基于无线传感网规模养禽环境自动控制系统的设计

沈　忱，张家生，张　林，崔鹏鹏，韩迎鸽

（安徽理工大学　电气与信息工程学院，安徽　淮南　232000）

基于无线传感网规模养禽环境自动控制系统的设计

沈忱，张家生，张林，崔鹏鹏，韩迎鸽

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232000）

针对禽畜流行性疾病的爆发日趋严重等问题，提出了一种基于无线传感网的规模养禽环境自动控制系统.该系统以CC2530模块为硬件核心构成无线通信节点，通过ZigBee无线通信技术进行数据传输，以MSP430单片机为核心处理单元处理接收到的数据，并控制外部执行设备来调节禽畜舍内环境.测试表明本系统开发设计简单可靠，组网灵活方便，功耗低且监测数据可靠，大大提高了禽畜环境监测的智能化程度.

养禽环境；数据采集；无线传感网络；CC2530.MSP430单片机

近年来，禽畜流行性疾病不断爆发和传播，诸多疾病的横行与其养殖环境不断恶化关系密切.然而，禽舍环境成分复杂、系统构成庞大，存在高度的时变性和多变量藕合等特征，使得许多常规的监测手段和控制方法不能满足养禽的发展要求［1-2］.

无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）是一种正在崛起的下一代新兴传感器网络，因其低复杂性、自组织性、低功耗、低数据速率和低成本等特性［3-4］，尤其适用于布线冗长、电源供给困难和人员不能经常到达的区域（如发生自然灾害、矿井事故等区域）.

为了让用户能够更加准确、迅速地获取家禽养殖环境的实时变化以及趋势，本文在对上述技术问题分析的基础上，提出了一种基于无线传感网技术的家禽养殖环境无线监测及智能控制系统，该系统利用各类传感器进行数据采集，通过ZigBee无线通信技术进行数据传输，以单片机为核心处理单元汇总分析接收到的数据，并控制外部执行设备来调节禽畜舍内环境，以期能够实现家禽养殖环境的自动监测与调控.

1　系统整体方案

本文设计的基于无线传感网的规模养禽环境自动控制系统的主要功能包括：对家禽养殖环境实时数据的采集、收发和分析处理，实现对养殖环境的自动调控以及对数据的储存.整个系统采用星型网络拓扑结构，主要由包括各类传感器的终端节点、路由节点、协调器节点以及上位机组成，总体结构图如图1所示.

图1　系统总体网络结构图

图1中，首先由终端节点上的各类传感器采集家禽舍内的环境数据，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等；在传感器终端节点采集到数据之后，为了避免受传输距离的限制，可以先将数据传输至路由节点；然后再由路由节点通过ZigBee无线传感网络将数据发送至协调器节点，协调器节点一方面接收、处理并存储数据，一方面通过MAX232芯片，作为RS-232串行通信接口将数据发送至PC机显示并储存当前家禽舍内的环境数据［5］.与此同时，当禽舍内环境数据超过当初系统设置的参数阈值时，报警电路将动作并将控制外部设备工作，来调节环境状况，直到环境参数达到预设阈值的标准.从而实现了对数据的采集、发送、分析处理和储存，达到了对环境自动调控的目的.

2　系统硬件模块设计

本系统硬件部分主要包括：终端节点模块、路由节点模块、协调器节点模块，这三大模块的核心元件采用的是CC2530芯片，它结合了RF收发器的强大性能和业界标准的增强型8051单片机，具有优异的无线收发性能、超低的功耗、超低的成本，以及良好的拓展性［6］.

路由节点的功能是将接收到的终端节点的数据转发给协调器节点，做为“中间人”有扩大数据传输范围的作用，其核心元件仍然采用CC2530模块，且硬件原理图与除去单片机模块的协调器节点类似，故不做赘述.

2.1传感器终端节点硬件设计

终端节点的硬件结构如图2所示，终端节点的功能是将传感器采集到的环境参数发送至路由节点，主要由传感器模块、信号调理电路、电源管理模块、CC2530模块以及天线组成.其中，传感器模块主要指各类采集传感器，如：温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、氨气传感器等.考虑到终端节点工作环境的特殊性，不适合冗长复杂的布线，在此采用锂电池供电，电源管理模块通过XC6210芯片产生5V稳压电源［7］，一方面为传感器模块提供5V电压，一方面通过DC-DC变换器产生3.3V电压为CC2530模块供电，由于传感器模块的电压信号为5V，而CC2530芯片能处理的电压信号为3.3V，所以采集到的数据信号应首先通过信号调理电路进行处理，最终由CC2530模块的A/D转换器将模拟量转化为数字量，再由RF射频通信模块通过天线将数据发送至协调器节点.

图2　传感器终端节点硬件结构图

2.2协调器节点硬件设计

协调器节点硬件原理图如图3所示，主要包括CC2530模块、数据处理单元、LED显示模块、数据存储模块、键盘输入模块、报警电路等.数据处理单元本着低功耗、高精度的特点，在此选用德州仪器（TI）公司的MSP430F149单片机作为处理单元，主要用来控制节点的数据收发及处理.具体硬件原理图如图3所示.

图3中，CC2530模块将数据传输至MSP430 F149单片机，单片机对接收的数据进行分析处理并保存至数据存储模块，同时将数据显示在LED液晶显示模块上；用户可以通过键盘输入模块对系统预设的阈值进行调整，以适应不同的气候条件.当采集到的数据超过系统阈值时，将触发系统报警电路动作，此时蜂鸣器将报警，提醒用户环境参数超标，同时，MSP430F149单片机控制外部执行设备工作，如风机、空调、灯具以及水帘等设备的工作，以此来实现自动调节禽舍内环境的功能，当重新接收到的数据在阈值以内时，外部执行设备将停止工作，蜂鸣器停止报警，整个系统复位.

由于协调器节点不但承担着对采集数据的天线接收、数据处理的功能，还承担着与上位机进行串口通信的任务.为了便于实现MSP430F149单片机与上位机（PC机）的数据通信，图3中采用MAX 232芯片作为RS-232串行通信的接口.

图3　协调器节点硬件原理图

3　系统软件设计

本系统软件设计主要是基于IAR Embedded Workbench平台，采用C语言进行程序编辑，利用SmartRF04EB仿真器将PC机与终端节点和协调器节点连接，并且下载程序，通过对系统不断的调试，最终实现系统预设功能.

3.1ZigBee无线组网及数据通信

ZigBee技术的特点是距离短、功耗低、传输速率慢、双向无线通讯以及节约成本等.ZigBee采用的是分层的通信协议结构，节点的功能由协议栈中的应用层定义完成的.该系统采用TI提供的协议栈Z-Stack2007，它是在IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的基础上增加了网络应用层（NWK）、数据链路层和安全层［8］，是一种较完备的无线传感网络组建方案.

3.2传感器终端节点软件设计

该终端节点中，软件设计主要是完成节点的入网、数据上传、接收路由节点转发的协调器节点指令等，具体工作流程如图4所示.

图4中，终端节点在上电复位之后，便开始搜索指定信道上是否已经有网络协调器，搜索到后立即发出连接请求.连接成功后，终端节点从协调器节点处接收到16位网络短地址，并且通过这个地址定时将各个传感器采集到的数据发送至协调器节点，然后采用非时隙CSMA-CA机制，在信道上通过竞争的方式向协调器节点发送传感器采集的数据信息［9］.

终端节点连接到网络后，首先对AD转换口进行初始化设置，此时判断是否引起定时器中断唤醒，如果有则传感器开始工作收集环境数据，节点执行数据采集程序，并且将数据暂时存储至寄存器中，并通过ZigBee网络发送至协调器节点，再判断是否引起ZigBee中断唤醒，如有则执行回应程序，执行后将进入休眠模式，等待新一轮的采集指令［10-11］.

在系统中，协调器节点的主要功能包括无线传感网络的组网、管理网络终端节点和路由节点、收发并储存数据信息、控制外部执行设备以及与上位机的数据通信.图5给出了协调器节点工作流程图.

图4　终端节点工作流程图

图5　协调器节点工作流程图

图5中，协调器节点在联网后，根据数据采集时序向终端节点发送传感器唤醒、数据采集等指令.当协调器节点定时器引起中断时，系统被唤醒并接收终端节点数据，首先判断是否在阈值限制范围内，如果在阈值内，则将数据存储并上传至上位机分析处理，然后进入休眠状态；当接收到的数据超出阈值时，则触发报警电路动作，并向控制中心发送报警信息，同时将控制外部执行设备工作，对环境参数进行调控，再通过与上位机的串口通信将报警信息发送至上位机.同时，再次执行接收数据指令进行判断，直到满足阈值范围，最终进入休眠模式.

4　结束语

本文提出的基于无线传感网的规模养禽环境自动控制系统的方案，利用ZigBee无线传感网技术，以MSP430F149单片机作为控制核心、CC2530模块作为数据通信核心，有效的降低了系统功耗，且具有设计简单可靠、组网灵活方便的优势，不仅解决了传统的布线冗长的缺陷，而且大大降低了系统设计成本，提高了生产效率.

〔1〕唐国英，张云影，陈敬国.蛋鸡养殖的环境控制［J］.农村天地，2003（01）：04-10.

〔2〕贺刚，王志军.国内外畜牧业装备发展趋势及前景 ［C］.2010国际农业工程大会论文集.2010（03）：12-15.

〔3〕孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］．北京：清华大学出版社，2005．127－132．

〔4〕冯艳波，陈建政，舒丛丛.基于ZigBee的无线动态应变测量［J］.中国测试，2009，35（4）：106-111.

〔5〕曹贺芳.肉鸡鸡舍的环境控制［J］.现代农业科技.2007（09）：16-17.

〔6〕郑州新双恒信息技术有限公司.CC2530中文数据手册完全版.

〔7〕徐亚峰，刘焕强，顾晓峰，等.基于 ZigBee和GPRS的远程水质监测系统的设计与实现［J］.江苏农业科学，2013，41（3）：328-331.

〔8〕彭燕.基于ZigBee的无线传感器网络研究［J］.现代电子技术，2011，34（5）：56-59.

〔9〕姚放吾，李晨浩.一种基于QoS的无线传感器网络路由协议［J］计算机技术与发展，2012，22（7）：37－41.

〔10〕李文仲．ZigBee2006无线网络与无线定位实战［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2008．

〔11〕王翠茹，于祥兵，王成福．基于ZigBee技术的温度采集传输系统［J］．仪表技术与传感器，2008（7）：103－105．

TP212.9

A

1673-260X（2016）10-0036-03

2016-08-02

国家自然科学基金资助项目（No.51605006）；安徽省教育厅自然科学基金项目（KJ2015A121）