畜禽养殖监控系统的研究

周鹏+燕斌+田晨

摘要：设计了智能畜禽养殖监控系统，采用ZigBee和以太网相结合的通信方式，在畜禽舍内部署各类环境监测传感器，传感器节点构成监控网络。通过各种传感器采集养殖场的相关环境因素，结合季节、养殖品种的生理特点，编制有效的养殖环境信息采集及调控程序，达到自动完成禽舍环境控制的目的。

关键词：无线传感器网络；Zigbee；以太网；畜禽养殖

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）01-0115-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.01.030

Abstract： Intelligent livestock breeding monitoring system deploys various types of monitoring sensors in livestock building.Large amount of sensor nodes constitute monitoring network. Through collecting related environment factors by various sensors，combining with physiological features of seasons and breeding species，it can form effective breeding environment information collection and regulation and control procedure，so to reach the target of automatically completing breed building environment control.

Key words： wireless sensor network； Zigbee； Ethernet； livestock breeding

温湿度、光照等环境因素，对畜禽的健康和生长有重要影响。畜禽在低温高湿环境比在低温适宜湿度环境更容易患风湿症、肠炎等疾病。高温环境中，高湿妨碍畜禽的蒸发散热，很容易使畜禽体内积热过多，体温升高而导致疾病。因此，需要对畜禽舍的温湿度进行有效地控制[1]。

智能畜禽养殖监控系统应能够采集畜禽舍内温湿度、光照等数据，并将采集到的数据通过无线及有线的方式进行传输至后台管理系统。仅获取当前的温湿度值是不够的，通常情况下，养殖者还希望能够通过必要的干预手段，将禽舍内的环境参数控制在合理的范围，以提高畜禽养殖的质量和效率。本研究设计了一套智能畜禽养殖监控系统，采用ZigBee和以太网相结合的通信方式在畜禽舍内部署各类环境监测传感器，大量的传感器节点构成监控网络。通过各种传感器采集养殖场的相关环境因素，结合季节、养殖品种的生理特点，编制有效的养殖环境信息采集及调控程序，达到自动完成禽舍环境控制的目的。

1 智能畜禽养殖监控系统体系结构设计

智能畜禽养殖监控系统的网络结构遵循物联网的3层基本结构[2]。感知层通过传感器采集节点，实现畜禽养殖场所环境信息的采集，并将数据汇聚至协调器节点做必要处理，最后将数据发送至网关[3]。网关起到连接无线传感器网络[4]与局域网或广域网的作用，通过网关可以将数据通过网卡模块或GPRS模块将数据传输至服务器供所有用户访问。用户在应用层实现养殖场环境信息的接收和发送控制命令[5]。

畜禽舍监控系统分为3部分：Zigbee无线传感器网络、网关和计算机监控软件，整个系统的体系结构如图1所示。该系统的具体实施需要完成各种节点硬件平台、节点应用程序和PC端监控软件3个方面的设计，其中硬件平台的设计包括传感器节点和网关节点的设计。

2 硬件设计

传感器节点主要包含数据采集单元和数据传输单元。传感器节点采用TI公司的CC2530片上系统为核心，湿度、光照等传感器将采集的数据送至CC2530经必要处理后以无线传输的方式传送至网关节点。

网关节点主要由数据传输单元、数据处理单元和网卡模块组成，实现的功能主要包括接收无线传感器网络中传感器节点发送的数据，将基于Zigbee协议的数据转换成符合TCP/IP协议的数据。转换完成后，通过网卡模块把数据发送到计算机。

2.1 传感器节点硬件平台的设计

温湿度传感器节点主要由DHT11数字温湿度传感器及CC2530构成，两者间的数据传输采用单总线方式。DHT11负责禽舍内温度、湿度数据的采集，采集的数据经CC2530做简单处理后由其射频部件以无线传输的方式转发至网关节点。

光照传感器节点主要由BH1750FVI光照传感器及CC2530构成，两者采用IIC总线方式进行数据传输。BH1750FVI光照傳感器负责采集禽舍内的光照数据并将数据实时传送至CC2530，CC2530对数据进行滤波等处理后转发至网关节点。

2.2 网关节点硬件平台的设计

网关节点主要由ENC28J60网卡模块及CC2530构成，ENC28J60带有SPI接口，通过该接口可以将其与CC2530进行连接（图2）。网关节点的CC2530芯片用于与其他传感器节点组成Zigbee网络，对各传感器节点转发的数据做数据融合后，ENC28J60模块将处理好的数据借助计算机网络传输至计算机。

3 软件设计

3.1 温湿度传感器程序设计

DHT11温湿度传感器采集的数据分为小数部分和整数部分，每次传输数据位数为40 bit，高位在前低位在后。具体数据格式：8 bit湿度整数数据、8 bit湿度小数数据、8 bit温度整数数据、8 bit温度小数数据及8 bit校验和。根据对该传感器时序图的详细分析，绘制了操作该传感器的流程，如图3所示。endprint

3.2 Zigbee节点的程序设计

在Zigbee协议中规定了3种类型的节点，分别是终端节点（传感器节点）、路由器节点、协调器节点（网关节点）[6]。3种节点程序的设计都是在Z-Stack 2007 PRO协议栈的基础上进行，本系统主要涉及协调器节点和传感器节点程序的设计[7]。

传感器节点上电进行初始化工作后，申请加入网络，并判断是否加入成功。若没有加入成功则继续申请加入网络，如果成功加入某网络，节点建立绑定表。接着传感器节点进行网络监控，读取传感器数据后发送数据包给网关节点并判断发送是否成功，没有发送成功时节点将重新发送。

网关节点负责创建网络，MAC层扫描有效信道，判断是否有节点加入网络。如果有节点加入网络，将节点地址存入地址表绑定，没有其他节点加入则继续扫描有效信道。网关节点判断是否收到数据包，收到则对数据进行处理，然后调用ENC28J60模块程序将数据传输给计算机。

3.3 基于uIP的网程序设计

TCP/IP协议栈的实现需要消耗较多的程序存储空间，资源有限的嵌入式系统无法满足这样的需求[8]。经过精简后的uIP协议栈包含了TCP/IP里IP、TCP、uDP和ICMP协议等必要的部分[9]。编写应用程序实现网络通信功能时，可以直接调用uIP协议栈对用户提供的API。本设计在网关节点和计算机之间建立客户机-服务器模式的网络通信机制，由CC2530组成的网关节点作为客户机，计算机为服务器[10]。

网关节点上电后，首先进行系统的初始化工作，然后等待传感器节点发送的数据。当接收到传感器节点的数据时，uIP协议栈可将数据封装成以太网数据报，最后调用硬件层的API将数据报发送至计算机。计算机有命令或数据发送到网关节点时，uIP协议栈将数据报中的有效载荷解析出来交给网关节点的应用程序处理。网关节点工作流程如图4所示。

为构建良好的人机界面，计算机监控软件采用2种方式显示有效数据。在界面的右侧直观的显示各个时间点所测量的数据，在界面的左侧以曲线的方式显示所测量数据的数值及变化趋势。打开计算机上的监测软件，并点击界面右下方的“开始服务”按钮，启动网关节点及传感器节点后可在上位机上观测禽舍内的温湿度数据。禽舍内的温度变化缓慢，为快速直观的测试该系统的基本功能，采取将温度传感器靠近热水和冰水的方式进行观测，测试结果如图5所示。

4 结论

采用ZigBee和以太网相结合的通信方式，实现了畜禽舍环境的实时监测和控制。结果表明，该智能畜禽养殖监控系统能稳定、可靠的运行，实现了预期目标。不仅适用于畜禽舍环境的监控，还可用于其他众多场合，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 高述文.浅谈环境控制对北方地区养殖场猪病防控的重要性[J].国外畜牧学（猪与禽），2016，36（5）：70-71.

[2] 郑纪业，阮怀军，封文杰，等.農业物联网体系结构与应用领域研究进展[J].中国农业科学，2017，50（4）：657-668.

[3] 宋庆恒.基于多传感器数据融合的蔬菜大棚控制系统设计[J].农机化研究，2015（4）：211-214.

[4] 周 鹏，燕 斌.TinyOS在MSP430F149上的移植与应用[J].自动化仪表，2016（8）：13-15，20.

[5] 李明河，郭建忠，王 健.基于GPRS的村镇污水处理远程监控系统设计[J].控制工程，2017，24（4）：799-803.

[6] WANG R C，CHANG R S，YEN J H，et al.A dynamic topology reformation algorithm for power saving in ZigBee sensor networks[J].International Journal of Distributed Sensor Networks，2013（2）：1-10.

[7] Z-Stack-Zigbee协议栈[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/tool/cn/z-stack，2017-08-09.

[8] 郑爱宇.基于嵌入式接口的可扩展TCP/IP协议栈的设计和实现[J].中北大学学报（自然科学版），2016，37（6）：614-619.

[9] 蒋 莱.几个主流TCP/IP协议栈介绍[J].计算机与网络，2016（8）：46.

[10] 孙卫佳，许永康.基于TCP/IP协议栈的数据包分片技术[J].长春工业大学学报，2015，36（6）：684-686.endprint