基于ZigBee的鸽舍温湿度控制采集预警系统

杨哲铭 熊子琪 程 奇

(1.华北理工大学信息工程学院 河北 唐山 063000;2.大连海事大学航运经济与管理学院 辽宁 大连 116026)

基于ZigBee的鸽舍温湿度控制采集预警系统

杨哲铭1熊子琪2程 奇1

(1.华北理工大学信息工程学院 河北 唐山 063000;2.大连海事大学航运经济与管理学院 辽宁 大连 116026)

为了帮助养殖业主更好地对鸽舍进行智能化管理，推动养殖业的发展。本项目设计了鸽舍温湿度等环境参数的控制采集预警系统。各个鸽舍内安装鸽舍环境终端，通过多个传感器来采集鸽舍内部的温度、湿度、粉尘浓度、光照强度等环境参数，并通过zigbee无线通讯，将数据传输到控制室内的控制终端，养殖业主可通过控制终端显示屏实时了解鸽舍环境情况并及时采取措施改善鸽舍环境。养殖业主也可对鸽舍环境参数设定正常范围值。当温湿度、粉尘浓度、光照强度超过设定范围时，控制终端会通过语音模块进行语音提示及显示屏相应区域闪烁来警示养殖业主；进一步地，该系统会自动通过各个鸽舍环境终端控制启动相应鸽舍的加湿器、抽湿器、加热器等设备，来调整环境参数值至指定范围内。各鸽舍环境终端另加摄像头功能，在控制器终端显示屏上可以查看鸽舍内的整体情况，为养殖业主带来方便。

ZigBee；鸽舍；Cortex-M3/M4；温湿度；预警系统

引言

随着物联网技术的兴起及发展，物联网智能设备应用也越来越广泛。许多智能设备不断地应用到了工业、农业等社会化生产环境中。在养鸽业中，也存在一些便于人们管理的智能设备。但是由于成本较高和稳定性较差等原因，所以很难大范围推广。鸽舍管理信息化水平落后是规模化肉鸽养殖主要存在的制约因素之一，随着科学技术和设施农业的发展，传统的鸽舍管理方式已经无法满足当前肉鸽养殖业的快速发展。因此，需要建立一套有效的鸽舍信息化管理系统来解决这一问题。为了方便管理员对鸽舍进行高效管理，我们设计开发了一套基于无线通讯的鸽舍信息化管理系统。

目前市场上尚未有广泛使用的鸽舍温湿度采集和控制设备。优秀的电子产品必须在保证质量的同时最大程度地满足实际应用需求，所设计的鸽舍温湿度控制采集预警系统充分考虑了鸽舍各种环境条件，并进行相应的数据采集，采用稳定的工业用近距离无线通讯协议zigbee来进行终端间的数据传输，在控制端使用触摸屏[1]来进行图形界面人机交互，具有稳定可靠、交互简单易用、保密性强等优点，相对市场上存在的设计方案在成本和易用性方面有较大优势。

一、系统总体设计

系统包括鸽舍环境终端和控制终端，分别采用Cortex-M3/M4作为主控芯片，能够满足相应功能对处理速度的要求。各传感器模块可直接采购或自行设计，摄像头模块、继电器模块可直接采购，加湿器、加热器可根据实际需求采购后进行改装。在控制终端部分，可通过语音模块播放较为简单的语音提示信息； 对LCD数模显示控制[2]需要进行细致设计和调试来提升用户体验。Zigbee通信数据传输速率约为250Kbps,组网规模大，功耗低，适用于少量数据稳定组网传输。该系统中，可实现一个控制终端来控制多个鸽舍环境终端的功能，可采用图像分割和压缩等技术来实现各鸽舍定时图像数据[3]传输。其结构如图1所示。

图1 系统总体构架图

二、硬件电路设计

该系统采用恩智浦公司的LPC1857和LPC4357作为微控制器[4]。它们分别基于ARM Cortex-M3和Cortex-M4的微控制器的嵌入式应用程序。提供系统增强功能，如低功耗，增强的调试功能，以及一个高层次的支持块集成。其中LPC1857在CPU频率高达180 MHz，LPC4357高达204MHz。它们具有3级流水线，并采用了哈佛架构，具有独立的本地指令和数据总线以及第三总线的外围设备。还包括一个内部预取单元，支持投机分支。还有一个静态可配置定时器(SCT)子系统，2个高速USB控制器，以太网，LCD，外部存储器控制器，以及多种模拟和数字外设。采用zigbee[5]来实现一对多的通信，ZigBee是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

三、系统工作原理

该系统通过环境终端上多个传感器[6]来检测采集鸽舍内部的温度、湿度、粉尘浓度、光照强度等环境参数，并通过zigbee无线通讯，将数据传输到控制终端，本系统主要针对养鸽业，利用现代电子通讯技术，设计了鸽舍温湿度等环境参数的控制采集预警系统。在各个鸽舍内安装鸽舍环境终端，通过多个传感器来检测采集鸽舍内部的温度、湿度、粉尘浓度、光照强度等环境参数，并通过zigbee无线通讯，将数据传输到控制室内的控制终端，养殖业主可通过控制终端显示屏实时了解鸽舍环境情况并及时采取措施改善鸽舍环境[7]。通过该系统，养殖业主可对鸽舍环境参数设定正常范围值。当温湿度、粉尘浓度、光照强度超过设定范围时，控制终端会通过语音模块进行语音提示及显示屏相应区域闪烁来警示养殖业主；进一步地，该系统会自动通过各个鸽舍环境终端控制启动相应鸽舍的加湿器、抽湿器、加热器等设备，来调整环境参数值至指定范围内。各鸽舍环境终端另加摄像头功能，在控制器终端显示屏上可以查看鸽舍内的整体情况，为养殖业主带来方便。

四、结论

该系统根据养鸽业智能监测的需求，基于ARM微控制器和ZigBee网关设计了这套鸽舍温湿度控制采集预警系统。它不但可以准确监测鸽舍的温湿度、粉尘浓度、光照强度等鸽舍环境参数，还可以自动控制加湿器、加热器等设备调节鸽舍温湿度。在这基础之上，还采用摄像头进行可视化监控，并将鸽舍情况显示在7寸LCD屏幕上，突破了传统的局限。有效地将物联网技术应用到了养鸽业中。并且这套系统原理简单易懂、可移植性强、成本较低，所以将来会很好地在养鸽业发展起来。

[1]孙志全.耕作部件性能试验台测控系统—基于ZigBee和LabVIEW[J].农机化研究,2018,05.

[2]何勉.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].仪器仪表用户,2017,01.

[3]李松涛.基于Android和ZigBee的移动环境监控系统[J].计算机技术与发展,2017,03.

[4]王星明.集成3S,ZigBee和射频识别的土壤采样远程智能管理系统[J].农业工程学报,2017，S1.

[5]张少凡.ZigBee技术的研究与应用[J].电脑知识与技术,2017,02.

[6]向凤红.基于ZigBee的低功耗无线传感器网络改进协议[J].传感器与微系统,2017,02.

[7]苗连强.基于ZigBee技术的温室环境远程监测系统设计[J].仪表技术与传感器,2010,10.