楊哲銘 熊子琪 程 奇

(1.華北理工大學信息工程學院 河北 唐山 063000;2.大連海事大學航運經(jīng)濟與管理學院 遼寧 大連 116026)

基于ZigBee的鴿舍溫濕度控制采集預(yù)警系統(tǒng)

楊哲銘1熊子琪2程 奇1

(1.華北理工大學信息工程學院 河北 唐山 063000;2.大連海事大學航運經(jīng)濟與管理學院 遼寧 大連 116026)

為了幫助養(yǎng)殖業(yè)主更好地對鴿舍進行智能化管理，推動養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。本項目設(shè)計了鴿舍溫濕度等環(huán)境參數(shù)的控制采集預(yù)警系統(tǒng)。各個鴿舍內(nèi)安裝鴿舍環(huán)境終端，通過多個傳感器來采集鴿舍內(nèi)部的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，并通過zigbee無線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)的控制終端，養(yǎng)殖業(yè)主可通過控制終端顯示屏實時了解鴿舍環(huán)境情況并及時采取措施改善鴿舍環(huán)境。養(yǎng)殖業(yè)主也可對鴿舍環(huán)境參數(shù)設(shè)定正常范圍值。當溫濕度、粉塵濃度、光照強度超過設(shè)定范圍時，控制終端會通過語音模塊進行語音提示及顯示屏相應(yīng)區(qū)域閃爍來警示養(yǎng)殖業(yè)主；進一步地，該系統(tǒng)會自動通過各個鴿舍環(huán)境終端控制啟動相應(yīng)鴿舍的加濕器、抽濕器、加熱器等設(shè)備，來調(diào)整環(huán)境參數(shù)值至指定范圍內(nèi)。各鴿舍環(huán)境終端另加攝像頭功能，在控制器終端顯示屏上可以查看鴿舍內(nèi)的整體情況，為養(yǎng)殖業(yè)主帶來方便。

ZigBee；鴿舍；Cortex-M3/M4；溫濕度；預(yù)警系統(tǒng)

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起及發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備應(yīng)用也越來越廣泛。許多智能設(shè)備不斷地應(yīng)用到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)等社會化生產(chǎn)環(huán)境中。在養(yǎng)鴿業(yè)中，也存在一些便于人們管理的智能設(shè)備。但是由于成本較高和穩(wěn)定性較差等原因，所以很難大范圍推廣。鴿舍管理信息化水平落后是規(guī)?；怿濔B(yǎng)殖主要存在的制約因素之一，隨著科學技術(shù)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鴿舍管理方式已經(jīng)無法滿足當前肉鴿養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。因此，需要建立一套有效的鴿舍信息化管理系統(tǒng)來解決這一問題。為了方便管理員對鴿舍進行高效管理，我們設(shè)計開發(fā)了一套基于無線通訊的鴿舍信息化管理系統(tǒng)。

目前市場上尚未有廣泛使用的鴿舍溫濕度采集和控制設(shè)備。優(yōu)秀的電子產(chǎn)品必須在保證質(zhì)量的同時最大程度地滿足實際應(yīng)用需求，所設(shè)計的鴿舍溫濕度控制采集預(yù)警系統(tǒng)充分考慮了鴿舍各種環(huán)境條件，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，采用穩(wěn)定的工業(yè)用近距離無線通訊協(xié)議zigbee來進行終端間的數(shù)據(jù)傳輸，在控制端使用觸摸屏[1]來進行圖形界面人機交互，具有穩(wěn)定可靠、交互簡單易用、保密性強等優(yōu)點，相對市場上存在的設(shè)計方案在成本和易用性方面有較大優(yōu)勢。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)包括鴿舍環(huán)境終端和控制終端，分別采用Cortex-M3/M4作為主控芯片，能夠滿足相應(yīng)功能對處理速度的要求。各傳感器模塊可直接采購或自行設(shè)計，攝像頭模塊、繼電器模塊可直接采購，加濕器、加熱器可根據(jù)實際需求采購后進行改裝。在控制終端部分，可通過語音模塊播放較為簡單的語音提示信息； 對LCD數(shù)模顯示控制[2]需要進行細致設(shè)計和調(diào)試來提升用戶體驗。Zigbee通信數(shù)據(jù)傳輸速率約為250Kbps,組網(wǎng)規(guī)模大，功耗低，適用于少量數(shù)據(jù)穩(wěn)定組網(wǎng)傳輸。該系統(tǒng)中，可實現(xiàn)一個控制終端來控制多個鴿舍環(huán)境終端的功能，可采用圖像分割和壓縮等技術(shù)來實現(xiàn)各鴿舍定時圖像數(shù)據(jù)[3]傳輸。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

二、硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)采用恩智浦公司的LPC1857和LPC4357作為微控制器[4]。它們分別基于ARM Cortex-M3和Cortex-M4的微控制器的嵌入式應(yīng)用程序。提供系統(tǒng)增強功能，如低功耗，增強的調(diào)試功能，以及一個高層次的支持塊集成。其中LPC1857在CPU頻率高達180 MHz，LPC4357高達204MHz。它們具有3級流水線，并采用了哈佛架構(gòu)，具有獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及第三總線的外圍設(shè)備。還包括一個內(nèi)部預(yù)取單元，支持投機分支。還有一個靜態(tài)可配置定時器(SCT)子系統(tǒng)，2個高速USB控制器，以太網(wǎng)，LCD，外部存儲器控制器，以及多種模擬和數(shù)字外設(shè)。采用zigbee[5]來實現(xiàn)一對多的通信，ZigBee是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。

三、系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)通過環(huán)境終端上多個傳感器[6]來檢測采集鴿舍內(nèi)部的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，并通過zigbee無線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂平K端，本系統(tǒng)主要針對養(yǎng)鴿業(yè)，利用現(xiàn)代電子通訊技術(shù)，設(shè)計了鴿舍溫濕度等環(huán)境參數(shù)的控制采集預(yù)警系統(tǒng)。在各個鴿舍內(nèi)安裝鴿舍環(huán)境終端，通過多個傳感器來檢測采集鴿舍內(nèi)部的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，并通過zigbee無線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)的控制終端，養(yǎng)殖業(yè)主可通過控制終端顯示屏實時了解鴿舍環(huán)境情況并及時采取措施改善鴿舍環(huán)境[7]。通過該系統(tǒng)，養(yǎng)殖業(yè)主可對鴿舍環(huán)境參數(shù)設(shè)定正常范圍值。當溫濕度、粉塵濃度、光照強度超過設(shè)定范圍時，控制終端會通過語音模塊進行語音提示及顯示屏相應(yīng)區(qū)域閃爍來警示養(yǎng)殖業(yè)主；進一步地，該系統(tǒng)會自動通過各個鴿舍環(huán)境終端控制啟動相應(yīng)鴿舍的加濕器、抽濕器、加熱器等設(shè)備，來調(diào)整環(huán)境參數(shù)值至指定范圍內(nèi)。各鴿舍環(huán)境終端另加攝像頭功能，在控制器終端顯示屏上可以查看鴿舍內(nèi)的整體情況，為養(yǎng)殖業(yè)主帶來方便。

四、結(jié)論

該系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)鴿業(yè)智能監(jiān)測的需求，基于ARM微控制器和ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計了這套鴿舍溫濕度控制采集預(yù)警系統(tǒng)。它不但可以準確監(jiān)測鴿舍的溫濕度、粉塵濃度、光照強度等鴿舍環(huán)境參數(shù)，還可以自動控制加濕器、加熱器等設(shè)備調(diào)節(jié)鴿舍溫濕度。在這基礎(chǔ)之上，還采用攝像頭進行可視化監(jiān)控，并將鴿舍情況顯示在7寸LCD屏幕上，突破了傳統(tǒng)的局限。有效地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了養(yǎng)鴿業(yè)中。并且這套系統(tǒng)原理簡單易懂、可移植性強、成本較低，所以將來會很好地在養(yǎng)鴿業(yè)發(fā)展起來。

[1]孫志全.耕作部件性能試驗臺測控系統(tǒng)—基于ZigBee和LabVIEW[J].農(nóng)機化研究,2018,05.

[2]何勉.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表用戶,2017,01.

[3]李松濤.基于Android和ZigBee的移動環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2017,03.

[4]王星明.集成3S,ZigBee和射頻識別的土壤采樣遠程智能管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2017，S1.

[5]張少凡.ZigBee技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2017,02.

[6]向鳳紅.基于ZigBee的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進協(xié)議[J].傳感器與微系統(tǒng),2017,02.

[7]苗連強.基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010,10.