江 杰，劉延琦

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

北方草原家庭牧場(chǎng)智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江 杰，劉延琦

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為保障北方草原放牧與冬季、極端天氣補(bǔ)飼互補(bǔ)養(yǎng)殖模式的執(zhí)行，建立新型草原自動(dòng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)，提高現(xiàn)代化牧場(chǎng)的精準(zhǔn)化管理水平，提出了一種北方草原家庭牧場(chǎng)智能化系統(tǒng).該系統(tǒng)通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)采集圈舍環(huán)境數(shù)據(jù)，利用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信傳給Labview上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ).實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)顯示圈舍環(huán)境狀況，保障圈舍在不同功能時(shí)的環(huán)境需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭牧場(chǎng)圈舍的智能化控制.

智能控制； Zigbee ；Labview

隨著信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展與深入應(yīng)用，畜牧業(yè)亟待與高精度的自動(dòng)化控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，逐步構(gòu)建出可持續(xù)性牲畜數(shù)字化健康的養(yǎng)殖環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的精細(xì)養(yǎng)殖.Labview作為美國(guó)國(guó)家儀器NI( National -Instrument)開(kāi)發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)[1]，提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析和存儲(chǔ)庫(kù)函數(shù)以及各種儀器通信標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù).圖形化的語(yǔ)言便于設(shè)計(jì)、觀察和修改，因此大大降低了測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和編程量，提高了開(kāi)發(fā)的效率[2].傳統(tǒng)的有線(xiàn)控制方法，不但增加了布線(xiàn)所帶來(lái)的昂貴成本，還造成了監(jiān)測(cè)的局限性和后期改進(jìn)維護(hù)的復(fù)雜度.Zigbee技術(shù)是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其符合IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，目前在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，該技術(shù)能夠提供靈活的組網(wǎng)方式[3].由于其具有安全性高、實(shí)時(shí)性好、移植性強(qiáng)、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以將其應(yīng)用于圈舍環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)中，可以提高牧農(nóng)對(duì)牧場(chǎng)信息化、智能化的管理水平，因此本文將設(shè)計(jì)基于Zigbee和Labview的家庭牧場(chǎng)智能化系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圈舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖1所示，包括多個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái).牧場(chǎng)工作人員將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)采集環(huán)境狀況參數(shù).傳感器每隔半小時(shí)采集一次環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并將環(huán)境參數(shù)通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送至協(xié)調(diào)器.協(xié)調(diào)器通過(guò)Modbus協(xié)議與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)建立連接，將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái).上位機(jī)通過(guò)對(duì)上傳的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，控制天窗、風(fēng)機(jī)、水簾、濕簾等執(zhí)行器裝置，從而實(shí)現(xiàn)羊舍環(huán)境的遠(yuǎn)程、自動(dòng)化控制，并且以簡(jiǎn)單直觀的界面呈現(xiàn)給用戶(hù)，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)處理，并進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，方便用戶(hù)查看.

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 The working principle of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并完成對(duì)相應(yīng)執(zhí)行器的控制.傳感器節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它由電池供電[4].傳感器節(jié)點(diǎn)用于檢測(cè)圈舍內(nèi)的溫度、濕度和各種有毒有害氣體濃度，分別安裝在檢測(cè)桿高低不同的位置，測(cè)量圈舍不同高度的環(huán)境參數(shù)，便于準(zhǔn)確檢測(cè)和處理融合.傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖如圖2所示.

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.2 Sensor nodes diagram

2.1.1 CC2530模塊

如圖3所示為CC2530引腳圖，CC2530芯片是TI公司推出的一款實(shí)際意義的片上系統(tǒng)，它能很好地支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議.根據(jù)芯片內(nèi)部閃存大小的不同，分別具有32KB/64KB/128KB/256KB的內(nèi)置內(nèi)存[5].

圖3 CC2530引腳 Fig.3 CC2530 Pin

2.1.2 溫濕度模塊

選用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器芯片[6]，SHT10芯片的相對(duì)濕度和溫度的測(cè)量兼有露點(diǎn)輸出，接口采用的是兩線(xiàn)制，響應(yīng)速度較快，功耗超低，能夠進(jìn)行自動(dòng)休眠，體積較小，具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，測(cè)濕的精度可以達(dá)到±4.5%RH，測(cè)溫的精度可以達(dá)到±0.5℃(25℃)，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)需求.SHT10的硬件連接圖如圖4所示.

圖4 SHT10硬件連接圖 Fig.4 SHT10 hardware connection diagram

2.1.3 氣體濃度檢測(cè)模塊

CO2濃度檢測(cè)采用MG811傳感器模塊[7](如圖5所示)，該傳感器具有很高的靈敏度和良好的選擇性；NH3、H2S的濃度檢測(cè)采用MQ-135傳感器(如圖6所示)，其由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層組成[8]，檢測(cè)濃度10～1 000mg/m3,在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)有害氣體有良好的靈敏度.

圖5 MG811傳感器Fig.5 MG811 sensor

圖6 MQ-135傳感器 Fig.6 MQ-135 sensor

2.1.4 電源模塊

如圖7所示，圈舍環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用2節(jié)蓄電池來(lái)進(jìn)行供電，路由器節(jié)點(diǎn)分別需要+5V，3.3V，1.8V 3種電源，LM2576T5.0具有非常優(yōu)良的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，能夠提供3A的負(fù)載電流.它有3.3V，5V，12V固定輸出電壓型和可調(diào)輸出電壓，內(nèi)置頻率補(bǔ)償電路和固定頻率振蕩器.開(kāi)關(guān)頻率為52kHZ，在額定輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓容差為±4%，振蕩頻率的容差為±15% .待機(jī)電流為80μA(典型值)，內(nèi)置兩級(jí)過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)熱保護(hù)電路，最大輸入電壓為45V或63V，工作溫度為-40～+125℃，轉(zhuǎn)換效率為70%～85%(不同電壓輸出時(shí)的效率不同)[9].在正常狀態(tài)下由電網(wǎng)提供電力，當(dāng)外來(lái)供電中斷時(shí)，蓄電池繼續(xù)為設(shè)備供電.當(dāng)恢復(fù)供電以后，會(huì)切換到電網(wǎng)供電，并且為蓄電池充電[10].

圖7 LM2576T5.0穩(wěn)壓模塊 Fig.7 LM2576T5.0 regulator module

2.2 Zigbee路由器

路由器允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，需要由主干線(xiàn)路進(jìn)行供電，主要任務(wù)是接收和轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).路由器及結(jié)構(gòu)如圖8所示.

(a)路由器

(b)結(jié)構(gòu)圖圖8 Zigbee路由器及結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Zigbee router and structure diagram

2.3 Zigbee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器及結(jié)構(gòu)如圖9所示.Zigbee 協(xié)調(diào)器主要實(shí)現(xiàn)圈舍無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控平臺(tái)以太網(wǎng)之間互聯(lián)及協(xié)議轉(zhuǎn)換[11]. Zigbee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立、管理，是網(wǎng)絡(luò)的中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能.

(a)協(xié)調(diào)器

(b)結(jié)構(gòu)圖圖9 Zigbee 協(xié)調(diào)器及結(jié)構(gòu)圖 Fig.9 Zigbee coordinator and structure diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Zigbee模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所有節(jié)點(diǎn)采用網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)送狀態(tài)為非信標(biāo)模式，終端節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)，父節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為其子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀.

3.2 Modbus協(xié)議格式

本系統(tǒng)的通信協(xié)議采用的是 Modbus協(xié)議中的RTU協(xié)議模式.主機(jī)發(fā)送的查詢(xún)命令、從機(jī)返回的正常響應(yīng)幀和異常響應(yīng)幀協(xié)議格式見(jiàn)表1～表3.當(dāng)接收到一個(gè)請(qǐng)求指令時(shí)，在處理請(qǐng)求要求的動(dòng)作前需要進(jìn)行報(bào)文包的相應(yīng)檢測(cè)，當(dāng)子節(jié)點(diǎn)在接收到的幀中檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，則沒(méi)有響應(yīng)返回到子節(jié)點(diǎn).

表1 查詢(xún)命令協(xié)議格式
Tab.1 The protocol format of the query commond

幀頭地址命令代碼數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀尾4bit8bit0x554個(gè)8bit16bit4bit

表2 正常響應(yīng)幀協(xié)議格式
Tab.2 The protocol format of normal response frame

幀頭地址命令代碼數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀尾4bit8bit0x5516bit16bit4bit

表3 異常響應(yīng)幀協(xié)議格式
Tab.3 The protocol format of exception response frame

幀頭地址命令代碼數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀尾4bit8bit0xd516bit16bit4bit

3.3 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程

(1)主機(jī).主機(jī)采用不間斷詢(xún)問(wèn)的方式依次發(fā)送查詢(xún)命令給每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)并接收、存儲(chǔ)、顯示對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，主機(jī)程序流程圖如10所示.

圖10 主機(jī)程序流程圖 Fig.10 The flow chart of host program

(2)從機(jī).從機(jī)實(shí)現(xiàn)了主機(jī)和相應(yīng)地址指針監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā).從初始到空閑態(tài)轉(zhuǎn)換需要3.5s定時(shí)超時(shí)，鏈路空閑時(shí)，檢測(cè)到的字符識(shí)別為幀起始，鏈路變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，當(dāng)沒(méi)有字符的傳輸，達(dá)到3.5s時(shí)，識(shí)別則為數(shù)據(jù)的幀結(jié)束.當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀結(jié)束以后，需要進(jìn)行CRC的校驗(yàn)和計(jì)算.分析數(shù)據(jù)地址域，確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀是否需要發(fā)往此設(shè)備，如果不是，則丟棄掉.CRC的相應(yīng)計(jì)算只需要在尋址到數(shù)據(jù)幀時(shí)再進(jìn)行.

(3)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn).Zigbee協(xié)議內(nèi)部已經(jīng)CRC校驗(yàn)，因此監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通信不需進(jìn)行Modbus協(xié)議CRC校驗(yàn)了，但仍需采用其數(shù)據(jù)幀格式.從機(jī)接收指令和執(zhí)行指令流程圖如圖11、圖12所示.

圖11 從機(jī)接收指令流程圖 Fig.11 The flow chart of the slave receives the instruction

圖12 從機(jī)執(zhí)行指令流程圖 Fig.12 The flow chart of the slave executes the instruction

4 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，Labview上位機(jī)界面如圖13、圖14所示.測(cè)試結(jié)果顯示，在系統(tǒng)誤差允許的范圍內(nèi)，各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠得到準(zhǔn)確反映，并且相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能得到迅速控制，因此證實(shí)該方案可行.

圖13 歷史曲線(xiàn) Fig.13 Historical curve

圖14 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) Fig.14 Monitoring data

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Thenortherngrasslandfamilyranchintelligentsystemdesign

JIANG Jie, LIU Yan-qi

(Information Engineering Institute, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In order to guarantee the implementation of the complementary cultivation mode of northern grassland grazing and winter and extreme weather, we establish a new grassland automatic breeding system and improve the precision management level of modern ranch, and put forward an intelligent system of northern grassland family ranch. The system collects the cave environmental data through the sensor node, and uses Zigbee wireless communication to transmit to the Labview host computer monitoring platform for real-time data receiving, display and storage. The experimental results show that the system can accurately display the environmental conditions of the pens in real time, guarantee the environmental requirements of the kennel in different functions, and realize the intelligent control of the family ranch.

intelligent control；Zigbee ；Labview

2016-12-02

內(nèi)蒙古重大專(zhuān)項(xiàng)

江杰, 男,jie5881@126.com;

劉延琦, 男, 15098849385@163.com

1672-6197(2018)01-0056-05

TP273

A

(編輯：郝秀清)