基于IoT的養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：該系統(tǒng)以ZigBee節(jié)點無線通信技術(shù)為核心，設(shè)計了一套物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的奶牛場智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以有效地采集、存儲奶牛個體體溫、環(huán)境溫濕度、光照強度、空氣質(zhì)量等信息，并將其發(fā)送到遠(yuǎn)程PC機，還可以對采集到的信息進行實時分析、報警和智能處理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Zigbee;養(yǎng)殖場監(jiān)控

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）08-0056-02

隨著科技的不斷進步發(fā)展、生活水平的不斷提高，人們對自己和家人的健康逐漸重視起來。高品質(zhì)的牛奶含有大量的蛋白質(zhì)和對人體健康有益的微量元素，為了滿足市場對優(yōu)質(zhì)牛奶的需求，各種規(guī)模的牛奶養(yǎng)殖場不斷出現(xiàn)。

目前，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段，大量養(yǎng)殖戶仍采用傳統(tǒng)的圈養(yǎng)放養(yǎng)模式。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式有許多缺點，它不僅需要大量的人力資源，而且不能及時、準(zhǔn)確地檢測奶牛是否生病或是否處于發(fā)情期。如果奶牛生病，會直接影響當(dāng)天的牛奶質(zhì)量，假如奶牛在懷孕期間生病，更會對下一代犢牛的體質(zhì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。此外，牛舍的環(huán)境直接決定了牛群能否健康成長，一旦牛群生病，將給奶農(nóng)帶來不可逆轉(zhuǎn)的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖戶作業(yè)通常采用人工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等方法來判斷目前的牛舍環(huán)境是否適合牛群的生長，但這浪費了大量的人力。針對此情況，本文設(shè)計了一個完善的養(yǎng)殖系統(tǒng)，包括奶牛健康數(shù)據(jù)監(jiān)測、環(huán)境和生長指標(biāo)異常報警、監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄、歷史數(shù)據(jù)回顧、周統(tǒng)計和月統(tǒng)計等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

與傳統(tǒng)的人工檢測相比，本系統(tǒng)設(shè)計的智能監(jiān)控系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。它可以檢測奶牛的體溫和運動量、環(huán)境溫濕度以及光照強度。它具有實時、快速、同時檢測多個奶牛和多個環(huán)境節(jié)點的特點。本系統(tǒng)以PC機為終端，采用2.4G無線網(wǎng)絡(luò)對所有信息進行監(jiān)控。采集的數(shù)據(jù)被發(fā)送到PC機并存儲，用戶可以在一定時間內(nèi)掌握被測信息，達(dá)到智能處理的效果。

本系統(tǒng)通過單片機控制多個傳感器節(jié)點同時驅(qū)動多個傳感器，并將獲取的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到PC終端進行存儲和可視化處理，具有異常報警提示等功能，使管理者能夠及時采取有效措施。

1.1 體溫?zé)o線監(jiān)測功能

在本設(shè)計中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和溫度傳感器組成一個奶牛體溫探測器，放置在奶牛腿上。傳感器檢測到奶牛體溫后，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。當(dāng)溫度超過正常奶牛體溫時（需提前設(shè)定閾值），會觸發(fā)聲光報警功能，提醒工作人員及時處理此異常情況。

1.2 光控/溫控系統(tǒng)

在奶牛場安裝監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，對牛舍的環(huán)境指標(biāo)（室內(nèi)溫濕度、光照強度）進行監(jiān)控，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。在監(jiān)測系統(tǒng)中，為農(nóng)場的溫度和濕度設(shè)置一個初始閾值。當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到實際溫度和濕度值超過預(yù)定閾值時，控制系統(tǒng)將被激活，以控制農(nóng)場排氣扇的運行，通風(fēng)的目的就是用來散熱。光控系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)的功能相似，還設(shè)置了初始光強閾值。當(dāng)室內(nèi)光線強度超過設(shè)定閾值時，控制系統(tǒng)控制窗簾落下遮陽。當(dāng)光線強度較弱時，可以控制窗簾卷起，增強室內(nèi)采光，保持相對較好的光照空間。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 感知層技術(shù)

溫度模塊采用的溫度傳感器為DS18B20，占用空間小、抗干擾能力較強、測溫精度較高。它通常用于空調(diào)環(huán)境控制和建筑物中系統(tǒng)、設(shè)備或機械設(shè)備的溫度監(jiān)測。應(yīng)用范圍廣、價格低廉、實用性強，因此本設(shè)計采用DS18B20芯片進行溫度采集。

DHT11數(shù)字溫/濕度傳感器是一種含有已校正的數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該傳感器分別內(nèi)置了一個電阻式濕度測量元件和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器溫度測量元件，它可以與高性能的8位單片機相連接。由于該傳感器采用的串行接口遵循單線制規(guī)范，從而使得系統(tǒng)的集成過程變得簡單快捷。此外，該傳感器還具備超小的體積、極低的功耗，超快的響應(yīng)、較強的抗干擾能力等優(yōu)點，其信號傳輸距離可以超過20米，所以是各類應(yīng)用場合的合理選擇。

ADXL345是一種體積小、功耗低、基于 iMEMS 技術(shù)的三軸數(shù)字輸出加速度傳感器。它的測量范圍涵蓋+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g，具有最高達(dá)13位的分辨率，最高靈敏度可達(dá) 3.9mg/LSB，甚至可測量到傾斜角度在 1度以內(nèi)的微小改變。這款傳感器提供多種特殊的檢測功能，尤其適合配置在移動設(shè)備上。

光感電阻的工作原理是基于內(nèi)部光電效應(yīng)。光感電阻是由半導(dǎo)體光電效應(yīng)產(chǎn)生的電阻，其電阻值隨入射光強度的變化而變化;當(dāng)入射光強時，電阻減小;入射光弱時，電阻增大。光感電阻一般用于光測量、光控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)化為電的變化）。它基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)，光感電阻沒有極性，而且是一個純電阻元件，使用時可以添加直流電壓或交流電壓。

該系統(tǒng)采用的氣體傳感器為MQ-135傳感器，它利用二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料，因為其電導(dǎo)率在清潔空氣中較低。此傳感器采用高低溫循環(huán)檢測法，在低溫（1.5V加熱）下檢測一氧化碳。傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中一氧化碳濃度的增加而增加，并且在高溫（5.0V加熱）下檢測到甲烷和丙烷并對低溫吸附的雜散氣體加以凈化。利用簡單的電路可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于氣體濃度的輸出信號。MQ-135傳感器對氨氣、硫化物和苯蒸氣具有很高的靈敏度，它也是煙霧和其他有害監(jiān)測的理想選擇。這種傳感器可以檢測各種有害氣體，是一種適合各種應(yīng)用的低成本傳感器。

步進電機其實是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的運動驅(qū)動裝置，控制器發(fā)送一個脈沖信號給步進電機，步進電機立即根據(jù)信號設(shè)計的頻率在預(yù)定的方向上旋轉(zhuǎn)一個固定的單位角度。因為脈沖信號的數(shù)量多少實際上代表需要控制的角位移大小，所以可以利用這個原理實現(xiàn)對目標(biāo)精確定位的效果。當(dāng)一系列連續(xù)的控制脈沖作用于步進電機時，步進電機可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。每個脈沖信號對應(yīng)于步進電機的一相或兩相繞組通電狀態(tài)的變化，該變化對應(yīng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定角度（步進角）。當(dāng)通電狀態(tài)的變化完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電模式下運行。常用的通電模式有單四拍、雙四拍和八拍。

2.2 傳輸層技術(shù)

近年來，ZigBee技術(shù)因其特有的應(yīng)用特性受到了人們的青睞。該技術(shù)作為一種傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)，非常適合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，需要實時傳輸?shù)膱龊?。本設(shè)計的應(yīng)用場合恰好需要一款這樣的產(chǎn)品作為信號傳輸?shù)闹薪?，因此本設(shè)計使用多個節(jié)點組成ZigBee平臺。由于同一協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)握手協(xié)議和過程是相同的，因此必須保證網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸過程的一致性。協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備之間只能使用相同的協(xié)議棧來實現(xiàn)互操作。在組網(wǎng)實驗中，統(tǒng)一使用了協(xié)議棧。

CC2530 ZigBee模塊結(jié)合了領(lǐng)先射頻收發(fā)器、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強型8051 CPU和德州儀器行業(yè)領(lǐng)先的gold cell ZigBee協(xié)議棧（Z-stack?）的優(yōu)異性能，提供強大而完整的ZigBee解決方案。CC2530具有不同的工作模式，特別適用于具有超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530可以通過自己的ZigBee模塊將采集到的有用數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并通過串口傳輸?shù)絇C機上，使技術(shù)人員能夠?qū)崟r了解奶牛個體和環(huán)境的狀況。

2.3 控制層技術(shù)

本設(shè)計采用的CC2530（無線片上系統(tǒng)單片機）是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個典型的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。CC2530芯片結(jié)合了領(lǐng)先的2.4GHz的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051單片機，系統(tǒng)內(nèi)置可編程閃存，8KB RAM和許多其他強大的功能。正是通過CC2530內(nèi)置優(yōu)良性能的2.4GHzRF（Radio frequency 射頻）收發(fā)器，可以實現(xiàn)本設(shè)計系統(tǒng)中所需的無線通信功能?；诖?，可以以很低的總材料成本構(gòu)建一個功能十分完美的應(yīng)用平臺。

CC2530 ZigBee模塊包含性能優(yōu)異的低功耗8051微控制器核心、2.4 GHz IEEE802.15.4射頻收發(fā)器、USB到串行接口、天線接口、晶體振蕩器和I/O擴展端口。兩種有源模式和三種供電方式，低功耗性能較好。

2.4 軟件開發(fā)技術(shù)

本設(shè)計使用的開發(fā)環(huán)境是IAR for 8051V8.10，用于編寫程序。SmartRF Flash Program是用戶的SmartRF Flash編程手冊。閃存編程器可以用來編程閃存。對于IEEE802.15.4兼容設(shè)備（如CC2530）和藍(lán)牙（R）低功耗設(shè)備（如CC2540），flash編程器支持讀寫IEEE MAC地址。包嗅探器是一種軟件工具，它幫助維護、故障檢測和微調(diào)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。該工具觀察網(wǎng)段的流量，學(xué)習(xí)掌握網(wǎng)絡(luò)配置，解碼協(xié)議，提交統(tǒng)計數(shù)據(jù)，自動識別許多常見的網(wǎng)絡(luò)問題，并能生成管理報告。

本系統(tǒng)方案的設(shè)計思想是以CC2530協(xié)調(diào)器為核心控制器，接收多個節(jié)點采集的傳感器數(shù)據(jù)（測量的奶牛體溫、運動量、溫濕度、光照強度），協(xié)調(diào)器對數(shù)據(jù)進行處理，控制電機執(zhí)行相應(yīng)動作，數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C機進行顯示。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計了一個能自動檢測奶牛體溫和運動狀態(tài)的智能系統(tǒng)。其功能基于CC2530 ZigBee模塊，實現(xiàn)多點溫度測量和運動監(jiān)測，并對奶牛場的生長環(huán)境進行及時調(diào)整。作為一種奶牛場智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，它順應(yīng)了當(dāng)今時代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢，適合規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖環(huán)境。本設(shè)計充分結(jié)合了前人的研究成果和創(chuàng)新成果，將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于特定場合，具有較高的經(jīng)濟價值和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李敏.基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].荊州：長江大學(xué)，2016.

[2] 包子建.基于IoT的污染監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（8）：179-180.

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