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监控系统 基于Zigbee的智能生猪养殖环境监控系统的设计

导读:本论文主要论述了监控系统论文范文相关的参考文献,对您的论文写作有参考作用。

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关键词:猪舍;Zigbee;环境监控系统

0引言

近年来,随着畜牧养殖业向规模化、集约化发展,养殖场的饲养密度不断增加,养殖环境变得越来越恶劣,使得饲养动物处于亚健康或不健康状态,疾病的频繁发生,畜禽疫病的暴发和传播与畜禽养殖环境的不断恶化关系密切.生猪养殖是养殖产业的重中之重,对保障肉食品安全供应有重要作用.猪是应激动物,对猪舍环境比较敏感,不适宜的养殖环境直接影响着猪的健康水平和生产效率,比如,温湿度过高或过低都会影响猪只健康,如高温会引起热射病、胃肠道疾患、抵抗力下降等;光照会显著影响猪(特别是仔猪)的免疫功能和机体物质代谢;超标的有害气体含量(如二氧化碳、氨气、二氧化硫)会诱发猪的呼吸道疾病,通过控制和改善这些因素,可减少环境因素对猪生产的不利影响,提高猪的生长性能以及经济效益.目前我国养猪场基本为半自动化,尤其猪舍环境监控依然停留在人工阶段,完全依靠饲养员对舍内环境主观判断来人工控制调整环境的各种机械设备,对养殖环境调节的有滞后性,生产效率低,占用人力资源多.本文设计了一种基于Zigbee无线网络技术和智能传感器技术的生猪养殖环境监控系统,可实时监测猪舍内温度、湿度、光照和二氧化碳这四个重要环境指标,并智能化控制风机、湿帘和照明设备的开启关闭,从而改善生猪养殖环境,实现猪舍内部环境的自动化、智能化管理.

1.Zigbee技术

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术,主要适合用于自动控制和远程控制领域.ZigBee网络是一种高可靠性无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络,ZigBee数传模块类似于移动网络基站.ZigBee网络是一个由可多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75米到无限扩展,每个ZigBee网络节点可以自动中转别的网络节点传过来的数据.作为一种无线通信技术,ZigBee具有低功耗、低成本、短时延、大网络容量、可靠和安全等特点,它解决了无线通信领域造价和耗费较大的问题,并且能够代替有线数据传输,可满足本文中生猪养殖环境监控系统的设计要求.本文设计的系统所使用的Zigbee无线设备工作在2.4GHz频段.

2.系统总体结构

该生猪健康养殖环境监控系统,主要由终端控制器节点,Zigbee协调器和上位机智能控制中心组成,系统结构见图1.

传感器节点合理布置在猪舍内,实时监测猪舍内部环境中的温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度4个物理量参数,通过RS485有线通信技术传输给终端控制器节点,各个猪舍内的终端控制器节点再将这些数据通过Zigbee网络无线传输给Zigbee协调器,协调器与上位机智能控制中心通过USB接口连接,将收集到的数据汇总传输给安装在上位机中的智能控制软件,并同时保存至数据库中,智能控制软件判断环境参数是否超出预先设置的安全阀值,如果超出,则发出控制信号,传输给Zigbee协调器,协调器再下发给各个猪舍内的终端控制器节点,使其控制相应的电器,以达到对猪舍环境的即时控制.

3.系统硬件设计

3 1终端采集控制节点的硬件设计

系统采集终端控制节点负责采集猪舍环境参数和控制电器开闭,其主要由传感器模块、数据采集控制模块和无线通信模块组成,硬件结构见图2.传感器模块包括温湿度传感器、光照强度传感器和二氧化碳浓度传感器,采集的数据经过调理电路滤波、放大后传输到数据采集器,然后传输到无线通信模块,无线通信模块负责将环境数据传给上一级节点,并接受上级节点的控制信号,返回给数据采集器,通过开关量输入输出模块来控制电器继电器的开闭.

3.1.1传感器的选择.本系统的温湿度传感器采用华控兴业HJFY-102WS温湿度变送器,温度量程为-20℃~120℃,湿度量程为0%RH~100%RH,温度测量精度为±0.5℃,湿度测量精度为±3%RH,输出电流信号为4~20MA,供电电源DC/AC12-24V,工作温度范围为10℃~60℃,响应时间为<,15s(1m/s风速);二氧化碳传感器采用华控兴业HJFY-CO2二氧化碳变送器,量程为0~10000PPM,测量精度为<,±50PPM(25℃),输出电流信号为4~20MA,供电电源DC/AC12-24V,工作温度范围为0℃~50℃,工作湿度要求≤80%RH;光照强度传感器采用华控兴业HJFY102-GZ-20W光照度变送器,量程为0-2000LUX,最大允许误差为±7%,输出电流信号为4~20MA,供电电源为DC24V,工作温度范围为0℃~70℃,工作湿度范围为≤70%RH.

3.1.2数据采集控制模块的硬件设计.数据采集控制模块由数据采集器与开关量输入输出模块组成.数据采集器选用阿尔泰DAM-3058R,其利用RS-485总线作为数据通信线路,可输入8路4~20MA模拟量,将模拟量转成RS-485总线标准数据,以RS-485接口连接开关量输入输出模块和无线通信模块.开关量输入输出模块选用宏志飞腾FT-RS-04四路开关量输入四路开关量输出模块,接口形式为RS-485,四路光电隔离开关量输入,四路继电器干接点形式输出,工作环境为-20℃~70℃,相对湿度-5%~95%不结露.

3.1.3无线通信模块的硬件设计.无线通信模块的设计上,系统采用了CC2530片上系统(SoC)解决方案,其内部集成有A/D转换器、低功耗的增强型8051CPU,结合了领先的RF收发器的优良性能,实现环境参数的接收和发送.

3 2Zigbee协调器的硬件设计

ZigBee协调器是猪舍Zigbee网络的总控制器,主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护功能,也可用来协助建立安全层和应用层的绑定,协调器节点通常主要由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口等组成,本文中的ZigBee协调器的硬件包括CC2530通信模块,CC2591前端射频芯片,天线,USB接口和电源模块,通过USB接口与PC机进行通信,协调器硬件结构见图3.

Zigbee协调器的主要功能是接收各猪舍终端控制节点传来的环境参数和设备状态信息,接收的数据经过处理后发送给智能监控中心,同时向各个单舍终端控制节点发布网络控制信号,协调器的工作流程见图4.

4.系统监控软件设计

4 1系统监控软件的开发环境和工作流程

该软件使用MicrosoftVisualStudio2013开发平台,C#开发语言,.NETFramework4.0开发环境,SQLSERVER2005数据库.监控系统主要由环境安全值设置、实时监控、历史数据查询3个模块构成.

饲养员首先在监控软件的环境参数安全值设置界面中对温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度设定上、下限安全值,见图5,然后设置环境参数采集的间隔周期,最后定义环境参数连续多少个周期超出上、下限安全值时才判定环境参数超标,这样可以过滤掉一部分伪信号,增强系统的稳定性,系统监控软件工作流程见图6.猪舍的面积较大,为了克服单传感器带来的不确定性和不稳定性,本系统在单个猪舍中的针对每种环境参数各布置了2个采集传感器,因此最终每种环境参数值是2个采集数据的平均值.

4 2系统监控软件的实时监测界面

在环境参数实施监测界面中,4种环境参数实时数据同时以图形化显示,其中包括了上下限安全值、2个传感器的监测值和他们的平均值.在此界面中还可以设置监测时间间隔时长和异常响应判别的持续周期.

4 3环境参数的存储与查询

本系统将监测数据存储至SQLSERVER2005数据库中,历史数据可导出为EXCEL格式文件,历史数据的查询还提供了图形化显示方式,非常直观地显示出了数据变化曲线.

5.生猪健康养殖环境监控系统现场测试

5 1系统节点部署

该生猪健康养殖环境监控系统在上海崇明县种畜场进行了现场实际测试,选择安装的具体猪舍为南北朝向,长度为60m,宽度为8m,高度为4.2m,配备有电灯、风机和湿帘系统,在猪舍内距离地面高度为1.8m的2个位置各布置了一套传感器(温湿度、光照强度和二氧化碳传感器);在猪舍长端的墙壁上布置了1个终端采集控制节点;Zigbee协调器与智能控制中心布置在离猪舍不远处的饲养员办公室中,系统安装示意图见图9.

5 2系统测试结果

在实际测试现场,生猪健康养殖环境监控系统成功地实现了对环境参数的采集、无线数据传输、安全值判断和控制信号的发送.以环境温度参数监控为例,参数安全值范围设置为安全下限18℃,安全上限28℃,监测时间间隔为5s,连续5个监测值超过安全范围判断为环境参数异常,系统发出控制信号控制电器开启,直到连续5个监测值回归安全范围内,系统才发出控制信号控制电器关闭,具体监测数据和电器控制动作记录数据见表1,此处的电器为风机和湿帘水泵马达.

6.结论

本设计提出并实现了基于Zigbee无线传输组网技术的生猪健康养殖环境智能监控系统,经实际测试能够精确监测猪舍内温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度,并根据预先设定的安全阀值进行自动化控制各种电器设备,从而对猪舍养殖环境的智能控制,系统工作稳定可靠,节省了大量人力资源,对环境控制及时,能够提高生猪养殖质量.

参考文献

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