基于IoT的养殖场监控系统的设计与实现

摘要：该系统以ZigBee节点无线通信技术为核心，设计了一套物联网环境下的奶牛场智能监控系统。该系统不仅可以有效地采集、存储奶牛个体体温、环境温湿度、光照强度、空气质量等信息，并将其发送到远程PC机，还可以对采集到的信息进行实时分析、报警和智能处理。

关键词：物联网;Zigbee;养殖场监控

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）08-0056-02

随着科技的不断进步发展、生活水平的不断提高，人们对自己和家人的健康逐渐重视起来。高品质的牛奶含有大量的蛋白质和对人体健康有益的微量元素，为了满足市场对优质牛奶的需求，各种规模的牛奶养殖场不断出现。

目前，我国奶牛养殖业正处于蓬勃发展阶段，大量养殖户仍采用传统的圈养放养模式。传统的养殖方式有许多缺点，它不仅需要大量的人力资源，而且不能及时、准确地检测奶牛是否生病或是否处于发情期。如果奶牛生病，会直接影响当天的牛奶质量，假如奶牛在怀孕期间生病，更会对下一代犊牛的体质产生很大的负面影响。此外，牛舍的环境直接决定了牛群能否健康成长，一旦牛群生病，将给奶农带来不可逆转的经济损失。传统的养殖户作业通常采用人工现场数据采集等方法来判断目前的牛舍环境是否适合牛群的生长，但这浪费了大量的人力。针对此情况，本文设计了一个完善的养殖系统，包括奶牛健康数据监测、环境和生长指标异常报警、监测数据记录、历史数据回顾、周统计和月统计等功能。

1 系统设计

与传统的人工检测相比，本系统设计的智能监控系统具有明显的优势。它可以检测奶牛的体温和运动量、环境温湿度以及光照强度。它具有实时、快速、同时检测多个奶牛和多个环境节点的特点。本系统以PC机为终端，采用2.4G无线网络对所有信息进行监控。采集的数据被发送到PC机并存储，用户可以在一定时间内掌握被测信息，达到智能处理的效果。

本系统通过单片机控制多个传感器节点同时驱动多个传感器，并将获取的数据通过ZigBee无线传感器网络实时发送到PC终端进行存储和可视化处理，具有异常报警提示等功能，使管理者能够及时采取有效措施。

1.1 体温无线监测功能

在本设计中，ZigBee网络节点和温度传感器组成一个奶牛体温探测器，放置在奶牛腿上。传感器检测到奶牛体温后，通过网络节点将数据发送给网络协调器。当温度超过正常奶牛体温时（需提前设定阈值），会触发声光报警功能，提醒工作人员及时处理此异常情况。

1.2 光控/温控系统

在奶牛场安装监控系统和控制系统，对牛舍的环境指标（室内温湿度、光照强度）进行监控，并通过控制系统实现自动调节功能。在监测系统中，为农场的温度和湿度设置一个初始阈值。当检测系统检测到实际温度和湿度值超过预定阈值时，控制系统将被激活，以控制农场排气扇的运行，通风的目的就是用来散热。光控系统和温控系统的功能相似，还设置了初始光强阈值。当室内光线强度超过设定阈值时，控制系统控制窗帘落下遮阳。当光线强度较弱时，可以控制窗帘卷起，增强室内采光，保持相对较好的光照空间。

2 系统实现

2.1 感知层技术

温度模块采用的温度传感器为DS18B20，占用空间小、抗干扰能力较强、测温精度较高。它通常用于空调环境控制和建筑物中系统、设备或机械设备的温度监测。应用范围广、价格低廉、实用性强，因此本设计采用DS18B20芯片进行温度采集。

DHT11数字温/湿度传感器是一种含有已校正的数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器分别内置了一个电阻式湿度测量元件和负温度系数热敏电阻器温度测量元件，它可以与高性能的8位单片机相连接。由于该传感器采用的串行接口遵循单线制规范，从而使得系统的集成过程变得简单快捷。此外，该传感器还具备超小的体积、极低的功耗，超快的响应、较强的抗干扰能力等优点，其信号传输距离可以超过20米，所以是各类应用场合的合理选择。

ADXL345是一种体积小、功耗低、基于 iMEMS 技术的三轴数字输出加速度传感器。它的测量范围涵盖+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g，具有最高达13位的分辨率，最高灵敏度可达 3.9mg/LSB，甚至可测量到倾斜角度在 1度以内的微小改变。这款传感器提供多种特殊的检测功能，尤其适合配置在移动设备上。

光感电阻的工作原理是基于内部光电效应。光感电阻是由半导体光电效应产生的电阻，其电阻值随入射光强度的变化而变化;当入射光強时，电阻减小;入射光弱时，电阻增大。光感电阻一般用于光测量、光控制和光电转换（将光的变化转化为电的变化）。它基于半导体光电效应，光感电阻没有极性，而且是一个纯电阻元件，使用时可以添加直流电压或交流电压。

该系统采用的气体传感器为MQ-135传感器，它利用二氧化锡（SnO2）作为气敏材料，因为其电导率在清洁空气中较低。此传感器采用高低温循环检测法，在低温（1.5V加热）下检测一氧化碳。传感器的电导率随着空气中一氧化碳浓度的增加而增加，并且在高温（5.0V加热）下检测到甲烷和丙烷并对低温吸附的杂散气体加以净化。利用简单的电路可以将电导率的变化转换为对应于气体浓度的输出信号。MQ-135传感器对氨气、硫化物和苯蒸气具有很高的灵敏度，它也是烟雾和其他有害监测的理想选择。这种传感器可以检测各种有害气体，是一种适合各种应用的低成本传感器。

步进电机其实是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的运动驱动装置，控制器发送一个脉冲信号给步进电机，步进电机立即根据信号设计的频率在预定的方向上旋转一个固定的单位角度。因为脉冲信号的数量多少实际上代表需要控制的角位移大小，所以可以利用这个原理实现对目标精确定位的效果。当一系列连续的控制脉冲作用于步进电机时，步进电机可以连续旋转。每个脉冲信号对应于步进电机的一相或两相绕组通电状态的变化，该变化对应于转子转动一定角度（步进角）。当通电状态的变化完成一个循环时，转子旋转一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电模式下运行。常用的通电模式有单四拍、双四拍和八拍。

2.2 传输层技术

近年来，ZigBee技术因其特有的应用特性受到了人们的青睐。该技术作为一种传感器网络支撑技术，非常适合传输的数据量小，需要实时传输的场合。本设计的应用场合恰好需要一款这样的产品作为信号传输的中介，因此本设计使用多个节点组成ZigBee平台。由于同一协议栈的网络握手协议和过程是相同的，因此必须保证网络中信息传输过程的一致性。協调器、路由器和终端设备之间只能使用相同的协议栈来实现互操作。在组网实验中，统一使用了协议栈。

CC2530 ZigBee模块结合了领先射频收发器、行业标准增强型8051 CPU和德州仪器行业领先的gold cell ZigBee协议栈（Z-stack™）的优异性能，提供强大而完整的ZigBee解决方案。CC2530具有不同的工作模式，特别适用于具有超低功耗要求的系统。CC2530可以通过自己的ZigBee模块将采集到的有用数据发送给协调器，并通过串口传输到PC机上，使技术人员能够实时了解奶牛个体和环境的状况。

2.3 控制层技术

本设计采用的CC2530（无线片上系统单片机）是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个典型的片上系统（SoC）解决方案。CC2530芯片结合了领先的2.4GHz的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051单片机，系统内置可编程闪存，8KB RAM和许多其他强大的功能。正是通过CC2530内置优良性能的2.4GHzRF（Radio frequency 射频）收发器，可以实现本设计系统中所需的无线通信功能。基于此，可以以很低的总材料成本构建一个功能十分完美的应用平台。

CC2530 ZigBee模块包含性能优异的低功耗8051微控制器核心、2.4 GHz IEEE802.15.4射频收发器、USB到串行接口、天线接口、晶体振荡器和I/O扩展端口。两种有源模式和三种供电方式，低功耗性能较好。

2.4 软件开发技术

本设计使用的开发环境是IAR for 8051V8.10，用于编写程序。SmartRF Flash Program是用户的SmartRF Flash编程手册。闪存编程器可以用来编程闪存。对于IEEE802.15.4兼容设备（如CC2530）和蓝牙（R）低功耗设备（如CC2540），flash编程器支持读写IEEE MAC地址。包嗅探器是一种软件工具，它帮助维护、故障检测和微调局域网和广域网。该工具观察网段的流量，学习掌握网络配置，解码协议，提交统计数据，自动识别许多常见的网络问题，并能生成管理报告。

本系统方案的设计思想是以CC2530协调器为核心控制器，接收多个节点采集的传感器数据（测量的奶牛体温、运动量、温湿度、光照强度），协调器对数据进行处理，控制电机执行相应动作，数据通过串口传输到PC机进行显示。

3 结束语

本系统设计了一个能自动检测奶牛体温和运动状态的智能系统。其功能基于CC2530 ZigBee模块，实现多点温度测量和运动监测，并对奶牛场的生长环境进行及时调整。作为一种奶牛场智能监控系统设计，它顺应了当今时代科学技术的发展趋势，适合规模化奶牛养殖环境。本设计充分结合了前人的研究成果和创新成果，将科学技术应用于特定场合，具有较高的经济价值和社会效益。

参考文献：

[1] 李敏.基于物联网的监控系统研究与应用[D].荆州：长江大学，2016.

[2] 包子建.基于IoT的污染监测系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能车系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16（8）：179-180.

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