刁志剛,孫云龍

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇淮安，223003)

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基于智能養(yǎng)殖的通信設計與實現(xiàn)

刁志剛,孫云龍

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇淮安，223003)

摘要：基于智能養(yǎng)殖的通信設計，實現(xiàn)了智能養(yǎng)殖的通信架構(gòu)，以zigbee網(wǎng)絡核心的終端采集系統(tǒng)，詳細介紹了各個部分的硬件設計和軟件流程，并給出了無線通信協(xié)議，實驗結(jié)果表明，設計能滿足系統(tǒng)各項要求，具有良好的可靠性。

關(guān)鍵詞：智能養(yǎng)殖;以太網(wǎng)通信;stm32;CC2530;zigbee網(wǎng)絡

養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，滿足了人們對肉蛋奶的需求，基于ZigBee和以太網(wǎng)的畜舍通信設計就是無線傳感器網(wǎng)絡和遠程控制中心之間搭建一條數(shù)據(jù)傳輸通道。本設計主要是把ZigBee收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)竭h程控制中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信，搭建一條遠程通信通道，完成ZigBee網(wǎng)絡和以太網(wǎng)網(wǎng)絡的對接，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測和遠程控制。

1　系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)組成如圖1所示，以豬舍環(huán)境調(diào)控為例，整個豬舍由水簾控制系統(tǒng)、zigbee采集節(jié)點、以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、風機等構(gòu)成。豬舍一側(cè)安裝有若干個水簾和通風設備組成一字間隔分布排列，豬舍的中心按一字形安裝若干個采集節(jié)點，每個節(jié)點再分別連接若干個傳感器，采集節(jié)點的主要功能是負責采集豬

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

舍的環(huán)境參數(shù)。另外一側(cè)裝有若干個負壓風機，在該側(cè)的中心安裝協(xié)調(diào)器節(jié)點，負責匯聚各個采集節(jié)點發(fā)來的參數(shù)數(shù)據(jù)，按照控制理論得出的結(jié)果來實進控制風機啟動和停止來調(diào)節(jié)豬舍的環(huán)境，以最大化適合豬只生長的需要。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1ZigBee節(jié)點設計

ZigBee模塊采用的是由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，通過Z-Stack軟件可以對協(xié)議進行用戶自定義，對各個終端實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡，具有良好的擴展性和低功耗。采集節(jié)點電路如圖2所示。場舍環(huán)境系統(tǒng)由主控制器、溫度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳氣傳感器、氨氣傳感器、繼電器、驅(qū)動電路、顯示模塊構(gòu)成，節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

系統(tǒng)工作原理如下:除光照傳感器外，其它都用的是模擬接口，通過AD 轉(zhuǎn)換輸入微控制器，根據(jù)需要可用LCD來顯示當前環(huán)境參數(shù)的測量值。驅(qū)動控制器根據(jù)控制算法輸出控制量信號來驅(qū)動繼電器和報警器的工作狀態(tài)。根據(jù)環(huán)境的控制需要事先把報警和各參數(shù)的控制閥值存儲在芯片內(nèi)部，系統(tǒng)通過上位機經(jīng)無線zigbee模塊通信或由主控制器自動控制。

2.2網(wǎng)關(guān)硬件設計

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的微處理器，它是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，多達80個IO， CPU操作電壓范圍是2.0-3.6V。由于CC2530內(nèi)部也集成有串行口，所以STM32和CC2530采用串口進行通信。

以太網(wǎng)通信接口采用w5500，w5500是WIZnet公司研發(fā)的一款超高性價比的芯片，是新一代全硬件協(xié)議棧的專用芯片，不需要進行植入的軟件協(xié)議棧，是新一代革新網(wǎng)絡芯片的代表，它與STM32采用的是SPI接口。

2.3節(jié)點電源電路設計

電源電路由開關(guān)電源或7.2V的鋰電池供電，經(jīng)LM2576穩(wěn)壓后變?yōu)?V電壓，再經(jīng)C1進行濾波，將濾波后的電壓供給節(jié)點使用，由于后繼電路中微處理器、WiFi模塊、存儲器及AD轉(zhuǎn)換器都使用3.3V供電，所以接一片ASM1117將電壓變?yōu)?.3V。

圖2　節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1協(xié)調(diào)器程序流程

協(xié)調(diào)器先初始化控制各設備，請求各節(jié)點的傳感器值，收到后對各值進行分析，有異常的就啟動調(diào)控設備，沒有繼續(xù)檢測，如果有上層的數(shù)據(jù)請求，就發(fā)送最新采集的一組數(shù)據(jù)，整個流程如圖3所示。

圖3　協(xié)調(diào)器流程

3.2節(jié)點控制流程

節(jié)點先把每個控制設備的開啟和關(guān)閉時間根據(jù)環(huán)境需要預先設定在控制器存儲器內(nèi)，控制器根據(jù)時間來定時開啟和關(guān)閉控制設備，一般養(yǎng)殖場舍環(huán)境比較穩(wěn)定，所以這種模式對環(huán)境調(diào)控特別合適。

3.3zigbee通訊協(xié)議

對于網(wǎng)絡中的普通節(jié)點應當具有唯一標識。在網(wǎng)絡中，普通節(jié)點有兩種標識方式，每一種都能唯一標識一臺普通節(jié)點。

1）由普通節(jié)點上射頻芯片的IEEE地址標識普通節(jié)點；

2）按照普通節(jié)點的功能，將普通節(jié)點分為若干組，并分別為其分配組號。通過組合和節(jié)點號的組合標識一臺普通節(jié)點。組號和節(jié)點號分別為1字節(jié)。協(xié)議包結(jié)構(gòu)收包頭和包體組成，協(xié)議包的起始標志，長度為2個字節(jié)，固定填充0x44 0x55。收到0x44 0x55時，可視為協(xié)議包開始。ADD字段標記協(xié)議包的起始地址或者目標地址，長8字節(jié)。IEEE地址長為8字節(jié)，直接填充ADD字段。LEN字段表示OPCODE+PARAM兩個字段的長度，長2字節(jié)。

4　運行結(jié)果

為了驗證整個系統(tǒng)每個參數(shù)的測控情況，在一組養(yǎng)豬場的幼豬小舍內(nèi)，先用濾波算法對采集數(shù)據(jù)進行遞推平均，以溫度采集為例，設采集一組數(shù)據(jù)用a1到a10表示，每組對應一個溫度值（15～35度，每組相差5度），采集值與結(jié)果進行對比，采用遞推替換，能很好的去除干擾。從采樣結(jié)果來看，溫度控制的波動范圍大概在4度左右，到達這樣的控制效果已經(jīng)十分理想了。

5　結(jié)語

本文以養(yǎng)殖場生活環(huán)境為例，建立了以無線傳感器為核心的通信設計，實現(xiàn)遠程監(jiān)控中心調(diào)控現(xiàn)場的過程，并把zigbee和以太網(wǎng)結(jié)合在一起，經(jīng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了測控的目的，為智能養(yǎng)殖通信架構(gòu)的應用提供更廣泛的應用平臺。

參考文獻

[1] 張新柱，牛曉晨，馬博等，基于網(wǎng)絡的豬舍環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)[J] .西安郵電大學學報，2013，8(4):109－111.

[2] 劉海波.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的煤礦機械設備狀態(tài)監(jiān)測記錄模型［J］.煤礦機械，2012，33（9）：228-230.

[3] 朱紹崢，劉毓． 基于CC2430 的WSN 節(jié)點設計［J］．西安郵電學院學報，2012(3):20－23，57．

[4] 李立峰，武佩，麻碩士，魯珊珊，宣傳忠.基于組態(tài)軟件和模糊控制的分娩母豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J] .農(nóng)業(yè)工程學報. 2011(06)

[5] 王美芝，吳中紅，劉繼軍.標準化規(guī)?；i場中豬舍的環(huán)境控制[J] .豬業(yè)科學.2011(03)

The design and implementation of communication based on intelligent breeding

Diao Zhigang,Sun Yunlong
(Huaian College of Information Technology,Huaian,223003,China)

Abstract：Communication design based on Intelligent farming,the realization of the intelligent culture communication architecture,to the core of the ZigBee network terminal acquisition system,a detailed description of the various parts of the hardware design and software flow chart is given,and the wireless communication protocol.The experimental results indicate that the design can meet the requirements of the system, with good reliability.

Keywords：intelligent aquaculture;Ethernet communication;STM32;CC2530;ZigBee network

中圖分類號:TP216

文獻標識碼:A

作者簡介

刁志剛（1978-），講師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信與檢測技術(shù)方面的研究,