收稿日期：2014－04－24

基金項目：惠州市科技計劃(2012B020004005，2013W15)。

作者簡介：高蕾(1976-)，女，廣東韶關(guān)人，碩士，講師，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

摘要：針對畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境的要求，設(shè)計開發(fā)了一個畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于ZigBee和GPRS的無線通訊協(xié)議，結(jié)合傳感器技術(shù)，形成自組織網(wǎng)絡(luò)。 該系統(tǒng)不但具有對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境進行24小時監(jiān)控的功能，還具有遠(yuǎn)程查詢的功能。系統(tǒng)整體監(jiān)控精度高、成本低廉、部署與運行維護容易，適合大多數(shù)的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境。在實驗室和畜禽養(yǎng)殖場所的測試表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定、監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可靠。

關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議； 環(huán)境監(jiān)測； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 傳感器； 遠(yuǎn)程查詢

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2163（2014）03-0019-04

Livestock Breeding Environment Monitoring based on ZigBee and GPRS

GAO Lei

(Computer Science Department， Huizhou University， Huizhou Guangdong 516007， China)

Abstract：According to the requirement of livestock and poultry breeding on the environment， a livestock breeding environment monitoring system is designed and implemented. The system uses ZigBee and GPRS wireless communication protocol， combined with sensor technology， forming a self-organizing network. The system not only has 24 hours monitoring function for the livestock and poultry breeding environment， also has the function of remote query. The whole system has several advantages: high monitoring precision， low cost， deployment and maintenance easy， suitable for the majority of livestock and poultry breeding environment. In the laboratory and animal farms test showed that: the system is stable， monitoring data is reliable.

Key words：ZigBee Protocol; Environmental Monitoring; Wireless Sensor Networks; Sensor; Remote Query

0引言

隨著國家經(jīng)濟實力和人民生活水平的不斷提高，整個社會需要更多畜禽肉的充足供應(yīng)。但目前我國食品安全現(xiàn)狀卻實在不容樂觀，如此即將迫切要求畜禽養(yǎng)殖的企業(yè)和個人對畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境做出合理的改進與完善。我國人口眾多，要滿足如此巨量的消費需求，畜禽的養(yǎng)殖必然朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。產(chǎn)業(yè)化的畜禽養(yǎng)殖也就是高密度、集約型的養(yǎng)殖方式，為此養(yǎng)殖環(huán)境就變得尤其重要［1-2］。首先，畜禽的養(yǎng)殖環(huán)境對畜禽的生產(chǎn)能力有很大影響，良好的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境能提高10%~20%的生產(chǎn)能力；其次，自從我國加入WTO后，畜禽類產(chǎn)品的出口必須符合相關(guān)出口國家對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的要求，完好的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境對于提高我國畜禽類產(chǎn)品的出口總額也大有裨益。因此，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中動態(tài)實時監(jiān)測及合理調(diào)節(jié)機制的建立，對畜禽的健康生產(chǎn)、疾病的發(fā)生控制以及疫情的大肆傳播、也包括生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益的提高都具有重要意義。

目前已有的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)只是采用分散測量控制加集中管理，也就是以微處理器為核心的計算機集散監(jiān)控模式。具體來說，這一模式就是以PLC可編程邏輯器件、單片機、傳感器模塊和電氣設(shè)備等作為下位機，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測；同時再以工業(yè)控制計算機作為實施的現(xiàn)場監(jiān)控上位機，并通過RS485和CAN總線等方式與下位機實現(xiàn)其連接［3］。上述監(jiān)測方式雖然可以滿足一定的生產(chǎn)需求，并對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境狀況實施有限監(jiān)測，但也存在相應(yīng)不足，主要表現(xiàn)在：畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的特點，使得布線困難，并且線路容易遭到破壞或腐蝕老化，監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性差，運營成本高；監(jiān)控區(qū)域有限，多數(shù)不具備網(wǎng)絡(luò)功能，難以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。而基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其所具有的自組織、可移動，布置簡單、易于維護、成本低廉且無需布置線路等優(yōu)點，使其已逐漸成為畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的一種重要及有效的監(jiān)測手段［4］。

本文針對畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境特點及其對監(jiān)測系統(tǒng)的具體要求，并結(jié)合ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢，成功設(shè)計了一個畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)已投入實際使用，并且也取得了良好效果。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，決定了整個系統(tǒng)是否符合畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測需求。而畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，雖是基于ZigBee，但其實現(xiàn)卻需要多種應(yīng)用技術(shù)的有機綜合，這些技術(shù)重點包括了：畜禽養(yǎng)殖技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及遠(yuǎn)程訪問技術(shù)等等［1，5］。本文即是根據(jù)畜禽養(yǎng)殖的實際環(huán)境和監(jiān)測系統(tǒng)的具體功能，將系統(tǒng)分為三個主要部分：畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)備以及環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程查詢等。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

Fig.1The overall structure of system由圖1可見，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測設(shè)備主要包括：溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、氨氣濃度傳感器以及硫化氫濃度傳感器等畜禽養(yǎng)殖環(huán)境需要監(jiān)測的一些傳感監(jiān)測設(shè)備；而無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)備則主要包括：基于ZigBee的無線通信設(shè)備、基于RS485的有線通信設(shè)備、基于GPRS的無線通信設(shè)備。相應(yīng)地系統(tǒng)的另一可見組成，也就是環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分主要實現(xiàn)的功能是：環(huán)境因素的數(shù)據(jù)采集、處理和存儲上傳等，同時也接受遠(yuǎn)程控制指令，并為本地用戶提供查詢等；此外，遠(yuǎn)程查詢部分的主要功能就是提供遠(yuǎn)程查詢服務(wù)、還可根據(jù)用戶的需求提供各種時間維度的報表、圖形顯示以及各種權(quán)限控制等。第3期高蕾：基于ZigBee與GPRS的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測智能計算機與應(yīng)用第4卷

2監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)是整個畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。以此為平臺，可使得硬件系統(tǒng)在支撐畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的功能要求得以滿足的同時，還需要將系統(tǒng)的精確度、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離以及傳輸速度等重要指標(biāo)實現(xiàn)無損、高效的傳輸。本文即是將圖1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)備劃歸入硬件系統(tǒng)中，這兩類設(shè)備的作用主要是負(fù)責(zé)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的傳輸。無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)設(shè)備可將畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的各種傳感設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為ZigBee標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

Fig.2The overall structure of hardware system2.1環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)感知的傳感設(shè)備包括：溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器、硫化氫傳感器和光照傳感器等。在具體選擇傳感器時，則要根據(jù)實際情況詳細(xì)考量現(xiàn)場內(nèi)外環(huán)境、市場供應(yīng)、開發(fā)難度及經(jīng)濟條件，并在對其進行綜合評判后，最終確定合適的傳感器。

在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，有多種不同的環(huán)境因素需要監(jiān)測，這就要求各個環(huán)境監(jiān)測傳感器對非電量數(shù)據(jù)也具備感知和探測能力，進一步地還能將其轉(zhuǎn)換為與被監(jiān)測量具有一定映射關(guān)系的電量值。各個傳感器監(jiān)測的非電量環(huán)境因素是在不斷變化的，傳感器能否將這些變化轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電量值，取決于該傳感器的“輸入-輸出”特性。傳感器的“輸入-輸出”特性可以通過傳感器的線性度、遲滯、靈敏度和重復(fù)性等性能指標(biāo)來描述［1］。下面則將給出各個性能指標(biāo)的定義及計算公式。

(1)傳感器的線性度：指傳感器的實際“輸入-輸出”特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即：

εL＝±ΔLmaxyFS×100%(1)

(2)傳感器遲滯：傳感器在輸入量增加和輸入量減少的行程中，“輸入-輸出”特性曲線之間不重合的程度，即：

γH＝ΔHmyFS×100%(2)

(3)傳感器靈敏度：傳感器在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出變化量與被監(jiān)測的輸入變化量之比值，即：

S0=ΔyΔx(3)

(4)傳感器重復(fù)性：傳感器的輸入量在同一方向變化時，在滿量程內(nèi)連續(xù)進行重復(fù)測量所得到的“輸入-輸出”特性曲線不一致的程度，即：

γR=±ΔRmyFS×100%(4)

基于上述指標(biāo)，本系統(tǒng)選用的傳感設(shè)備則分別為：瑞士Sensirion公司制造的SHT10溫濕度傳感器［6］；藍月科技制造的B-530二氧化碳傳感器［7］；美國RAE Systems公司制造的4NH3-100氨氣傳感器［8］；美國 RAE Systems公司制造的 4H2S-100硫化氫傳感器［9］；北京迪輝科技有限公司制造的GY-30光照傳感器［10］。各個傳感器的相關(guān)參數(shù)，如表1~表5所示。

表1SHT10溫濕度傳感器命令代碼對應(yīng)表

Tab.1The corresponding table of command

code of SHT10

命令代碼(二進制)溫度測量00011濕度測量00101讀狀態(tài)寄存器00111寫狀態(tài)寄存器00110軟復(fù)位11110表2B-530二氧化碳傳感器技術(shù)參數(shù)

Tab.2Technology parameters of B-530參數(shù)名稱參數(shù)值電壓12VDC測量范圍0-5 000ppm精度小于±7%分辨率10ppm相應(yīng)時間小于4秒輸出ASC碼串行數(shù)據(jù)，TTL電平穩(wěn)定性小于1%/年表34NH3-100氨氣傳感器技術(shù)參數(shù)

Tab.3Technology parameters of 4NH3-100參數(shù)名稱參數(shù)值電壓5VDC測量范圍0-100ppm靈敏度0.01±0.02uA/ppm分辨率0.5ppm響應(yīng)時間小于10秒輸出模擬量信號穩(wěn)定性小于2%/月表44H2S-100硫化氫傳感器技術(shù)參數(shù)

Tab.4Technology parameters of 4H2S-100參數(shù)名稱參數(shù)值電壓5VDC測量范圍0-100ppm靈敏度0.8±0.02uA/ppm分辨率0.1ppm響應(yīng)時間小于20秒輸出模擬量信號穩(wěn)定性小于2%/月表5GY-30光照傳感器技術(shù)參數(shù)

Tab.5Technology parameters of GY-30參數(shù)名稱參數(shù)值電壓3-5VDC測量范圍0-65536lx精度101x分辨率11x響應(yīng)時間小于120毫秒輸出I2C總線數(shù)字輸出穩(wěn)定性小于1%/年2.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)備

文中的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在整體上主要采用基于ZigBee和GPRS兩種無線通訊方式，為此系統(tǒng)則具有免布線、運營維護簡單的特點，并且特別需要一提的就是，還非常適合于對老舊畜禽養(yǎng)殖場所實現(xiàn)改造升級。

2.2.1ZigBee無線通信

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別劃定為物理層(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。其中的物理層和媒體訪問控制層遵循的則是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點是低功耗、低成本、低速率、低復(fù)雜度、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、并且快速、可靠而又安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(Router)、傳感器節(jié)點(EndDevice)等三種角色［11］。

本文的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用了鼎泰電子公司生產(chǎn)的ZigBee-DRF1600無線傳輸模塊，其獨特之處在于：網(wǎng)絡(luò)自組織、數(shù)據(jù)傳輸透明、簡單易用。此處則將其外形實拍，獲得影像即如圖3所示。

圖3ZigBee-DRF1600外形圖

Fig.3Appearance of ZigBee-DRF1600ZigBee-DRF1600具有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。

方式之一就是一對多的數(shù)據(jù)透明傳輸模式。Coordinator節(jié)點從串口接收數(shù)據(jù)，自動發(fā)送給所有其他節(jié)點，串口接收到數(shù)據(jù)也會自動發(fā)送給Coordinator節(jié)點；

方式之二就是點對點數(shù)據(jù)傳輸方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意兩個節(jié)點之間，可以進行點對點的數(shù)據(jù)和指令傳輸。

根據(jù)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的具體需求，本文即采用了一對多的數(shù)據(jù)透明傳輸模式。

2.2.2GPRS無線通信

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡稱，該技術(shù)是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由宏觀發(fā)展來說，GPRS可說是GSM的延續(xù)。與以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞接兴煌氖?，GPRS是以封包（Packet）式來進行傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費用是以其傳輸資料單位實現(xiàn)相應(yīng)計算的，而并非使用了整個頻道，在理論上較為經(jīng)濟實用。GPRS的傳輸速率可提升至56、甚至114Kbps［12］。本文的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)使用了基于GPRS的Internet接入方法，就是將畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)處理中心。

文中采用了北京同誠業(yè)科技有限公司出品的WG-8010 GPRS模塊，該模塊具有性能可靠、使用簡單、兼容性好等特點。具體的產(chǎn)品外形則如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)對監(jiān)控場所實施24小時全面監(jiān)測，便于用戶的生產(chǎn)管理，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集平臺采用了C/S架構(gòu)；而遠(yuǎn)程查詢平臺則采用B/S架構(gòu)。數(shù)據(jù)采集平臺主要負(fù)責(zé)對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和報警等任務(wù)；遠(yuǎn)程查詢平臺，則主要是為用戶提供遠(yuǎn)程查詢的支持，具體還可以根據(jù)用戶的需求，按不同的時間維度顯示相應(yīng)的統(tǒng)計信息。圖4 WG-8010 GPRS模塊外形圖

Fig.4Appearance of WG-8010 GPRS module畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分采用Microsoft Visual Studio .Net平臺開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008，軟件的總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

Fig.5Overall structure of software考慮到系統(tǒng)的可擴充性和可遷移性，對數(shù)據(jù)庫訪問的遠(yuǎn)程查詢模塊采用Spring.Net，Enterprise Library以及ADO.Net三個組件來實施開發(fā)。開發(fā)后的系統(tǒng)將具有很好的數(shù)據(jù)訪問性能、可擴充性和可遷移性，并能滿足不同數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的要求。在現(xiàn)今流行的SQL Server、Oracle、MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中都能應(yīng)用和運行。

4結(jié)束語

結(jié)合我國畜禽養(yǎng)殖的實際情況，設(shè)計開發(fā)了一個畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于ZigBee和GPRS的無線傳輸協(xié)議，以及傳感器技術(shù)，能夠?qū)π笄蒺B(yǎng)殖場所的溫濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度、硫化氫濃度以及光照強度等環(huán)境因素進行24小時全天候有效監(jiān)測。系統(tǒng)具有易于實施、運營維護簡單、監(jiān)測范圍廣、性能可靠等優(yōu)點，并已在實際應(yīng)用中證明了該系統(tǒng)的良好有效性，可望對我國日后的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測提供有益的借鑒與參考。參考文獻：

［1］姜榮昌. 畜舍養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2013.

［2］SICARD C， BRENNAN J D. Bioactive paper: biomolecule immobilization methods and applications in environmental monitoring［J］. MRS Bulletin， 2013， 38(4): 331-334.

［3］王雷雨， 孫瑞志， 曹振麗. 畜禽健康養(yǎng)殖中環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)研究［J］. 農(nóng)機化研究， 2012， 52(10):199-203.

［4］BARONTI P， PILLAI P， CHOOK V W C， et al. Wireless sensor networks: a survey on the state of the art and the 802.15. 4 and ZigBee standards［J］. Computer Communications， 2007， 30(7): 1655-1695.

［5］劉玉梅， 張長利， 王樹文， 等. 基于 ZigBee 技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］. 自動化技術(shù)與應(yīng)用， 2011(3): 50-53.

［6］王武禮， 楊華. 基于 SHT11 的糧倉溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計［J］. 儀表技術(shù)與傳感器， 2010 (9): 50-51.

［7］楊鵬， 史旺旺， 劉松. 基于 WSN 的二氧化碳傳感器節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 工業(yè)控制計算機， 2012， 25(5): 8-9.

［8］鞠洪巖， 付大光， 詹磊， 等. 濕度對聚苯胺氨氣傳感器性能影響的研究［J］. 高分子學(xué)報， 2013 (1): 156-163.

［9］邵婷婷， 韓少波， 殷國釗. 基于單片機的低成本硫化氫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］. 環(huán)境保護科學(xué)， 2013 (4): 142-144.

［10］崔光照， 靳嵩. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［J］. 通信技術(shù)， 2009， 41(12): 287-289.

［11］YI P， IWAYEMI A， ZHOU C. Developing ZigBee deployment guideline under WiFi interference for smart grid applications［J］. Smart Grid， IEEE Transactions on， 2011， 2(1): 110-120.

［12］MIRZAEI A， DARABI H， YAZDI A， et al. A 65 nm CMOS quad-band SAW-less receiver SoC for GSM/GPRS/EDGE［J］. Solid-State Circuits， IEEE Journal of， 2011， 46(4): 950-964.