遠程養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現

遠程養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現摘要：本設計主要完成的工作及內容，首先是采用溫濕度傳感器、氣體傳感器、光照強度傳感器成功實現了對養(yǎng)殖場內各項指標的采集，在調試及誤差分析階段符合當前智能農業(yè)生產中的調價和要求。其次是采用最新的物聯網芯片模組(ESP8266)設計了基于Android能終端采集系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中成功實現了對應用層的開發(fā)，并采用WiFi功實現了網絡的對接，將傳感器數據打包上傳，并可以實時監(jiān)測傳感器數據，還可成功實現對燈光、排風、噴灑等設備的控制。在軟件方面可以實現智能養(yǎng)殖場遠程監(jiān)控系統(tǒng)控制界面，此界面不僅可以實現了在電腦PC端的在線監(jiān)控，還可以實現了在手機APP戶端的遠程移動監(jiān)控。關鍵詞：整體方案、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)構架與測試一、系統(tǒng)的整體思路和設計方案隨著科技的發(fā)展和物聯網技術的發(fā)展，社會對無線接入技術應用的需求日益增大，這很大的推動了無線通信技術向著微型化、智能化、實時性發(fā)展。然而，智能養(yǎng)殖業(yè)這一領域我國起步晚，相關無線通信技術還不完善。傳統(tǒng)的智能養(yǎng)殖成本高，損耗大。相比于傳統(tǒng)智能養(yǎng)殖，本設計有如下特色：①對數據的吞吐量速率傳輸要求低，功率消耗比傳統(tǒng)的智能化所耗的功率低；②簡單方便，可以隨意增加或衰減各種傳感器，可在個人活動空間內布置大量的無線接入點；③元器件價格低廉，適合批量生產，成本低；

④能夠設計以下功能的設備：保持最小的話務通信鏈路和無線收發(fā)信機的低復雜度；低功耗、低價格、低通信標準、低帶寬和低數據傳輸速率。下面框圖將展示總體方案：本系統(tǒng)由三部分組成：數據采集端、網絡服務端和客戶監(jiān)控端。采集端：通過溫度傳感器、氣體傳感器和濕度傳感器等一系列相關傳感器來采集各種參數；服務器端：ZigBee終端節(jié)點與ZigBee協調器構成ZigBee網絡，通過無線通信技術進行數據的上傳、接收和發(fā)送；客戶端：客戶端分為兩部分：一為上位機監(jiān)控軟件，協調器通過串口與上位機進行通信，包括數據的接收與轉發(fā)；二是通過ESP8266成的無線網絡與Andriod戶端軟件進行通信，可通過Andriod客戶端對養(yǎng)殖場進行遠程的監(jiān)控與控制。系統(tǒng)的關鍵技術為：①ZigBee線傳感器網絡；模塊傳輸；③上位機軟件技術；④Android機客戶端軟件技術。二、硬件設計

基于ZigBee遠程養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要可以實現三個功能:組網、數據的采集和數據的傳輸。系統(tǒng)功能和需求①ZigBee信網絡中的一個協調器節(jié)點和各個終端節(jié)點采用星形拓撲網絡結構來進行接收和發(fā)送數據；②協調器節(jié)點通過串口通信來接收上位機的調控命令，并可以將命令通過ZigBee絡發(fā)送給相應的終端節(jié)點；③終端節(jié)點加入ZigBee網絡，利用各種傳感器并采集相應的數據，并將數據通過網絡傳遞給協調器節(jié)點，也可接受來自于上位機傳遞給協調器，協調器再將其傳遞給終端節(jié)點，并執(zhí)行相應的調控動作。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件框圖，如圖所示：（1主控模塊（CC2530養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)中ZigBee芯片的MCUTI公司生產的CC2530芯片。CC2530片是目前市場上最常用、最有效的ZigBee片上系統(tǒng)，在CC2430CC2431基礎上開發(fā)，具有CC2430CC2431一系列優(yōu)點。它是一個射頻芯片，完全兼容8051內核，支持IEEE802.15.4協議。CC2530芯片上集成了各種處理器，如ZigBee射頻前端、內存和微控制器。它接受靈敏度高，抗干擾性能強。CC2530芯的電流消耗和封裝尺寸

都特別小，使用方便，它主要實現對傳感器采集的數據進行處理，并將數據通過無線發(fā)送出去，這樣就節(jié)約了ZigBee無線傳感網絡中的成本，且性能良好、穩(wěn)定。CC2530片的電流損耗為29安；在接收模式下，電流損耗低于24安；在發(fā)射模式下，電流損耗小于毫安。CC2530待機模式和過渡到主動模式較短，能夠滿足低能耗、快速靈活的要求。此外，CC2530芯片還支持JTAG件調試，可以直接使用仿真器對芯片進行調試。（2電源模塊電源模塊為節(jié)點正常運轉提供電量的支持。ZigBee網絡中的協調器節(jié)點需要不聞斷工作，采用USB定電源供電USB電為，而終端節(jié)點通常布置在養(yǎng)殖場內的各個區(qū)域，則采用5V池供電ZigBee塊工作電壓為5.0V，12.0V/5.0V電源電路。（3傳感器模塊養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控相關參數有空氣溫濕度、有害氣體濃度、光照強度等。采集這些數據的傳感器插在每個終端節(jié)點上，用來采集養(yǎng)殖場內各個區(qū)域的環(huán)境情況。①溫濕度傳感器（DHT11）：DHT11作為一種溫濕度復合傳感器，它能夠輸出經過修正之后的數字信號。得益于它獨特的數字部分收集能力和對于溫濕度的感受并能把感受到的信息轉換成電信號或者其他形式的信息輸出的能力，包含它的產品都有一些優(yōu)勢。你譬如說，這樣的產品具有一定的可靠性，對信息的處理響應快，信號的傳輸距離也較長，成本也不高，不容易被外界因素干擾，輸出的信號相對正確等。這個傳感器包含電容式傳感器與溫元件兩部分，之后再和8單片機相連。

②氣體傳感器（MQ-2）：MQ-2氣體傳感器中選擇了氧化錫（SnO2來作為檢測氣體的材料。這是因為氧化錫在潔凈的空氣中電導率低，但是一旦MQ-2放置在含有遇到火源會發(fā)生爆炸的可燃氣體時，它的電導率就會和可燃氣體的濃度成正比。因此，我們可以利用這一特性，在電路的支持下，把電導率的變化與氣體濃度的變化想聯系。值得一提的是，這個傳感器除了能夠用來監(jiān)測有害氣體，譬如液化氣、丙烷之外，更能夠用來監(jiān)測可燃的氣體，比如天然氣。AO子輸出：0.1-0.3V，低電壓，幾乎無污染。最大濃度電壓約為4V電傳感器，一般需要預熱約秒所以測量數據穩(wěn)定，因為其內部的加熱絲，所以熱屬于正?，F象，但如果傳感器是發(fā)燙，則不正常。③光敏傳感器：光敏電阻器是一種特殊的電阻器，它是由半導體材料如硫化物或硒化物制成的，它是基于內光電效應的原理。隨著光強的逐漸增大，電阻值迅速減小。在沒有光的情況下，暗電阻很大，電阻幾乎是高阻狀態(tài)。光敏電阻模塊用于檢測環(huán)境光的亮度，采用寬電壓LM393比較器放大電流，信號干凈，波形良好，驅動能力強，電流超過且配置了可調電位器用來調節(jié)檢測對比的光線亮度。并且模塊設有固定螺栓孔M3方便用戶安裝。（4串口通信模塊串行通信是指數據一位一位地順序傳送，上位機監(jiān)控中心通過USB數據線與ZigBee無線傳感網絡中的協調器連接，進行串口通信。所收集的農場的參數值由協調器節(jié)點轉發(fā)到上位計算機監(jiān)控軟件。上位機監(jiān)控軟件通過協調器節(jié)點將命令轉發(fā)給終端節(jié)點，控制設備。協調器和上位機監(jiān)控軟件通過串口進行通信。本文采用USB轉串口的FT232芯片進行信號電平匹配來實現協調器節(jié)點和上位機之間通信。

CC2530兩個串行通信接口USARTO.USATARI通常采用異步模式。上位計算機監(jiān)控軟件向協調器發(fā)送命令，是以串行方式將數據依次傳輸給FT232模塊，數據經過芯片的邏輯電路后，通過運算處理變?yōu)橛行祿賯鬟f給協調器。這樣協調器就可以將有效的命令發(fā)送給終端節(jié)點來調控相關設備，同樣的，協調器節(jié)點向上位機監(jiān)控軟件發(fā)送數據時，也需要經過FT232芯片，將相關數據轉換為可以被串口接收類型的有用數據。CC2530通過UART模塊來實現兩個功能，分別是將采集到的養(yǎng)殖場的參數數據發(fā)送給上位機監(jiān)控軟件和接收來自上位機監(jiān)控軟件的控制設備命令。同時上位機監(jiān)控軟件接收來自協調器節(jié)點上傳的養(yǎng)殖場的參數值，并將上傳的數據與目標數據進行匹配,匹配不成功則向USB端口自動發(fā)送調控設備命令。（5）ESP2866模塊Wi-Fi模）物聯網中，存在一個關鍵的問題是各種普通的Andriod臺如何接入網絡之中。Wi-Fi一種可以將個人計算機和手持設備（如手機和平板電腦）以無線方式連接起來的技術。滿足設計要求，簡單有效，可靠方便。ESP8266塊是一種應用廣泛、體積小、功耗低、引腳豐富的WiFi片?？蓴U展功能非常強大，支持無線802.11B/G/N三標準，支持STA/AP/STA+AP工作模式，同時支持TCP/IP議棧和多路徑客戶端連接，以及AT令內置富插座，還支持UART/GPIO據COM訊接口，適用于電池供電的應用，簡單方便。三、軟件設計系統(tǒng)的ZigBee網絡由ZigBee技術組成，主要包括終端節(jié)點和協調器。ZigBee點通過ZigBee絡收集各種相關數據，并將它們發(fā)送給ZigBee協

調器，而協調器通過串行通信將數據傳送到上位計算機監(jiān)控軟件。同時，ESP8266片構成WiFi，產生局域網，Android臺監(jiān)測連入，WiFi實現數據的上傳、接收和發(fā)送。（一）CC2530程軟件開發(fā)嵌入式IAREmbeddedWorkbench提供了各種開發(fā)工具的框架，可以完全嵌入，包括高度優(yōu)化的IARAVR／C++編譯器；AVR編；一般IARXLink接；IAR書館建設者和IARXlib館員；項目經理TMIAR此外，大量的位、16和位微處理器和微控制器適用于IAR用戶在開發(fā)新項目時可以在熟悉的開發(fā)環(huán)境中執(zhí)行。此開發(fā)環(huán)境用戶易于學習并具有最廣泛的代碼繼承能力。嵌入式嵌入式工作臺可以有效地提高用戶的工作效率。通過IAR工具，大大節(jié)省了工作時間。（二）上位機監(jiān)測軟件的開發(fā)與設計上位機監(jiān)測軟件主要包括數據曲線顯示模塊和控制顯示模塊:(1)據曲線顯示模塊：主要顯示由終端節(jié)點采集的養(yǎng)殖場參數值。，還添加了曲線顯示溫濕度，方便用戶查看參數值變化趨勢；當養(yǎng)殖場內存在著可燃、有害氣體和強烈光照的時時候，上位機監(jiān)控界面會發(fā)出警告提醒，用戶可以進行相應的調控，以降低用戶的損失，達到利潤最大化。(2)制顯示模塊，主要是用來發(fā)送命令給節(jié)點，驅動相應的設備來控制風扇通風、照明設備和加溫設備等;，上位機監(jiān)測軟件可以直觀的了解所測得參數，如果不合適可人為調節(jié)，通過控制相關設備來調節(jié)養(yǎng)殖場的各種參數。（三）上位機軟件開發(fā)環(huán)境上位機監(jiān)測軟件的用戶頁面采用C#件來實現。

（1解壓C#裝包;（2）雙擊setup.exe，安裝發(fā)環(huán)境。打開上位機監(jiān)測軟件，顯示監(jiān)測界面，在界面上點擊打開串口按鈕，如果協調器已與PC接,系統(tǒng)會自動識別協調器串的口號并顯示在框里，點擊自動刷新。此時會監(jiān)測上位機是否有數據發(fā)送過來，若有則接收數據，并在界面顯示區(qū)域將數據顯示出來,溫濕度上也會有相應變換，同時曲線也會顯示出數據變化趨勢;同時，當養(yǎng)殖場里面氣體異常時，上位機監(jiān)控軟件界面會進行報警并且用戶可以通過上位機監(jiān)控軟件直觀觀察參數，若不合理，可手動調節(jié)裝備進行調節(jié)。（四）Android臺監(jiān)測開發(fā)與設計本系統(tǒng)的Android戶端分為三個模:監(jiān)控模塊、控制模塊與通信模塊：（1監(jiān)控模塊：主要是用來顯示養(yǎng)殖場環(huán)境參數值，主要有溫濕度數據、光照強度數據、有害氣體濃度數據。然后移動平臺將接收的數據進行顯示，用戶可通過相關手機客戶端連入WiFi絡中來隨時隨地的查看養(yǎng)殖場的情況。（2控制模塊主要用于控制相關節(jié)點，控制通風設備、照明設備、加熱設備等。用戶可以根據手機客戶端所顯示的數據對相關設備進行控制，使養(yǎng)殖場的各種環(huán)境參數達到動物生長的最佳值，減少損失，增加利潤。客戶端可直觀的了解養(yǎng)殖場ZigBee節(jié)點實時傳來的數據，若不合理，可手動調節(jié)裝備進行調節(jié)。（3通信模塊主要是接受WiFi絡傳送過來的養(yǎng)殖場內環(huán)境參數值和發(fā)送控制設備命令給節(jié)點終端。整體結構圖如圖所示：

（五）Android動終端的開發(fā)步驟Android動終端使用Eclipse進行開發(fā)，開發(fā)步驟如:（1安裝Eclipse件；（2安裝并更新Android；（3為Eclipse裝ADT件；Android戶端軟件部分的客戶端，采用的是構,連入ESP8266芯片組成的WiFi無網絡中進行通信，上傳和收發(fā)各種數據，實現系統(tǒng)功能。用戶需要先在手機或者平板電腦上安裝Android客戶端監(jiān)控軟件，然后打開軟件進行注冊登錄。用戶登陸成功后，需要輸入配置WiFi絡的IP址，然后用戶輸入服務器的IP地址,請求連接到網絡，連接網絡成功后，手機或平板界面會顯示“連接成功”的提示，這時監(jiān)控界面就會顯示出養(yǎng)殖場各個終端節(jié)點所采集的相關數據。四、系統(tǒng)架構與測試根據前面內容的詳細敘述和設計實現，系統(tǒng)功能已基本完成。接下來將進行養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)功能測試,系統(tǒng)功能測試包括硬件測試：ZigBee線網絡的測試和軟件測試：上位機監(jiān)測軟件的測試和Android移動平臺客戶端的測試。在系統(tǒng)調試過程中，將ZigBee無線傳感網絡組建并進行工作，并將協調器節(jié)點與上位機連接，通過上位機檢測界面實時顯示數據，Android客戶端連

入ESP8266成的WiFi模塊，無線通信實時的接收和上傳數據,最終來測試整個系統(tǒng)的性能。（一）硬件測試ZigBee線網絡終端節(jié)點和協調器節(jié)點之間采用星形拓撲結構，本作品硬件組成包括一個協調器節(jié)點和四個數據采集節(jié)點，匯聚數據十分方便。如圖所示，左邊的是四個終端節(jié)點，終端節(jié)點負責采集數據和控制設備，在采集到溫濕度、光照、氣體等數據之后，對數據進行相關處理，然后處理好的有效數據通過ZigBee線傳感網絡傳輸至協調器節(jié)點，也可以接受命令控來制設備相關設備以調節(jié)養(yǎng)殖場環(huán)境；右邊的節(jié)點是協調器節(jié)點，主要負責組建網絡、接收數據/命令、發(fā)送數據令，將所有數據通過串口通信傳輸至上位機監(jiān)控軟件。測試目的：①ZigBee調器和ZigBee點組建無線通信網絡是否成功；②ZigBee點數據是否傳給ZigBee協調器；③通過串口通信技術，ZigBee協調器是否能成功的把數據上傳給上位機，并且接受來自上位機的調控命令；測試步驟：①搭建好系統(tǒng)測試環(huán)境；②用USB將協調器節(jié)點和上位機所連接起來；③打開協調器節(jié)點，給協調器節(jié)點先上電，電腦會自動識別串口號；④將溫濕度傳感器、氣體傳感器、光敏傳感器、繼電器等嵌入終端節(jié)點上，并給終端節(jié)點上電，預熱數秒，使其正常工作；⑤安裝串口助手，打開協調器串口，設置波特率為進行通信；

期望結果：當協調器節(jié)點上電后，LED3常亮，并與串口助手進行通信；當終端節(jié)點上電后，LEDI燈有規(guī)律的閃爍，當節(jié)點連入ZigBee網絡成功之后，LED3燈常亮，LEDI熄滅；測試結果：經過有效的測試，終端節(jié)點成功連入網絡，且可采集各種相關數據，并發(fā)送給協調器節(jié)點，協調器節(jié)點之間互相組建網絡成功，并可與終端節(jié)點進行通信，硬件系統(tǒng)可運行正常。2.

軟件測試（1上位機軟件測試上位機監(jiān)測軟件主要利用串口通信與協調器進行數據接收和發(fā)送，即通過串口與協調器節(jié)點進行通信。上位機軟件可以顯示協調器上傳過來的數據，也可以通過調節(jié)設備來調節(jié)環(huán)境達到動物生長所需要的最佳環(huán)境，當溫室內有可燃氣體、光照不匹配時，上位機界面會曲線顯示數據，用戶可通過控制上位機相關界面按鈕來手動調節(jié)節(jié)點設備來改變養(yǎng)殖場環(huán)境參數，使其達到最優(yōu)化。測試目的：①測試上位機與協調器節(jié)點之間的串口通信是否成功；②測試上位機監(jiān)控軟件是否可正確顯示數據以及自動控制設備功能；測試步驟：①搭建系統(tǒng)軟件測試環(huán)境；②在上位機監(jiān)測軟件界面，打開串口按鈕，點擊自動刷新；預期結果：①上位機監(jiān)測軟件安裝的成功；②上位機監(jiān)控軟件可顯示數據，正確顯示；③當溫室內有可燃氣體、光照不匹配時，上位機界面會曲線顯示數據，用戶可通過控制上位機手動調節(jié)節(jié)點設備；

測試結果：得到上位機數據、溫濕度顯示曲線。（2Android移平臺軟件測試測試目的：①測試用戶登錄；②測試客戶端是否能成功連接到WiFi絡之中；③測試客戶端是否能正確顯示數據并且能發(fā)出命令控制終端節(jié)點；④測試當氣體、光照異常時，客戶端監(jiān)控界面是否有提示功能；測試步驟：①搭建好系統(tǒng)軟件測試環(huán)境；②將Android客戶端軟件安裝到手機上，登錄進入系統(tǒng)主界面；③手機連接到網絡，實時查看各個節(jié)點所上傳的數據，并自動控制相關節(jié)點設備；期望結果：①用戶登錄成功；②在監(jiān)控界面，輸入IP用戶成功連入網絡，提示顯示“連接成功”，并可實時查看數據，系統(tǒng)自動控制設備；測試結果：手機輸入IP址，手機用戶成功連入WiFi絡之中，數據上傳成功，界面成功顯示，用戶可以實時查看相關數據。（三）測試數據展示和分析當系統(tǒng)搭建完成，并調試成功時，將節(jié)點分布在不同的檢測地點，溫度空間均衡在25°C濕度終端節(jié)點1設置氣體安全，光照強度不合適；終端節(jié)點3設置為氣體不安全，光照合適；終端節(jié)點設置為氣體，光照都安全，通過上位機監(jiān)測軟件界面和Android動平臺監(jiān)測軟件記錄數據。當四個節(jié)點放置在四個不同的空間里時：空間放置終端節(jié)點且溫度設置38°C濕度設置為光照正常，氣體不正常；空間2置終端節(jié)點

2且溫度設置43°C，濕度設置為68%光照不正常，氣體正常；空間放置終端節(jié)點3，且溫度設置，濕度設置為光照正常，氣體正常；空間4放置終端節(jié)點4且溫度設置，濕度設置為光照不正常，氣體不正常；上通過位機監(jiān)測軟件界面和Android動平臺監(jiān)測軟件記錄數據。綜上所述，該系統(tǒng)實現了預期的成功，設計