基于WSN的猪舍环境监测系统设计

谢秋菊，苏中滨，王雪，刘金明，田芳明

（1.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆 163319；2.东北农业大学电气与信息学院）

猪舍环境是指猪舍的通风效果、温湿度、光照、有害气体含量等[1]，猪是应激动物，对猪舍环境敏感，舒适的养殖环境可以增强猪抵御疾病的能力，提高猪的健康水平和生产效率。近年来，随着规模化、集约化养殖业的不断发展，养殖环境受到国内外专家的普遍重视[2-3]。国外，例如：美国、巴西、丹麦、加拿大等养殖环境信息监测的智能化程度较高。国内，虽然也有许多学者对养殖环境监测进行研究，例如：钱东平等[4]对畜舍环境温度进行监控，建立了畜舍环境温度数学模型；王雷雨等[5]对牛舍环境进行了监测，通过专家系统对环境进行了预警；朱伟兴等[6]基于物联网对保育猪舍内部小环境进行监测，实现了保育舍内的小气候环境的控制；王冉等[7]基于无线传感网络对畜禽舍环境进行监测；周晨飞[8]基于ZigBee技术建立了猪舍环境信息智能化监测系统。但是，在上述这些研究中，大都针对畜舍内单一温度环境因素进行监测、并且方法简单，自动化程度低；针对环境的多因素监测的研究较少，同时缺少完整的监测信息采集及传输网络。因此，为了对猪舍环境信息进行及时、准确的监测，现有的畜舍环境信息采集及传输方法显然不能满足规模化养殖对环境监控的需求，需要建立完整的环境信息采集及传输网络。

1 无线传感器网络

WSN即无线传感器网络，是由大量的传感器节点通过无线通信方式组成的多跳自组织网络系统。它能够对网络覆盖区域中各种环境或监测对象信息，进行协同地实时监测、感知、采集和处理，并组成自组织多跳网络以无线通信方式将处理后的信息发送给观察者[9]。WSN通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据经过多跳或单跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

2 猪舍环境监测系统设计

2.1 系统结构

猪舍环境无线传感器网络监测系统的总体网络结构如图1所示，系统包括无线传感器监测区域、本地控制中心和远程控制三级网络[10]。无线传感器网络监测区域是实现猪场环境数据监测的基础和主体，它包括ZigBee协调器、单舍控制节点和传感器节点。ZigBee协调器是无线传感器网络监测区域的中心，负责收集和处理猪场中各猪舍的相关数据，并将数据发送给本地控制中心；单舍控制节点布置在每个猪舍的顶梁处，负责将本猪舍环境传感器节点发送来的数据进行处理、融合，并且发送给ZigBee协调器，它实际上是一种全功能设备（FFD），具有路由功能，可为其他猪舍发送数据时提供路由服务；在每个猪舍内布置一定数量的传感器终端节点，负责采集每个猪舍内的温度、湿度及氨气深度等环境数据，它是网络的终端节点，不具备路由功能，但是可以将采集的环境数据发送给本舍的控制节点；本地控制中心用于管理由ZigBee协调器传来的数据，为用户提供数据管理，通过Internet或GPRS将数据传送到远程服务器。远程控制可为远程用户浏览养猪场相关环境数据提供服务功能。

图1 无线传感器网络监测系统结构图Fig.1 Structure ofmonitoring system based on WSN

2.2 系统设计

无线传感器网络监测区域是系统实现环境监测的核心，因此，ZigBee协调器、单舍控制节点、无线传感器节点是本系统设计的重点。

2.2.1 传感器终端节点设计

系统传感器终端节点是实现猪舍环境采集的节点。温度、湿度和氨气浓度是影响猪生长发育的主要环境因素[10-11]，因此，系统选取这三个因素作为猪舍环境参数进行采集。传感器终端节点结构如图2所示。传感器终端节点包括2个模块：传感器模块和无线通信模块。传感器模块包括温湿度传感器和氨气浓度传感器，负责采集猪舍内的温湿度和氨气浓度，采集的数据经过调理电路滤波、放大后传送到无线通信模块。无线通信模块负责将传感器模块送来的环境数据传送给上一级节点。

图2 无线传感器网络终端节点结构Fig.2 Structure ofWSN terminal node

系统均选用数字传感器，温湿度采集选用SHT10温湿度传感器、氨气浓度采集选用ME3-NH3氨气传感器。无线通信模块采用CC2430作为处理器。传感器终端节点采用锂电池供电，因此在系统软件设计时，充分考虑尽量减小系统的能耗以延长使用时间，传感器终端节点监测节点软件流程如图3所示。由于CC2430的能耗主要消耗在射频收发数据时。因此，系统在采集、发送完一条数据后关闭射频电路，进入休眠状态，这样可以大大降低系统的能耗、延长使用时间。传感器终端节点将采集到的数据发送至单舍控制节点，其数据格式如表1所示。

图3 无线传感器节点数据采集流程图Fig.3 Data acquisition of flow chart on WS

2.2.2 单舍控制节点设计

单舍控制节点用于接收本舍内各传感器节点发送的环境监测数据，然后进行数据处理，再将处理后的数据发送给ZigBee协调器，同时具有简单的数据显示功能。综合考虑数据处理和成本要求，无线通信模块的处理器依然选用CC2430芯片。单舍控制节点的硬件设计与传感器终端控制节点相似，但是由于单舍控制节点要与本舍内的所有传感器节点进行通信，同时还要完成数据存储和处理，消耗的能量较大，所以选用猪舍内的电源给控制节点供电，通过电压转换模块将电压转换到适合控制节点的工作电压。

表1 传感器终端节点数据格式Table 1 Data formation of terminal node

2.2.3 ZigBee协调器设计

ZigBee协调器是猪场无线传感器监测网络的总控制器，负责建立网络，接收各猪舍控制节点传来的环境监测数据和设备状态信息，接收的数据经过处理后，发送给本地控制中心，同时向单舍控制节点发布网络控制信息。根据猪舍环境监测系统的需求，ZigBee协调器的硬件结构组成框图如图4所示，实物如图5所示。它包括CC2430通信模块、键盘电路模块、USB接口模块、液晶显示模块和电源电路模块等。其中USB模块用来与PC机进行通信；液晶显示模块负责节点工作状态的指示；电源模块通常采用持续电源供电，为ZigBee协调器提供运行所需的能量。

图4 ZigBee协调器硬件结构图Fig.4 Structure of ZigBee coordinator

图5 ZigBee协调器实物图Fig.5 Photo of ZigBee coordinator

2.3 猪舍环境数据处理

由于单个猪舍中布置了多个采集节点，因此需要对这些节点的数据进行融合，利用求加权平均值的方法作为监测猪舍内的环境值。设猪舍中布置n个采样节点分别为x1，x2…xn，每个节点的信息表示为，其中：ti，hi，ci，ωi分别表示节点xi基某时刻的温度值，湿度值，氨气浓度及权重。那么，某时刻猪舍内的温度T、湿度H、氨气C，则可表示为：

将T，H，C的值作为此猪舍某时刻的环境数值。

3 系统测试

3.1 节点部署

该系统在某养猪场进行现场实际测试，选择了3栋猪舍为环境监测点，养猪场信息中心的计算机用于管理、显示和处理现场传回的环境数据，3栋猪舍间距分别为20 m、30 m、50m，与信息中心的距离分别为90m、120m、150 m；猪舍为密闭式、南北朝向，长度为70 m，南北跨度为10 m，高度为2.5 m，双列式钢质围栏。在猪舍内距离地面高度为1m的不同位置分别布置了6个传感器终端节点，每个终端节点可实现对温度、湿度和氨气浓度的采集，每间隔10 min对猪舍内环境数据进行一次采集；在每个猪舍的顶梁中间处布置了一个单舍控制节点，负责接收、处理和转发本舍内终端节点传来的环境数据；ZigBee协调器布置在距离信息中心较近的一栋猪舍内，负责管理整个网络系统的数据通信。

3.2 传感器终端节点通信距离测试

系统采用CC2430芯片，其通信频率为2.4 GHz。猪舍内建筑比较开阔，不存在信号遮挡，测试时6个终端节点与单舍控制节点的通信距离不同，经过测试通信距离在80～100m之间，由于猪舍内部直线距离小于70m，因此传感器终端节点和单舍控制节点之间可实现正常通信。

3.3 节点功耗测试

由于系统的传感器终端节点是电池供电，而单舍控制节点和ZigBee控制器是有源电源供电，所以节点功耗测试是指传感器终端节点的功耗测试。传感器终端节点应用两节南孚7号电池供电，电池容量约790mAh×2，CC2430发射模式下功耗为25mA，待机功耗0.6μA，休眠功耗0.9μA。SHT10温湿度传感器的休眠功耗为0.6μA，工作功耗为0.9mA；氨气传感器NE3-NH3的功耗为37.5mA。传感器终端节点间隔10min对环境数据进行采集，连续采集和发送5次传感器数据转入休眠模式。节点每发送一次数据时间约为 1 s，而后转入待机，待机 10 s后再发送下一次数据，即完成一个数据发送周期后转入休眠需要55 s。经测试，传感器终端节点在以两节南孚7号电池供电的情况下，平均可工作86 d。

3.4 系统整体性能测试

通过现场实际测试，系统启动后30 s内即可完成无线传感器网络的建立、所有传感器终端节点的绑定，形成自组织网络。传感器终端节点在完成数据的采集后，可在5 s内完成数据的发送。单舍控制节点接收数据后可在30 s之内完成数据的融合及转发，ZigBee协调器可在20 s内将数据传送给本地控制中心的计算机。本地控制中心接收到的环境监测数据如图6。

图6 猪舍环境数据监测界面Fig.6 Software interface of environmental datamonitor

4 结论

基于WSN技术实现了猪舍环境监测系统，系统结构为无线传感器监测区域网络、本地控制中心和远程控制三级网络。无线传感器监测区域网络是本系统的基础，在监测区域内采用传感器终端节点-单舍控制节点-ZigBee协调器的通信网络，即：在单个猪舍内布置一定数量的传感器终端节点，对猪舍的温度、湿度和氨气浓度环境因素进行监测；在猪舍顶梁处布置单舍控制节点，实现本舍内传感器终端节点传来的环境数据的接收、处理与转发；在距离本地控制中心最近的猪舍布置ZigBee协调器，负责管理整个网络的通信及将单舍控制器传来的环境数据发送给本地控制中心。设计了传感器终端节点、单舍控制节点和ZigBee协调器，同时实现了多传感器数据融合处理。通过在猪场现场实际测试，本系统设计的传感器终端节点的有效通信距离为80～100m，可靠地实现了与单舍控制器之间的通信，节点能耗较低；系统启动后在30 s内可以完成整个网络的建立、及传感器终端节点的绑定，快速地形成自组织网络；系统组网简单、运行成本低，数据传送准确、高效。

［1］李中兴，毛雪红.环境对养猪业的影响［J］.中国动物保健，2010（10）：44-46.

［2］熊本海，吕健强，罗清尧，等.基于Internet/Intranet集约化奶牛场精细养殖技术平台的构建［J］.畜牧兽医学报，2005，36（11）：1163-1169.

［3］陈长喜，张宏福，王兆毅，等.畜禽健康养殖预警体系研究与应用［J］.农业工程学报，2010，26（11）：215-220.

［4］钱东平，王建新，隋美丽，等.畜禽舍环境温度监控系统模糊控制算法的实现［J］.农业机械学报，2005，36（12）：95-98.

［5］王雷雨，孙瑞志，曹振丽.畜禽健康养殖中环境监测及预警系统研究［J］.农机化研究，2012（10）：199-203.

［6］朱伟兴，戴陈云，黄鹏.基于物联网的保育猪舍环境监控系统［J］.农业工程学报，2012，28（11）：177-182.

［7］王冉，徐本崇，魏瑞成，等.基于无线传感网络的畜禽舍环境监控系统的设计与实现［J］.江苏农业学报，2010，26（3）：562-566.

［8］周晨飞.基于Zigbee无线传感网络在智能猪舍环境监测系统中的应用［D］.武汉：武汉科技大学，2011.

［9］Karl H，Willim A.Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks［M］.丘天爽，译.北京：电子工业出版社，2007.

［10］周益明.基于无线传感器网络的温室群监测与控制系统的关键技术研究与实现［D］.杭州：浙江大学，2009.

［11］秦雯，衣淑娟，赵斌，等.水稻育秧群棚智能化监控系统的设计［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（1）：75-78.