基于ZigBee的物联网奶牛养殖综合管理系统研究与设计

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　　摘 要：针对我国奶牛养殖目前管理系统不规范的实际情况，设计开发基于ZigBee的物联网奶牛养殖综合管理系统。该系统使用ZigBee无线传感器节点配合专用传感器，对奶牛养殖场内的环境参数（如温度、湿度、光照强度、有害气体含量等参数）进行实时监控，利用ZigBee自主性组网、分布式監测等特点，将这些数据传送到服务器，实现环境参数的实时获取。通过远程无线网络和ZigBee近程无线网络，协调控制养殖区域内的各项环境参数，为奶牛提供最佳的生长环境，从而提高奶牛的产量和质量。通过PC综合管控平台查看环境参数、控制现场设备以及对奶牛养殖信息进行统计、分析和存储。实践表明：该系统能够在奶牛养殖场管理中进行养殖信息采集与无线传输，并进行数据保存、统计与分析等综合管理任务。
　　关键词：物联网;ZigBee;奶牛养殖;自主性组网;远程无线网络;环境参数
　　中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）05-0-02
　　0 引 言
　　目前，国内外对于奶牛养殖管理呈现分散式和规模式的养殖分布，但都缺乏针对奶牛养殖的综合管理系统。本文在分析国内外奶牛养殖管理系统研究现状的基础上，结合我国奶牛养殖目前管理系统不规范的实际情况，设计开发了基于ZigBee的物联网奶牛养殖综合管理系统。
　　1 养殖管理系统功能分析及关键技术
　　1.1 养殖系统系统功能需求分析
　　（1）环境信息采集功能：采集端要实时采集到养殖场的温度、湿度、光照强度和有毒有害气体浓度等信息。
　　（2）智能自动报警功能：采集终端节点采集环境信息与合理参数上下限进行判断，超出上下限时PC综合管控平台会进行报警并记录异常信息。
　　（3）智能自动控制功能：采集端在自动控制模式下对当环境参数超出设定范围时，系统会控制照明、加湿器、风机等设备对养殖环境进行调节。
　　（4）养殖信息的录入与上传：嵌入式手持终端节点可以识别奶牛个体编号、检测个体体表温度、录入个体的养殖作业信息并将这些数据通过ZigBee网络打包发送至远程服务器。同样，PC综合管控平台也可以查询并更改这些养殖信息。
　　（5）数据的发送与接收功能：采集端通过ZigBee协调器网关将采集到的环境信息传输到远程服务器端，服务器通过TCP连接向协调器发送数据指令。
　　（6）信息存储功能：服务器通过SQL Server数据库对环境信息和奶牛养殖信息进行存储，方便PC综合管控平台和嵌入式手持终端对数据进行调用、查看和分析。
　　（7）远程控制功能：饲养员可以通过PC综合管控平台控制灯光、加湿器、风机等现场设备。
　　（8）信息查看功能：饲养员可以在PC综合管控平台上远程查看养殖场的实时环境信息和奶牛的各项养殖信息。
　　养殖管理系统总体架构图如图1所示。
　　1.2 奶牛养殖系统环境控制算法
　　奶牛养殖环境元素作为被控对象，具有多方面的复杂性。本系统主要对温度、湿度、光照强度、有害气体含量进行采样和滤波。为了能抑制偶然出现的脉冲性干扰和周期性的干扰，对这些参数都采用“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。
　　1.3 系统无线组网通信技术分析
　　奶牛养殖管理系统的关键性技术是无线组网技术，系统中各部分都需要由无线网络连接，是设备交互数据的通道，无线网络系统的性能很大成度上决定了整个系统的稳定性、可靠性、可行性。ZigBee技术相比WiFi、蓝牙等其他无线组网技术，具有组网性能好、可靠性高、功耗低、安全性高等优点，是目前最符合奶牛养殖管理系统的无线组网技术。
　　1.4 红外测温技术
　　检查奶牛的体温是诊断检疫奶牛疾病的一项重要手段。红外测温技术具有较高的测量准确度，且测温范围宽。将红外测温技术引用到本系统对奶牛个体温度进行测量符合科学技术发展需要，既保护了养殖管理人员的自身健康，又提高了防疫（含检疫）工作的高效性。
　　1.5 GPRS无线通信技术
　　在本系统中使用ZigBee结合GPRS技术组成协调器网关，负责将ZigBee终端采集到的数据传输至服务器，并接收服务器传来的命令。
　　2 奶牛养殖综合管理系统嵌入式终端总体设计
　　嵌入式手持终端是奶牛养殖综合管理系统对于奶牛个体数据采集和录入的核心部分，它负责完成对奶牛个体的信息录入、信息读取和信息传输等操作。
　　各个模块的功能如下：
　　（1）ZigBee参数采集模块：主要负责通过ZigBee节点采集养殖场的环境温湿度、光照强度、二氧化碳、氨气、硫化氢等有害气体浓度，并传输至远程服务器。
　　（2）ZigBee设备控制模块：主要根据已经设定的环境参数和实时监测得到的环境参数对比，控制奶牛养殖场内的灯光、加湿器、风机等设备来调节养殖环境处于适宜的范围。
　　（3）嵌入式手持终端：将ZigBee组网技术、红外测温技术、RFID射频识别技术和ARM技术结合在一起，采集和录入奶牛的体温、产奶、育种和防疫等养殖信息，最终传输至远程服务器。
　　（4）协调器网关：接收来自环境参数采集模块和嵌入式手持终端的数据并通过GPRS模块传输至远程服务器，服务器对这些数据进行数据库管理，供PC综合管控平台和嵌入式手持终端调用。同时接收来自服务器的指令控制现场设备以调节养殖环境。
　　2.1 ZigBee核心电路设计
　　ZigBee节点分为协调器和终端节点两个部分。本系统中ZigBee节点处理器采用TI公司的CC2530微处理器。
　　2.2 ZigBee环境监测和控制终端节点硬件设计
　　ZigBee环境监测控制终端主要包括ZigBee核心电路和外围继电器控制与传感器采集模块电路。环境温湿度参数主要是通过DHT11传感器采集，使用通过自带双通道MG811感应探头的检测传感器来监测二氧化碳浓度。最后，使用MQ135空气质量检测传感器检测养殖场内的氨气和硫化氢等有害气体浓度。 　　2.3 基于Qt的嵌入式终端界面设计与实现
　　Qt是一个多平台的图形用户界面，扩展性强，且界面编程组件化。Qt交互程序主要功能是完成用户对于奶牛基本信息录入、个体产奶信息录入、育种管理信息录入、疾病防疫信息录入等功能。整个GUI界面主要包含1个一级主界面和4个子二级界面。
　　用交叉编译器编译后将可执行文件拷贝到嵌入式系统，运行并调试，可以看到效果，部分实物运行界面如图2所示。
　　3 系统PC综合管控平台设计
　　综合管控平台采用SQL Server 2008作为后台数据库，贯彻结构化开发策略和面向对象的思想，全面实现奶牛生产管理过程的实时监控、智能化提醒，各模塊之间完整度高，联系性强。系统登录界面如图3所示。
　　系统主要包含牛场管理、人员管理、环境监控、生产管理、疾病防疫、经营管理和统计分析6个主要的功能模块。使用者可以使用管理员和用户的身份进行登录，不同的身份具有不同的管理权限。
　　4 系统测试
　　本文的系统测试前期主要是在实验室环境下进行的，在测试过程中尽可能的模拟系统实际的运行环境，待各项基础性能测试达标后，又在徐州市绿色源泉奶牛养殖场内进行实地的安装测试。该养殖场内建有15栋牛舍，每5栋一排，相邻两栋之间相距14 m，每栋牛舍约长46 m，宽9.5 m，内布置牛圈22间，左、右各11间，中间留约2 m宽过道。每间牛圈内养殖的牛数量在5～10头不等，共计约1 000头。养殖场环境如图4所示。
　　5 结 语
　　实验表明，基于ZigBee的物联网奶牛养殖综合管理系统的研究与设计，能够满足奶牛养殖场管理中进行养殖信息采集与无线传输，并进行数据保存、统计与分析等综合管理任务的要求。
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