基于ZigBee的猪舍环境检测系统的设计

王丽芬+马明涛

摘 要：吉林省是我国畜牧养殖大省，畜牧业经过“十二五”时期的快速发展，在养殖的总量和质量方面都发生了巨大的变化。随着畜牧业的迅猛发展，畜产品质量安全问题日益受到人们的重视。目前，我国畜牧业发展过程中表现出疫病防控存在漏洞、饲料及其原料存在安全隐患、违规生产和使用兽药的现象仍然存在、畜禽饲养环境存在污染等方面的不足。信息化是促进畜牧业发展的关键，目前我国对信息化在畜禽养殖生产管理领域、营养与饲料、疾病防治等方面的研究，已取得了一定的成绩，但由于信息技术的快速发展，目前市场上销售的管理软件比较陈旧，影响了生猪饲养的管理水平。因此需要一款新的生猪饲养管理软件的推出，以满足市场需求。本系统针对猪舍的环境系统进行检测和分析。

关键词：ZigBee；环境监测；设计

一、基于ZigBee技术的图书室检测系统的特点及结构

猪舍环境检测系统是以烟雾传感器、光敏电阻传感器和温湿度传感器为基础，结合Zig Bee无线通信技术组成的一个可以实时检测当前环境的烟雾浓度、光照强度以及温湿度自动化检测系统，其工作流程如图1所示：

各传感器把采集到的信息传送给ZigBee终端节点，终端节点进行数据的收集和分析然后通过无线传感器将数据输送给ZigBee协调器，ZigBee协调器将数据打包传送给串口模块，串口模块与PC机端是通过Uart总线连接，通过总线将数据传送给PC机。

环境检测系统的系统结构大体来讲分为三个部分，分别是：下位驱动层、中央通讯层和上位用户层，如图2所示。

此中下位驱动层是采取模块化结构的信息采集的方式，其中包括CC2530模块、光敏电阻传感器、烟雾传感器和温湿度传感器组成硬件结构，是上位用户层数据的来源，同时又是支撑整个平台运行的基础。在某种意义上来讲，系统中的传感器节点具有双重作用，它既负责数据的检测，同时又是数据传输者。协调器节点运用以CC2530无线微控传感器组件的ZigBee无线通信网络。ZigBee是一种自组织网的无线通信网络，它的每个终端节点会自动的加入无线网络来进行数据的传输。网络中的每个节点都可以互相通信，所以假如某终端节点不能把数据直接传送给协调器，也可以通过其他节点进行数据继承，然后由继承数据的节点传输到协调器当中。

中央通讯层沟通着下位传感层和上位用户层，其功用即是将来自传感层的数据信息进行处理，并发送到用户层进行存储分析，同时接收用户层发送的控制指令反馈传感层且内部有着特定的通信协议，协议规定了哪些数据可以通过通信层继而传送到驱动层或者是用户层，哪些数据不能通过通信层进行传递。

上位用户层负责收集通信层传来的全部数据并将最终处理得到的数据以曲线的形式体现出来，并对其进行存储，以方便后期进行的数据查询和数据删除等功能，使得图书室管理人员可以及时明了的读取图书室内部的动态环境信息，并且可以根据现实需求对中央通讯发送动作指令，从而达到用户层的监控需求。

二、硬件设计

为了更好的延伸系统的功用和降低给射频电路带来的影响，把节点细成为具有信息传送功能的射频电路和主板两个部分。协调器和路由器都是由射频电路模块和主板组成，硬件设计没有什么不同，区别在于程序的准备和功能的实现。

射频电路模块整个节点的核心就是承担下位驱动层的信息传送任务。由于其内部汇聚了许多电路所以只需要少量的外部电路就可以体现它的功用。

射频电路模块把CC2530的P0口、P1口和P2_0—P2_2引脚全部引出，通过排针接口连接到主板上。它与主板上的接口相对应。

主控芯片采用CC2530芯片。该芯片结合Zig Bee的协议栈，工作在2.4GHz频段，使用8051处理器核心，可以通过三个不同的寄存器进行访问总线，拥有21个I0口可以进行输入或者输出，具备高频收发器。其工作电压为2～3.6V，功耗极低。不仅如此，CC2530芯片在CC2430芯片的基础上增加了存储容量，在保证功率消耗极低的同时还提高了信号传输容量，使系统不需要添加功率放大器也可以进行扩大传输距离，从而降低成本和提高无线传输的稳定性。

主板既是连接射频电路模块和传感器模块的“介质”，又是所有节点的电源源泉，不仅如此，主板还是节点和PC机之间通信的接口。电源电路、RS232接口、联合测试行动组接口电路等共同组成了主板。主板分别给射频电路模块和传感器模块各一个接口，通过这两个接口实现了传感器模块与射频电路模块之间引脚的连接，主板为射频电路模块和传感器模块提供电源也是通过这两个接口。

猪舍环境检测系统中的CC2530芯片正常工作电压是3.3V，而普通适配器都是220V输入5V输出，所以需要对电压转换芯片进行对5V的电压转换，其中使用AMS1117-3.3芯片产生稳定的电压供给系统的正常工作需要。整个Zig Bee无线通信网络的重要组成部分就是使用电源供电并占有主导地位的主节点。

系统所用的路由是DL-LN33模块。它是一款无线自组织网络多跳模块，无需配置、不依赖WiFi和基站便可以自动完成组网。组网之后模块给用户的微程序控制器供应无线通信服务。该模块的特点是易于开发、通信稳定、自动组网、自动多跳、无控制中心、多对多网状通信，该方案相对于其他自组网无线通信解决方案更加灵活、可长期稳定的工作。所用路由模块DL-LN33引脚配置。

三、软件的设计

（一）协调器的软件设计

协调器通电后，初始化硬件、软件系统，构建网络。随后协调器进行组建Zig Bee网络并检测是否组建成功，如果失败，则重复上一步；如果成功，继续接受来自节点的入网请求，并为其分配网络地址，向节点发送入网响应，节点加入网络开始接收环境采集模块的数据。

（二）终端节点的软件设计

此系统的节点在成功连接上电源之后，首先進行初始化动作，这个动作完毕之后为了进入网络会向协调器发送请求指令，若加入失败会重新尝试加入。成功的话，就会得到协调器分配的网络地址并尝试加入网络，加入失败的话，重新进行上一步，当节点加入成功之后会自动进入休眠状态来降低系统的功耗提高节点的使用寿命。在遇到突发情况的时候，节点触发系统，节点每过一段相同的时间就会自动的收集当前图书室的环境信息，采集成功后，会检查烟雾浓度是否超过预定值，如果超过预定值，就会有火灾报警，如果没有超过预定值，就会向邻近的父节点发送被打包的数据。若传输成功则进入休眠模式，否则，继续尝试传输数据，一直到数据可以成功的传送给父节点。

四、结论

基于ZigBee无线传输猪舍环境检测系统，旨在实时检测猪舍室内环境温湿度、空气中烟雾浓度以及光照的强度，无论这三项中的哪一项超出预定值，系统都会自动报警，相关的管理人员采取行之有效的办法来解决问题。再者，这一环境检测系统解决了传统手持式监控、布线式方法的布线繁杂、测量的数据与实时环境各指数误差大、技术成本高、耗费人力的诸多问题。由于条件有限，因此系统还存在着一些不足之处，但我相信，随着科技的进步以后的监控系统会更加的智能、人性化。endprint