基于无线传感网的猪舍有害气体监测系统

1本科生毕业论文（设计）题 目: 基于无线传感网的猪舍有害气体监测系统 设计 姓 名: 稷哥 学 院: 工学院 专 业: 农业电气化与自动化 班 级: 电气 121 学 号: 指 导教师: 职称: 教授 20 16 年 5 月 6 日南京农业大学教务处制2目 录摘要1关键词1Abstract1Key words10绪论11研究背景及意义21.1课题研究背景及意义21.2国内外研究现状21.3应用前景32方案设计与实验方法32.1总体方案设计32.2实验方法42.2.1微处理器（MCU）42.2.2温湿度传感器42.2.3气体传感器52.2.4无线通信模块63系统软硬件设计83.1系统硬件组成83.2数据采集模块93.2.1温湿度传感器103.2.2有害气体传感器103.3无线传输模块124调试步骤及结果144.1调试步骤144.2调试结果145总结15致谢15参考文献16附录（程序清单）173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 designStudent 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 TIs 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 Gas0 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。如今工业和农业调控现场以有线网络占多数，但存在布线过于繁杂、维护成本高等弊端 1。基于 ZigBee 无线传感网的无线温湿度、有害气体浓度数据采集系统，本系统易于移动和操作，并且布线简单，能够无线采集传输数据，成本较低，克服了一些有线采集系统存在的缺点。1 研究背景及意义1.1 课题研究背景及意义随着养猪业规模化、集约化生产模式的不断推进,对猪舍内部环境卫生的好坏也产生了更高的标准 2。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。在实际生产中，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4舍工作人员的身体健康都有很大的影响。是以对猪舍中的温湿度以及有害气体浓度进行监测具有重大意义。环境中的温度对猪的繁殖能力、崽猪存活率等产生影响，有害气体不仅对猪舍工作人员身体健康造成影响，而且影响猪的健康生长、诱发疾病以及提高料肉比等给养猪业带来经济损失 3。并且养猪业在生产过程中所产生的有害气体不但对工作人员的身体健康造成伤害的同时，还对地球的大气形成污染。是以在生产过程中在猪舍内部进行有害气体浓度监测就显得尤为重要。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。而近年来，具有造价少、相对简单、能耗较少、安全可靠、短距传输的双向无线通讯技术 ZigBee 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 ZigBee 技术应用在农产品生产上必将对农业生产现代产生良性的推进效果。农业生产数据收集传输的无线化对农业生产来说研究意义重大，具有极其可观的前景。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。农业生产中有害气体测量方法嗅觉法气体探测管法接触式传感器法光学方法半导体传感器电化学传感器电子鼻傅里叶变换红外光谱仪 （ F T I R ）紫外差分吸收光谱 （ U V - D O A S ）非分光红外光谱 （ N D I R ）可调谐激光光谱 （ T D L A S ）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5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。保育猪舍哺乳猪舍要求氨气浓度不高于 20mg/m3,硫化氢的浓度不高于 8mg/m3,二氧化碳浓度不高于 1300mg/m3，其他阶段要求猪舍氨气浓度不高于 25mg/m3，硫化氢浓度不高于 10mg/m3，二氧化碳的浓度理论上不高于 1500mg/m38。因此根据上位机显示的有害气体浓度， 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。6传感器 Z i g B e e 无线模块S T M 3 2传感器 Z i g B e e 无线模块S T M 3 2Z i g B e e 无线模块S T M 3 2P C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 温湿度传感器根据猪舍内部的环境的温湿度可能范围，本系统选用的温湿度传感器型号为SHT10。该型温湿度传感器由来自瑞士的一家名为 Sensirion 的公司推出的。SHT10 温湿度传感器具有杰出的能耗控制特性、极小的尺寸、自检测能力以及相对湿度和温度一体检测等优点。目前 SHT10 已经广泛应用于数据采集器、变送器、自动化过程控制、7汽车行业、电力机房、计量测试以及医药业等领域。SHT10 接口定义：（1）GND：电源地；（2）DATA：串行数据，双向；（3）SCK：串行时钟，输入口；（4）VDD：电源输入端。图 2-3 启动传输时序图 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8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。应用框架及应用应用支持子层网络层M A C 层物理层Z i g B e e 应用开发者和 Z i g B e e 规范Z i g B e e 规范I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4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。9应用设备 1应用设备 2 4 0安全服务提供商N L D E - S A P N L D E - S A PM C P S - S A P M L M E - S A PA P S 信息管理 A P S 安全管理端点 2 4 0A P S D E - S A P端点 1A P S D E - S A P端点 0A P S D E - S A PA P S M E -S A PN L D E -S A P网络安全管理路由管理 网络管理. . .P D - S A P M L M E - S A P应用设备框架 A F应用支持子层A P S网络层M A C 层物理层Z i g B e e 设备对象Z D O应用层Z D O 管理平台图 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10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 EM25