基于ZigBee技术的自动化立体农业系统的设计

张龙浩

摘 要 随着物联网的发展，物联网与养殖业之间的联系日益密切，基于物联网技术的立体农业在部分发达国家家已经得到实施并且效果显著。现如今自动化已经给我们的生活带来了巨大的方便，并给社会带来了巨大的利益。新兴的无线技术更成为了我们生活中必不可少的一部分，其中的ZigBee技术有着成本低，易操作且支持网络拓扑的优点，如果把这种技术与立体化养殖相结合，可以实现养殖场的自动化控制，进一步减少人工的使用，并达到资源的最大化利用，从而减少成本，优化养殖户的利益。

关键词 ZigBee技术；物联网；立体农业

中图分类号 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）199-0129-03

1 研究背景与社会意义

为了实现在全球统一标准上实现能耗低、简单易操作的无线连接检测和控制，ZigBee联盟于2001年8月成立，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司在2002年共同加入该联盟并研发名为“ZigBee”的下一代无线通讯标准。

自古以来，养殖业就是一项劳动力需求大、就业人数多、效率低的行业，但随着科学技术水平的提高，近年来养殖业发展迅速，正逐步走向智能化、高效化、机械化、一体化的道路，而ZigBee等一些无线通信技术的发展将推动养殖业走向立体自动化的道路。而近年来基于物联网的立体养殖逐渐发展，技术也日益成熟。

澳大利亚、美国、荷兰等国家养殖业发展从起步时就步入了机械化生产模式，在一个养殖场中何时升温、何时喂食、何时通风供氧这些日常工作都是由添加了多元化传感器的ZigBee中央控制电脑控制并发出指令让其他执行机构完成的，养殖业中所需要的大量人力已经被机器人或者一些精密的设备取代，达到了对养殖场环境的精准控制并给予家畜最合适的生活环境，减少了家畜的发病率和饲料、燃料的浪费。生产规模得到了提高，实现了养殖规模大、单产水平高、农业劳动生产率提高发展得以推广很多新技术，使养殖业达到了世界领先水平。

作为一个农业大国，养殖业在我国经济农业中所占比重约为48%且总产值年均增速16.1%，但由于我国由于科学技术水平、地区经济发展水平的差异、个人财富和文化水平的限制，绝大多数地区自动化养殖的普及率非常低，依然以人类劳动为主的养殖形式，尤其是西北地区，至今还沿袭着古老的游牧刀耕火种方式。但近年来由于引进国外技术和我国科技水平的发展，传统的畜禽养殖结构得到了优化与改善，但禽畜养殖发展水平对于上述国家仍存在自动化程度低、人力劳动需求大、效益差等问题。

在我国，立体养殖业将是一个趋势；顶层种植名贵植株，中部饲养禽畜，末层种植食用植物的模式在很多国家得以实施，并取得了良好的效益。我国养殖业发展潜力大但自动化水平低，将ZigBee技术引入自动化、立体化养殖业的养殖方式，会减少我国养殖业对人力的投入，保证资源的最大化利用，也非常符合未来农业的发展趋势。

2 自動化养殖系统的设计

2.1 Zigbee技术的原理

ZigBee技术也称作紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网络协议，主要优点有耗能低、易操作、快速、安全并且支持多种网络拓扑，已逐渐成为各行各业经常使用的短距低速无线通讯技术之一。

物联网定义为当下几乎所有技术与计算机、互联网的技术相结合，从而实现物体与物体，环境以及状态信息之间实施实时共享以及智能化的收集传递、处理、执行让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，可以概括为“物物相连的互联网”，立体养殖业就是基于物联网而建立的一种将生产者消费者分解者三者紧密相连现代化农业。

随着新技术革命的到来，再利用信息的过程中首先要解决的就是获取准确而又可靠的信息，而人们依靠自身的感觉器官获取的信息已经无法满足的需求，为了改变这一现状，就需要传感器。传感器是能感受规定的测量物并按照数学函数法则转化成可用信号的装置，是实现自动化养殖十分重要的原件。

2.2 自动化养殖系统的调控设计

2.2.1 光照强度的控制

光照在植物体的光合作用中是必不可少的，还可以促进动物体体对钙的吸收，但强度过于大的光照会对生物的生活习惯造成巨大的影响，导致动物进食缓慢、中暑植物脱水等一系列影响生物体正常生活的行为，我们在光照处安装光照传感器并根据养殖物种的不同设定不同的光照强度参考值并通过ZigBee光照强度采集节点收集到的数据由ZigBee系统控制遮光板、补光灯等一系列改变光照强度的措施，以给禽畜和植物合适的光照条件。

2.2.2 温度的控制

温度的变化会引起禽畜和植株生长、发育、繁殖和疾病的产生会造成影响，不同的季节也会有不同的温度，养殖场中温度的调节是一直以来的难题，在本系统中养殖场中将会安置多个温度传感器，并根据养殖物种的不同设定不同的温度参考值和传感器收集到的数据对温度进行调控，由ZigBee系统控制射频接受设备控制地暖、空调等设施的自动开闭，保证每一层的温度达到最舒适值。

2.2.3 空气含氧量的控制

氧气是生物生存的必要保障，缺氧会导致窒息以至休克，会严重影响禽畜的健康，甚至会导致死亡以至养殖户收入亏损，养殖禽畜种群密度高，容易导致氧气不足情况发生，本系统中植物的存在会很好的避免缺氧的情况发生。但由于植物光合作用强度的限制，本系统将会在养殖场布置多个氧气浓度传感器，并通过不同种群对氧气的需求不同设定不同的氧气浓度参考值，并由ZigBee系统控制排气机的自动开闭，以实现动植物生存环境氧气浓度的最合理性。

2.2.4 系统自清洁的控制

粪便处理是困扰禽畜养殖的一大难题，工人们对于粪便处理也是避之不及，本系统将会在养殖栏中安放凸转离子泵并由控制中心控制开闭已达到远距离、高粘度的运输，粪便将会通过管道运输，可以保持地面的干净更能够节省人力，减少了人工成本。运输的粪便将会被收集到一个具有压力传感器的容器中，在达到一定的参考值时将信息传至中央控制中心，ZigBee系统会控制该一部分粪便分流入下一层的食用蔬菜养殖中去；超过这一参考值的部分将会排入地下的沼气池以生产沼气，来实现资源的最大化利用。endprint