基于Zigbee及组态王的无线养殖场监控系统设计

祝天龙

（河南师范大学计算机与信息工程学院,河南新乡453007）

基于Zigbee及组态王的无线养殖场监控系统设计

祝天龙

（河南师范大学计算机与信息工程学院,河南新乡453007）

设计了基于Zigbee芯片CC2530的无线养殖监控系统.系统由传感器、传感器节点、协调器节点、监控计算机等组成.传感器节点接收并处理来自传感器的数据,本地显示或传送给协调器节点.监控计算机采用组态软件Kingview 6.5完成人机交互界面编程,实时显示环境参数及设备状态,下达控制命令,参数高低报警等功能.实验室测试系统能够满足系统要求,可用于养殖行业监控.

CC2530；Zigbee；无线传感器网络；组态王

现代化、规模化、封闭式的畜禽养殖场,大大方便了人民生活.但养殖场的环境恶劣、气味难闻、传染病多发给食品安全带来隐患.随着电子通信技术的发展,养殖场视频监控得到普遍应用,但对环境的监控及改善仍存在不足.近年来,基于单片机和嵌入式（ARM）的养殖场环境监控逐渐普及,通过单片机及嵌入式对养殖场环境参数如温度、湿度、氧气体积分数、二氧化碳体积分数、光照强度、氨气体积分数等参数采集,送入处理器,根据环境要求策略发出控制指令,驱动湿帘风机、喷淋阀、遮阳开关、顶窗侧窗开关、加温补光等调节设备,改善养殖场外部环境,促进生物健康生长发育.

Zigbee技术自出现以来,将WSN（无线传感器网络）的应用带到各行各业.文献[1]对无线传感器网络在农业方面的应用进行了总结,文献[2]介绍了融合IPV6与Zigbee的WSN在智能家居系统的应用,文献[3]给出了Zigbee在温室控制中的应用实例,另外还被用于温湿度监控、水质检测、煤矿检测、心电监护等方面[4-11].作为与人民生产生活密切相关的养殖行业,采用无线传感器网络实现无线、智能、便捷的监控也是大势所趋.相对而言Zigbee在养殖场监控的应用还较少,文献[12]介绍了在牛舍监控中的应用.本文正是基于这个背景,将Zigbee模块用于养殖场的参数采集及自动化监控.

1 系统整体设计

根据控制任务,可将系统分为上位机监控及下位机数据采集.其中上位机采用计算机高级语言或工业组态软件完成人机交互界面编程,实现采集环境参数实时显示、设备状态显示、控制命令指示、参数高低报警等功能.下位机以Zigbee模块为核心,结合微处理器及外围电路完成传感器数据采集、显示、传送,包括多个采集节点,一个协调器及控制驱动板.整个系统框图如图1所示.

图1 养殖场无线监控框图Fig.1 Block chart for wireless breeding monitoring system

1.1 参数选取及传感器选型

首先根据控制应用目标分析需要采集的工艺参数.根据生物发育特点,每种生物都有适宜生长的温湿度范围,过高过低都会带来不适,甚至疾病,因此温度、湿度是首要监控的参数.由于养殖业的特点,动物粪便会产生臭气,因此需对废气体积分数监测,如氨气.另外,适当的光照度有助于促进畜禽新陈代谢,助于其良好的生长发育.因此选取温度、湿度、光照度、氨气体积分数等作为主要采集参数.

温湿度传感器选用瑞士Sensirion DHT22型数字传感器,内部两个敏感元件首先将温度和湿度转换成电信号,并送入微弱信号放大器进行放大,然后通过转换器和二线串行数字接口输出数字信号.

本系统的光照传感器选用模块,采用的是ROHM公司的芯片BH1750FVI芯片,它是一种数字型光强度GY-30光照传感器集成电路,传感器内置A/D转换器,可直接输出对应亮度的数字值,省略复杂的计算.根据养殖场环境的特点和检测的需求,本项目选用MQ135系列的氨气传感器模块,双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）0～5V电压,对氨气、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、烟雾有较好的灵敏度.

1.2 Zigbee模块选取

在Zigbee芯片设计上,TI（CC2x系列）,Freescale（MC1319X）,Ember（EM250ZigBEE）,Jenic（JN5121）等厂商占主要市场,其中尤以TI芯片占据主要市场.TI（Chipcon公司）从最早CC1X（CC1000,CC1010, CC1100,CC1020等）经CC24x系列（CC2400,CC2420,CC2430,CC2431）到最近几年的CC25x系列,在Zigbee芯片应用备受青睐.本文选择基于CC2530的Zigbee模块作为采集节点及协调器的核心硬件.

CC2530是一款完全兼容8051单片机内核,同时支持IEEE802.15.4协议的无线射频单片机.功能模块集成了2.4 GHz的收发器、增强工业标准的、闪存和等高性能模块.网络中一般包含协调器节点、路由器节点和终端节点三类网络节点.网络中只能有一个协调器节点,它的主要任务是负责发起建立新网络和配置网络参数,同时协调器还负责维护网络的正常工作以及保持同网络其他设备的通信,因此协调器是整个网络的中心,它必须是一个全功能设备.在网络建立好后,协调器可以执行路由器的功能.

1.3 协调器与传感器节点硬件设计

协调器与节点硬件是相通的,主要由下载的程序决定其是协调器还是节点,这里就以协调器为例说明.基于CC2530芯片的协调器电路包括电源电路、JTAG调试接口、串口接口电路、显示器模块电路、射频发射外围电路及按键、传感器等.串口部分采用PL2303芯片将串口转为USB接口,易于连接台式机及笔记本电脑.电源用LDO-33电源模块将5 V电压变为3.3 V电压作为协调器电源.JTAG调试接口主要用于芯片的调试及方针,配合IAR软件完成程序的硬件仿真及调试.显示模块主要用于协调器相关信息的显示如数据收发、传感器数据、故障等.具体电路如图2所示.

图2 基于CC2530的协调器硬件原理Fig.2 Hardware principle chart for coordinator based on CC2530

2 硬件开发平台搭建

Zigbee的开发环境主要是在IAR集成开发平台实现的,Zigbee开发设备包括：CC2530核心板加带下载接口的底板；IAR集成开发环境,使用8.1版本；Smart RF04EB仿真器或者CC Debugger仿真器；PC计算机一台,XP或者WIN 7系统.

IAR Embedded Workbench（简称EW）的C交叉编绎器是一款完整、稳定、很容易上手的开发工具,可以支持许多处理器,如ARM430等处理器的编程应用.安装完成后,创建一个新的源文件,并加入工程,编写跑马灯测试源代码.安装仿真器cc-debug驱动及程序下载工具SmartRF Flash Programmer软件.将仿真器接到开发板上,再用USB线把仿真器和电脑连接起来使用IAR软件打开前面创建的工程,点击,开始下载程序并在线仿真调试,LED灯闪烁,到此系统开发环境就建立起来了.

3 系统测试

程序采用模块化编程思想,只需调用采集API函数即可,程序包括串口初始化,获取温湿度,将温湿度的转换成字符串,获得的温湿度通过串口输出到电脑显示等模块.因CC2530芯片的Z-stack协议栈已集成在TI的设计软件IAR Embeded Workbench当中,只要在项目中包含进来即可.程序编译无误后,通过SmartRF Flash Programmer软件下载到CC2530芯片中.图3为使用CC2530通过DS18B20数字温度传感器检测温度的调试,DS18B20的VCC（+）接开发板的3.3 V,OUT接开发板的P07,GND接开发板的GND,在OLED显示器显示当前温度,通过USB转串口线送到串口终端显示.

上位机部分采用亚控公司组态王Kingview 6.55进行软件设计,包括登录界面、主监控画面、参数设置画面、手动调试画面、历史数据及报警画面.监控部分界面如图4所示,显示了养殖场某节点环境数据的显示界面,界面不仅数字式显示当前养殖场环境的情况,并以仪表形的形式显示采集数据的数据变化情况,给出了当前各设备的工作状态.

图3 DS18B20温度采集实验Fig.3 Temperature acquirement based on DS18B20

图4 监控系统模拟画Fig.4 Simulation figure of monitoring system

4 小结

本文主要介绍了基于Zigbee技术的无线传感器网络在现代养殖农场中的应用,分析了系统原理及硬件构成,完成了畜禽养殖综合监控系统底层硬件平台构建,进行了组态画面设计,可以实现对养殖场环境参数如温湿度、气体体积分数、光照度的自动调节与控制,同时提供手动与自动切换,达到较理想的控制,为动物营造舒适、健康的成长与生活环境,可以用于实际农业监控养殖场智能生产中.

[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]张猛,房俊龙,韩雨.基于Zigbee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报.2013,29（4）：171-176.

[4]王鑫,潘贺,杨简.基于CC2530的Zigbee无线温湿度监测系统设计[J].中国农机化学报,2014,35（3）：217-220,238.

[5]李金凤,刘丰喜,杨中华,等.基于无线传感器网络及GPRS的水质监测系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22（12）：3887-3890.

[6]徐建,刘三军.基于Zigbee技术的山体滑坡监测系统设计[J].湖北民族学院学报：自然科学版,2015,33（2）：197-199.

[7]高伟霞,张永峰,韩新凤.基于Zigbee的矿井人员定位系统的设计[J].赤峰学院学报：自然科学版,2014,30（2下）：14-15.

[8]秦晓静,李海富.基于Zigbee技术的井下人员定位系统的研究[J].长春大学学报,2012,22（2）：153-156.

[9]赵琳娜,宝力高,孙可,等.基于Zigbee的火电厂储煤自燃监控系统的研究与设计[J].内蒙古民族大学学报：自然科学版, 2015,30（4）：287-291.

[10]焦尚彬,宋丹,张青,等.基于Zigbee无线传感器网络的煤矿监测系统[J].电子测量与仪器学报,2013,27（5）：436-442.

[11]李建设,张友能.新型Zigbee无线传感器网络的心电监护系统的研究与设计[J].长春大学学报,2015,25（6）：24-29.

[12]王廷江,杨丽珊.规模化奶牛场舍内环境监控系统设计[J].农机化研究,2015（2）：210-213.

（责任编辑：卢奇）

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

河南师范大学青年科学基金（2011QK24）

祝天龙（1975―）,男,山西曲沃人,硕士,讲师.主要从事智能控制应用研究.