基于ZigBee无线传感网络的猪舍监控系统

周景文，李临生，李慧霞

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

基于ZigBee无线传感网络的猪舍监控系统

周景文，李临生，李慧霞

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

针对现代养猪场建设地点空旷偏僻、猪舍环境复杂、布线困难等问题，设计了一种基于ZigBee无线传感网络的猪舍监控系统。通过在猪舍内部安装各类传感器组成ZigBee无线网络系统，以RT5350主控芯片为核心的嵌入式网关负责数据的汇总和转发，及时将猪舍环境参数传输到上位机监控系统。局域网客户端可以通过连接WIFI监控实时数据，远程用户可以通过连接Internet查看实时数据，实现环境、设备和人之间的信息交换。实际测试表明：该系统能够可靠和高效地传输猪舍各类参数信息，猪舍内各调控设备运行稳定，提高了生猪养殖的科学化水平，具有良好的应用前景。

猪舍;ZigBee无线网络;RT5350嵌入式系统;监控

最近几年，全国各地的养猪业的规模化建设迅速，生猪养殖越来越科学化和现代化。生猪的生长不仅受营养、遗传因素影响，其生长环境也起着至关重要的作用[1]。传统的封闭式猪舍因其建筑结构的局限性，不仅导致猪舍缺乏光照和通风不畅，而且猪舍容易积累了大量有害气体，这些气体主要包括二氧化碳、氨气、硫化氢等，这些因素制约着生猪养殖业的发展。因此要对生猪养殖环境进行实时监测，并在分析监控信息的基础上采取必要的措施，适宜的养殖环境有利于减少疾病的发生，降低养殖风险，提高生猪养殖效益，目前，对生猪养殖环境的监控受到越来越多的重视[2]。文献[3]基于ZigBee网络的农田信息采集系统，利用ZigBee无线通信技术对农田信息进行了精确采集与传输；文献[4]基于无线传感器网络的温湿度监控系统，结合ZigBee技术和移动网络通信技术，实现了对养殖场内温湿度的采集并调控；文献[5]基于物联网的保育猪舍环境监控系统，精确管理保育猪舍环境信息和调控设备。本文已有的研究基础上，将RT5350-Linux嵌入式系统、ZigBee技术与WIFI无线通信技术相结合，扩展监测内容，增设环境调控设备，进一步提高了生猪养殖场的精准化管理水平。

1 系统总体方案

结合江苏省灌云县某养猪场对生猪养殖地综合信息采集的需求，针对养猪场存在的上述问题，设计了一个猪舍监控系统，该生猪养殖场共有3排猪舍，每排猪舍长110 m，宽18.2 m，整体结构由生猪养殖场ZigBee无线传感器网络、RT5350嵌入式网关、WIFI无线路由和上位机监控中心四个部分组成。

图1 猪舍监控系统整体结构图

养殖场ZigBee无线传感网络由ZigBee终端节点、路由器和协调器节点组成。ZigBee终端节点连接风速、光照度以及各有毒气体浓度等常规猪舍环境数据监测的传感器；ZigBee路由器具有中继转发功能，使距离较远的网络节点可以通过多跳路由方式将数据发送到ZigBee协调器中；ZigBee协调节点主要功能是在一定范围内组建ZigBee网络，汇总来自终端和路由器的信息，负责转发嵌入式网关与传感器网络之间的数据，实现双向通信[6-7]。

本系统通过RT5350嵌入式网关进行通信协议的转换，实现两种网络之间的交互通信，是WIFI无线通信与ZigBee无线网络、Internet无缝连接的桥梁。网关自身具备的串口收发模块和ZigBee协调节点通过UART串口相连，实现串口通信；网关的WIFI模块与Internet连接，用户可对猪舍实现远程监控。上位机的监控端软件通过图形化实时显示当前的温湿度、各类有毒气体等信息，及时启动猪舍调控设备，是猪舍环境达到适宜，从而实现对猪舍的实时监控。

2 硬件设计

为了保证生猪生长环境合格，猪舍监控系统应具有环境参数采集、信息汇总发送、数据存储分析、远程操控等功能。

2.1 ZigBee节点与传感器组成无线网络硬件设计

ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，具有成本低、功耗小、可双向无线传输等特点，可采用2.4 GHz频段跳频和扩频技术，最多支持254个节点网络，配合使用CC2591增加无线网络的发射功率，可以是有效传输距离达到400 m左右，非常适合地点空旷偏僻，监测点多，不用布线，组网容易的生猪养殖场。本系统的ZigBee节点核心采用TI公司生产的CC2530F256芯片，其内部拥有一个增强型8051微处理器，结合先进的微功率无线射频性能，支持电源管理功能，提供多种工作模式，能够以非常低的成本建立强大的网络节点。通过将外围的传感器(温湿度传感器、有毒气体浓度传感器等)连接到CC2530的A/D转换器上，共同组成传感器节点的硬件结构[8-11]。

传感器主要是监测猪舍内部的温湿度、有毒气体浓度、风速和光照强度等环境参数，其中温湿度传感器采用的是瑞士Sensirion公司生产的SHT10温湿度复合传感器；二氧化碳浓度检测传感器采用的是日本弗加逻公司生产的TGS4160固态电化学型传感器；硫化氢和氨气浓度检测传感器分别采用的是美国RAE Systems公司的4NH3-100氨气传感器和4H2S-100硫化氢传感器，由于模拟量输出比较小，需要接上数字放大器，这里选用TI公司生产的PGA204百倍放大器，实现与CC2530内部自带的A/D通道进行信息采集和处理。这几款传感器均具有体积小、寿命长、稳定性好等特性，在农业和工业中广泛应用。

另外，风速传感器采用TR-FS02三杯风速传感器，该传感器启动风速为0.3 m/s，具有测量范围宽、精度高、灵敏度高的特点，其输出为RS485信号，抗雷电干扰能力强，工作稳定，在农林、环保等邻域被广泛的使用。将CC2530的串口电平经过MAX485转换成RS485信号，在连接风速传感器，便可以获取猪舍环境风速。

光照强度传感器采用GY-30模块，该传感器用I2C总线通讯，并且接口和采集方式与STH10温湿度传感器均相同，该模块具有较高感光灵敏度、外围电路少，安装方便且价格低廉等特性，非常适合应用于猪舍环境内的光照的监测。

表1 传感器技术参数表

Tab.1 Technology parameter tables of sensors

参数名称STH10(温度)STH10(湿度)TGS41604NH3⁃1004H2S⁃100TR⁃FS02GY⁃30电压(VDC)3．33．355553～5测量范围-40℃⁃+123．8℃0⁃100%RH0⁃5000ppm0⁃100ppm0⁃100ppm0⁃70m/s0⁃62236lx分辨率0．01℃0．03%RH10ppm0．5ppm0．4ppm0．1m/s1lx使用寿命(年)2262253

Fig.2Theprinciplediagramofthecoremodules

Fig.3ThestructureofZigBeeterminalnode

CC2530F256芯片通过P0_2、P0_3和P0_4组成的UART接口与各传感器相连。

由于这些传感器的工作电压有所差别，大致分为12 V、5 V和3.3 V，为了保证系统中传感器稳定高效的工作，采用开关电源模式供电，开关电源具有供电效率高，布线简单等优点。将24 V的开关电源通过LM2576HVT-12稳压器转换成12 V，再分别通过LM2576HVT-3.3和LM2576T-5.0稳压片将其转换成3.3 V和5 V，温湿度传感器STH10用3.3 V供电，有毒气体和光照强度传感器采用5 V供电，风速传感器采用12 V供电。

图4 CC2530模块实物图

2.2 RT5350嵌入式网关模块设计

嵌入式网关硬件由RT5350芯片、串口收发器模块、WIFI收发模块以及电源和外部存储器组成[12]。Ralink公司生产的RT5350芯片是网关硬件的核心，它支持802.11 n以太网协议，采用通用串行接口，不仅可以与Zigbee协调器节点的CC2530芯片进行数据交换，而且可以实现与WIFI无线网络之间的通信，吞吐速率可以达到100 Mbit/s，片上自带主频为360 MHz的高速处理器，处理能力充足。电源模块为嵌入式网关的正常运行提供支持。

图5 RT5350嵌入式网关结构

外围存储器包括32 M的SDRAM和256 M的SPI FLASH，开发板上还拥有很多各式端口，可以扩展更多的功能。ZigBee协调节点采用与终端采集节点相同的CC2530模块，这一节点集成在嵌入式网关上，负责建立网络，分配地址，转发信息等功能。

2.3 WIFI无线路由

WIFI无线路由Acess Point和无线网卡组成，可直接作为室外智能型大功率802.11n无线基站接入设备。不仅无需布线，方便与现有以太网整合，而且生猪养殖场地点多在郊区，周围空旷，信号干扰少，自行架设接入点，无需另付费用，大大降低养殖场的运营成本。因此本系统采用WIFI无线网络技术，用于连接每个猪舍嵌入式网关控制器与上位机监控中心的网络，实现对猪舍环境的实时监测和远程调控。

3 软件设计

3.1 ZigBee无线网络的程序流程设计

ZigBee协调器节点负责组建和维护网络，汇聚采集终端节点发送的猪舍环境参数的采集数据并将其转发到网关，进而发送到监控中心。协调器节点上电后，首先扫描周围信道信息，在空闲信道上创建ZigBee网络，然后进入等待状态，收到网络请求后进行相应的任务处理。接收来自采集节点的采集信息并反馈回应，同时，向终端节点转发来自监控中心的控制命令。ZigBee协调器节点的程序流程如图6所示，猪舍环境参数采集终端ZigBee节点软件流程图如图7所示。

图6 ZigBee协调器节点程序流程图

图7 ZigBee采集终端节点程序流程图

由于本系统中传感器数量众多，各传感器信息传递的数据帧格式不同，无线网络间的传输速度有差异等，容易造成信息处理错乱，为了保障协调节点与数据监控中心有效稳定的通信，因此需要对传感器数据帧进行统一的定义[13-14]。表2定义RT5350发向数据监控中心的上行链路数据帧格式，表3定义了发给ZigBee协调节点的下行链路数据帧格式。

其中上行数据帧的结构包括帧头、帧尾、猪舍地址、协调器节点地址、传感器节点地址以及各环境传感器数据；下行数据帧的结构中，除了帧头、帧尾，还具备组网指令、数据采集命令、驱动外围设备指令、配置网络参数指令等，从结构上保证信息交流的准确和有效。

表2 上行数据帧格式

Tab.2 Up-data format of frame

定义帧头地址段设备号温湿度二氧化碳氨气硫化氢风速光照度帧尾字节长度2424222222

表3 下行数据帧格式

Tab.3 Down-data format of frame

定义帧头地址段命令字设备号保留位数据段帧尾字节长度2422422

3.2 RT5350嵌入式网关程序流程设计

该嵌入式网关是基于RT5350嵌入式平台设计的，当RT5350模块接到数据中心经WIFI无线基站传来的数据时，它作为服务器，将数据放入RT5350的外部内存缓存区中，待数据接收完后，再将数据拷到串口的发送缓冲区，串口按指令发送信息，最终将串口数据发送到ZigBee协调器节点。反之，ZigBee协调器要向数据中心发送数据时，RT5350便作为客户端，将数据经WIFI无线网络转发至数据中心。

3.3 上位机数据管理系统

上位机数据管理系统为用户提供Web数据访问服务，采用C#、ASP.NET编写，Microsoft SQL Server 2010作为数据库，基于模型-视图-控制器模型结构框架，确保程序运行良好[15]，方便工作人员通过浏览器登录系统界面，查询相关养殖信息，发布信息，实现对猪舍的实时监控和对猪舍内部设施的调控。

4 系统测试

一个稳定可靠的系统首先应该测量到真实可靠的数据，才能在实际的应用中起到作用，因此数据的精度决定着系统的优劣。

图8 RT5350嵌入式网关程序流程图

图9 猪舍智能监控系统

4.1 无线传感网络协调器节点测试

ZigBee节点通电初始化完成后，协调器节点建立一个网络，采集终端ZigBee节点加入该网络。通过协调器节点向与终端ZigBee节点连接的传感器下发读取命令。将所测试的ZigBee协调器节点与PC机经CC Debugger连接，用TI Packet Sniffer软件分析无线网络中所发送的数据包，在图10介质访问层MAC payload 栏中数据帧：EF EF 53 66 01 01 00 00 06 33 2A 03 A2 31 30 30 01 01 1C 79 5C 78 FE FE，该数据是采集终端ZigBee节点所发送的采集数据，协调器节点接收到采集节点所发送的数据包后对其进行处理，提取有效数据部分，将其发送到上位机数据管理系统。

Fig.10ThedetailsofZigBeedatapacket

4.2 ZigBee无线网络系统精度验证

选取江苏省灌云县某生猪养殖场作为系统测试地，在实验地选取3个主节点，12个了节点进行验证。在实验场地处的每个终端节点放置较为准确的测试仪，将两组测定的数据进行比对[16]。其中，测定项目包含猪舍内的空气温湿度、二氧化碳、氨气、硫化氢浓度、风速以及光照度，测试仪分别为德国的Kobold温湿度传感器、二氧化碳测试仪、德尔格氨气检测仪、瑞凯雷AWW300-H2S检测仪、绿萱DAHF-1风速仪和美国HOBOH8光照强度测试仪。

表4 系统数据精度验证

Fig.4 The verification of system data accuracy

从表4的对比结果中可以看到，该系统所测的温湿度和风速数据，与仪器所测数据的误差在5%，光照度误差在5%～10%之间，二氧化碳、氨气和硫化氢气体浓度误差在11%～17%之间，说明当前系统具有相当的可靠性和使用性，可以满足猪舍环境的监控要求。猪舍内有毒气体浓度传感器的测量位置受其密度影响，例如氨气和硫化氢浓度传感器应该安装在猪舍上部位置，二氧化碳浓度传感器应该安装在下部位置；温湿度会受到每天时间段和地势高低的影响等等这些客观因素，都会给系统造成测量误差，接下来会综合考虑各方面因素对系统再调试，使之更高效地工作。

5 结束语

根据生猪养殖场信息监测的需要，设计了一种基于ZigBee无线传感网络的猪舍监控系统，通过对传感器和ZigBee无线网络各节点以及嵌入式网关进行硬件和软件开发，然后对系统进行实地测试，表明本系统可以实现生猪养殖场各ZigBee无线传感器网络与RT5350嵌入式网关、WIFI无线路由、上位机之间双向的通信，实现了对猪舍的实时监控和调控，解决猪舍环境检测复杂、布线困难等问题，降低了生猪养殖场的运营成本，具有一定的应用推广价值。

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DesignofPiggeryMonitoringSystemBasedOnZigBeeNetwork

ZHOU Jing-wen , LI Lin-sheng , LI Hui-xia

(College of Electronics and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

This paper designs a pigsty monitoring system based on the ZigBee wireless sensor network aiming at solving such tricky problems as the remote location selection of modern pig farms construction site, complexity of pigsty environment and wiring difficulties. By installing various types of sensors inside the pigsty, the ZigBee wireless network system summarizes and puts forward relevant data through using RT5350 as the main MUC embedded gateway to data collection and forwarding, transmitting a piggery environmental parameters in a timely manner to the PC monitoring system. The clients can monitor the real-time data by connecting to the WIFI, meanwhile, the remote users can check the real-time data by connecting to the internet, realizing interconnection of the environment, devices and users. Practical tests show that such a system can reliably and efficiently transmit various parameter information on pigsties and has a good prospect of application by running stability control equipment and improving the scientific level of the pigsties.

piggery, ZigBee wireless network, RT5350 embedded system, monitoring

1673-2057(2018)01-0018-08

2016-10-22

太原科技大学研究生科技创新项目(21051006,2016XC09)

周景文(1989-),男,硕士研究生,主要研究方向为智能信息与图像信息处理、模式识别。

TN92

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2018.01.004