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科研论文:基于WSN的畜禽舍环境多因子监测系统的研制

这篇论文是吉林农业大学信息化教学与管理中心,吉林省科学技术信息研究所,吉林农业大学工程技术学院三位老师:彭占武、王雪、袁洪印,于2016年度在《黑龙江畜牧兽医》和中国知网发布的科研论文,非常感谢三位老师在论文中隆重推荐了郑州炜盛科技的几款传感器。下面我们一起来研读一下三位老师的杰作。

关键词:无线传感器网络( WSN) ;畜禽舍环境; CC2530; ZigBee;环境监测;气体传感器

摘要:为了提高畜禽科学养殖的自动化程度,实现对养殖环境的实时监测,试验研制了一种基于无线传感器网络( WSN) 技术的畜禽舍环境多因子实时监测系统,系统的网络节点构成以 CC2530 芯片 为核心,集成了6 种环境测量传感器,分布于待测环境中,按照 ZigBee 传输协议自组网络互相通信,所测环境数据经汇聚节点上传至上位机,存储于数据库中,供用户监测。测试过程中布置无线节点 20 个,连续72 h 以上进行测试。结果表明:系统具有布点灵活、功耗低、成本低、环境参数测量精确、 数据传输可靠、运行稳定等特点。

近年来,物联网技术的迅猛发展给环境监控领域带来了勃勃生机,物联网技术是计算机技术、传感器技术、无线网络通讯技术相结合的产物。无线传感器网络技术作为物联网的核心技术之一,主要应用于各种环境监控系统。

我国的畜禽养殖自动化、现代化水平与发达国家相比还很落后,对于养殖环境的自动化控制程度成为制约现代化养殖发展的重要因素。现阶段,我国对畜禽养殖环境的主要监测仍依靠化学或物理方法,采用电子环境监测设施的很少,而利用无线传感器网络( WSN) 对养殖环境进行自动化监控也仅见于一些研究型论文,实际应用的并不多见。但近年来已经有很多研究者认识到环境对畜禽生长状况的影响,也越来越重视利用物联网等先进技术对养殖环境进行监控。吴武豪在分析影响猪生长发育的几种环境因子的基础上,采用RS-485串行总线和GPRS 数据传输技术,设计了一套猪舍环境监控系统,开发了具有网络服务器功能的物联网监控终端,利用网络浏览器实时显示猪舍内环境参数,并且能够远程发送环境控制指令;任晓坤利用 ZigBee 协议组建分布式无线传感器网络系统,对鸡舍温湿度、毒害气体浓度等进行监控,并采用集成智能算法对鸡舍环境进行调控。笔者在前人研究的基础上,以无线传感器网络为技术手段设计了畜禽舍(鸡舍) 环境多因子智能监控系统,现报道如下。

1 环境参数采集系统

影响畜禽生长发育的环境是由多因素引起的,可分为物理因素和化学因素两种。物理因素主要指舍内的温度、湿度和光照等,化学因素主要包含畜禽呼吸产生的 CO2 和排泄产生的H2S 和NH3等。

系统对环境监测的必要条件是获取环境中各因子的参数值,由于环境中的各种参数值是时刻变化的,实时监测环境参数的变化趋势才能准确反映畜禽舍内的真实环境数据。系统依靠几种环境参数传感器采集环境数据,实时显示数据变化曲线,真实地反映舍内环境。

本试验中,考虑价格、灵敏度和精确度等因素要求,经过多次试验测试,选择AM2302作为采集温度和湿度数据的传感器; BH1750FVI 作为采集光强度数据的传感器;分别选择郑州炜盛公司生产的MH-Z14二氧化碳传感器、ME3-H2S硫化氢传感器、ME3-NH3氨气传感器测定舍CO2、H2S和NH3含量。

2 数据传输系统

目前,传感器技术已经非常成熟,使得采集环境数据并非难事,只需要选择合适的传感器即可。本次重点对无线传感器网络( WSN) 数据传输在畜禽舍环境监测上的应用进行了试验,采用以 CC2530 芯片为 核心的 ZigBee 模块,最大优势就是无线布点灵活,成本低,有自组网和稳定的数据传输。在 CC2530 芯片 上搭载上述6 种测量环境数据参数的传感器,组成多因子环境测量的无线传输模块,按照 ZigBee 协议将环境数据经由无线网络传输至上位机,从而实现对环境的实时无线监测的目的。

2.1 WSN 试验设计

根据畜禽生长发育对几种环境因子的要求,设计了一种监测舍内各环境因子的试验方案,见图1。



图1 畜禽舍环境无线监测设计

试验在禽类养殖基地1号鸡舍内进行,该鸡舍长50 m,宽8 m,高3 m,为密闭型养殖舍,设有通风口8个,另外有可调节照明、取暖、加湿和除湿设施等,舍内养殖成年蛋鸡约1000只。根据需求分析布置ZigBee 节点20 个,1~20 号节点全部载有温湿度和光照传感器。另外,为监测毒害气体浓度,奇数号节点还载有CO2、NH3 和H2S 三种气体传感器。节点的分布能够满足ZigBee无线传输对近距离的要求,同时也能够准确地反映舍内多因子环境指标;2节5号干电 池能够使得 ZigBee 节点和各种传感器持续工作1000 h 以上,满足了低能耗的要求。

2.2 多因子环境监测模块设计

ZigBee模块是部署畜禽舍无线网络监测系统的核心设备,遵循IEEE802.15.4国际标准,在全球免费的2.4 GHz频段运行,满足系统对低成本、低功耗、近距离和低速率的要求,并且具有较强的可扩展性,可搭配多种环境测量传感器。



ZigBee模块引脚见图2

按照ZigBee模块的引脚,链接多因子传感器和能量管理,构成无线传感器网络( WSN) 的监测单元, 多单元之间按照ZigBee协议自组网,互相通信。



节点结构见图3

2.3 ZigBee节点的软件设计

本系统软件设计选择嵌入式应用开发环境IARMAC Tools,能够进行编译和调试C/C + +程序,运行 界面友好,支持32 位及以下的微处理器运行和调试。ZigBee节点的软件设计包括对单片机CC2530 驱动程序的设计和对传感器采集和发送数据流程的设计,节点加电初始化后,设定传感器采集数据的时间间隔,启动定时器,进行信道扫描。当有入网申请指令时,判断传感器端口,再向端口发送数据采集请求;数据采集完毕后,单片机将处于休眠状态以减少能耗,将数据发送给CC2530进行组网和上传处理。



设计流程见图4

3 数据实时显示系统

由ZigBee模块和传感器等硬件设备组成的无线传感器网络系统将环境数据上传至上位机,设计了上 位机软件系统,负责存储和整理数据,并且将数据实时上传至互联网,使得用户可以随时随地查看到畜禽舍内的环境变化情况。

4 结语

针对我国畜禽养殖过程中对环境监测的自动化程度不高等问题,尝试使用无线传感器网络技术对畜禽养殖舍内进行布置无线节点,在每个网络节点配置几种测量环境因子的传感器。按照 ZigBee 协议组成无线网络,节点间互相通信,将测量数据上传至上位机数据库,供用户实时查看。无线传感器网络技术在畜禽舍环境监测方面的应用提高了科学养殖的自动化程度,网络监测节点分布更加灵活,大大降低了环境监测和硬件维护的成本。本试验在监测后期数据处理方面具有可拓展性,可实现在手机等移动设备上实时监测数据,增加了监测的灵活性。


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