基于ZigBee和云平台的智慧养殖环境监测系统设计

薛鸿民 王炜卓

摘  要：畜牧业是我国经济发展的基础产业，传统的养殖场主要采用人工养殖，实行粗放式管理，不仅浪费人力物力，也不能实时有效地监管养殖场环境。为此，设计出一种基于ZigBee和云平台的智慧养殖环境监测系统，借助ZigBee模块采集养殖环境中的各项信息，并通过Wi-Fi模块发送至OneNET云平台，实现对数据的实时监测与管理。测试结果表明，该系统扩展性强，节点数目易于改变，具有很强的实用价值。

关键词：物联网;智慧养殖;ZigBee;OneNET云平台

中图分类号：TN929.5        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0164-05

Design of Intelligent Breeding Environment Monitoring System Based on ZigBee and Cloud Platform

XUE Hongmin， WANG Weizhuo

（School of Information Engineering， Shaanxi Xueqian Normal University， Xi’an 710100， China）

Abstract： Animal husbandry is the basic industry of China’s economic development. Traditional farms mainly adopt artificial breeding and extensive management， which not only wastes human and material resources， but also can not effectively supervise the breeding environment in real time. Therefore， we design a smart breeding environment monitoring system based on ZigBee and cloud platform， which uses ZigBee module to collect all kinds of information in the breeding environment and sent it to OneNET cloud platform through Wi-Fi module for real-time monitoring and management of data. The test results show that the system has strong scalability， the number of nodes is easy to change， and has strong practical value.

Keywords： Internet of things; smart breeding; ZigBee; OneNET cloud platform

0  引  言

隨着新一代信息技术的发展，动物的养殖方式也发生了很大的变化，智慧养殖是当下的热点，也是未来养殖产业发展的方向。基于ZigBee和云平台的智慧养殖环境监测系统提供横跨云、边、端多个维度的计算服务和智能处理能力，可使养殖场满足节能、环保的要求，管理人员通过物联网云平台可实现实时决策和自主协作，从而实现对养殖场高效有序的监管。

为了精准高效地获取当前养殖环境中的各项信息，实现对养殖设备的自动控制，我们设计了基于ZigBee和云平台的智慧养殖环境监测系统。选用ZigBee（cc2530最小系统）模块完成主体搭建，加入温湿度传感器、光敏电阻、有害气体传感器等传感节点，以做到智能化感知养殖环境中的环境数据，通过Wi-Fi模块将采集到的环境数据发送给远程服务器——OneNET云平台端。此外，系统具有自动控制设备的功能，为管理人员提供远程控制操作以及数据显示的界面，构建网络化、数字化、智能化的现代养殖环境以及现代养殖系统，推动养殖产业的智能化和可持续发展[1]。

1  系统设计方案

相较于传统的养殖方式，基于ZigBee和云平台的智慧养殖环境监测系统能够更加精准高效地获取养殖环境中的各项信息，并通过数据分析和处理自动对养殖场的设备进行控制，建立更加智慧化的养殖生态体系。本系统采用ZigBee协调器设备驱动传感器对养殖环境中的各项信息进行实时的感知、监测、采集，利用ZigBee无线通信技术、以自组多跳的传输方式进行数据的无线收发，通过ZigBee终端设备驱动控制模块，实现远程控制和自动控制的功能;同时利用Wi-Fi通信模块将采集到的环境信息发送至OneNET云平台端，创建直观的数据显示和设备控制页面。管理人员在移动终端设备上登录云平台账号，即可直接观察养殖环境中的真时状况，进行设备的远程控制操作[2]。系统整体设计方案如图1所示。

2  物联网体系架构

2.1  感知层与控制层

感知层是采集信息和数据预处理的基础与核心，通过传感器器件获取环境信息（例如温湿度、光照强度、有害气体浓度等），进行适当的处理后，传感器将采集到的实时数据发送到ZigBee协调器并上传至云平台，同时与系统所设定的阈值进行比较，若超出设定阈值范围即可自动控制ZigBee终端设备。

2.2  网络层

传输层负责安全传递采集到的信息，是信息传输与交互的关键所在。通过ZigBee无线通信技术将信息、数据与指令在感知层、控制层、平台服务层，应用层之间传递。本系统通过Wi-Fi模块ESP8266芯片建立通信过程，依据传输应用层的各种指令，将数据通过Wi-Fi模块传送到物联网OneNET云平台端。

2.3  平台服务层

平台服务层负责数据的鉴权、接入和收发，是物联网网络架构中最重要的一部分。OneNET云平台提供丰富的API和数据分发能力，满足开发者的系统需求，降低设备运维成本。本系统接入OneNET云平台进行设备管理，设备命令交互操作，通过MQTT协议和HTTP/HTTPS的API接口根据场景搭建不同的应用系统。

2.4  应用层

应用层负责根据具体的场景需求，通过OneNET云平台上的数据可视化工具，创立直观的数据可视化及控制页面，并设计出便于管理人员操作的手机控制端APP，在云端可以反映设备的当前状态，实现监控、分析、预警、可视化以及智能控制，实现智能化的智慧养殖系统[3]。

3  硬件系统设计

3.1  数据节点微处理器选型

本系统选用的处理器为ZigBee cc2530最小系统（集成有8051单片机的计算处理核心），是真正的SOC片上系统解决方案，支持IEEE 802.15.4协议，256 KB闪存，拥有庞大的快闪记忆体，多达256个字节，包含2个USART12位的ADC和21个通用GPIO。cc2530提供101 dB的链路质量、优秀的接收器灵敏性和卓越的抗干扰性，配备标准兼容或专有的网络协议栈来简化开发[4]。cc2530最小系统电路如图2所示。

3.2  传感器选型

传感器是一种检测装置，可以将检测到的信息按照一定的规律转换成电信号并通过其他方式输出，通常由敏感元件和转换元件组成。本系统选用的是光敏电阻（GM5516）、温湿度传感器（DHT11）和有害气体传感器（MQ-135）。

光敏电阻（GM5516）的工作原理是内光电效应，即光照越弱，阻值就越高，光敏电阻对光线十分敏感，具有超强的稳定性和可靠性。温湿度传感器（DHT11）是一款数字信号传输传感器，可以感知环境温湿度，支持单总线数字信号，兼容3.3 V/5 V电平，尺寸小，功耗低，精密度高且稳定性好。有害气体传感器（MQ-135）在较宽的浓度范围内对有害气体有良好的灵敏度，可以检测出氨气、硫化物等有害气体，支持DO输出数字信号，适用于环境监测、智能控制等多种应用场景。各传感器电路接口图如图3所示。

3.3  无线通信模块选型

Wi-Fi技术是一种允许电子设备连接到无线局域网（WLAN）的技术，它对应一套通信的规则，保证让两个节点互相连接，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射频频段。具有无线电波的覆盖范围广、传输速率快，便于设备接入等优点。Wi-Fi模块内置无线网络协议（IEEE802.11b.g.n协议栈及TCP/IP协议栈），以此连接互联网络，传输数据。

本系统无线通信模块选用Wi-Fi（ESP8266）模块。配置管脚、通信串口管脚已全部引出。Wi-Fi模块可以充当一个站点SP，也可以是AP接入点，可以连接手机、路由器等Wi-Fi设备。使用Wi-Fi模块连接ZigBee协调器和OneNET云平台，上行数据流将ZigBee终端采集到的温湿度、光照强度、有害气体浓度等数据以无线通信的方式发送给ZigBee协调器，再通过Wi-Fi模块发送至OneNET云平台端，为用户提供便捷的数据可视化界面;下行数据流由用户端发出设备控制指令，经Wi-Fi模块发送至ZigBee协调器，ZigBee协调器以无线通信的方式控制ZigBee终端上的设备运行[5]。Wi-Fi模块通信串口如图4所示。

4  软件设计

4.1  系统软件设计

本系统软件开发平台选用IAR EW8051-8.1，编程语言为C语言，仿真器驱动为SmartRF04EB。智慧养殖环境监测系统硬件由ZigBee协调器和终端设备组成，采用简单的星状拓扑结构，包含一个ZigBee协调器节点和多个ZigBee终端节点，ZigBee协调器节点负责建立新的网络系统，设定网络参数和管理网络中的节点;ZigBee终端节点则负责加入网络，执行数据采集与传送，并通过协调器设备关联网络[6]。

首先，ZigBee协调器上电并启动，完成网络建立和网络的初始化，选择一个合适的信道并为自己的网络选择一个PANID（网络标识符），然后通过周期广播函数向周围发出数据帧，开始执行轮转查询式操作;终端节点上电初始化完成后，应用层向网络层发送原语请求加入网络，网络层收到请求后主动扫描周围网络，找到合适的PANID后向MAC层请求关联，网络层再向应用层报告加入网络的结果。在ZigBee设备组网完成后，系统启动监测当前的环境信息，实时性采集所监测的数据并与阈值进行比较，若高于阈值范围则自动开启设备。系统软件设计流程图如图5所示。

4.2  Z-Stack协议栈

Z-Stack协议栈是半开源的程序代码库，提供操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序，基于IEEE 802.15.4协议，是一种无线自组网技术标准（由ZigBee联盟制定）。在使用时仅需调用API函数，工作频段为2.4 GHz，传输距离在10～100 m的范围内，适用于监测或控制通信覆盖范围较大的网络。

ZigBee协议栈的核心部分为网络层，网络层负责拓扑结构的建立和维护，协同完成寻址、路由以及传送数据。用户可以在App層添加应用程序，在HAL层对具体的硬件进行修改，在OSAL层实现操作系统的功能并通过片轮转算法实现多任务调度。首先在main（）函数中完成系统初始化工作，然后通过osal_start_system（）启动操作系统，通过tasksEvents[idx]任务事件数组来判断OSAL中是否有事件发生。在调用了各层的任务初始化函数之后，系统就会调用osal_set_event（taskID，event）函数，将各层任务的事件存储到taskEvent数组中。osal_start_system（）函数通过轮询的方式不断查询是否有事件发生，通过串口通信将协调器上的整个网络信息发送给上位机，进行可视化和数据存储等处理。ZigBee协调器节点的工作流程如图6所示。

在应用层任务初始化函数中添加：

MT_UartInit（）;   //串口初始化

MT_UartRegisterTaskID（task_id）;   //串口任务注册

串口操作相关函数：

unit16HalUARTRead（unit8 port，unit8*buf，unit16 len）; //从UART中读数据

unit16HalUARTWrite（unit8 port，unit8 *buf，unit16 len）;//把数据写入到UART中

4.3  系统应用平台

云平台使物联网应用的快速实现成为可能，从开发难度、功能性和稳定性等多方面提供服务保证。开放第三方API接口，实现个性化应用场景构建。云平台具有数据接收、数据存储、数据分析显示、数据可视化组件及控制下发和账户管理等功能，实现了应用程序的快速开发和管理的简化。

本项目选用OneNET云平台作为系统应用平台，在USART_Data_Send（）函数中集成数据，将数据打包后发送到OneNET平台，就可以实时记录用户采集到的数据;在USART1_IRQHand（）函数中接收并保存控制命令，让Control_Execution（）函数执行该命令，用户就可以通过执行OneNET下发的控制命令来控制设备。OneNET云平台用户控制界面如图7所示。

5  系统测试与分析

基于ZigBee和云平台的智慧养殖环境监测系统主要由ZigBee协调器节点、ZigBee终端节点和OneNET云平台三部分构成。

由表1的测试结果可知，在测试ZigBee协调器与终端节点功能时，节点是否能采集到养殖环境数据与养殖环境中是否存在ZigBee协调器节点有关，若环境中存在ZigBee协调器节点，节点将自动入网，且终端节点定时发送监测数据至ZigBee协调器节点。在表2中，ZigBee协调器节点的工作状态与节点是否入网以及Wi-Fi是否成功连接TCP服务器均有关系。当且仅当网络中有节点与Wi-Fi成功连接TCP服务器后，ZigBee协调器节点才会进入正常的工作模式。该系统测试同样符合系统的功能设定。

根据功能设计，系统一共有三种控制模式，分别是手动控制模式、自动控制模式和远程控制模式。为验证系统实现的功能是否完整，对所有的功能进行测试，根据功能的不同模式进行相应的测试，最终获得的结果如表3所示。

6  结  论

本项目将传统养殖产业与ZigBee无线通信技术和云平台技术相结合，实现了对养殖环境的实时监测、数据可视化以及对养殖设备的智能化控制，便于管理人员的统一管理，构建智能化现代养殖系统。

参考文献：

[1] 徐巧年.基于物联网的农业养殖基地智能管控与精准预警系统设计 [J].信息技术与信息化，2021（6）：232-235.

[2] 郑小南，杨凡，李富忠.基于物联网的智慧猪舍养殖系统 [J].物联网技术，2020，10（10）：79-81.

[3] 范庆宇，孙泽军.基于ZigBee的物联网养殖场环境智能监测系统的设计与实现 [J].物联网技术，2021，11（11）：73-78.

[4] 罗雪雪，陈敏，朱泉水，等.基于ZigBee和CC2530的无线温湿度数据采集和存储模块研究 [J].科技创新与生产力，2021（4）：66-68+71.

[5] 刘飞飞，徐隆姬，马礼然.基于ZigBee的分布式農业环境监测系统设计 [J]传感器与微系统，2021，40（3）：90-92.

[6] 张萍，胡应坤.基于ZigBee和OneNET云平台的智能农业温控系统 [J].物联网技术，2021，11（1）：25-28.

作者简介：薛鸿民（1970—），男，汉族，陕西渭南人，教授，博士，主要研究方向：面向对象技术、信息处理;王炜卓（2001—），女，汉族，陕西渭南人，本科在读，研究方向：物联网工程。