基于ZigBee和GPRS鸡舍有害气体监控系统的设计

朱凤舞 梁天航

摘 要：针对鸡舍养殖对环境的要求，设计开发了一套鸡舍有害气体监控系统。融合ZigBee和GPRS技术，利用短距离无线传感网络监测鸡舍的环境参数，然后通过远距离GPRS无线传输网络将数据传送至上位机端。通过上位机程序设计，对节点继电器发出执行命令，实现预期调控。给鸡舍带来了良好的繁殖环境，同时避免了布线困难，操作更加快捷、准确，达到了鸡舍现代化建设、管理的目的。

关键词：ZigBee；GPRS；鸡舍；无线监控系统

中图分类号：S831.4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431026

引言

家禽疾病复杂多变，其中传染病种类也是最多的，不仅给养殖户带来巨大的经济损失，更严重危害了人类的健康安全。鸡舍内有害气体含量是影响家禽疾病爆发的主要因素。对有害气体浓度值进行监控，可实时显示、调控鸡舍内环境状况，进而降低家禽疾病爆发率具有重要意义[1]。本文充分依托学校肉鸡养殖基地这样一个优越的实验环境，选取3项有害气体指标构建了鸡舍环境监控微体系。应用LabWindows/CVI开发了环境监控虚拟仪器系统。本设计已投入实际使用，并且也取得了良好效果。

1 系统总体设计

该系统采用PDCA循环理论，也就是所说的戴明环体系思想进行总体设计，它的原理图如图1所示。

在P阶段：分析鸡舍现状，找出实验过程中会遇到的问题，确认问题，收集和组织资料，设定目标和实验方法。分析问题的各种原因或影响因素，找出主要因素。制定措施，提出实验计划。寻找可能的解决办法，测试并选择。

在D阶段：实施实验计划，实施实验设计图如图2所示。通过传感器的采集，将参数传输给可以灵活组网的ZigBee传感网络，完成了短距离数据传输。此时的数据会通过RS-485串口以有线的方式发送到GPRS-DTU端，GPRS和服务器进行TC/IP配置，完成数据的远距离传输。上位机PC端可以实时显示、存储、报警和控制继电器，从而调控鸡舍的有害气体含量，达到智能调控鸡舍环境的目标。

在C阶段：评估结果，分析实验数据。

在A阶段：对实验进行总结、修正；提出这一PDCA循环尚未解决的问题，把它转到下一个PDCA继续完善。

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块设计

二氧化碳传感器选择的是蓝月科技制造的B-530[2]。釆用的是红外NIRD检测原理，量程范围为0～5000ppm，精度/分辨率为10ppm，使用寿命可达10a以上。

氨气传感器选择的是美国RAE Systems公司制造的4NH3～100传感器[3]。量程范围为0～100ppm，分辨率为0.5 ppm，响应时间不大于10s，稳定性相对可靠，灵敏度极高。

硫化氢传感器选择的是郑州炜盛科技公司生产的ME4-H2S电化学式气敏传感器。该传感器的特点是：功耗低、精度高、灵敏度极强、线性度宽、抗干扰能力突出，以及优异的重复性和高度稳定性，广泛适用于工业、农业及环保中H2S的检测。

2.2 无线数据传输模块设计

短距离无线数据传输采用ZigBee网络拓扑结构，ZigBee模块采用的是深圳隔壁科技生产的GB-SMA-10系列产品。该产品特点是底板结构清晰、扩展通道数量较多、网络自组织、数据传输透明、简单易用。本实验共选择了5个测量点，所以需要采集节点模块5块、外加1块协调节点模块，共计6块模块。

远距离无线数据传输采用北京天同诚业科技有限公司生产的COMWAY WG-8010系列GPRS-DTU，该模块具有性能可靠、使用简单、兼容性好等特点。且内部封装了TC/IP协议，适用于AT命令扩展，可完美实现DTU与服务器之间的通信。

2.3 系统控制部分设计

控制部分位于采集节点的底层板，主要器件是深圳育松电子的SRD-05VDC系列的继电器，该继电器通过上位机发来的控制指令，来控制风机的开和关。且继电器控制区域和负载区域有隔离槽，信号输出稳定。保证了鸡舍空气的相对优良。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee自组网

ZigBee的组网方式有3种，分别是广播、组播、点播。本课题采用了最普遍应用的广播模式。它的构造形式是：在ZigBee自组网体系中会有若干个CC2530采集模块（本系统有5个监测点故需要5块）和有且仅有一个协调节点模块。而且有的系统还会有若干个路由节点模块，由于本系统实验环境所限，故无需路由节点。它的组网流程如图3，是通过协调器建立自组网络，并以广播的形式发送或者接受数据，另外5个采集节点加入网络，并以单播的形式向协调节点发送数据或是接受命令。

3.2 GPRS模块与服务器的通讯

GPRS-DTU端即所说的客户端是GPRS模块与网络服务器信息交互的起始端。而信息的TXD和RXD在两端口之间均是可逆的，GPRS-DTU端通过接收的信息对服务器端进行反馈，反之服务器端也同样会对GPRS-DTU端做出响应。交互的两端共同担负起基于GPRS与INTERNET网络通讯的责任并建立了一套闭环系统。但事实是：服务器端要比DTU端不论是基础安装、系统软件的建设、能够接受通讯信息的质量都要远远超过不少，且内部结构更复杂。

整个通讯开始前必须先发出通讯请求，这个过程是由DTU端完成的，他通过预先获得的INTERNET服务器的IP地址和端口号发起请求。请求一旦被应答且建立通讯，服务器端和DTU端就变得一体化。也就实现了数据的远程传输。

在通讯过程中不论是公网IP还是通过解析域名服务器获取的动态域名IP地址都可以作为服务器IP，服务器端运行的特定应用程序往往也需要与服务器的端口号进行匹配使用，如TCP 54这个端口号就需要和FTP服务匹配，TCP78这个端口号就需要和超文本服务器（Http）匹配。即自定义的端口号还支持与特定的服务器端的应用程序匹配实现发送和接收数据。GPRS-DTU端与服务器端的通信和协议转换的过程如图4。

3.4 上位机监测软件设计

本设计的上位机监控软件选择LabWindows/CVI这样一个用于开发虚拟仪器应用的系统。它的开发环境是完全标准的C语境；数据的采集、分析、和显示也都可以通过LabWindows/CVI的内置式函数库实现；同时LabWindows/CVI的自动代码生成工具以及拖放式用户界面编辑器都可以在其内部灵活可调。通过该虚拟软件的部分功能在未将代码加入到Project时，就可以完成对基础项目的人机交互测试。LabWindows/CVI不仅可以定义和绘制人机界面，还能够开发多线程应用，及生成或运行ActiveX组件[4]。本实验设计的软件系统功能图如图5所示。

4 数据分析

数据分析是验证系统能否达到预期目标的手段，同时也是验证系统适用性的有效方式。本实验选取了2处环境基本一致的鸡舍（舍1-自然条件监测，舍2-自动控制系统监测）通过对比分析法来描述实验的最终效果。

通过图6有害气体浓度数据对比图表明，在相同实验参数和不同的实验环境条件下的数据折线变化，能够得到这样一个结论：在自然条件下鸡舍的有害气体参数变化无明显规律且波动比较大，在自控系统的条件下鸡舍的有害气体参数变化明显稳定了很多，且有比较明显的同定规律。这也说明该系统具有可靠的智能调控作用，是可以实践应用的。

5 结束语

本文通过分析把有3大有害气体作为影响肉鸡生产的主要环境因素，针对以上主要因素设计了适合鸡舍复杂环境的微型监控系统，该系统成功的对鸡舍CO2浓度、H2S浓度、HN3浓度数据进行了实时监测、图像显示、以及数据的存储和对环境的调控。且经过系统测试和数据验证分析证明该系统能够满足基本的生产需求。相信随着农业和其他学科的交叉，以及在互联网和物联网的推动下，这类型的自动控制技术会上一个新台阶。

参考文献

[1]刘子义. ZigBee技术在鸡舍环境监测中的应用研究[D].河北农业大学硕士论文，2015（9）： 4435

[2]杨鹏，史旺旺，刘松. 基于WSN的二氧化碳传感器节点设计与实现[J].工业控制计算机，2012，25（5）：8-9.

[3]鞠洪岩，付大光，等. 湿度对聚苯胺氨气传感器性能影响的研究[J].高分子学报，2013（1）：156-163.

[4]朱晓涛，洪海丽. 基于LabWindows/CVI的虚拟数字滤波器的设计和实现[J].电脑知识与技术，2011（6）： 2095-2163