一種基于無線傳感器網絡的生豬養殖環境監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及物聯網、環境監測、生豬養殖領域，尤其涉及一種基于無線傳感器網絡的生豬養殖環境監測方法。
【背景技術】
[0002]在養豬業中，制約其生產的因素有兩個主要方面:遺傳和環境。遺傳決定豬只生長發育的潛在可能性，而環境因素則決定豬的這種遺傳潛力得以實現的程度。環境安全型豬舍建設的基本要求是豬舍能夠從空氣、飼料、飲水和糞便4個方面實現微生物總量的控制，并且能夠從空氣、溫度、濕度等幾個方面保障生豬的生活條件。豬舍內的溫度、濕度、有害氣體及空氣污染等環境因素直接影響豬的生長和繁育。
[0003]我國的傳統的生豬養殖模式是通過人工測量獲取所需數據，這種模式不僅耗時久、效率低而且需要大量的人力。無線傳感器網絡是實現規模化養殖的必要技術，可以實時高效并精確地獲取信息，規模化養殖對環境監控的需求也進一步促進了智能傳感器在網絡系統中應用。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種基于無線傳感器網絡的生豬養殖環境監測方法，通過設計并制作ZigBee無線模塊，采集多種氣體濃度及溫濕度等環境信息，設計網絡拓撲結構傳輸傳感器數據至數據中心，對生豬養殖場中的環境數據進行實時的監控及預警，保證生豬的生長環境，實現讓生豬健康成長的目標。
[0005]為解決上述技術問題，本發明的主要技術內容如下:
[0006]—種基于無線傳感器網絡的生豬養殖環境監測設備，包括終端采集節點、路由節點和協調器節點。終端傳感器節點連接了多種功能的傳感器，在加入網絡后啟動時鐘和中斷程序，定時啟動數據采集功能，并將數據上傳。路由節點負責監聽信道，時刻準備接收其他節點需要上傳的數據并進行轉發。協調器節點主要負責配置網絡參數、啟動網絡并維護網絡的正常工作、接收采集的數據并處理傳輸給上位機。其中終端傳感器節點可以連接溫濕度傳感器和氨氣濃度傳感器，對豬舍內環境信息進行監測。
[0007]—種基于無線傳感器網絡的生豬養殖環境監測方法，其特征在于，系統的終端節點各連接了不同的傳感器處理模塊，可分屬于不同的子系統，待數據采集后，又要統一經由主網絡中的路由器節點傳輸至協調器節點再連接至上位機，所以采用混合網絡拓撲結構。每個豬舍為一個子系統，每個子系統中包含若干個終端傳感器節點，采集溫濕度數據和氨氣濃度數據。各子系統采用星型網絡拓撲結構，各終端傳感器節點采集的數據統一匯集至各星型網的中心節點，即一個路由節點，再由這個路由節點將數據上傳至主網絡中的路由節點處。而主網絡采用mesh網絡拓撲結構，各路由節點存儲了可傳輸范圍內其他節點的路由表，當一條通路擁塞時，則選擇其他路徑進行傳輸，將采集的數據分散傳輸至協調器節點，盡可能避免造成網絡擁塞和數據包的丟失。附圖11為網絡拓撲結構圖。
[0008]本發明的優點
[0009]1.靈敏度高。通過優化設計傳感器，提高儀器監測靈敏度，能夠更好地滿足豬場環境參數靈敏度的需求。
[0010]2.成本低，維護方便。硬件設備通過自主研發，只需購買小型傳感器等元器件，成本低廉;同時一旦系統安裝成功之后可以根據系統的需求變化進行維護。
[0011]3.可靠性高，實時性好。包括系統穩定性、數據傳輸的可靠性;數據的傳輸時延小，能夠基本滿足實時性要求。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的無線模塊主控芯片圖
[0013]圖2為本發明的無線節點圖
[0014]圖3為本發明的主控模塊電路設計圖
[0015]圖4為本發明的電源模塊電路設計圖
[0016]圖5為本發明的RS232模塊電路設計圖
[0017]圖6為本發明的Flash模塊電路設計圖
[0018]圖7為本發明的時鐘模塊電路設計圖
[0019]圖8為本發明的溫濕度傳感器模塊電路設計圖
[0020]圖9為本發明的氨氣傳感器實物圖
[0021]圖10為本發明的氨氣傳感器模塊電路設計圖
[0022]圖11為本發明的網絡拓撲結構圖
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0024]—種基于無線傳感器網絡的生豬養殖環境監測設備，包括終端采集節點、路由節點和協調器節點。附圖1為本發明選用的ZigBee無線節點的主控芯片，三種節點都是在主控芯片的控制下完成各自不同的任務。該芯片是意法半導體(ST)公司于2009年底推出的STM32W系列無線射頻WSN/ZigBee單片機STM32W108。它在保持低功耗的基礎上，采用了 32位ARM Cortex-M3內核，具有更強大的處理能力；內部帶有功率放大器(PA)，發射輸出功率可達+ 7dBm，無需外部功放就可以獲得較大的通信距離；芯片的不同版本分別固化了802.15.4MAC、ZigBee、RF4CE等協議棧，無需理解、開發網絡協議，就可以進行產品開發。
[0025]附圖2為本發明的無線節點圖，上述三種不同功能的節點對應的硬件模塊是相同的，僅終端傳感器節點需在圖2的基礎上連接各種功能不同的傳感器，但三者個本質區別是在軟件層面所體現。無線節點主要包括以下各個功能的模塊:
[0026]1.ZigBee主控模塊。主控模塊連接了其他各個功能模塊，節點上電后，主控模塊啟動，調用已存儲的指令，操作各模塊完成各自的功能。附圖3為主控模塊電路設計圖。
[0027]2.電源管理模塊。在基于ZigBee的網絡節點中，各模塊需要的電壓為3.3V。由于節點設備都部署在豬舍內部，容易得到220V的交流電壓，加之節點設備必須具備較好的防潮防水性和長期運行的穩定性，所以采用220V的交流供電方式將優于電池供電方式。具體的供電方案是通過電源適配器將220V交流電壓轉換為5V的直流電壓，再將5V的直流電壓轉換為3.SVt3ZigBee模塊設計了usb供電和外部DC5 — 9V兩種供電方式，并設有電源開關。附圖4即為電源模塊電路設計圖。
[0028]3.RS232串口模塊。ZigBee模塊設計了一路RS232接口(DB9連接器)，無線模塊的USART通過SP3223芯片連接到J2，J2端口的信號是標準RS232電平。硬件設備可以通過RS232串口模塊與計算機的串口相連直接傳輸數據，也可以通過串口連接其他的硬件設備。附圖5即為RS232模塊電路設計圖。
[0029]4.Flash模塊。ZigBee模塊設計了 IM串行FLASH芯片，芯片型號為M25P10—A，用于進行數據記錄、存儲。附圖6即為Flash模塊電路設計圖。
[0030]5.時鐘模塊。采用PCF8563作為系統的時鐘芯片，PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業級內含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片，PCF8563的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能、以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時服務。
[0031]PCF8563的地址和數據通過I2C總線接口串行傳遞，處理器模塊作為I2C的主機有SDA和SCL線，SDA是雙向的數據口，SCL為同步時鐘