畢春光+劉欣偉+任東波

摘要：隨著畜牧業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖場(chǎng)的規(guī)模越來越大，不斷增加的人力、物力和復(fù)雜的操作給養(yǎng)殖戶帶來了挑戰(zhàn)。融合ZigBee和GPRS技術(shù)，利用傳感器來監(jiān)測(cè)兔舍的溫度，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到智能終端設(shè)備上，養(yǎng)殖戶可以隨時(shí)隨地對(duì)大型兔舍進(jìn)行監(jiān)控和相關(guān)操作。采用無線控制技術(shù)，使兔舍更加整潔清爽，同時(shí)節(jié)省了大量的人力，使得操作更加快捷、準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS；兔舍；無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）18-4434-03

為了提高畜牧業(yè)的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、合理利用資源，將現(xiàn)代化的電子、通信、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等技術(shù)應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)中是現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在養(yǎng)兔生產(chǎn)過程中，由于養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，養(yǎng)殖戶希望在有效地空間內(nèi)養(yǎng)殖更多的種兔，兔舍溫度成為影響?zhàn)B兔成本的必要條件之一。傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)存在著諸多缺點(diǎn)，制約了其應(yīng)用和推廣，將ZigBee和GPRS技術(shù)結(jié)合，使兔舍的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作成為可能[1]。

1 ZigBee簡(jiǎn)介及模塊設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種功耗較低，復(fù)雜度較低，自行組織并且成本低的無線通信技術(shù)，在短程數(shù)據(jù)傳輸中有很好的優(yōu)勢(shì)[2]。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)ZigBee無線節(jié)點(diǎn)匯集而成，這些節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)信息，與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，得出相應(yīng)的控制指令，開啟或關(guān)閉加熱器或散熱設(shè)備。同時(shí)，通過CC2430模塊將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。ZigBee的節(jié)點(diǎn)鋪設(shè)比較簡(jiǎn)單，只需要每隔一段距離放置一個(gè)傳感器，則所有的傳感器可以自動(dòng)組網(wǎng)[3]。將采集的數(shù)據(jù)傳送到控制臺(tái)，而且單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作異常并不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常工作帶來任何影響。系統(tǒng)供電后先進(jìn)行ZigBee模塊和系統(tǒng)的初始化，讀出當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行模式、采集時(shí)間，然后啟動(dòng)定時(shí)器、開始采集數(shù)據(jù)信息。信息采集完成后會(huì)將這些數(shù)據(jù)傳送到CC2430模塊，并且與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，然后根據(jù)系統(tǒng)所處的運(yùn)行模式對(duì)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的命令[4]。由于無線采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電方式，必須要保證節(jié)點(diǎn)的低功耗，當(dāng)無線采集節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，向CC2430模塊發(fā)送中斷請(qǐng)求，當(dāng)CC2430模塊收到中斷請(qǐng)求時(shí)觸發(fā)中斷并激活節(jié)點(diǎn)，然后完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送，待處理完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待有請(qǐng)求時(shí)再次激活。

本系統(tǒng)的溫度傳感器采用KTR-11，帶有485接口，每隔20 m2放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)。8路模擬量采集模塊采用KTR-8017，此模擬量輸入模塊用于采集模擬量。模擬量是表示在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的任意取值，與數(shù)字量是相對(duì)立的一個(gè)狀態(tài)表示。此芯片采用24位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電源供應(yīng)器采用DC-12V/3A，此電源供應(yīng)器直流紋波小，工作效率高，在75%～80%之間；額定輸出功率36 W，待機(jī)功耗小于0.9 W。

圖1是無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息流程圖。溫度傳感器定時(shí)采集溫度信息，并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。如果采集的溫度比預(yù)先設(shè)定的閾值大，那么代表兔舍的溫度過高，則開啟散熱設(shè)備；如果采集的溫度比預(yù)先設(shè)定的閾值小，那么代表兔舍的溫度過低，則開啟加熱器；如果采集的溫度在預(yù)先設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，那么代表兔舍的溫度適宜兔子生長(zhǎng)，則關(guān)閉散熱設(shè)備與加熱器。

2 GPRS簡(jiǎn)介及模塊設(shè)計(jì)

GPRS通信技術(shù)具有覆蓋域廣、按量計(jì)費(fèi)、接入迅速等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸中具有很好的優(yōu)勢(shì)，滿足了遠(yuǎn)距離條件下對(duì)兔舍信息監(jiān)測(cè)的需要。所以應(yīng)用GPRS將數(shù)據(jù)傳送到智能終端，智能終端可以對(duì)加熱器，散熱設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作以使兔舍具有最適宜兔子生長(zhǎng)的條件。CC2430模塊可以接收無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，并且通過標(biāo)準(zhǔn)的串口與GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)通信。而當(dāng)GPRS模塊接收到數(shù)據(jù)信息后，按照GPRS數(shù)據(jù)格式對(duì)信息進(jìn)行打包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給GPRS模塊，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)再將 數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，當(dāng)GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時(shí)，便返回一個(gè)信號(hào)給CC2430模塊，要求重新發(fā)送，直至發(fā)送成功。同時(shí)可以接收來自數(shù)據(jù)服務(wù)器的控制指令，再由CC2430模塊發(fā)送給各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，并對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行操作。

CC2430模塊作為網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的微控制器，可以對(duì)ZigBee射頻模塊進(jìn)行相應(yīng)的配置，接收無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的兔舍信息，然后采用AT指令的格式來初始化GPRS模塊，并利用PPP協(xié)議將網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的IP地址，與智能終端建立有效的連接，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到智能終端[5]。

本系統(tǒng)中GPRS模塊選用的是西門子MC55模塊。此無線模塊設(shè)計(jì)緊湊，尺寸小巧；為三頻GSM/GPRS模塊，適用于歐洲和亞洲的頻段；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，從而降低了設(shè)計(jì)的難度[6]。

3 融合GPRS技術(shù)的ZigBee應(yīng)用

由于ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一般ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效通訊范圍為10～300 m，對(duì)于空間上相對(duì)分布比較分散的單位或者距離較遠(yuǎn)的單位之間，各個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)或網(wǎng)間控制數(shù)據(jù)的傳送往往需要非常遠(yuǎn)的距離，有可能超過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊的有效距離?？臻g距離非常大的廣域網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)如果采用數(shù)傳電臺(tái)等用戶系統(tǒng)，不但運(yùn)行和維護(hù)成本較高，所需要的無線電頻段可能還需要申請(qǐng)和付費(fèi)，而采用GPRS這種成熟的第三方傳輸服務(wù)就可以節(jié)省大量的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，GPRS采用封包的方式來傳輸數(shù)據(jù)，使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，目前采用GPRS傳送數(shù)據(jù)每1 000字節(jié)成本不到一分錢，相對(duì)來說非常經(jīng)濟(jì)[7]。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共分為3個(gè)部分，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊和智能終端（圖2）。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)ZigBee無線節(jié)點(diǎn)匯集而成。這些節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)信息，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，得出相應(yīng)的控制指令，開啟或關(guān)閉加熱器、散熱設(shè)備等ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備。同時(shí)，把采集的數(shù)據(jù)通過CC2430模塊將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由GPRS無線模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成。GPRS無線模塊負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)打包后，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到智能終端。endprint

智能終端由SQL數(shù)據(jù)庫(kù)支持，通過網(wǎng)絡(luò)接收到傳感器采集到的多項(xiàng)數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將數(shù)據(jù)通過IE瀏覽器的形式展示給養(yǎng)殖戶，提供用戶操作界面，讓養(yǎng)殖戶可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)兔舍的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

5 智能終端設(shè)計(jì)

智能終端是使用Visual studio開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程設(shè)計(jì)的，主要負(fù)責(zé)將接收到的傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，以瀏覽器的形式顯示給用戶，并提供給用戶遠(yuǎn)程控制加熱器，散熱設(shè)備等功能。在后臺(tái)應(yīng)用SQL Server建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理保存，以備后續(xù)查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。此系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表的形式展示給養(yǎng)殖戶，以便用戶更加直觀地了解溫度的變化范圍和趨勢(shì)，幫助其做出兔舍改建決策。該程序包括用戶登錄管理、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)不同形式展示、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和遠(yuǎn)程設(shè)備操作等模塊。

6 小結(jié)

隨著現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中成為了節(jié)省人力、物力資源和實(shí)現(xiàn)特殊要求的有效途徑。對(duì)在短程數(shù)據(jù)傳輸中有很好優(yōu)勢(shì)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸中具有很好優(yōu)勢(shì)的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了結(jié)合。通過這兩種技術(shù)的結(jié)合，彌補(bǔ)了兩種網(wǎng)絡(luò)各自的缺點(diǎn)和不足，大幅提高了系統(tǒng)的性能。使ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的溫度信息可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄嚯x較遠(yuǎn)的智能終端，同時(shí)可以使距離較遠(yuǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)通信[8]。為兔舍溫度的自動(dòng)采集，設(shè)備的自動(dòng)控制，用戶的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制提供了一個(gè)合理的解決方案。此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上搭建簡(jiǎn)單，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是自動(dòng)組網(wǎng)的。此系統(tǒng)費(fèi)用相對(duì)較低，GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸為用戶節(jié)省大量的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，此系統(tǒng)采用無線控制技術(shù)，省去了布線的煩惱，操作更加的快捷和簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中是高效可行的[9]。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 米海濤付立思，基于ZIGBEE技術(shù)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010（7）：68-73.

[9] 劉瑞玲.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2011.endprint

智能終端由SQL數(shù)據(jù)庫(kù)支持，通過網(wǎng)絡(luò)接收到傳感器采集到的多項(xiàng)數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將數(shù)據(jù)通過IE瀏覽器的形式展示給養(yǎng)殖戶，提供用戶操作界面，讓養(yǎng)殖戶可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)兔舍的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

5 智能終端設(shè)計(jì)

智能終端是使用Visual studio開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程設(shè)計(jì)的，主要負(fù)責(zé)將接收到的傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，以瀏覽器的形式顯示給用戶，并提供給用戶遠(yuǎn)程控制加熱器，散熱設(shè)備等功能。在后臺(tái)應(yīng)用SQL Server建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理保存，以備后續(xù)查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。此系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表的形式展示給養(yǎng)殖戶，以便用戶更加直觀地了解溫度的變化范圍和趨勢(shì)，幫助其做出兔舍改建決策。該程序包括用戶登錄管理、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)不同形式展示、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和遠(yuǎn)程設(shè)備操作等模塊。

6 小結(jié)

隨著現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中成為了節(jié)省人力、物力資源和實(shí)現(xiàn)特殊要求的有效途徑。對(duì)在短程數(shù)據(jù)傳輸中有很好優(yōu)勢(shì)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸中具有很好優(yōu)勢(shì)的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了結(jié)合。通過這兩種技術(shù)的結(jié)合，彌補(bǔ)了兩種網(wǎng)絡(luò)各自的缺點(diǎn)和不足，大幅提高了系統(tǒng)的性能。使ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的溫度信息可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄嚯x較遠(yuǎn)的智能終端，同時(shí)可以使距離較遠(yuǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)通信[8]。為兔舍溫度的自動(dòng)采集，設(shè)備的自動(dòng)控制，用戶的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制提供了一個(gè)合理的解決方案。此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上搭建簡(jiǎn)單，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是自動(dòng)組網(wǎng)的。此系統(tǒng)費(fèi)用相對(duì)較低，GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸為用戶節(jié)省大量的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，此系統(tǒng)采用無線控制技術(shù)，省去了布線的煩惱，操作更加的快捷和簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中是高效可行的[9]。

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[9] 劉瑞玲.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2011.endprint

智能終端由SQL數(shù)據(jù)庫(kù)支持，通過網(wǎng)絡(luò)接收到傳感器采集到的多項(xiàng)數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將數(shù)據(jù)通過IE瀏覽器的形式展示給養(yǎng)殖戶，提供用戶操作界面，讓養(yǎng)殖戶可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)兔舍的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

5 智能終端設(shè)計(jì)

智能終端是使用Visual studio開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程設(shè)計(jì)的，主要負(fù)責(zé)將接收到的傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，以瀏覽器的形式顯示給用戶，并提供給用戶遠(yuǎn)程控制加熱器，散熱設(shè)備等功能。在后臺(tái)應(yīng)用SQL Server建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理保存，以備后續(xù)查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。此系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表的形式展示給養(yǎng)殖戶，以便用戶更加直觀地了解溫度的變化范圍和趨勢(shì)，幫助其做出兔舍改建決策。該程序包括用戶登錄管理、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)不同形式展示、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和遠(yuǎn)程設(shè)備操作等模塊。

6 小結(jié)

隨著現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中成為了節(jié)省人力、物力資源和實(shí)現(xiàn)特殊要求的有效途徑。對(duì)在短程數(shù)據(jù)傳輸中有很好優(yōu)勢(shì)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸中具有很好優(yōu)勢(shì)的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了結(jié)合。通過這兩種技術(shù)的結(jié)合，彌補(bǔ)了兩種網(wǎng)絡(luò)各自的缺點(diǎn)和不足，大幅提高了系統(tǒng)的性能。使ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的溫度信息可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄嚯x較遠(yuǎn)的智能終端，同時(shí)可以使距離較遠(yuǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)通信[8]。為兔舍溫度的自動(dòng)采集，設(shè)備的自動(dòng)控制，用戶的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制提供了一個(gè)合理的解決方案。此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上搭建簡(jiǎn)單，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是自動(dòng)組網(wǎng)的。此系統(tǒng)費(fèi)用相對(duì)較低，GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸為用戶節(jié)省大量的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，此系統(tǒng)采用無線控制技術(shù)，省去了布線的煩惱，操作更加的快捷和簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中是高效可行的[9]。

參考文獻(xiàn)：

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