薛鴻民 王煒卓

摘 ?要：畜牧業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖場(chǎng)主要采用人工養(yǎng)殖，實(shí)行粗放式管理，不僅浪費(fèi)人力物力，也不能實(shí)時(shí)有效地監(jiān)管養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境。為此，設(shè)計(jì)出一種基于ZigBee和云平臺(tái)的智慧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，借助ZigBee模塊采集養(yǎng)殖環(huán)境中的各項(xiàng)信息，并通過Wi-Fi模塊發(fā)送至OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目易于改變，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧養(yǎng)殖;ZigBee;OneNET云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TN929.5 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)物的養(yǎng)殖方式也發(fā)生了很大的變化，智慧養(yǎng)殖是當(dāng)下的熱點(diǎn)，也是未來養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。基于ZigBee和云平臺(tái)的智慧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供橫跨云、邊、端多個(gè)維度的計(jì)算服務(wù)和智能處理能力，可使養(yǎng)殖場(chǎng)滿足節(jié)能、環(huán)保的要求，管理人員通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策和自主協(xié)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)高效有序的監(jiān)管。

為了精準(zhǔn)高效地獲取當(dāng)前養(yǎng)殖環(huán)境中的各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖設(shè)備的自動(dòng)控制，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于ZigBee和云平臺(tái)的智慧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選用ZigBee（cc2530最小系統(tǒng)）模塊完成主體搭建，加入溫濕度傳感器、光敏電阻、有害氣體傳感器等傳感節(jié)點(diǎn)，以做到智能化感知養(yǎng)殖環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi模塊將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器——OneNET云平臺(tái)端。此外，系統(tǒng)具有自動(dòng)控制設(shè)備的功能，為管理人員提供遠(yuǎn)程控制操作以及數(shù)據(jù)顯示的界面，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的現(xiàn)代養(yǎng)殖環(huán)境以及現(xiàn)代養(yǎng)殖系統(tǒng)，推動(dòng)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的智能化和可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

相較于傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式，基于ZigBee和云平臺(tái)的智慧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠更加精準(zhǔn)高效地獲取養(yǎng)殖環(huán)境中的各項(xiàng)信息，并通過數(shù)據(jù)分析和處理自動(dòng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制，建立更加智慧化的養(yǎng)殖生態(tài)體系。本系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)傳感器對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境中的各項(xiàng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知、監(jiān)測(cè)、采集，利用ZigBee無線通信技術(shù)、以自組多跳的傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，通過ZigBee終端設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制的功能;同時(shí)利用Wi-Fi通信模塊將采集到的環(huán)境信息發(fā)送至OneNET云平臺(tái)端，創(chuàng)建直觀的數(shù)據(jù)顯示和設(shè)備控制頁面。管理人員在移動(dòng)終端設(shè)備上登錄云平臺(tái)賬號(hào)，即可直接觀察養(yǎng)殖環(huán)境中的真時(shí)狀況，進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制操作[2]。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 ?物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

2.1 ?感知層與控制層

感知層是采集信息和數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)與核心，通過傳感器器件獲取環(huán)境信息（例如溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等），進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，傳感器將采集到的?shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器并上傳至云平臺(tái)，同時(shí)與系統(tǒng)所設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若超出設(shè)定閾值范圍即可自動(dòng)控制ZigBee終端設(shè)備。

2.2 ?網(wǎng)絡(luò)層

傳輸層負(fù)責(zé)安全傳遞采集到的信息，是信息傳輸與交互的關(guān)鍵所在。通過ZigBee無線通信技術(shù)將信息、數(shù)據(jù)與指令在感知層、控制層、平臺(tái)服務(wù)層，應(yīng)用層之間傳遞。本系統(tǒng)通過Wi-Fi模塊ESP8266芯片建立通信過程，依據(jù)傳輸應(yīng)用層的各種指令，將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊傳送到物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)端。

2.3 ?平臺(tái)服務(wù)層

平臺(tái)服務(wù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、接入和收發(fā)，是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中最重要的一部分。OneNET云平臺(tái)提供豐富的API和數(shù)據(jù)分發(fā)能力，滿足開發(fā)者的系統(tǒng)需求，降低設(shè)備運(yùn)維成本。本系統(tǒng)接入OneNET云平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備管理，設(shè)備命令交互操作，通過MQTT協(xié)議和HTTP/HTTPS的API接口根據(jù)場(chǎng)景搭建不同的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.4 ?應(yīng)用層

應(yīng)用層負(fù)責(zé)根據(jù)具體的場(chǎng)景需求，通過OneNET云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)可視化工具，創(chuàng)立直觀的數(shù)據(jù)可視化及控制頁面，并設(shè)計(jì)出便于管理人員操作的手機(jī)控制端APP，在云端可以反映設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、分析、預(yù)警、可視化以及智能控制，實(shí)現(xiàn)智能化的智慧養(yǎng)殖系統(tǒng)[3]。

3 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ?數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)微處理器選型

本系統(tǒng)選用的處理器為ZigBee cc2530最小系統(tǒng)（集成有8051單片機(jī)的計(jì)算處理核心），是真正的SOC片上系統(tǒng)解決方案，支持IEEE 802.15.4協(xié)議，256 KB閃存，擁有龐大的快閃記憶體，多達(dá)256個(gè)字節(jié)，包含2個(gè)USART12位的ADC和21個(gè)通用GPIO。cc2530提供101 dB的鏈路質(zhì)量、優(yōu)秀的接收器靈敏性和卓越的抗干擾性，配備標(biāo)準(zhǔn)兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來簡化開發(fā)[4]。cc2530最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

3.2 ?傳感器選型

傳感器是一種檢測(cè)裝置，可以將檢測(cè)到的信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并通過其他方式輸出，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。本系統(tǒng)選用的是光敏電阻（GM5516）、溫濕度傳感器（DHT11）和有害氣體傳感器（MQ-135）。

光敏電阻（GM5516）的工作原理是內(nèi)光電效應(yīng)，即光照越弱，阻值就越高，光敏電阻對(duì)光線十分敏感，具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。溫濕度傳感器（DHT11）是一款數(shù)字信號(hào)傳輸傳感器，可以感知環(huán)境溫濕度，支持單總線數(shù)字信號(hào)，兼容3.3 V/5 V電平，尺寸小，功耗低，精密度高且穩(wěn)定性好。有害氣體傳感器（MQ-135）在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)有害氣體有良好的靈敏度，可以檢測(cè)出氨氣、硫化物等有害氣體，支持DO輸出數(shù)字信號(hào)，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能控制等多種應(yīng)用場(chǎng)景。各傳感器電路接口圖如圖3所示。

3.3 ?無線通信模塊選型

Wi-Fi技術(shù)是一種允許電子設(shè)備連接到無線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，它對(duì)應(yīng)一套通信的規(guī)則，保證讓兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互相連接，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射頻頻段。具有無線電波的覆蓋范圍廣、傳輸速率快，便于設(shè)備接入等優(yōu)點(diǎn)。Wi-Fi模塊內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IEEE802.11b.g.n協(xié)議棧及TCP/IP協(xié)議棧），以此連接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)無線通信模塊選用Wi-Fi（ESP8266）模塊。配置管腳、通信串口管腳已全部引出。Wi-Fi模塊可以充當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)SP，也可以是AP接入點(diǎn)，可以連接手機(jī)、路由器等Wi-Fi設(shè)備。使用Wi-Fi模塊連接ZigBee協(xié)調(diào)器和OneNET云平臺(tái)，上行數(shù)據(jù)流將ZigBee終端采集到的溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，再通過Wi-Fi模塊發(fā)送至OneNET云平臺(tái)端，為用戶提供便捷的數(shù)據(jù)可視化界面;下行數(shù)據(jù)流由用戶端發(fā)出設(shè)備控制指令，經(jīng)Wi-Fi模塊發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器以無線通信的方式控制ZigBee終端上的設(shè)備運(yùn)行[5]。Wi-Fi模塊通信串口如圖4所示。

4 ?軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)選用IAR EW8051-8.1，編程語言為C語言，仿真器驅(qū)動(dòng)為SmartRF04EB。智慧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件由ZigBee協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備組成，采用簡單的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn);ZigBee終端節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與傳送，并通過協(xié)調(diào)器設(shè)備關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[6]。

首先，ZigBee協(xié)調(diào)器上電并啟動(dòng)，完成網(wǎng)絡(luò)建立和網(wǎng)絡(luò)的初始化，選擇一個(gè)合適的信道并為自己的網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PANID（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符），然后通過周期廣播函數(shù)向周圍發(fā)出數(shù)據(jù)幀，開始執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢式操作;終端節(jié)點(diǎn)上電初始化完成后，應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送原語請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層收到請(qǐng)求后主動(dòng)掃描周圍網(wǎng)絡(luò)，找到合適的PANID后向MAC層請(qǐng)求關(guān)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)層再向應(yīng)用層報(bào)告加入網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果。在ZigBee設(shè)備組網(wǎng)完成后，系統(tǒng)啟動(dòng)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的環(huán)境信息，實(shí)時(shí)性采集所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)并與閾值進(jìn)行比較，若高于閾值范圍則自動(dòng)開啟設(shè)備。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

4.2 ?Z-Stack協(xié)議棧

Z-Stack協(xié)議棧是半開源的程序代碼庫，提供操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序，基于IEEE 802.15.4協(xié)議，是一種無線自組網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（由ZigBee聯(lián)盟制定）。在使用時(shí)僅需調(diào)用API函數(shù)，工作頻段為2.4 GHz，傳輸距離在10～100 m的范圍內(nèi)，適用于監(jiān)測(cè)或控制通信覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee協(xié)議棧的核心部分為網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)，協(xié)同完成尋址、路由以及傳送數(shù)據(jù)。用戶可以在App層添加應(yīng)用程序，在HAL層對(duì)具體的硬件進(jìn)行修改，在OSAL層實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能并通過片輪轉(zhuǎn)算法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度。首先在main（）函數(shù)中完成系統(tǒng)初始化工作，然后通過osal_start_system（）啟動(dòng)操作系統(tǒng)，通過tasksEvents[idx]任務(wù)事件數(shù)組來判斷OSAL中是否有事件發(fā)生。在調(diào)用了各層的任務(wù)初始化函數(shù)之后，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用osal_set_event（taskID，event）函數(shù)，將各層任務(wù)的事件存儲(chǔ)到taskEvent數(shù)組中。osal_start_system（）函數(shù)通過輪詢的方式不斷查詢是否有事件發(fā)生，通過串口通信將協(xié)調(diào)器上的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送給上位機(jī)，進(jìn)行可視化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等處理。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖6所示。

在應(yīng)用層任務(wù)初始化函數(shù)中添加：

MT_UartInit（）; ? //串口初始化

MT_UartRegisterTaskID（task_id）; ? //串口任務(wù)注冊(cè)

串口操作相關(guān)函數(shù)：

unit16HalUARTRead（unit8 port，unit8*buf，unit16 len）; //從UART中讀數(shù)據(jù)

unit16HalUARTWrite（unit8 port，unit8 *buf，unit16 len）;//把數(shù)據(jù)寫入到UART中

4.3 ?系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)

云平臺(tái)使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速實(shí)現(xiàn)成為可能，從開發(fā)難度、功能性和穩(wěn)定性等多方面提供服務(wù)保證。開放第三方API接口，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建。云平臺(tái)具有數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析顯示、數(shù)據(jù)可視化組件及控制下發(fā)和賬戶管理等功能，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的快速開發(fā)和管理的簡化。

本項(xiàng)目選用OneNET云平臺(tái)作為系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，在USART_Data_Send（）函數(shù)中集成數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送到OneNET平臺(tái)，就可以實(shí)時(shí)記錄用戶采集到的數(shù)據(jù);在USART1_IRQHand（）函數(shù)中接收并保存控制命令，讓Control_Execution（）函數(shù)執(zhí)行該命令，用戶就可以通過執(zhí)行OneNET下發(fā)的控制命令來控制設(shè)備。OneNET云平臺(tái)用戶控制界面如圖7所示。

5 ?系統(tǒng)測(cè)試與分析

基于ZigBee和云平臺(tái)的智慧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和OneNET云平臺(tái)三部分構(gòu)成。

由表1的測(cè)試結(jié)果可知，在測(cè)試ZigBee協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)功能時(shí)，節(jié)點(diǎn)是否能采集到養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)與養(yǎng)殖環(huán)境中是否存在ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)有關(guān)，若環(huán)境中存在ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)入網(wǎng)，且終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在表2中，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)是否入網(wǎng)以及Wi-Fi是否成功連接TCP服務(wù)器均有關(guān)系。當(dāng)且僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)與Wi-Fi成功連接TCP服務(wù)器后，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)才會(huì)進(jìn)入正常的工作模式。該系統(tǒng)測(cè)試同樣符合系統(tǒng)的功能設(shè)定。

根據(jù)功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)一共有三種控制模式，分別是手動(dòng)控制模式、自動(dòng)控制模式和遠(yuǎn)程控制模式。為驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是否完整，對(duì)所有的功能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)功能的不同模式進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，最終獲得的結(jié)果如表3所示。

6 ?結(jié) ?論

本項(xiàng)目將傳統(tǒng)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)與ZigBee無線通信技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)可視化以及對(duì)養(yǎng)殖設(shè)備的智能化控制，便于管理人員的統(tǒng)一管理，構(gòu)建智能化現(xiàn)代養(yǎng)殖系統(tǒng)。

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作者簡介：薛鴻民（1970—），男，漢族，陜西渭南人，教授，博士，主要研究方向：面向?qū)ο蠹夹g(shù)、信息處理;王煒卓（2001—），女，漢族，陜西渭南人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。