基于ARM和ZigBee技术的禽舍环境无线监测系统设计

基于ARM和ZigBee技术的禽舍环境无线监测系统设计邓桂扬;王升升;马得银
【摘要】本文在布线式禽舍环境监测系统基础上,添加支持ZigBee协议的无线模块和ARM处理器,设计了一款具有无线传输和ARM终端机监测的数据采集系统.系统将禽舍环境信息通过ZigBee无线发射到ARM终端机.介绍ZigBee网络与和ARM终端的硬件平台构建与软件实现,以及禽舍环境信息传输到监测终端的过程.监测终端选用ARM处理器和LINUX嵌入式系统;无线传感器网络基于ZigBee协议,硬件部分使用的是TI公司的CC2430;开发工具IAR EmbeddedWorkbench 7.3、QT4.5,编程语言C、C++.
【期刊名称】《农业网络信息》
【年(卷),期】2014(000)007
【总页数】4页(P61-64)
【关键词】ARM;嵌入式系统;禽舍环境;ZigBee
【作者】邓桂扬;王升升;马得银
【作者单位】河南科技大学农业工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学农业工程学院,河南洛阳471003;洛阳铁路信息工程学校信号教研室,河南洛阳471900【正文语种】中文
【中图分类】TP315
禽畜饲养环境的智能化测量是21世纪禽畜养殖业发展的一个重要方向，禽畜业生
产环境因素包括：物理因素指空气温度、湿度、光照、噪音等；化学因素指禽舍内的有害气体如CO2、NH3、H2S等。

本文设计了以ARM和ZigBee为核心的禽舍环境监测系统，即先利用传感器实时监测禽舍的各环境因子，再将其传输到终端机显示，以保证畜禽不同生长阶段对环境的不同需求。

对提高畜禽的生长性能，降低发病率，对畜禽的健康生长有着重要的现实意义。

1 系统的总体方案设计
该系统从结构上分为传感器部分、ZigBee节点、ZigBee协调器和ARM终端机四部分。

其中ZigBee节点与ZigBee协调器部分通过无线网络传输。

系统以ARM 处理器为基础，基于ARM的优秀性能，可以完成禽舍环境大量数据采集、通信的要求。

禽舍内选用无线传感器网络传输，使得传感器的放置更加灵活，而且减少了布线对家禽的影响，对于畜禽的生长具有重要的作用。

通过综合分析本设计主要针对禽舍的温度、湿度、CO2浓度这三项参数进行监测。

利用温度传感器，湿度传感器和CO2传感器，实时的把禽舍温度值湿度值以及CO2浓度以数字信号的形式传输给ZigBee节点，传感器与ZigBee节点是通过I2C总线进行通讯的。

ZigBee节点主要负责完成数据的读和写，并存储在本地，然后把数据通过无线信道发送到网络当中。

ZigBee协调器担当网络中的网关设备是整个网络的发起者，管理整个网络的深度，存储有ZigBee网络中各个节点的信息。

ZigBee协调器的主要任务就是收集ZigBee网络中各个节点发出的信息，经过处理后送至ARM终端机，ZigBee协调器与ARM终端机是以UART方式通讯的。

ARM终端机的作用是数据显示存储和控制。

它接收和解析从ZigBee协调器上传来的数据信息，并且以动态波形的方式在LCD屏幕上实时显示，同时存储采集来的数据，针对这些数据进行相应的控制，系统整体构架如图1所示。

图1 系统整体构架图
2 系统的硬件实现
目前市场上常用的ARM处理器有TI系列、三星系列、NXP系列等。

本设计硬件
平台采用三星公司的S3C2410处理器。

S3C2410是著名的半导体公司Samsung （三星）推出的一款32位RISC处理器，为手持设备和一般类型的应用提供了低
价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。

S3C2410使用ARM920T核、采用0.18um工艺CMOS标准宏单元和存储编译器开发而成的。

由于采用了由ARM
公司设计的16/32位ARM920T RISC处理器，因此S3C2410X实现了MMU及
独立的16KB指令和16KB数据哈佛结构的缓存，且每个缓存均为8个字长度的流水线。

它的低功耗、精简而出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的领域。

S3C2410提供全面的、通用的片上外设，大大降低系统的成本，本设计使用了
S3C2410的UART串口、以太网接口和8英寸640×480真彩TFT触摸液晶屏，在周立功MagicARM2410 ARM实验平台完成调试验。

该系统采用的无线收发模块核心是CC2430芯片，CC2430是TI公司推出的用来
实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议。

CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接
收和发射模式下，电流损耗分别小于27mA和25mA传输距离100m左右。

CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合无线传感器网络的应用同时在性能价格比上优于同类收发模块，因此本设计采用此模块。

空气温湿度测量传感器采用SHT15，二氧化碳传感器模块采用S-100H。

SHT15
的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统
与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。

由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。

CMOSensTM技术不仅将温湿度传
感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准
I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。

S-100H二氧化碳模块是世界上最小的传感器之一，尺寸小33×33×12.7mm，有自动校准功能，保证精度供电电压为5V，消耗电流25mA/h；测量范围：0～5000ppm精度高，±30ppm±5%读数提供串口和I2C数字通讯接口，本设计采用I2C数字接口。

3 系统的软件设计
3.1 ZigBee节点设计
传感器部分是运用IAR Embedded Workbench 7.3开发平台协同ZigBee节点共同开发调试，编程语言采用C语言。

ZigBee节点在正常工作之前，要进行系统初始化。

初始化工作包括定义系统的时钟信号、工作频率、电源管理方式、ZigBee
网络层和MAC层的参数，以及I/O接口和外设的初始化。

本系统中的Zig-Bee
节点主要功能是接收由ZigBee协调器转发过来的命令，然后把获得数据再通过无线信道发送到网络当中供协调器接受。

软件开发平台也是IAR Embedded Workbench 7.3编程语言采用C语言，ZigBee节点的工作流程如图2所示。

3.2 ZigBee协调器设计
协调器的主要任务是组建网络、管理节点的加入和离开，接收来自远端服务器的命令并将其转发给ZigBee节点，同时将来自ZigBee节点的数据转发并存储。

主要任务是负责将ZigBee节点和来自协调器的信息彼此传递。

协调器的工作流程如图3所示。

图2 ZigBee节点的工作流程图
图3 协调器的工作流程图
3.3 ARM终端机的软件设计
首先建立交叉编译环境，该设计采用在WINDOWS 2008SERVER系统下安装虚
拟机VMware Workstation5.5，虚拟机下安装RedHat Linux9.0系统，并构建
相应交叉编译环境。

绘制动态波形程序是在WINDOWS 2008SERVER下使用
QT4.5开发语言使用的C++，并通过交叉编译环境移植到ARM终端机上，禽舍环境数据如图4所示。

图4 禽舍环境数据显示
交叉编译是编译技术发展的过程的一个重要分支。

通俗地说，交叉编译就是在一个平台上生成另一平台上的可执行代码。

这里提到的平台有两方面的含义：处理器的体系结构和所运行的操作系统。

通常，程序是在一台计算机上编译，然后再分布到将要使用的其他计算机上。

当主机系统（运行编译器的系统）和目标系统（产生的程序将在其上运行的系统）不兼容时，该过程就叫做交叉编译。

嵌入式系统应用的日益广泛和需求推动了交叉编译的发展。

嵌入式系统开发，一般都是基于X86的PC平台进行，如果开发X86系统的嵌入式系统，由于嵌入式系统资源的匮乏，交叉编译几乎是唯一手段。

嵌入式系统中的应用程序都是通过交叉编译得到的。

交叉编译有两种典型模式：java模式和GNU GCC模式。

在这里，只选用GNU GCC 模式的交叉编译。

在宿主机上交叉编译得到可执行文件，通过调试器下载到目标系统ARM终端机中调试运行。

4 结束语
本文介绍了采用ARM和ZigBee技术在禽舍无线数据监测系统的应用，介绍了传感器以及核心硬件的选型，软件系统的设计。

并提出一套可行的软硬件设计方案。

该系统可以实现将禽舍环境信息经由传感器采集通过ZigBee节点无线发射到终端机，最终在ARM终端机以动态波形显示，ARM处理速度块精度高，实验验证了系统的实时性较强，小范围内的稳定性也很好，能够及时的将禽舍环境的数据传递到ARM终端机。

该系统免去布线的麻烦同时又可以起到削减人力物力，方便工作人员，因此其应用将更加广泛。

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