规模化奶牛场舍内环境监控系统设计_基于ZigBee技术

氧化碳传感器、硫化氢传感器、氨气传感器） 对奶牛舍
内环境参数 进 行 实 时 采 集，并 实 施 监 测，由 监 测 结 果
对环境调节设备实施控制，可有效提高规模化奶牛场
舍内的环境质量。
图 1 无线监控系统结构图
1 系统设计思路
2 系统硬件电路设计
收稿日期： 2014 － 02 － 20 基金项目： “十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAD36B01） 作者简介： 王廷江（1969 － ） ，男，四川阆中人，副教授，硕士，（ E － mail）
无公害的牛奶。
ZigBee 是一种新兴的短距离、低速 率、低 功 耗 无
线网络技 术，是 介 于 无 线 识 别 和 蓝 牙 之 间 的 技 术 提
案［1］，在诸多 领 域 得 到 广 泛 应 用。 为 此，介 绍 了 利 用
该技术设计的规模化奶牛场舍内环境监控系统。该
系统通过传感器（ 包括温湿度传感器、光照传感器、二
图 4 传感器节点硬件结构
2． 2． 1 电源系统设计 电源系统如图 5 所示。由于用到多种类型传感
器，所需电压 不 尽 相 同，所 以 电 源 系 统 需 提 供 多 种 电 压值。系统采用锂电池组供电，由 8． 4V 锂电池组经 过 L7805 稳压电后输出 5V 电压，一方面为部分传感 器供电，另一方面再经过 TPS63011 电压转换芯转为 3． 3V 为系统其他部分供电。TPS63011 是宽电压输入 （ 输入值：1． 8 ～ 5． 5V） ，高效稳压输出（ 输出值：3． 3V） 的稳压芯片，转换效率高达 96% ，最大输出电流可达 1 200mA［3］。
H2 S 浓 度 采 集 电 路 如 图 8 所 示。 采 用 英 国 Alphasense H2 S － AE 电化学传感器，信号调理选用 TI 公 司可编程放大增益的 LMP91000 芯片。
H2 S － AE 传感器具有低功耗、抗干扰强的优势， 而且灵敏度和精度非常高；测量范围为 0 ～ 2 000 × 10 － 6 ；灵敏度为 70 ～ 100nA / × 10 － 6 ； 分辨率为 0． 5 × 10 － 6 。工 作 环 境 要 求： 温 度 为 － 30 ～ 60℃ ，湿 度 为 15% ～ 90% ＲH。该传感器适合奶牛场内部环境条件。
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很适合奶牛场舍内温湿度采集。 2． 2． 2． 2 光照强度采集电路
光照强度采集电路如图 7 所示。选用欧恩公司 的光电集成传感器 On9658。该传感器对可见光十分 敏感，典型波长为 520nm，可以在 － 20 ～ + 75℃ 温度 下稳定工作；可以用 2． 4 ～ 15V 为其供电，方便电源系 统设计，而且输出电流大。
数据采集模块的初始化主要完成所有传感器的 程序驱动，由 中 断 程 序 设 定 各 传 感 器 采 集 信 息 的 时 间，让 所 有 传 感 器 有 序 采 集 数 据，便 于 微 处 理 器 （ CC2530） 接收和处理。
监管中心的初始化主要进行 Access 数据库的启 动。数据库中预设有所监测环境参数的阈值，便于系
wtj1969@ 163． com。
2． 1 协调器节点硬件设计 协调器节点硬件结构如图 2 所示。选用 TI 公司
CC2530 和 高 性 价 比、高 集 成 度 的 2． 4GHZ 射 频 前 端
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CC2591 芯片，以保证网络传输质量，扩大网路覆盖面 积［2］。CC2530 芯片整合了 2． 4GHZ IEEE 802． 15． 4 / ZigBee ＲF 收发机以及工业标准的增强型 8051MCU， 具有 超 低 功 耗、高 灵 敏 度、抗 噪 声 及 抗 干 扰 能 力。 CC2591 内 置 有 功 率 放 大 器 （ PA ） 和 低 噪 声 放 大 器 （ LNA） ，输出功率大（ 可达 + 22dBm） ，传输距离远（ 无 障碍可传输 500 ～ 800m） ，很好地满足了规模化奶牛 场网络传输的要求。CC2530 芯片与 CC2591 射频前 端的硬件连接如图 3 所示。电源系统采用锂电池供 电，由单节锂 电 池 经 TPS63011 电 压 转 换 芯 片 转 为 3． 3V 稳定电压给该节点供电（ 具体电路参考传感器 节点电源系统） 。
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图 7 光照采集电路
2． 2． 2． 3 CO2 浓度检测电路 选用郑州炜盛电子科技公司生产的小型红外二氧化
碳传感器 MH － Z12［4］。该传感器选择性好，没有氧气依 赖性，质量可靠，能自动进行温度补偿；同时，具有多种信 号输出方式（ 模拟、数字、UAＲT） ，方便连接；测量范围为 0 ～ 5 000 × 10 －6 （量程可选择）；分辨率为 5 × 10 －6 （0 ～ 2 000 × 10 －6 ）、10 × 10 －6 （2 000 ～ 5 000 × 10 －6 ）；精确度为 ± 50 × 10 －6 ；工作所需电压为 4 ～ 6V；工作环境要求：温度为 0 ～ 60℃ ，湿度为 0 ～ 90% ＲH。 2． 2． 2． 4 H2S 浓度采集电路
图 9 NH3 浓度采集电路
3 系统工作流程设计
工作流程如图 10 所 示。系 统 上 电，首 先 进 行 初 始化；初始化 一 旦 完 成，数 据 采 集 模 块 开 始 有 条 不 紊 地采 集 数 据； 数 据 经 ZigBee 无 线 网 络 发 送 给 监 管 中 心，监管中心 对 所 接 收 数 据 进 行 显 示 和 储 存； 同 时 与 设定的阈值进行比较，发出指令对环境调节设备实施 控制。
监管中心 PC 机采用 Visual Basic 和 Access 数据 库组合方式编写上位机软件，对从 ZigBee 网路获取的 信息进行分析处理，并实时显示；同时，将相应信息存
基于 ZigBee 技术，设计了以 CC2530 为核心节点 的硬件电路，构建了由协调器、路由器、传感器节点等 组成的、以 ZigBee2007 协 议 栈 为 支 撑 的 无 线 网 络 系 统，实现了规模化奶牛场舍内环境多种参数无线自动 监测、自动调 节，为 奶 牛 健 康 生 长 和 牛 奶 的 品 质 提 供 了保障。试验 结 果 表 明，系 统 稳 定 可 靠，不 受 场 内 区 域、时 域 的 限 制，具 有 全 方 位、全 天 候 监 控 能 力。同 时，系统安装 方 便，操 作 便 捷，运 行 成 本 低 廉，设 计 适 用性强，具有一定应用价值。
LMP91000 芯片是可编程低功耗化学传感器模拟 前端（ AFE） ，提供传感器和 MCU 间完整的信号通路 解决方案。LMP91000 芯片功耗非常低，电压 范 围 宽 （2． 7 ～ 5． 25V） ，并且可编程放大增益；可将气体灵敏 度从 0． 5 ～ 9 500nA /10 － 6 转换成 5μA ～ 750μA 的 电 流，通过设置可将信号放大到 2V，以便 CC2530 自带 的 ADC 进行模数转换。此芯片不但能自动进行温度 补偿，而且能根据自带的温度传感器所测环境温度对 所测 H2 S 浓度数据进行校正［5］。
奶 牛 场 内 环 境 ，提 出 了 一 种 基 于 ZigBee 技 术 的 分 布 式 传 感 器 网 络 平 台 。 该 系 统 选 用 AM2302 、On9658 、MH －
Z12 、H2 S － AE 、MQ － 137 传 感 器 实 现 对 监 测 点 温 湿 度 、光 照 度 、CO2 浓 度 、H2 S 浓 度 、NH3 浓 度 的 精 确 采 集 ，并 通 过 由 CC2530 芯 片 和 CC2591 射 频 前 端 组 建 的 ZigBee 网 络 完 成 数 据 的 远 距 离 传 输 和 汇 聚 ，数 据 经 过 与 阈 值 比 较
中图分类号： S818
文献标识码： A
DOI:10.13427/ki.njyi.2015.0养 奶 牛 的 场 所 ，是 奶 牛 生 活 的 小
文章编号： 1003 － 188X（2015）02 － 0210 － 04
系统组成如图 1 所示。传感器节点负责对环境 信息（ 温湿度、光照度、CO2 浓度、H2 S 浓度、NH3 浓度） 的采集、处理和发送；路由器（ 网关节点） 与若干个传
环境，也是生产无公害牛奶的基础。我国奶牛养殖业 感器节点构成一个子网，通过 ZigBee 协议进行通信，
正逐步从传统的粗放型转变为工厂化养殖，规模越来 获取各个传感器节点发送来的数据，各个子网监测到
越大，对奶牛场的环境要求也越来越高；但由于受到 的数据通过协调器串口送到监管中心；监管中心负责
牛的呼吸、生产过程及有机物的分解、室内水分蒸发 对从无线网络送来的信息进行显示和存储，并能进行
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统进入工作状态后将所接收数据与阈值比较；数据库 中还存放有历史数据，便于后续对数据的分析。
入数据库 中 以 便 后 续 利 用，并 能 通 过 设 定 的 安 全 阈 值，发出控制指令。
4 结语
图 10 系统工作流程图
ZigBee 网路采用 ZigBee2007 协议栈，通过网络层 函数 NLME _ NetworkFormationＲequest （ ） 建 立，由 协 调 器与其所有子节点的“绑定”来实现。ZigBee 网路初 始化由 TI 公司提供的 Z － Stack 完成［6］。
后控 制 环 境 调 节 设 备 。试 验 结 果 表 明 ，系 统 稳 定 可 靠 ，具 有 全 方 位 、全 天 候 监 控 能 力 ，安 装 方 便 ，操 作 便 捷 ，运 行
成 本 低 廉 ，具 有 一 定 应 用 价 值 。
关键词： 规模化奶牛场； 无线传感器网络； ZigBee 技术； 监控
等因素的影响，会产生大量二氧化碳、硫化氢、氨等有 环境参数阈值的设定；接收值与阈值比较后，发送指