朱鳳舞 梁天航

摘 要：針對雞舍養(yǎng)殖對環(huán)境的要求，設(shè)計開發(fā)了一套雞舍有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)。融合ZigBee和GPRS技術(shù)，利用短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測雞舍的環(huán)境參數(shù)，然后通過遠距離GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至上位機端。通過上位機程序設(shè)計，對節(jié)點繼電器發(fā)出執(zhí)行命令，實現(xiàn)預期調(diào)控。給雞舍帶來了良好的繁殖環(huán)境，同時避免了布線困難，操作更加快捷、準確，達到了雞舍現(xiàn)代化建設(shè)、管理的目的。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS；雞舍；無線監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：S831.4 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431026

引言

家禽疾病復雜多變，其中傳染病種類也是最多的，不僅給養(yǎng)殖戶帶來巨大的經(jīng)濟損失，更嚴重危害了人類的健康安全。雞舍內(nèi)有害氣體含量是影響家禽疾病爆發(fā)的主要因素。對有害氣體濃度值進行監(jiān)控，可實時顯示、調(diào)控雞舍內(nèi)環(huán)境狀況，進而降低家禽疾病爆發(fā)率具有重要意義[1]。本文充分依托學校肉雞養(yǎng)殖基地這樣一個優(yōu)越的實驗環(huán)境，選取3項有害氣體指標構(gòu)建了雞舍環(huán)境監(jiān)控微體系。應用LabWindows/CVI開發(fā)了環(huán)境監(jiān)控虛擬儀器系統(tǒng)。本設(shè)計已投入實際使用，并且也取得了良好效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用PDCA循環(huán)理論，也就是所說的戴明環(huán)體系思想進行總體設(shè)計，它的原理圖如圖1所示。

在P階段：分析雞舍現(xiàn)狀，找出實驗過程中會遇到的問題，確認問題，收集和組織資料，設(shè)定目標和實驗方法。分析問題的各種原因或影響因素，找出主要因素。制定措施，提出實驗計劃。尋找可能的解決辦法，測試并選擇。

在D階段：實施實驗計劃，實施實驗設(shè)計圖如圖2所示。通過傳感器的采集，將參數(shù)傳輸給可以靈活組網(wǎng)的ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)，完成了短距離數(shù)據(jù)傳輸。此時的數(shù)據(jù)會通過RS-485串口以有線的方式發(fā)送到GPRS-DTU端，GPRS和服務器進行TC/IP配置，完成數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。上位機PC端可以實時顯示、存儲、報警和控制繼電器，從而調(diào)控雞舍的有害氣體含量，達到智能調(diào)控雞舍環(huán)境的目標。

在C階段：評估結(jié)果，分析實驗數(shù)據(jù)。

在A階段：對實驗進行總結(jié)、修正；提出這一PDCA循環(huán)尚未解決的問題，把它轉(zhuǎn)到下一個PDCA繼續(xù)完善。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊設(shè)計

二氧化碳傳感器選擇的是藍月科技制造的B-530[2]。釆用的是紅外NIRD檢測原理，量程范圍為0～5000ppm，精度/分辨率為10ppm，使用壽命可達10a以上。

氨氣傳感器選擇的是美國RAE Systems公司制造的4NH3～100傳感器[3]。量程范圍為0～100ppm，分辨率為0.5 ppm，響應時間不大于10s，穩(wěn)定性相對可靠，靈敏度極高。

硫化氫傳感器選擇的是鄭州煒盛科技公司生產(chǎn)的ME4-H2S電化學式氣敏傳感器。該傳感器的特點是：功耗低、精度高、靈敏度極強、線性度寬、抗干擾能力突出，以及優(yōu)異的重復性和高度穩(wěn)定性，廣泛適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及環(huán)保中H2S的檢測。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

短距離無線數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，ZigBee模塊采用的是深圳隔壁科技生產(chǎn)的GB-SMA-10系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品特點是底板結(jié)構(gòu)清晰、擴展通道數(shù)量較多、網(wǎng)絡(luò)自組織、數(shù)據(jù)傳輸透明、簡單易用。本實驗共選擇了5個測量點，所以需要采集節(jié)點模塊5塊、外加1塊協(xié)調(diào)節(jié)點模塊，共計6塊模塊。

遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸采用北京天同誠業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的COMWAY WG-8010系列GPRS-DTU，該模塊具有性能可靠、使用簡單、兼容性好等特點。且內(nèi)部封裝了TC/IP協(xié)議，適用于AT命令擴展，可完美實現(xiàn)DTU與服務器之間的通信。

2.3 系統(tǒng)控制部分設(shè)計

控制部分位于采集節(jié)點的底層板，主要器件是深圳育松電子的SRD-05VDC系列的繼電器，該繼電器通過上位機發(fā)來的控制指令，來控制風機的開和關(guān)。且繼電器控制區(qū)域和負載區(qū)域有隔離槽，信號輸出穩(wěn)定。保證了雞舍空氣的相對優(yōu)良。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee自組網(wǎng)

ZigBee的組網(wǎng)方式有3種，分別是廣播、組播、點播。本課題采用了最普遍應用的廣播模式。它的構(gòu)造形式是：在ZigBee自組網(wǎng)體系中會有若干個CC2530采集模塊（本系統(tǒng)有5個監(jiān)測點故需要5塊）和有且僅有一個協(xié)調(diào)節(jié)點模塊。而且有的系統(tǒng)還會有若干個路由節(jié)點模塊，由于本系統(tǒng)實驗環(huán)境所限，故無需路由節(jié)點。它的組網(wǎng)流程如圖3，是通過協(xié)調(diào)器建立自組網(wǎng)絡(luò)，并以廣播的形式發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)，另外5個采集節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并以單播的形式向協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)或是接受命令。

3.2 GPRS模塊與服務器的通訊

GPRS-DTU端即所說的客戶端是GPRS模塊與網(wǎng)絡(luò)服務器信息交互的起始端。而信息的TXD和RXD在兩端口之間均是可逆的，GPRS-DTU端通過接收的信息對服務器端進行反饋，反之服務器端也同樣會對GPRS-DTU端做出響應。交互的兩端共同擔負起基于GPRS與INTERNET網(wǎng)絡(luò)通訊的責任并建立了一套閉環(huán)系統(tǒng)。但事實是：服務器端要比DTU端不論是基礎(chǔ)安裝、系統(tǒng)軟件的建設(shè)、能夠接受通訊信息的質(zhì)量都要遠遠超過不少，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更復雜。

整個通訊開始前必須先發(fā)出通訊請求，這個過程是由DTU端完成的，他通過預先獲得的INTERNET服務器的IP地址和端口號發(fā)起請求。請求一旦被應答且建立通訊，服務器端和DTU端就變得一體化。也就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

在通訊過程中不論是公網(wǎng)IP還是通過解析域名服務器獲取的動態(tài)域名IP地址都可以作為服務器IP，服務器端運行的特定應用程序往往也需要與服務器的端口號進行匹配使用，如TCP 54這個端口號就需要和FTP服務匹配，TCP78這個端口號就需要和超文本服務器（Http）匹配。即自定義的端口號還支持與特定的服務器端的應用程序匹配實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。GPRS-DTU端與服務器端的通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換的過程如圖4。

3.4 上位機監(jiān)測軟件設(shè)計

本設(shè)計的上位機監(jiān)控軟件選擇LabWindows/CVI這樣一個用于開發(fā)虛擬儀器應用的系統(tǒng)。它的開發(fā)環(huán)境是完全標準的C語境；數(shù)據(jù)的采集、分析、和顯示也都可以通過LabWindows/CVI的內(nèi)置式函數(shù)庫實現(xiàn)；同時LabWindows/CVI的自動代碼生成工具以及拖放式用戶界面編輯器都可以在其內(nèi)部靈活可調(diào)。通過該虛擬軟件的部分功能在未將代碼加入到Project時，就可以完成對基礎(chǔ)項目的人機交互測試。LabWindows/CVI不僅可以定義和繪制人機界面，還能夠開發(fā)多線程應用，及生成或運行ActiveX組件[4]。本實驗設(shè)計的軟件系統(tǒng)功能圖如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是驗證系統(tǒng)能否達到預期目標的手段，同時也是驗證系統(tǒng)適用性的有效方式。本實驗選取了2處環(huán)境基本一致的雞舍（舍1-自然條件監(jiān)測，舍2-自動控制系統(tǒng)監(jiān)測）通過對比分析法來描述實驗的最終效果。

通過圖6有害氣體濃度數(shù)據(jù)對比圖表明，在相同實驗參數(shù)和不同的實驗環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)折線變化，能夠得到這樣一個結(jié)論：在自然條件下雞舍的有害氣體參數(shù)變化無明顯規(guī)律且波動比較大，在自控系統(tǒng)的條件下雞舍的有害氣體參數(shù)變化明顯穩(wěn)定了很多，且有比較明顯的同定規(guī)律。這也說明該系統(tǒng)具有可靠的智能調(diào)控作用，是可以實踐應用的。

5 結(jié)束語

本文通過分析把有3大有害氣體作為影響肉雞生產(chǎn)的主要環(huán)境因素，針對以上主要因素設(shè)計了適合雞舍復雜環(huán)境的微型監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功的對雞舍CO2濃度、H2S濃度、HN3濃度數(shù)據(jù)進行了實時監(jiān)測、圖像顯示、以及數(shù)據(jù)的存儲和對環(huán)境的調(diào)控。且經(jīng)過系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)驗證分析證明該系統(tǒng)能夠滿足基本的生產(chǎn)需求。相信隨著農(nóng)業(yè)和其他學科的交叉，以及在互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的推動下，這類型的自動控制技術(shù)會上一個新臺階。

參考文獻

[1]劉子義. ZigBee技術(shù)在雞舍環(huán)境監(jiān)測中的應用研究[D].河北農(nóng)業(yè)大學碩士論文，2015（9）： 4435

[2]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.

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

[4]朱曉濤，洪海麗. 基于LabWindows/CVI的虛擬數(shù)字濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2011（6）： 2095-2163