规模化奶牛场舍内环境监控系统设计_基于ZigBee技术

1、规 模 化 奶 牛 场 舍 内 环 境 监 控 系 统 设 计 基 于 ZigBee 技 术 王廷江 , 杨丽珊(西南大学荣昌校区 基础部 , 重庆 荣昌 402460摘 要 :随着奶牛养殖业的快速发展 , 奶牛场的内环境 问 题 已 成 为 奶 牛 养 殖 中 的 重 要 课 题 之 一 。 为 有 效 监 控 奶牛场内环境 , 提出了一 种 基 于 ZigBee 技 术 的 分 布 式 传 感 器 网 络 平 台 。 该 系 统 选 用 AM2302、 On9658、 MH Z12、 H 2 S AE 、 MQ 137传感器实现对监测点温湿度 、 光 照 度 、 CO2浓 度 、 H2S

2、浓 度 、 NH3浓 度 的 精 确 采 集 , 并 通过由 CC2530芯片和 CC2591射频前端组建的 ZigBee 网络完成数据的远距离传输和汇聚 , 数 据 经 过 与 阈 值 比 较 后控制环境调节设备 。 试验结果表明 , 系统稳定可靠 , 具有全方位 、 全天候监控能力 , 安装方便 , 操作便捷 , 运 行 成本低廉 , 具有一定应用价值 。关键词 :规模化奶牛场 ; 无线传感器网络 ; ZigBee 技术 ; 监控中图分类号 :S818文献标识码 :A 文章编号 :1003188X(2015 020210040引言奶牛场是集中饲养奶牛的场所 , 是奶牛生活的小 环境 , 也

3、是生产无公害牛奶的基础 。 我国奶牛养殖业 正逐步从传统的粗放型转变为工厂化养殖 , 规模越来 越大 , 对奶牛场的环境要求也越来越高 ; 但由于受到 牛的呼吸 、 生产过程及有机物的分解 、 室内水分蒸发 等因素的影响 , 会产生大量二氧化碳 、 硫化氢 、 氨等有 害气体以及水蒸气 ; 加之选址和建筑结构上不合理等 因素影响 , 使奶牛场舍内环境质量受到严峻挑战 。 因 此 , 必须加以科学监测与管理 , 实施有效控制 , 才能为 奶牛营造舒适的生活环境 , 也才能生产出高效 、 安全 、 无公害的牛奶 。ZigBee 是一种新兴的短距离 、 低速率 、 低功耗无 线网络技术 , 是介于无

4、线识别和 蓝 牙 之 间 的 技 术 提 案 1, 在诸多领域得到广泛应用 。 为此 , 介绍了利用 该技术设计的规模化奶牛场舍内环境监控系统 。 该 系统通过传感器 (包括温湿度传感器 、 光照传感器 、 二 氧化碳传感器 、 硫化氢传感器 、 氨气传感器 对奶牛舍 内环境参数进行实时采集 , 并实施监测 , 由监测结果 对环境调节设备实施控制 , 可有效提高规模化奶牛场 舍内的环境质量 。1系统设计思路收稿日期 :20140220基金项目 :“ 十二五 ” 国家科技支撑计划项目 (2011BAD36B01作者简介 :王廷江 (1969, 男 , 四川阆中人 , 副教授 , 硕士 , (E

5、mail wtj1969163com 。系统组成如图 1所示 。 传感器节点负责对环境 信息 (温湿度 、 光照度 、 CO2浓度 、 H2S 浓度 、 NH3浓度 的采集 、 处理和发送 ; 路由器 (网关节点 与若干个传 感器节点构成一个子网 , 通过 ZigBee 协议进行通信 , 获取各个传感器节点发送来的数据 , 各个子网监测到 的数据通过协调器串口送到监管中心 ; 监管中心负责 对从无线网络送来的信息进行显示和存储 , 并能进行 环境参数阈值的设定 ; 接收值与阈值比较后 , 发送指 令去控制环境调节设备 。图 1无线监控系统结构图2系统硬件电路设计21协调器节点硬件设计协调器节点

6、硬件结构如图 2所示 。 选用 TI 公司CC2530和 高 性 价 比 、 高 集 成 度 的 24GHZ射 频 前 端DOI:10.13427/ki.njyi.2015.02.050CC2591芯片 , 以保证网络传输质量 , 扩大网路覆盖面 积2。 CC2530芯片整合了 24GH Z IEEE 802154/ ZigBee F收发机以及工业标准的增强型 8051MCU , 具有 超 低 功 耗 、 高 灵 敏 度 、 抗 噪 声 及 抗 干 扰 能 力 。 CC2591内 置 有 功 率 放 大 器 (PA 和 低 噪 声 放 大 器 (LNA , 输出功率大 (可达 +22dBm ,

7、 传输距离远 (无 障碍可传输 500 800m , 很好地满足了规模化奶牛 场网络传输的要求 。 CC2530芯片与 CC2591射频前 端的硬件连接如图 3所示 。 电源系统采用锂电池供 电 , 由单节锂 电 池 经 TPS63011电 压 转 换 芯 片 转 为 33V 稳定电压给该节点供电 (具体电路参考传感器 节点电源系统 。 图 2协调器节点硬件结构 图 3CC2530与 CC2591射频前端的硬件连接图22传感器节点硬件设计传感器节点硬件结构如图 4所示 。 数据采集模块 (包括传感器和信号调理电路 负责对奶牛场舍内 监测区域环境信息的采集和信号调理 , 供微处理器接 收和处理

8、。 微处理器仍采用 TI 公司的 CC2530, 射频 方案与协调器节点相同 , 即采用 CC2530加 CC2591的 方案 。 CC2530和 CC2591负责对从数据采集模块送 来数据的接收 、 处理和发送 。 电源系统模块负责为该 节点系统供电。图 4传感器节点硬件结构221电源系统设计电源系统如图 5所示 。 由于用到多种类型传感 器 , 所需电压不尽相同 , 所以电源系统需提供多种电 压值 。 系统采用锂电池组供电 , 由 84V 锂电池组经 过 L7805稳压电后输出 5V 电压 , 一方面为部分传感 器供电 , 另一方面再经过 TPS63011电压转换芯转为 33V 为系统其他

9、部分供电 。 TPS63011是宽电压输入 (输入值 :18 55V , 高效稳压输出 (输出值 :33V 的稳压芯片 , 转换效率高达 96%, 最大输出电流可达 1200mA 3。图 5电源系统电路图222数据采集电路设计 2221温湿度采集电路设计温湿度采集电路如图 6所示 。图 6温湿度采集电路选用体积小 、功耗低 、 单总线接口的数字复合传 感器 AM2302。 该传感器可靠性高 、 稳定性好 、 精度高 (测温精度为 05 , 湿度测量精度 02%H , 所 需电压宽 (33 55V ,测温范围宽 (40 80 ,很适合奶牛场舍内温湿度采集 。 2222光照强度采集电路光照强度采集

10、电路如图 7所示 。 选用欧恩公司 的光电集成传感器 On9658。 该传感器对可见光十分 敏感 , 典型波长为 520nm , 可以在 20 +75 温度 下稳定工作 ; 可以用 24 15V 为其供电 , 方便电源系 统设计 , 而且输出电流大 。图 7光照采集电路2223CO 2浓度检测电路选用郑州炜盛电子科技公司生产的小型红外二氧化碳传感器 MH Z124。 该传感器选择性好 , 没有氧气依赖性 , 质量可靠 , 能自动进行温度补偿 ; 同时 , 具有多种信 号输出方式 (模拟 、 数字 、 UAT, 方便连接 ; 测量范围为 0 5000 106(量程可选择 ; 分辨率为 5 106

11、(0 2000 106 、 10 106(2000 5000 106; 精确度为 50 106; 工作所需电压为 4 6V ; 工作环境要求 :温度为 0 60 , 湿度为 0 90%H。 2224H 2S 浓度采集电路H 2S 浓 度 采 集 电 路 如 图 8所 示 。 采 用 英 国 Al-phasense H 2S AE 电化学传感器 , 信号调理选用 TI 公 司可编程放大增益的 LMP91000芯片 。H 2S AE 传感器具有低功耗 、 抗干扰强的优势 , 而且灵敏度和精度非常高 ; 测量范围为 0 2000 106; 灵敏度为 70 100nA / 106; 分辨率为 05 1

12、06。 工作 环 境 要 求 :温 度 为 30 60 , 湿 度 为 15% 90%H。 该传感器适合奶牛场内部环境条件 。 LMP91000芯片是可编程低功耗化学传感器模拟前端 (AFE , 提供传感器和 MCU 间完整的信号通路 解决方案 。 LMP91000芯片功耗非常低 , 电压范围宽 (27 525V , 并且可编程放大增益 ; 可将气体灵敏度从 05 9500nA /106转换成 5A 750A 的电流 , 通过设置可将信号放大到 2V , 以便 CC2530自带 的 ADC 进行模数转换 。 此芯片不但能自动进行温度 补偿 , 而且能根据自带的温度传感器所测环境温度对 所测 H

13、 2S 浓度数据进行校正5 。图 8H 2S 传感器信号处理电路2225NH 3浓度采集电路NH 3浓度采集电路如图 9所示 。 选择 MQ 137电阻 控制型气敏传感器 , 其负载电阻两端电压随环境 NH 3浓 度变化而变化 ,将此变化电压送入微处理器 (CC2530芯 片 处理即可检测环境中 NH 3含量 。 该传感器电路连接 简单 、 可靠性好 、反应速度快 、 灵敏度高 , 广泛应用于工 厂 、 大气环境中氨气的探测 。 其探测范围为 (10 300 106, 工作电压 (回路电压 5V 01V , 加热电压 5V 01V , 加热功耗 900mW 。 工作环境要求 :温度为 20 5

14、0 , 相对湿度为 95%H。图 9NH 3浓度采集电路3系统工作流程设计工作流程如图 10所示 。 系统上电 , 首先进行初 始化 ; 初始化一旦完成 , 数据采集模块开始有条不紊 地采集数据 ; 数据经 ZigBee 无线网络发送给监管中 心 , 监管中心对所接收数据进行显示和储存 ; 同时与 设定的阈值进行比较 , 发出指令对环境调节设备实施 控制 。数据采集模块的初始化主要完成所有传感器的 程序驱动 , 由中断程序设定各 传 感 器 采 集 信 息 的 时 间 , 让 所 有 传 感 器 有 序 采 集 数 据 , 便 于 微 处 理 器 (CC2530 接收和处理 。监管中心的初始化

15、主要进行 Access 数据库的启 动 。 数据库中预设有所监测环境参数的阈值 , 便于系2015年 2月农 机 化 研 究 第 2期统进入工作状态后将所接收数据与阈值比较 ; 数据库 中还存放有历史数据 , 便于后续对数据的分析 。图 10系统工作流程图ZigBee 网路采用 ZigBee2007协议栈 , 通过网络层 函数 NLME _NetworkFormationequest( 建立 , 由协调 器与其所有子节点的 “ 绑定 ” 来实现 。 ZigBee 网路初始化由 TI 公司提供的 Z Stack 完成 6。监管中心 PC 机采用 Visual Basic 和 Access 数据

16、库组合方式编写上位机软件 , 对从 ZigBee 网路获取的 信息进行分析处理 , 并实时显示 ; 同时 , 将相应信息存入数据库中以便后续利用 , 并 能 通 过 设 定 的 安 全 阈 值 , 发出控制指令 。4结语基于 ZigBee 技术 ,设计了以 CC2530为核心节点 的硬件电路 , 构建了由协调器 、 路由器 、 传感器节点等 组成的 、 以 ZigBee2007协 议 栈 为 支 撑 的 无 线 网 络 系 统 , 实现了规模化奶牛场舍内环境多种参数无线自动 监测 、 自动调节 , 为奶牛健康生长和牛奶的品质提供 了保障 。 试验结果表明 , 系统稳定可靠 , 不受场内区 域

17、、 时域的限制 , 具有全方位 、 全天候监控 能 力 。 同 时 , 系统安装方便 , 操作便捷 , 运行成本低廉 , 设计适 用性强 , 具有一定应用价值 。 参考文献 :1刘德 基于 CC2530的 ZigBee 无线组网 J PLCFA, 2012(6:93952朱晓舒 , 时斌 ,齐亮 , 等 基于 ZigBee 技术的水质监测系统 的设计与实现 J 南京师范大学学报 :工程技术版 , 2012(2:69733焦斌亮 , 刘少波 ,李建业 , 等 井场硫化氢气体无线检测系 统 J 仪表技术与传感器 , 2013(6:76784刘士敏 , 杨顺 基于无线传感器网络的农村温室大棚监控系统

18、 J 单片机与嵌入式系统应用 , 2013(8:48515ashedA B , Bull D , Harris G JA method for correcting shortterm fatigue in electrochemical gas sensors J Sensors and Actuators B :Chemical , 1995, 24(13:2482516许驰 , 李新春 基于 ZigBee WSN 的温湿度监测系统 J 单片机与嵌入式系统应用 ,2012(6:3639Design of Monitoring System for Environment of Large

19、ScaleDairy Farm in the Shed Based on ZigBee TechnologyWang Tingjiang , Yang Lishan(Department of Basic Science ongchangcampus , Southwest University , ongchang402460, China Abstract :in recent years , with the rapid development of the dairy industry , The environmental problems of dairy farms has be

20、come an important task in the breeding of dairy cattleHow to monitor the environment of the dairy farm in the shed effectively , a distributed sensor network platform is designed based on ZigBee technologyIt used AM2302, On9658, MH Z12, H2S AE and MQ 137sensor to achieve the accuracy collection of temperature and humidity ,