为了提高畜牧业的生产效率,降低生产成本,合理利用资源,将现代化的电子,通信,计算机和自动控制等技术应用于畜牧业生产中是现代畜牧业发展的必然趋势[1]。本文采用分散测量控制加集中管理,也就是以微处理器为核心的计算机集散监控模式。具体来说,这一模式就是以PLC可编程逻辑器件、ZigBee模块和传感器件等作为下位机,实现生猪养殖环境数据的监测; 同时再以工业控制计算机作为实施的现场监控上位机,并通过GPRS无线远传等方式与下位机实现其连接。上述监控方式解决了由于猪舍养殖环境的复杂性带来的布线困难,并且线路容易遭到破坏或腐蚀老化,监测系统的可靠性差,运营成本高; 监控区域有限,多数不具备网络功能,难以实现远程监控等问题 [2]。对大型猪舍的生产需求具有重要意义,本设计已投入实际使用,并且也取得了良好效果。 1 系统总体设计 该系统是根据物联网的分层体系思想和数据传输特性,将猪舍环境监控系统划分成5个层面,系统总体结构框图如图2-1所示。在传感层,传感器的布置和环境调控以单栋猪舍为一个独立监控区域。同一猪舍内饲养的通常都是同一类型的猪,且他们对环境的要求基本相同。不同类型的传感器通过有线或无线的方式组成监控网络 [3]。在近距离传输层,也就是ZigBee拓扑网络结构层。不同编号地址的采集节点通过事先确定好的测量点将该点的温度、湿度、光照、气体等传感器采集到的数据传递给ZigBee协调节点。在控制层,PLC主要负责数据的传递和对上位机发出的报文的处理来实现整个系统的控制部分。在远距离传输层,数据通过485物理接口与GPRS-DTU连接,通过SIM卡以走流量的方式将数据上传到上位机。在应用层,实现数据的管理和应用。使用组态软件做监测界面,使用数据库技术管理采集到的数据,搭建数学模型调控猪舍环境,控制方法通过软件编程实现。模型根据环境信息的输入产出对应的控制输出,控制系统设备的运行,调节猪舍环境。 2 监测系统硬件总体结构 硬件系统是整个生猪养殖环境监测系统的物理基础,以此为平台,可使得硬件系统在支撑生猪养殖环境监测的功能要求得以满足的同时,还需要将系统的精确度、无线传感网络的传输距离以及传输速度等重要指标实现无损、高效的传输。本文即是将图1所示的系统总体方案设计中的感知层、传输层、控制层的无线传感网络组网设备和环境监控设备划归入硬件系统中,这4层设备的作用主要是负责生猪养殖环境参数的监测、数据的传输、以及对执行机构的控制。硬件总体结构如图2所示。 2.1 环境监测感知设备 猪舍环境条件恶劣,粉尘多,相对湿度较高、硫化氢气等恶臭气体具有一定的腐烛性,传感器安装不当,还有可能被动物破块。因此猪舍环境监控系统传感器的选择除了要考虑量程、精度、价格和接口等几个常见的指标外,还要结合猪舍环境的特点,综合考虑传感器在相应环境条件下的耐久性和可靠性[3]。下面就几种不同类型传感器的选择作简要介绍。 温湿度传感器选择SHT11,属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列[4]。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上,输出完全标定的数字信号。该传感器响应迅速、抗干扰能力强、性价比高,具有较高的可靠性和长期的稳定性。 光照传感器选择光敏元件为ON9658光敏管,是一个光电集成传感器[3]。典型入射波长为520nm,内置双敏感元件接收器,可见光范围内高度敏感,输出电流随照度呈线性变化。 二氧化碳传感器选择的是蓝月科技制造的B-530[5]。?用的是红外NIRD检测原理,量程范围为0~5000ppm,精度/分辨率为10ppm,使用寿命可达10a以上。 氨气传感器选择的是美国RAE Systems公司制造的4NH3-100传感器[6]。量程范围为0~100ppm,分辨率为0.5 ppm,响应时间小于10min,灵敏度高,稳定性可靠。 2.2 无线数据传输设备 本文中对无线数据的传输主要采用了2种方式。近距离传输采用ZigBee拓扑网络结构,远距离的传输采用GPRS上传服务器。为此系统则具有免布线、运营维护简单的特点,并且特别需要一提的就是,还非常适合于对老旧生猪养殖场所实现二次改造[2]。 ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定[7]。 近地端数据传输过程选择的ZigBee模块是深圳隔壁科技生产的GB-SMA-10系列的无线传输模块。它的特点是底板结构清晰、扩展通道数量较多、网络自组织、数据传输透明、简单易用。 GPRS (General Packet Radio Service) 通用分组无线业务,是一种基于包的无线通讯服务。它将使得通讯速率从56一直上升到114Kbps,并且支持计算机和移动用户的持续连接。较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑电脑进行电视会议和多媒体页面以及类似的应用。GPRS是基于Global System for Mobile(GSM),并且能完成现有的一些服务,例如:蜂窝电话电路交换(circuit-switched)连接和短消息服务(SMS)。本文即是根据GPRS与移动客户端的连接将采集的几种参数通过资费流量的方式传送到远程数据库。 远程数据传输过程选择的GPRS模块是北京天同诚业科技有限公司生产的无线通信模块COMWAY WG-8010,该模块具有性能可靠、使用简单、兼容性好等特点。 2.3 系统控制执行设备 PLC(Programmable Logic Controller)可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。将逻辑控制设备应用于本系统中,主要是从它的高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活,易学易用、体积小、重量轻、以及因近几年技术的更新换代使得一些低端PLC的价格比较低廉的特点出发。实现了畜牧业生产与工业控制的一次完美结合。 该系统通过详细分析工艺过程的特点和控制要求。从以下几个方面对PLC进行选型:估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性,较高性价比。最后选择了S7-200CN系列的CPU 226 CN。 3 系统软件设计 系统软件设计主要包括ZigBee组网的程序设计、PLC逻辑控制梯形图的设计、GPRS驱动程序的设计及上位机监测软件设计。 3.1 ZigBee组网的程序设计 3.1.1 模块的组网方式 每个模块都有其自己的组网方式,有如下几种:广播、组播、点播。本设计主要以广播为主。一般在一个ZigBee网络中的n个CC2530 模块,有一个协调器(也就是俗话说的 zigbee 总节点),和n个终端模块(俗话说的就是子节点)。而协调器一般被设置为广播,就是协调器可以向其他 n 个所有终端模块发送数据。进一步解释就是协调器广播数据,其他 n 个终端都可以收到数据,并处理数据。而终端一般被设置为向协调器单播,就是所有的 n 个终端,都向协调器发送数据。协调器,终端组好网了,那下面就是如何发数据和接受数据了。 3.1.2 如何发送数据 在EnddeviceEB.c 中我们调用了无线发送数据函数 AF 函数。部分程序如下: AF_DataRequest( &GenericApp_DstAddr, &GenericApp_epDesc, GENERICAPP_wenshidu_CLUSTERID, 5,//这个参数为发送数据的长度 strTemp, //这个参数为发送数据的内容 &GenericApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) ; 3.1.3 如何接受数据并处理 协调器收到终端发送来的数据后,对数据进行处理。部分程序如下: static void GenericApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt ) { unsigned char str_uart[5]; switch ( pkt->clusterId ) { case GenericApp_wendu_CLUSTERID: str_uart[0] = 'w'; osal_memcpy(&str_uart [1],pkt->cmd.Data,3); HalUARTWrite(0, str_uart, 4); HalUARTWrite(0, "\n", 1); break; } } 3.2 PLC逻辑控制梯形图的设计 本文中PLC的作用是与主协调器进行通讯,将数据传送到PLC的存储映射区,最后通过RS485传送至上位机进行监控,同时命令也可以通过上位机回传给PLC并对其执行机构进行控制。由于梯形图与功能码在逻辑编程中的含义相同,此处将控制部分梯形图转化为功能码,程序如下: 3.3 GPRS驱动程序的设计 智能DTU内嵌了TCP/IP协议,提供了RS232/485接口,可以广泛应用于数据采集,工业监控,远程遥测等领域。因此对GPRS的驱动程序进行简单的编写就可以实现数据的发送和接收。GPRS通讯程序流程图如图3所示。 3.4 上位机监测软件设计 上位机系统管理软件,是必备的用于生产操作和监视的控制软件包,是整个控制系统的重要组成部分。文中应用了亚控科技的组态王kingview6.53,集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库(KingHistorian)的支持[8]。且具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。其主要功能为:对逻辑控制器PLC各控制站的状态信号进行监控:利用直观的动态画面来模拟控制对象的工作状态:可以通过计算机控制被控对象的启、停等工作状态,并可进行参数设置:可以进行各工作参数(温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等)的趋势曲线图显示或累计值显示及报表打印功能;可以进行操作归档,以保证操作的安全性;可进行故障报警与显示;参数的修改。实现操作人员对生产过的人工干预,如修改给定值、控制参数和报警限等。 4 结束语 基于ZigBee/GPRS技术以可编程逻辑控制器PLC为核心的生猪养殖远程实时监控系统,是可以实现无线数据采集、远程监控相结合的多参数环境监控的系统方案。该系统不仅为畜牧业生产与工业控制的结合开辟了新的思路,而且还非常适合于对老旧生猪养殖场所实现改造升级,应用领域广泛。 参考文献 [1]毕春光,刘欣伟等. 基于ZigBee和GPRS网络的兔舍无线温度监控系统的设计[J].湖北农业科学,2014(9): 4435. [2]高蕾. 基于ZigBee与GPRS的畜禽养殖环境监测.智能计算机与应用[J],2014(6): 2095-2163. [3]吴武豪,裘正军.基于物联网的猪舍环境监控系统的研究[D]. 浙江大学硕士论文,2014(3). [4]王武礼,杨华. 基于SHT11的粮仓温湿度测控系统的设计[J].仪表技术与传感器,2010(9):50-51. [5]杨鹏,史旺旺,刘松. 基于WSN的二氧化碳传感器节点设计与实现[J].工业控制计算机,2012,25(5):8-9. [6]鞠洪岩,付大光等. 湿度对聚苯胺氨气传感器性能影响的研究[J].高分子学报,2013(1):156-163. [7]刘玉梅,张长利,王树文等.基于ZigBee技术的水产养殖环境监测系统设计[J].自动化技术与应用,2011(3):50-53. [8]北京亚控科技发展有限公司.组态王6.53使用手册[M].北京:电子工业出版社,2007. 作者简介:梁天航(1990-),男,吉林长春人,吉林农业大学工程技术学院硕士研究生,研究方向:智能化检测与控制技术。