朱 艷, 張亞萍, 盧 意, 胡衛(wèi)東, 關鳴九

(泰州職業(yè)技術學院，江蘇 泰州 225300)

隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；陌l(fā)展，特別是飼養(yǎng)面積和密度的日益增加，養(yǎng)殖環(huán)境變得日益惡劣，從而造成了大量畜禽疾病的發(fā)生和流行，同時畜禽生長、產(chǎn)量和生產(chǎn)率的提高直接受到畜禽生長環(huán)境質量好壞的影響[1-2]。因此，適宜的養(yǎng)殖環(huán)境可以充分發(fā)揮畜禽的生產(chǎn)潛力，增強動物抵抗力，減少疾病的發(fā)生，繼而提高養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)效益[3]。為了滿足我國生豬養(yǎng)殖集約化發(fā)展的需要，現(xiàn)階段生豬養(yǎng)殖豬舍大多采用封閉式。一些生豬養(yǎng)殖場在封閉式豬舍中安裝監(jiān)控系統(tǒng)，達到對豬舍的環(huán)境如溫濕度、光照、氨氣、二氧化碳、硫化氫和空氣雜質等進行實時監(jiān)測[4]，并控制相應的外部設備對檢測到的豬舍環(huán)境中的不合理環(huán)境因子進行優(yōu)化控制[5]?，F(xiàn)有的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采用單片機作為現(xiàn)場主控單元，用有線方式分布設備，雖能有效地實施監(jiān)測[6]，但存在布線復雜，容易造成接觸不良，維護困難等缺點，同時由于系統(tǒng)的擴展性差使監(jiān)測容量相對較小，因而系統(tǒng)性價比較低。無線網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)配置靈活[7]，無需布線；同一個傳感器節(jié)點上能同時集成多個傳感器、監(jiān)控多個參數(shù)，降低系統(tǒng)成本。為此，進行基于ZigBee和PLC的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究，以期對生豬生長環(huán)境和生長情況進行有效監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和控制生豬疾病的發(fā)生和流行，為豬舍的環(huán)境調控提供有力的技術保障，提高生豬養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)整體結構

基于ZigBee和PLC的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體結構(圖1)主要由傳感器感知單元、ZigBee終端節(jié)點及協(xié)調器無線傳輸單元、PLC控制單元、上位機監(jiān)控單元和GPRS遠程通訊單元組成。傳感器感知單元主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器和氨氣傳感器，用于實時采集豬舍中的環(huán)境參數(shù)。傳感器節(jié)點(ZigBee終端節(jié)點)將采集到的豬舍環(huán)境信息發(fā)送到中轉的路由器節(jié)點，路由器節(jié)點再通過無線傳輸方式將接收到的傳感器節(jié)點信息發(fā)送到最終的協(xié)調器。選擇西門子S7-200作為下位機控制器，由于西門子S7-200的串口都是RS485端口，而系統(tǒng)選用的ZigBee JN5139模塊的串口為RS232端口，因此選擇Max485模塊將RS232端口轉換成RS485端口，實現(xiàn)協(xié)調器和PLC之間的通訊連接。PLC根據(jù)協(xié)調器傳送得到的豬舍環(huán)境信息，控制開關窗系統(tǒng)、冷風風機、濕簾系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、和補光系統(tǒng)等外部輸出設備的運行，從而使豬舍各項環(huán)境因子達到最佳狀態(tài)。上位機采用LabVIEW虛擬儀器軟件對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行可視化監(jiān)控，西門子S7-200和上位機之間采用OPC通訊標準進行數(shù)據(jù)傳輸，同時上位機通過RS232轉USB電纜和GPRS模塊進行硬線連接，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地傳輸，完成異地監(jiān)控的功能。

1.2 ZigBee模塊選型

系統(tǒng)選用具有低成本、低功耗、支持ZigBee協(xié)議的JN5139作為終端傳感器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。該模塊擁有豐富的外設接口，包括通用I/O接口、AD/DA轉換接口、串口通信接口等。其內部嵌入完整的Zigbee協(xié)議棧，可支持3種協(xié)議類型：終端節(jié)點用于分散式現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集；路由節(jié)點用于發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)轉發(fā)功能；協(xié)調器節(jié)點用于實時接收和管理終端節(jié)點和路由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。同時JN5139內部集成成熟的射頻電路，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，傳輸距離可達數(shù)百米。

1.3 溫濕度傳感器選型及接口電路

溫濕度對肉豬生產(chǎn)性能影響很大[8]，適宜的豬舍溫度對豬的生長發(fā)育很重要，生豬生長發(fā)育的理想溫度在28～35℃，濕度在55%～80%。系統(tǒng)選用SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器，這是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其內部包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。兩線制串行接口和內部基準電壓，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號。該傳感器響應迅速、抗干擾能力強、性價比高，具有較高的可靠性和長期的穩(wěn)定性。接口電路(圖2)中，SHT10溫濕度傳感器的GND引腳接地；DATA引腳和JN5139的DI12引腳相接，用于數(shù)據(jù)通訊；引腳VCC接3.3 V直流電源；SCK引腳和JN5139的DO13引腳相接，用于控制數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)。

1.4 光照傳感器選型及接口電路

光照度在一定程度上會影響生豬的生長發(fā)育[9]，適宜的光照條件無論是對生豬生理機能的調節(jié)，還是對工作人員進行生產(chǎn)操作都十分重要。為能準確檢測豬舍環(huán)境光照條件，系統(tǒng)選用BH1750FVI數(shù)學輸出類型的光照強度傳感器，該傳感器反應速度快，抗干擾能力強，測量范圍大，擁有串行通訊接口并且功耗較低，完全滿足系統(tǒng)的需要。接口電路(圖3)中，VCC引腳接4.5～5.0 V直流電源，總線始終引腳SCL接JN5139的DO14引腳相連，數(shù)據(jù)輸出引腳SDA和JN5139的DI15引腳相連，GN引腳接地。

1.5 氣體傳感器選型及接口電路

豬舍環(huán)境中有害氣體的濃度和豬舍的通風條件、封閉程度、糞尿處理頻率和飼養(yǎng)密度等因素密切相關。有害氣體的濃度較低時，生豬不會出現(xiàn)明顯的不良反應，但如果生豬長期生活在低濃度有害氣體的環(huán)境中，生豬的免疫力降低，發(fā)病率和死亡率明顯升高。這種不良影響不易監(jiān)測，常使養(yǎng)殖者蒙受巨大損失，因此應引起足夠重視。系統(tǒng)選用MG811二氧化碳傳感器和TGS2444氨氣傳感器檢測豬舍環(huán)境中的有害氣體。2種傳感器均具有成本低、性能高、壽命長、響應快和抗干擾能力強等優(yōu)點以滿足系統(tǒng)需求。MG811二氧化碳傳感器接口電路(圖4)中，VCC引腳接6V直流電源，GND引腳接地，數(shù)字量輸出引腳DOUT懸空，模擬量輸出引腳AOUT和JN5139的模擬量輸入引腳ADC1連接。

2 下位機軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要是實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集和傳送功能、數(shù)據(jù)無線傳輸功能和上位機監(jiān)控功能。由于傳感器數(shù)據(jù)采集、傳送功能和數(shù)據(jù)無線傳輸功能的實現(xiàn)都需用到JN5139模塊，均需完成傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點的配置和編程，且都是在Code-Blocks軟件環(huán)境下實現(xiàn)的，因此兩者開發(fā)流程類似，僅介紹如何完成傳感器數(shù)據(jù)采集和傳送功能。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集和傳送軟件設計

由于豬舍空間較大，各處的環(huán)境因子不盡相同，因此系統(tǒng)需要布置多個終端節(jié)點。每個終端節(jié)點JN5139模塊上連接的溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器和氨氣傳感器，可實時檢測豬舍的環(huán)境信息[10]。

終端節(jié)點的工作流程(圖5a)：上電運行后，首先對系統(tǒng)數(shù)據(jù)和協(xié)議堆棧進行初始化，然后和協(xié)調器建立的網(wǎng)絡進行連接，聯(lián)網(wǎng)成功后終端節(jié)點開始對傳感器進行數(shù)據(jù)讀取，并且通過bBosCreateTimer()函數(shù)將數(shù)據(jù)向路由器節(jié)點進行發(fā)送，發(fā)送完成后，系統(tǒng)調用bBosRequestSleep()函數(shù)，讓終端節(jié)點進入休眠狀態(tài)。休眠時間到了以后，重復數(shù)據(jù)采集和發(fā)送過程。

路由器節(jié)點主要對傳感器節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)進行管理和轉發(fā)，在網(wǎng)絡中加入路由器節(jié)點可以大大擴大網(wǎng)絡覆蓋面積，保證通訊質量，保障ZigBee無線網(wǎng)絡的安全。路由器節(jié)點工作流程(圖5b):路由器上電運行后，系統(tǒng)調用vJenie＿CbInit()函數(shù)，對系統(tǒng)參數(shù)和協(xié)議堆棧進行初始化操作。然后向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送申請入網(wǎng)的網(wǎng)絡地址，當入網(wǎng)成功后，路由器節(jié)點開始監(jiān)視所連接終端節(jié)點的通訊狀態(tài)，若接收到需要轉發(fā)的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點。

協(xié)調器在ZigBee無線網(wǎng)絡中負責網(wǎng)絡的建立、網(wǎng)絡相關參數(shù)設定和處理路由節(jié)點或終端節(jié)點的入網(wǎng)申請等。協(xié)調器節(jié)點工作流程(圖5c):首先通過AppColdStart()函數(shù)對系統(tǒng)硬件及參數(shù)進行初始化操作，配置無線網(wǎng)絡的基本參數(shù)。然后協(xié)調器開始掃描信道，并建立一個ZigBee無線網(wǎng)絡通道。當收到一個新的節(jié)點入網(wǎng)申請，并且該節(jié)點和協(xié)調器處于同一信道，則允許其加入該網(wǎng)絡，同時為該節(jié)點分配網(wǎng)絡短地址用于數(shù)據(jù)傳輸。最后，路由器節(jié)點將接收到的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)通過建立的網(wǎng)絡連接傳輸?shù)絽f(xié)調器節(jié)點，并通過協(xié)調器的串口和PLC控制器進行數(shù)據(jù)通訊。

2.2 協(xié)調器和PLC的通訊

西門子S200 PLC有2個RS485通訊接口PORT0和PORT1，其中1個端口用于和協(xié)調器JN5139數(shù)據(jù)通訊，而JN5139的通訊接口UART0是RS232串行接口，因此選擇Max485模塊將RS232端口轉換成RS485端口。系統(tǒng)選擇PLC的PORT0接口采用自由口通訊方式和協(xié)調器JN5139進行通訊，通訊程序如下:

3 上位機軟件設計

3.1 GPRS遠程通訊程序設計

為了讓用戶能隨時隨地的監(jiān)控整個豬舍的運行，提高工作效率，降低人工成本，系統(tǒng)通過先進的互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)異地監(jiān)控?？紤]到系統(tǒng)的通用性，選用DATA-6121低功耗GPRS無線模塊，依靠三大運營商的3G/4G基站完成數(shù)據(jù)異地傳輸。DATA-6121模塊具有1個RS232通訊接口，因此系統(tǒng)選用RS232轉USB電纜完成GPRS模塊和上位機LabVIEW之間的連接，其數(shù)據(jù)接收程序如圖6所示。首先，LabVIEW中“VISA Configure Serial Port”函數(shù)用來進行通訊參數(shù)配置和串口名稱定義。當“VISA串口讀取”函數(shù)檢測到串口緩存區(qū)有數(shù)據(jù)更新時，程序向“VISA串口寫入”函數(shù)發(fā)送讀取指令，GPRS模塊在收到指令后即返回信息報文。程序通過“匹配模式”和“截取字符串”函數(shù)從返回的信息報文中提取信息數(shù)據(jù)。

3.2 上位機和下位機通訊程序設計

OPC通訊標準是為了不同供應廠商的設備和應用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數(shù)據(jù)交換更加簡單化。Labview虛擬儀器在安裝了OPC SERVERS后即可作為OPC客戶機，下位機西門子S-200 PLC作為OPC服務機。為了保證通訊質量和通訊速度，S-200 PLC擴展CP243-1以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，CP243-1通訊模塊配置如圖7所示。PLC端設置為服務器，本地TSAP屬性設置為10.00，遠程TSAP屬性設置成10.11，接受所有客戶機連接請求。上位機Labview配置如圖8所示，Local TSAP屬性設置成1011和CP243-1模塊的遠程屬性相對應，Remote TSAP屬性設置成1 000和CP243-1的本地屬性相對應。在Labview中創(chuàng)建I/O Server變量和PLC控制器里的數(shù)據(jù)地址相對應即可以實現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)通訊。

4 系統(tǒng)測試

監(jiān)控系統(tǒng)在300 m2規(guī)模的封閉式生豬養(yǎng)殖基地進行測試，協(xié)調器連接2個路由器節(jié)點，每個路由器連接4個傳感器節(jié)點，每個傳感器節(jié)點均連接有溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器和氨氣傳感器。豬舍內溫度通過冷卻風機和加熱系統(tǒng)調節(jié)。有害氣體通過開關窗系統(tǒng)和循環(huán)風機控制，光照強度通過補光裝置來控制。系統(tǒng)測試現(xiàn)場如圖9所示，豬舍內環(huán)境因子數(shù)據(jù)實時狀態(tài)如圖10所示。測試結果表明，ZigBee無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸流暢，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，能夠滿足無線化、精確化、智能化和低功耗的要求，具有一定的推廣價值。