设计基于无线传感网的猪舍有害气体监测系统.docx

题 目:
基于无线传感网的猪舍有害气体监测系统

设计
基于无线传感网的猪舍有害气体监测系统设计
摘要：在养猪业中，猪舍的环境优劣对于生猪养殖生产的意义十分重大。猪舍环境中的温湿度和有害气体的浓度对母猪的繁殖能力、崽猪存活率以及猪舍工作人员的身体健康都有很大的影响。是以，在实际生产中对于猪舍内部的温湿度以及有害气体浓度信息实行监测就显得尤为重要。本文给出了一种以STM32微处理器以及TI公司CC2530无线射频芯片为核心的基于ZigBee无线通讯技术的猪舍有害气体监测系统。系统主要由两大模块组成，一个用于采集猪舍内部环境数据，一个用于无线传输数据。微处理器将传感器收集到的温湿度、氨气和硫化氢浓度的数据信息通过串口传输给终端节点上，然后通过无线网络发送到协调器上，再由串口传输到上位机上显示出来，从而完成猪舍有害气体监测无线网络化。
关键词：STM32；ZigBee；猪舍；有害气体

Piggery harmful gases monitoring system based on wireless sensor network design
Student majoring in Agricultural Electrification and Automation
Abstract： In the pig industry, piggery environmental advantages and disadvantages of significant are import for the pig production. Healthy cub survival and reproductive capacity of the pig barn staff concentration in the environment of temperature and humidity and harmful gases sow pig has a great impact. Therefore, in the actual production for the pig inside temperature and humidity as well as the implementation of the monitoring of harmful gas concentration information is particularly important. In this paper, a kind of STM32 microprocessors and TI's CC2530 RF chip as the core of ZigBee wireless communication technology based on pig harmful gas monitoring system. System consists of two modules, one for collecting pig internal environmental data and one for wireless transmission of data. The microprocessor collects the temperature and humidity, ammonia and hydrogen sulfide concentration data from the sensor through the serial port to the terminal node, and then sent to the coordinator through the wireless network, and then transmitted to the host computer through the serial port to show up, thus completing the barn harmful gas monitoring wireless network.
Key words: STM32；ZigBee；Piggery；Harmful Gas

0绪论
随着通信技术的高速发展以及无线网络的普及应用,数据收集技术以及传输技术等也随之高速发展。在这个信息时代，通信技术的重要性也越来越关键，而使用机动性强、便利性、成本低等优点使得无线通信技术得到各行各业的青睐得到了长足的发展。1研究背景及意义
1.1课题研究背景及意义
随着养猪产业规模的大型化以及对有害气体进行监测的需要，如果还是采用传统的有线数据收集传输系统，必将需要铺设很多的通讯线路，耗费大量的人力物力等资源。并且有线收集传输系统存在机动性差、操作性不强以及不利于统一生产管理等缺点，已经不适合如今越来越现代化的生产方式。而技术迅猛发展被广泛应用在智能家居、工业以及智能交通等范畴。是以如果将
1.2国内外研究现状
农业养殖生产过程产生的有害气体中含有很多温室气体，对全球气候变暖起到极大的影响，目前已经变为地球变暖的主要危害之一[4]。因此人们对农业生产过程绿色化的关注日益变多，由此针对养猪业生产过程的有害气体监测方法所进行的探索也越来越多。根据国内外已有的研究和报道可知现在关于有害气体浓度的检测方式主要有嗅觉法、气体探测管、接触式传感器法以及光学方法。接触式传感器包括半导体传感器、电化学传感器以及由它们构成的电子鼻。光学方法包括非分光红外光谱（NDIR）、紫外差分吸收光谱（UV-DOAS）、傅立叶变换红外光谱（FTIR和可调谐激光光谱（TDLAS）[5]。但是在现实生产中人们任然大多运用嗅觉法来监测猪舍中的具有难闻特性的有害气体。此方法优点为测量方便，但此方法缺点较为明显，主要缺点为测量出的有害气体浓度误差较大。

图1-1 农业生产中有害气体的主要测量方法
无线技术近年来发展迅猛，使得人们可以随时随地获得和交换信息，并未人们的生产方式和生活带来极大的便利。如今按照覆盖范围划分的无线通信技术包括无线广域网WWAN、无线城域网WMAN、无线局域网WLAN（WIFI）、无线个域网WPAN（蓝牙、ZigBee和UWB）、无线体域网WBAN。ZigBee通信技术属于低速无线个域网LR-WPAN范畴，通信距离一般是几米到几十米距离，速率一般是几十kbps。与传统的无线网络协议提供高可靠的通信质量和高效能的网络吞吐率不同，ZigBee更多的关注低数据传输速率。一般而言，传统网络如访问网页、在线试听等应用，对响应速度和数据传输速度有着敏感性的要求。而ZigBee技术多用于控制家庭照明和采集环境信息等，这些应用对数据传输速度要求不高且数据量较少。ZigBee的诞生和成长与两个组织密不可分，这两个组织分别是IEEE 802.15工作组织以及ZigBee联盟。他们制订了IEEE 802.15.4标准和ZigBee规范，也希望人们能够遵守这些ZigBee标准和规范，以推动ZigBee技术的发展[6]。目前，已有四百家芯片公司、无线设备开发商和制造商加入ZigBee联盟。2003年，IEEE 802.15工作组织发布了适用于低速无线个人局域网（LR-WPAN）的IEEE 802.15.4协议标准，并定义了MAC层和物理层标准。如今ZigBee在国内外都迅速发展，我国开展ZigBee研究的科研机构主要有浙江大学、苏州大学、东南大学等一些高校，目前大都还处于起步阶段[7]。
1.3应用前景
猪舍的内部卫生是制约生猪繁殖生产的关键要素。20mg/m38mg/m31300mg/m325mg/m310mg/m31500mg/m3[8]猪舍工作人员及时了解猪舍内部的有害气体浓度是否超标以确定猪舍环境是否适合猪只的生长。如若有害气体浓度超标即可及时采取正确的处理措施如及时通风等来将猪舍内的有害气体浓度降低以减少有害气体对猪只以及猪舍内的工作人员的身体造成不可挽回的伤害。因此对猪舍内的有害气体浓度进行监测对禽畜业的发展将起到积极的发展推动作用。
ZigBee无线通讯技术是近年来新起的新兴技术。因其机动性强、便利性、成本低等优点使其得到各行各业的青睐而迅速发展，如今广泛应用在智能家居、工业以及智能交通等领域。现将其应用在农业生产这个全新的领域必将给农业生产带来新的技术革命。ZigBee无线通讯模式相比于传统的有线通讯模式具有极其多的优点，可以节省大量的人力物力资源，并且更加安全可靠。如今ZigBee无线通讯技术已经初步应用于农业信息采集系统、温室环境监测系统及精准灌溉等系统，并取得了一定的成果[9]。但是ZigBee无线通讯技术在农业生产领域的前景还远远不止现在开发的这些应用，其更多的应用还有待研究人员的持续开发。
2 方案设计与实验方法
2.1 总体方案设计
基于本系统终端节点个数有限，且各个终端设备装备地点基本不变，是以采用星形网络拓扑。此网络结构特点为包含一个Co-ordiantor(协调器)节点和一系列的End Device(终端)节点。每一个End Device(终端)设备只能和Co-ordiantor(协调器)节点传递数据。本系统主要分为两个模块，两个模块分别是数据采集模块和无线传输模块，两部分合在一起组成了无线数据采集系统[10]。系统的设计方案是系统启动后传感器部分开始工作，传感器部分将采集到的信息经STM32单片机串口传输到无线模块。根据程序设定的固定周期无线通讯模块将信息传输到协调器上然后再由串口传输到PC端上显示出来。
系统组成框图如图2-1所示。本文所采用的监测系统主要由STM32微型处理器、SHT10温湿度和MQ136、MQ137有害气体传感器、ZigBee无线通讯模块等组成。系统开始工作后，传感器开始采集猪舍内部的环境参数，STM32单片机根据固定的周期读取传感器上的环境参数并将其经由串口将收集到的环境参数传输到ZigBee终端设备上然后经过无线发送到ZigBee协调器上。协调器接收到环境参数后将其发送到STM32微处理器上。上位机通过串口将单片机上的环境参数读取进来并显示在PC端屏幕上。

图2-1 系统组成框图
2.2 实验方法
2.2.1 微处理器(MCU)
本系统所采用的单片机型号为ST公司的STM32系列微处理器芯片STM32F103RBT6为中心控制器[11]。STM32系列单片机内核为ARM 32位Cortex-M3 CPU，工作频率为72MHz，90DMIPS,1.25DMIPS/MHz，除此之外该系列芯片价格低，功耗少，性能高，具有极其高的性价比。并且该型单片机有串口调试(SWD)和JTAG两种下载程序方式，对于开发者来说下载程序进行调试非常方便。STM32F103xx系列支持三种低功耗模式，分别为休眠模式、停止模式和待机模式，这三种模式能够有效降低功耗从而满足更多的应用场景[12]。STM32单片机具有超低的价格、超多的外设以及丰富的型号等优异性。本系统所用的微处理器采用LQFP-64脚封装。STM32F103RBT6芯片在STM32F系列属于中等容量增强型，拥有32位基于ARM核心的带64或者128K字节闪存的微控制器，单周期乘法和硬件除法，通用增强型，内嵌中断控制器有有43个可屏蔽中断通道采用尾链（Tail Chaining）技术的中断处理（降至6个CPU周期）。是一款基于ARM的32位MCU的闪存、USB、CAN、7个16位定时器、两个ADC和9个通信接口的芯片。

图2-2 STM32F103RBT6引脚图
2.2.2 温湿度传感器
图2-4 复位时序
2.2.3 气体传感器
本系统采用的有害气体传感器的型号为MQ136硫化氢传感器和MQ137氨气传感器。MQ137氨气传感器具有对氨气的灵敏度高、寿命长、成本低以及驱动电路简单等优点。MQ136硫化氢传感器具有快速的响应恢复、较高的灵敏度、长期的工作稳定性以及简单的测试电路[13]。MQ136硫化氢传感器的输出电压随着硫化氢气体浓度的增加而增加，MQ137氨气传感器的输出电压随着空气中气体浓度的增加而降低。

图2-5 MQ136灵敏度特性曲线

图2-6 MQ137灵敏度特性曲线

2.2.4无线通信模块
ZigBee技术作为双向无线通信技术，成为现在无线监控等领域的应用研究热点[14-15]。ZigBee网络属于无线个域网（Wireless Personal Area Network,WPAN）。随着微电子技术、射频通信技术等的快速发展，WPAN产品已为越来越多的人所熟知，如蓝牙、无线射频识别技术（Radio Frequency Identification,RFID）和近距离无线通信技术（Near Field Communication,NFC）。无线个域网为近距离范围内的设备建立无线连接，把十几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使得他们可以相互通信甚至接入互联网。ZigBee对比蓝牙和WIFI具有简单、方便、可靠、低成本、低功耗等优势[16]。ZigBee技术是ZigBee联盟的产物。ZigBee规范结构如图2-7所示。ZigBee联盟采用IEEE 802.15.4标准作为ZigBee网络的物理层（PHY）和介质访问层（MAC）规范，并在还另外制定了ZigBee网络的数据链路层（DLL）、网络层（NWK）、和应用编程接口（API）规范，来负责用户开发和实验等方面的工作[17]。ZigBee应用开发者则在ZigBee规范基础上进行项目开发。

图2-7 ZigBee规范结构
在软件层次上，ZigBee无线网络需要依靠ZigBee协议栈才能实现。与传统TCP/IP协议栈类似，ZigBee协议栈采用分层结构。分层的目的是为了使协议栈各层能够独立，每一层向上层提供一些服务，应用开发程序员只需要关心与他们相关层的协议。分层的结构脉络清晰，方便设计和调试。ZigBee 协议栈结构如图2-8所示。

图2-8 ZigBee协议栈的结构
ZigBee 规范将网络节点按照功能划分为PAN(Personal Area Network)协调器(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和终端设备ZE(ZigBee EndDevice)三个类型[18]。一个ZigBee网络应该只有一个PAN协调器,且是PAN的总控制器，可以将其理解为网络中的第一个设备。该设备负责ZigBee网络启动，并配置网络使用的信道和网络标识符（PAN ID）。此外，协调器还要完成网络成员地址分配、节点绑定、建立安全层等任务，它在网络中需要最多的存储资源和计算能力[19]。ZigBee网络是优美的分布式网络，当网络协调器成功建立网络后，基本上接完成了协调器身份的使命，而成为路由器角色。此时，即使关闭协调器节点，网络中其余的节点也能互相通信。路由器用于允许设备加入网络、扩展网络覆盖的物理范围和数据包路由的功能。ZigBee路由器扩展网络是指该设备可以作为网络中的潜在父节点，允许更多的路由和终端设备接入网络，其中路由器最为重要的功能是“允许多跳路由”，即使两个设备不在彼此的物力射频范围内，也能通过路由器进行信号中转和中继，进行通信；路由节点存储路由表，负责寻找，建立及修复数据包路由路径。路由器一般还协助由电池供电的终端设备子节点工作，如缓存子节点数据等。路由器和协调器一般由主电源供电，且常处于活跃状态。终端设备一般位于ZigBee网络末端，它不具备成为协调器和路由器的能力，一般与采集设备连接成整体。终端设备一般由干电池或纽扣电池供电大部分时间处于休眠状态。终端设备的一些工作交与父节点或路由器处理，如设备周期性处于睡眠状态，发送到设备的数据不能立即被接收，就暂存到其父设备节点，终端设备会定时向其父设备轮询数据；终端设备在向其他节点发送数据时，先将数据交由其父节点设备，然后以父设备的名义进行网络路由。
ZigBee 无线网络技术的网络拓扑结构共有三种形式其分别是：网状型结构、树型；结构和星型结构[20]。三种拓扑形式如图2-9所示。

图2-9 ZigBee网络拓扑形式
ZigBee应用前景广阔，市场需求巨大，世界各大半导体生产厂商纷纷推出了支持IEEE 802.15.4标准的无线芯片，比如TI公司的CC2420、CC2430和CC2530，Freescale公司的MC13191/13192/13193等，Ember公司的EM250和EM351/357等。这些芯片集成了ZigBee物理层的功能，并且所需外围器件少，使用起来方便。CC2530S是Chipcon公司(现已被TI收购)推出的用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统（SOC）。它能够以非常低廉的价格构建庞大的网络节点。CC2530共有40个引脚，主要包括21个GPIO引脚、9个模拟电源和数字电源引脚、2个射频信号收发引脚等。CC2530内置业界领先的RF转发器，并结合了增强工业标准型8051MCU。CC2530具有系统可编程的256字节闪存、8KB RAM/两个UART接口并可复用SPI接口/8通道ADC、21个GPIO口和其他的强大功能。CC2530具有多种运行模式，因此使得它可以适应各种功耗要求的系统[21]。
CC2530芯片特性：
（1）RF/布局。CC2530支持2.4GHz IEEE 802.15.4 RF收发器、具有良好的接收灵敏度和抗干扰能力、可编程的输出功率可以达到4.5dBm、只需少部分的外接器件、只用一个晶振就可满足ZigBee网络系统组网等等。
（2）低功耗。低功耗是CC2530 SOC较为鲜明的特性。
（3）微控制器。CC2530具有功耗较低但是性能优越的8051芯片，具有代码预取功能。并且支持硬件调试，配合IAR开发工具下调试。
（4）外设。CC2530具有强大的5通道DMA，用于传输较大的数据块，如图像，语音等、高性能集成运算放大器和超低功耗比较器、IEEE 802.15.4 MAC定时器，三个通用定时器等。
（5）应用。其支持2.4GHz IEEE 802.15.4系统、RF4CE远程远控系统以及照明系统等。
3.1 系统硬件组成
如今的禽畜业生产不断向规模化、集约化发展[22]。因此猪舍内部的温湿度以及有害气体浓度就更加需要进行监测，及时发现猪舍内部环境不达标的情况并加以控制，否则将造成不可挽回的损失。因此猪舍内部需要一个可以对猪舍内部温湿度以及有害气体浓度数据进行实时监测的系统。本设计采用功耗较低的STM32F103RBT6微处理器，采用SHT10作为温湿度采集装置，MQ137氨气传感器以及MQ136硫化氢传感器作为有害气体浓度采集装置，通过ZigBee无线通讯技术作为传输数据的无线模块，克服了有线信息收集传输系统的一部分不足。因此，测量操作更加容易实验并且更加可靠方便。系统硬件构成如图3-1所示，系统硬件实物图如图3-2所示。

图3-1 系统硬件构成

图3-2 系统硬件实物图
3.2 数据采集模块
本系统的数据采集模块用于采集猪舍内部的温度、湿度信息和氨气以及硫化氢气体浓度信息。本系统的数据采集部分由SHT10传感器、MQ136硫化氢传感器以及MQ137氨气传感器组成。三个传感器分别通过I2C总线接口以及ADC接口与STM32单片机进行数据传输，这三个传感器将采集的猪舍内部温湿度以及有害气体浓度信息通过这两种接口发送给单片机。
3.2.1温湿度传感器
STM32微处理器通过I2C总线接口与SHT10温湿度传感器相连。测量温湿度子程序主要有三部分组成，分别为传输开始、连接复位时序和温湿度测量时序组成。传感器初始化时，单片机向温湿度传感器发出“启动传输”时序，该时序具体表现为当SCK为高时，将DATA降为低电平，当SCK的下一个高电平时将DATA变成高电平[23]。要是STM32与SHT10的通信失败或者SHT10接收单片机传输过来的时序失败，这时候单片机发送一组连接复位时序给SHT10传感器。如果当单片机发出了传输开始命令,与此同时SHT10 正确接收到测量温湿度命令后, 单片机就要等到传感器温湿度数据测量完成[24]。测量温湿度子程序具体流程如图3-3所示。

图3-3 测量温湿度子程序流程图

图3-4 SHT10实物图
3.2.2有害气体传感器
MQ136以及MQ137这两种气体传感器都有两个数据输出接口,一个输出模拟量,一个输出数字量。如果使用输出为数字量的接口,则单片机只能接收到高低电平,无法读取空气中的有害气体浓度。因此这里采用传感器的模拟量输出接口。STM32单片机具有数模转换输入通道（ADC）,将传感器的模拟量输出接口与单片机的ADC输入通道相接。单片机将读入的模拟量转换为数字量。本系统将MQ136气体传感器与单片机的ADC通道0也就是单片机的PA0引脚相接，MQ136气体传感器与单片机的ADC通道1也就是单片机的PA1引脚相连。单片机通过ADC接口将进来的模拟量转换成数字量，也就是电压值，然后将电压值计算成相应的有害气体浓度。MQ136硫化氢传感器的输出电压值随着有害气体浓度的升高而增加，MQ137氨气传感器与之相反，其输出电压随着有害气体浓度的升高而降低。具体程序流程如图3-5所示。

图3-5 测量有害气体浓度子程序流程图

图3-6 MQ136硫化氢传感器实物图

图3-7 MQ137氨气传感器实物图
3.3 无线传输模块
串口通信程序编写相对简单，硬件接口简单，而且可以在电脑上使用串口调试助手显示相关的调试信息，不需要借助其他外部硬件，就可以很方便地进行程序调试。因此本系统中STM32微处理器采用串口通信的方式与ZigBee无线通讯模块进行数据传输。ZigBee硬件节点总体设计如图3-8所示。接线上是将STM32单片机的TXD、RXD接口与ZigBee无线模块底板上的TXD、RXD接口交叉相接。本系统的ZigBee无线射频模块的网络形式采用星形网络。本系统中该拓扑结构由ZigBee终端设备节点和ZigBee协调器节点两种节点构成[25]。从硬件角度来看，这两种节点的硬件构成基本相似，但是其作用却相差很大。ZigBee终端设备节点主要用于实时数据的收集和接收发送。为节约能耗，所以在本设计中ZigBee终端设备节点采用轮询的工作方式，终端节点程序流程见图3-9。ZigBee协调器节点则用于管理各个节点并接收各个节点传送到协调器的信息并将其经由串口传送到上位机上显示出来，协调器节点程序流程见图3-10所示。

图3-8 ZigBee硬件节点总体设计

图3-9 终端节点程序流程图

图3-10 协调器节点程序流程图
系统ZigBee终端节点硬件连接图如图4-1所示。系统ZigBee协调器节点实物图如图4-2所示。
ZigBee终端节点实物图
图4-2 ZigBee协调器实物图
协调器节点的单片机经由串口传输到PC端显示器显示的数据如图4-3所示，可以明显的看到终端节点1和2的温湿度数据以及有害气体浓度的数据因为摆放地点不同而有明显差异。

图4-3 数据显示界面
基于无线传感网的猪舍有害气体监测系统的设计是利用ZigBee无线传输技术进行数据传输，比传统有线方式更加方便快捷。并且选用ZigBee无线传输技术也使得系统的软硬件设计变得更加简便，占地空间更少以及数据传输更加安全可靠。但是作为一个数据采集系统，还可以扩展报警以及意外断电的外扩信息存储模块。甚至可以通过采集到的温湿度以及有害气体浓度信息，进行自动的温湿度和有害气体浓度控制，当然这些功能都需要进一步的研究开发。
致谢
值此论文设计完稿之际
参考文献：
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附录(程序清单)