謝秋菊，蘇中濱，王雪，劉金明，田芳明

（1.黑龍江八一農墾大學信息技術學院，大慶 163319；2.東北農業(yè)大學電氣與信息學院）

豬舍環(huán)境是指豬舍的通風效果、溫濕度、光照、有害氣體含量等[1]，豬是應激動物，對豬舍環(huán)境敏感，舒適的養(yǎng)殖環(huán)境可以增強豬抵御疾病的能力，提高豬的健康水平和生產效率。近年來，隨著規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖環(huán)境受到國內外專家的普遍重視[2-3]。國外，例如：美國、巴西、丹麥、加拿大等養(yǎng)殖環(huán)境信息監(jiān)測的智能化程度較高。國內，雖然也有許多學者對養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測進行研究，例如：錢東平等[4]對畜舍環(huán)境溫度進行監(jiān)控，建立了畜舍環(huán)境溫度數學模型；王雷雨等[5]對牛舍環(huán)境進行了監(jiān)測，通過專家系統對環(huán)境進行了預警；朱偉興等[6]基于物聯網對保育豬舍內部小環(huán)境進行監(jiān)測，實現了保育舍內的小氣候環(huán)境的控制；王冉等[7]基于無線傳感網絡對畜禽舍環(huán)境進行監(jiān)測；周晨飛[8]基于ZigBee技術建立了豬舍環(huán)境信息智能化監(jiān)測系統。但是，在上述這些研究中，大都針對畜舍內單一溫度環(huán)境因素進行監(jiān)測、并且方法簡單，自動化程度低；針對環(huán)境的多因素監(jiān)測的研究較少，同時缺少完整的監(jiān)測信息采集及傳輸網絡。因此，為了對豬舍環(huán)境信息進行及時、準確的監(jiān)測，現有的畜舍環(huán)境信息采集及傳輸方法顯然不能滿足規(guī)?；B(yǎng)殖對環(huán)境監(jiān)控的需求，需要建立完整的環(huán)境信息采集及傳輸網絡。

1 無線傳感器網絡

WSN即無線傳感器網絡，是由大量的傳感器節(jié)點通過無線通信方式組成的多跳自組織網絡系統。它能夠對網絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象信息，進行協同地實時監(jiān)測、感知、采集和處理，并組成自組織多跳網絡以無線通信方式將處理后的信息發(fā)送給觀察者[9]。WSN通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據經過多跳或單跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據。

2 豬舍環(huán)境監(jiān)測系統設計

2.1 系統結構

豬舍環(huán)境無線傳感器網絡監(jiān)測系統的總體網絡結構如圖1所示，系統包括無線傳感器監(jiān)測區(qū)域、本地控制中心和遠程控制三級網絡[10]。無線傳感器網絡監(jiān)測區(qū)域是實現豬場環(huán)境數據監(jiān)測的基礎和主體，它包括ZigBee協調器、單舍控制節(jié)點和傳感器節(jié)點。ZigBee協調器是無線傳感器網絡監(jiān)測區(qū)域的中心，負責收集和處理豬場中各豬舍的相關數據，并將數據發(fā)送給本地控制中心；單舍控制節(jié)點布置在每個豬舍的頂梁處，負責將本豬舍環(huán)境傳感器節(jié)點發(fā)送來的數據進行處理、融合，并且發(fā)送給ZigBee協調器，它實際上是一種全功能設備（FFD），具有路由功能，可為其他豬舍發(fā)送數據時提供路由服務；在每個豬舍內布置一定數量的傳感器終端節(jié)點，負責采集每個豬舍內的溫度、濕度及氨氣深度等環(huán)境數據，它是網絡的終端節(jié)點，不具備路由功能，但是可以將采集的環(huán)境數據發(fā)送給本舍的控制節(jié)點；本地控制中心用于管理由ZigBee協調器傳來的數據，為用戶提供數據管理，通過Internet或GPRS將數據傳送到遠程服務器。遠程控制可為遠程用戶瀏覽養(yǎng)豬場相關環(huán)境數據提供服務功能。

圖1 無線傳感器網絡監(jiān)測系統結構圖Fig.1 Structure ofmonitoring system based on WSN

2.2 系統設計

無線傳感器網絡監(jiān)測區(qū)域是系統實現環(huán)境監(jiān)測的核心，因此，ZigBee協調器、單舍控制節(jié)點、無線傳感器節(jié)點是本系統設計的重點。

2.2.1 傳感器終端節(jié)點設計

系統傳感器終端節(jié)點是實現豬舍環(huán)境采集的節(jié)點。溫度、濕度和氨氣濃度是影響豬生長發(fā)育的主要環(huán)境因素[10-11]，因此，系統選取這三個因素作為豬舍環(huán)境參數進行采集。傳感器終端節(jié)點結構如圖2所示。傳感器終端節(jié)點包括2個模塊：傳感器模塊和無線通信模塊。傳感器模塊包括溫濕度傳感器和氨氣濃度傳感器，負責采集豬舍內的溫濕度和氨氣濃度，采集的數據經過調理電路濾波、放大后傳送到無線通信模塊。無線通信模塊負責將傳感器模塊送來的環(huán)境數據傳送給上一級節(jié)點。

圖2 無線傳感器網絡終端節(jié)點結構Fig.2 Structure ofWSN terminal node

系統均選用數字傳感器，溫濕度采集選用SHT10溫濕度傳感器、氨氣濃度采集選用ME3-NH3氨氣傳感器。無線通信模塊采用CC2430作為處理器。傳感器終端節(jié)點采用鋰電池供電，因此在系統軟件設計時，充分考慮盡量減小系統的能耗以延長使用時間，傳感器終端節(jié)點監(jiān)測節(jié)點軟件流程如圖3所示。由于CC2430的能耗主要消耗在射頻收發(fā)數據時。因此，系統在采集、發(fā)送完一條數據后關閉射頻電路，進入休眠狀態(tài)，這樣可以大大降低系統的能耗、延長使用時間。傳感器終端節(jié)點將采集到的數據發(fā)送至單舍控制節(jié)點，其數據格式如表1所示。

圖3 無線傳感器節(jié)點數據采集流程圖Fig.3 Data acquisition of flow chart on WS

2.2.2 單舍控制節(jié)點設計

單舍控制節(jié)點用于接收本舍內各傳感器節(jié)點發(fā)送的環(huán)境監(jiān)測數據，然后進行數據處理，再將處理后的數據發(fā)送給ZigBee協調器，同時具有簡單的數據顯示功能。綜合考慮數據處理和成本要求，無線通信模塊的處理器依然選用CC2430芯片。單舍控制節(jié)點的硬件設計與傳感器終端控制節(jié)點相似，但是由于單舍控制節(jié)點要與本舍內的所有傳感器節(jié)點進行通信，同時還要完成數據存儲和處理，消耗的能量較大，所以選用豬舍內的電源給控制節(jié)點供電，通過電壓轉換模塊將電壓轉換到適合控制節(jié)點的工作電壓。

表1 傳感器終端節(jié)點數據格式Table 1 Data formation of terminal node

2.2.3 ZigBee協調器設計

ZigBee協調器是豬場無線傳感器監(jiān)測網絡的總控制器，負責建立網絡，接收各豬舍控制節(jié)點傳來的環(huán)境監(jiān)測數據和設備狀態(tài)信息，接收的數據經過處理后，發(fā)送給本地控制中心，同時向單舍控制節(jié)點發(fā)布網絡控制信息。根據豬舍環(huán)境監(jiān)測系統的需求，ZigBee協調器的硬件結構組成框圖如圖4所示，實物如圖5所示。它包括CC2430通信模塊、鍵盤電路模塊、USB接口模塊、液晶顯示模塊和電源電路模塊等。其中USB模塊用來與PC機進行通信；液晶顯示模塊負責節(jié)點工作狀態(tài)的指示；電源模塊通常采用持續(xù)電源供電，為ZigBee協調器提供運行所需的能量。

圖4 ZigBee協調器硬件結構圖Fig.4 Structure of ZigBee coordinator

圖5 ZigBee協調器實物圖Fig.5 Photo of ZigBee coordinator

2.3 豬舍環(huán)境數據處理

由于單個豬舍中布置了多個采集節(jié)點，因此需要對這些節(jié)點的數據進行融合，利用求加權平均值的方法作為監(jiān)測豬舍內的環(huán)境值。設豬舍中布置n個采樣節(jié)點分別為x1，x2…xn，每個節(jié)點的信息表示為，其中：ti，hi，ci，ωi分別表示節(jié)點xi基某時刻的溫度值，濕度值，氨氣濃度及權重。那么，某時刻豬舍內的溫度T、濕度H、氨氣C，則可表示為：

將T，H，C的值作為此豬舍某時刻的環(huán)境數值。

3 系統測試

3.1 節(jié)點部署

該系統在某養(yǎng)豬場進行現場實際測試，選擇了3棟豬舍為環(huán)境監(jiān)測點，養(yǎng)豬場信息中心的計算機用于管理、顯示和處理現場傳回的環(huán)境數據，3棟豬舍間距分別為20 m、30 m、50m，與信息中心的距離分別為90m、120m、150 m；豬舍為密閉式、南北朝向，長度為70 m，南北跨度為10 m，高度為2.5 m，雙列式鋼質圍欄。在豬舍內距離地面高度為1m的不同位置分別布置了6個傳感器終端節(jié)點，每個終端節(jié)點可實現對溫度、濕度和氨氣濃度的采集，每間隔10 min對豬舍內環(huán)境數據進行一次采集；在每個豬舍的頂梁中間處布置了一個單舍控制節(jié)點，負責接收、處理和轉發(fā)本舍內終端節(jié)點傳來的環(huán)境數據；ZigBee協調器布置在距離信息中心較近的一棟豬舍內，負責管理整個網絡系統的數據通信。

3.2 傳感器終端節(jié)點通信距離測試

系統采用CC2430芯片，其通信頻率為2.4 GHz。豬舍內建筑比較開闊，不存在信號遮擋，測試時6個終端節(jié)點與單舍控制節(jié)點的通信距離不同，經過測試通信距離在80～100m之間，由于豬舍內部直線距離小于70m，因此傳感器終端節(jié)點和單舍控制節(jié)點之間可實現正常通信。

3.3 節(jié)點功耗測試

由于系統的傳感器終端節(jié)點是電池供電，而單舍控制節(jié)點和ZigBee控制器是有源電源供電，所以節(jié)點功耗測試是指傳感器終端節(jié)點的功耗測試。傳感器終端節(jié)點應用兩節(jié)南孚7號電池供電，電池容量約790mAh×2，CC2430發(fā)射模式下功耗為25mA，待機功耗0.6μA，休眠功耗0.9μA。SHT10溫濕度傳感器的休眠功耗為0.6μA，工作功耗為0.9mA；氨氣傳感器NE3-NH3的功耗為37.5mA。傳感器終端節(jié)點間隔10min對環(huán)境數據進行采集，連續(xù)采集和發(fā)送5次傳感器數據轉入休眠模式。節(jié)點每發(fā)送一次數據時間約為 1 s，而后轉入待機，待機 10 s后再發(fā)送下一次數據，即完成一個數據發(fā)送周期后轉入休眠需要55 s。經測試，傳感器終端節(jié)點在以兩節(jié)南孚7號電池供電的情況下，平均可工作86 d。

3.4 系統整體性能測試

通過現場實際測試，系統啟動后30 s內即可完成無線傳感器網絡的建立、所有傳感器終端節(jié)點的綁定，形成自組織網絡。傳感器終端節(jié)點在完成數據的采集后，可在5 s內完成數據的發(fā)送。單舍控制節(jié)點接收數據后可在30 s之內完成數據的融合及轉發(fā)，ZigBee協調器可在20 s內將數據傳送給本地控制中心的計算機。本地控制中心接收到的環(huán)境監(jiān)測數據如圖6。

圖6 豬舍環(huán)境數據監(jiān)測界面Fig.6 Software interface of environmental datamonitor

4 結論

基于WSN技術實現了豬舍環(huán)境監(jiān)測系統，系統結構為無線傳感器監(jiān)測區(qū)域網絡、本地控制中心和遠程控制三級網絡。無線傳感器監(jiān)測區(qū)域網絡是本系統的基礎，在監(jiān)測區(qū)域內采用傳感器終端節(jié)點-單舍控制節(jié)點-ZigBee協調器的通信網絡，即：在單個豬舍內布置一定數量的傳感器終端節(jié)點，對豬舍的溫度、濕度和氨氣濃度環(huán)境因素進行監(jiān)測；在豬舍頂梁處布置單舍控制節(jié)點，實現本舍內傳感器終端節(jié)點傳來的環(huán)境數據的接收、處理與轉發(fā)；在距離本地控制中心最近的豬舍布置ZigBee協調器，負責管理整個網絡的通信及將單舍控制器傳來的環(huán)境數據發(fā)送給本地控制中心。設計了傳感器終端節(jié)點、單舍控制節(jié)點和ZigBee協調器，同時實現了多傳感器數據融合處理。通過在豬場現場實際測試，本系統設計的傳感器終端節(jié)點的有效通信距離為80～100m，可靠地實現了與單舍控制器之間的通信，節(jié)點能耗較低；系統啟動后在30 s內可以完成整個網絡的建立、及傳感器終端節(jié)點的綁定，快速地形成自組織網絡；系統組網簡單、運行成本低，數據傳送準確、高效。

［1］李中興，毛雪紅.環(huán)境對養(yǎng)豬業(yè)的影響［J］.中國動物保健，2010（10）：44-46.

［2］熊本海，呂健強，羅清堯，等.基于Internet/Intranet集約化奶牛場精細養(yǎng)殖技術平臺的構建［J］.畜牧獸醫(yī)學報，2005，36（11）：1163-1169.

［3］陳長喜，張宏福，王兆毅，等.畜禽健康養(yǎng)殖預警體系研究與應用［J］.農業(yè)工程學報，2010，26（11）：215-220.

［4］錢東平，王建新，隋美麗，等.畜禽舍環(huán)境溫度監(jiān)控系統模糊控制算法的實現［J］.農業(yè)機械學報，2005，36（12）：95-98.

［5］王雷雨，孫瑞志，曹振麗.畜禽健康養(yǎng)殖中環(huán)境監(jiān)測及預警系統研究［J］.農機化研究，2012（10）：199-203.

［6］朱偉興，戴陳云，黃鵬.基于物聯網的保育豬舍環(huán)境監(jiān)控系統［J］.農業(yè)工程學報，2012，28（11）：177-182.

［7］王冉，徐本崇，魏瑞成，等.基于無線傳感網絡的畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統的設計與實現［J］.江蘇農業(yè)學報，2010，26（3）：562-566.

［8］周晨飛.基于Zigbee無線傳感網絡在智能豬舍環(huán)境監(jiān)測系統中的應用［D］.武漢：武漢科技大學，2011.

［9］Karl H，Willim A.Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks［M］.丘天爽，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［10］周益明.基于無線傳感器網絡的溫室群監(jiān)測與控制系統的關鍵技術研究與實現［D］.杭州：浙江大學，2009.

［11］秦雯，衣淑娟，趙斌，等.水稻育秧群棚智能化監(jiān)控系統的設計［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2014，26（1）：75-78.