，則丟棄掉.CRC的相應計算只需要在尋址到數(shù)據(jù)幀時再進行.

(3)監(jiān)測節(jié)點.Zigbee協(xié)議內(nèi)部已經(jīng)CRC校驗，因此監(jiān)測節(jié)點通信不需進行Modbus協(xié)議CRC校驗了，但仍需采用其數(shù)據(jù)幀格式.從機接收指令和執(zhí)行指令流程圖如圖11、圖12所示.

圖11 從機接收指令流程圖 Fig.11 The flow chart of the slave receives the instruction

圖12 從機執(zhí)行指令流程圖 Fig.12 The flow chart of the slave executes the instruction

4 測試結果

實驗測試時，Labview上位機界面如圖13、圖14所示.測試結果顯示，在系統(tǒng)誤差允許的范圍內(nèi)，各傳感器節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得到準確反映，并且相應執(zhí)行機構能得到迅速控制，因此證實該方案可行.

圖13 歷史曲線 Fig.13 Historical curve

圖14 監(jiān)測數(shù)據(jù) Fig.14 Monitoring data

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Thenortherngrasslandfamilyranchintelligentsystemdesign

JIANG Jie, LIU Yan-qi

(Information Engineering Institute, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In order to guarantee the implementation of the complementary cultivation mode of northern grassland grazing and winter and extreme weather, we establish a new grassland automatic breeding system and improve the precision management level of modern ranch, and put forward an intelligent system of northern grassland family ranch. The system collects the cave environmental data through the sensor node, and uses Zigbee wireless communication to transmit to the Labview host computer monitoring platform for real-time data receiving, display and storage. The experimental results show that the system can accurately display the environmental conditions of the pens in real time, guarantee the environmental requirements of the kennel in different functions, and realize the intelligent control of the family ranch.

intelligent control；Zigbee ；Labview

2016-12-02

內(nèi)蒙古重大專項

江杰, 男,jie5881@126.com;

劉延琦, 男, 15098849385@163.com

1672-6197(2018)01-0056-05

TP273

A

(編輯：郝秀清)