远程养殖场智能监控系统设计与实现.docx
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远程养殖场智能监控系统设计与实现
远程养殖场智能监控系统设计与实现
摘要：
本设计主要完成的工作及内容，首先是采用温湿度传感器、气体传感器、光照强度传感器成功实现了对养殖场内各项指标的采集，在调试及误差分析阶段符合当前智能农业生产中的调价和要求。
其次是采用最新的物联网芯片模组（ESP8266） 设计了基于Android智能终端采集系统，在此系统中成功实现了对应用层的开发，并采用WiFi成功实现了网络的对接，将传感器数据打包上传，并可以实时监测传感器数据，还可成功实现对灯光、排风、喷洒等设备的控制。
在软件方面可以实现智能养殖场远程监控系统控制界面，此界面不仅可以实现了在电脑PC端的在线监控，还可以实现了在手机APP客户端的远程移动监控。
关键词：
整体方案、硬件设计、软件设计、系统构架与测试
一、系统的整体思路和设计方案
随着科技的发展和物联网技术的发展，社会对无线接入技术应用的需求日益增大，这很大的推动了无线通信技术向着微型化、智能化、实时性发展。
然而，智能养殖业这一领域我国起步晚，相关无线通信技术还不完善。
传统的智能养殖成本高，损耗大。
相比于传统智能养殖，本设计有如下特色：
①对数据的吞吐量速率传输要求低，功率消耗比传统的智能化所耗的功率低；
②简单方便，可以随意增加或衰减各种传感器，可在个人活动空间内布置大量的无线接入点；
③元器件价格低廉，适合批量生产，成本低；
④能够设计以下功能的设备：
保持最小的话务通信链路和无线收发信机的低复杂度；低功耗、低价格、低通信标准、低带宽和低数据传输速率。
下面框图将展示总体方案：
本系统由三部分组成：
数据采集端、网络服务端和客户监控端。
采集端：
通过温度传感器、气体传感器和湿度传感器等一系列相关传感器来采集各种参数；
服务器端：
ZigBee终端节点与ZigBee协调器构成ZigBee网络，通过无线通信技术进行数据的上传、接收和发送；
客户端：
客户端分为两部分：
一为上位机监控软件，协调器通过串口与上位机进行通信，包括数据的接收与转发；二是通过ESP8266构成的无线网络与Andriod客户端软件进行通信，可通过Andriod客户端对养殖场进行远程的监控与控制。
系统的关键技术为：
①ZigBee无线传感器网络；②WiFi模块传输；③上位机软件技术；
④Android手机客户端软件技术。
二、硬件设计
基于ZigBee的远程养殖场监控系统的硬件部分主要可以实现三个功能:
组网、数据的采集和数据的传输。
系统功能和需求:
①ZigBee通信网络中的一个协调器节点和各个终端节点采用星形拓扑网络结构来进行接收和发送数据；
②协调器节点通过串口通信来接收上位机的调控命令，并可以将命令通过ZigBee网络发送给相应的终端节点；
③终端节点加入ZigBee网络，利用各种传感器并采集相应的数据，并将数据通过网络传递给协调器节点，也可接受来自于上位机传递给协调器，协调器再将其传递给终端节点，并执行相应的调控动作。
监控系统的硬件框图，如图所示：
（1）主控模块（CC2530）
养殖场监控系统中ZigBee芯片的MCU是TI公司生产的CC2530芯片。
CC2530芯片是目前市场上最常用、最有效的ZigBee片上系统，在CC2430和CC2431的基础上开发，具有CC2430和CC2431的一系列优点。
它是一个射频芯片，完全兼容8051内核，支持IEEE802.15.4协议。
CC2530芯片上集成了各种处理器，如ZigBee射频前端、内存和微控制器。
它接受灵敏度高，抗干扰性能强。
CC2530芯片的电流消耗和封装尺寸都特别小，使用方便，它主要实现对传感器采集的数据进行处理，并将数据通过无线发送出去，这样就节约了ZigBee无线传感网络中的成本，且性能良好、稳定。
CC2530芯片的电流损耗为29毫安；在接收模式下，电流损耗低于24毫安；在发射模式下，电流损耗小于29毫安。
CC2530的待机模式和过渡到主动模式较短，能够满足低能耗、快速灵活的要求。
此外，CC2530芯片还支持JTAG硬件调试，可以直接使用JTAG仿真器对芯片进行调试。
（2）电源模块
电源模块为节点正常运转提供电量的支持。
ZigBee网络中的协调器节点需要不闻断工作，采用USB固定电源供电，USB供电为5V，而终端节点通常布置在养殖场内的各个区域，则采用5V电池供电。
ZigBee模块工作电压为5.0V，12.0V/5.0VDC的电源电路。
（3）传感器模块
养殖场监控系统主要监控相关参数有空气温湿度、有害气体浓度、光照强度等。
采集这些数据的传感器插在每个终端节点上，用来采集养殖场内各个区域的环境情况。
①温湿度传感器（DHT11）：
DHT11作为一种温湿度复合传感器，它能够输出经过修正之后的数字信号。
得益于它独特的数字部分收集能力和对于温湿度的感受并能把感受到的信息转换成电信号或者其他形式的信息输出的能力，包含它的产品都有一些优势。
你譬如说，这样的产品具有一定的可靠性，对信息的处理响应快，信号的传输距离也较长，成本也不高，不容易被外界因素干扰，输出的信号相对正确等。
这个传感器包含电容式传感器与NTC测温元件两部分，之后再和8位单片机相连。
②气体传感器（MQ-2）：
MQ-2气体传感器中选择了氧化锡（SnO2）来作为检测气体的材料。
这是因为氧化锡在洁净的空气中电导率低，但是一旦MQ-2被放置在含有遇到火源会发生爆炸的可燃气体时，它的电导率就会和可燃气体的浓度成正比。
因此，我们可以利用这一特性，在电路的支持下，把电导率的变化与气体浓度的变化想联系。
值得一提的是，这个传感器除了能够用来监测有害气体，譬如液化气、丙烷之外，更能够用来监测可燃的气体，比如天然气。
AO端子输出：
0.1-0.3V，低电压，几乎无污染。
最大浓度电压约为4V。
电传感器，一般需要预热约20秒，所以测量数据稳定，因为其内部的加热丝，所以热属于正常现象，但如果传感器是发烫，则不正常。
③光敏传感器：
光敏电阻器是一种特殊的电阻器，它是由半导体材料如硫化物或硒化物制成的，它是基于内光电效应的原理。
随着光强的逐渐增大，电阻值迅速减小。
在没有光的情况下，暗电阻很大，电阻几乎是高阻状态。
光敏电阻模块用于检测环境光的亮度，采用宽电压LM393比较器放大电流，信号干净，波形良好，驱动能力强，电流超过15mA。
且配置了可调电位器用来调节检测对比的光线亮度。
并且模块设有固定螺栓孔M3，方便用户安装。
（4）串口通信模块
串行通信是指数据一位一位地顺序传送，上位机监控中心通过USB数据线与ZigBee无线传感网络中的协调器连接，进行串口通信。
所收集的农场的参数值由协调器节点转发到上位计算机监控软件。
上位机监控软件通过协调器节点将命令转发给终端节点，控制设备。
协调器和上位机监控软件通过串口进行通信。
本文采用USB转串口的FT232芯片进行信号电平匹配来实现协调器节点和上位机之间通信。
CC2530有两个串行通信接口，USARTO.USATARI，通常采用异步UART模式。
上位计算机监控软件向协调器发送命令，是以串行方式将数据依次传输给FT232模块，数据经过FT232芯片的逻辑电路后，通过运算处理变为有效数据，再传递给协调器。
这样协调器就可以将有效的命令发送给终端节点来调控相关设备，同样的，协调器节点向上位机监控软件发送数据时，也需要经过FT232芯片，将相关数据转换为可以被USB串口接收类型的有用数据。
CC2530通过UART模块来实现两个功能，分别是将采集到的养殖场的参数数据发送给上位机监控软件和接收来自上位机监控软件的控制设备命令。
同时上位机监控软件接收来自协调器节点上传的养殖场的参数值，并将上传的数据与目标数据进行匹配,匹配不成功则向USB端口自动发送调控设备命令。
（5）ESP2866模块（Wi-Fi模块）
物联网中，存在一个关键的问题是各种普通的Andriod平台如何接入网络之中。
Wi-Fi是一种可以将个人计算机和手持设备（如手机和平板电脑）以无线方式连接起来的技术。
满足设计要求，简单有效，可靠方便。
ESP8266模块是一种应用广泛、体积小、功耗低、引脚丰富的WiFi芯片。
可扩展功能非常强大，支持无线802.11B/G/N三标准，支持STA/AP/STA+AP三工作模式，同时支持TCP/IP协议栈和多路径TCP客户端连接，以及AT命令内置富插座，还支持UART/GPIO数据COM通讯接口，适用于电池供电的应用，简单方便。
三、软件设计
系统的ZigBee网络由ZigBee技术组成，主要包括终端节点和协调器。
ZigBee节点通过ZigBee网络收集各种相关数据，并将它们发送给ZigBee协调器，而协调器通过串行通信将数据传送到上位计算机监控软件。
同时，ESP8266芯片构成WiFi，产生局域网，Android平台监测连入，WiFi实现数据的上传、接收和发送。
（一）CC2530编程软件开发
嵌入式IAREmbeddedWorkbenchIDE提供了各种开发工具的框架，可以完全嵌入，包括高度优化的IARAVRC／C++编译器；AVRIAR汇编；一般IARXLink链接；IARXAR图书馆建设者和IARXlib馆员；项目经理；TMIARC-S此外，大量的8位、16位和32位微处理器和微控制器适用于IAR，用户在开发新项目时可以在熟悉的开发环境中执行。
此开发环境用户易于学习并具有最广泛的代码继承能力。
嵌入式嵌入式工作台可以有效地提高用户的工作效率。
通过IAR工具，大大节省了工作时间。
（二）上位机监测软件的开发与设计
上位机监测软件主要包括数据曲线显示模块和控制显示模块:
（1）数据曲线显示模块：
主要显示由终端节点采集的养殖场参数值。
，还添加了曲线显示温湿度，方便用户查看参数值变化趋势；当养殖场内存在着可燃、有害气体和强烈光照的时时候，上位机监控界面会发出警告提醒，用户可以进行相应的调控，以降低用户的损失，达到利润最大化。
（2）控制显示模块，主要是用来发送命令给节点，驱动相应的设备来控制风扇通风、照明设备和加温设备等;，上位机监测软件可以直观的了解所测得参数，如果不合适可人为调节，通过控制相关设备来调节养殖场的各种参数。
（三）上位机软件开发环境
上位机监测软件的用户页面采用C#软件来实现。
（1）解压C#安装包;
（2）双击setup.exe，安装C#开发环境。
打开上位机监测软件，显示监测界面，在界面上点击打开串口按钮，如果协调器已与PC连接,系统会自动识别协调器串的口号并显示在框里，点击自动刷新。
此时会监测上位机是否有数据发送过来，若有则接收数据，并在界面显示区域将数据显示出来,温湿度上也会有相应变换，同时曲线也会显示出数据变化趋势;同时，当养殖场里面气体异常时，上位机监控软件界面会进行报警;并且用户可以通过上位机监控软件直观观察参数，若不合理，可手动调节装备进行调节。
（四）Android平台监测开发与设计
本系统的Android客户端分为三个模块:
监控模块、控制模块与通信模块：
（1）监控模块：
主要是用来显示养殖场环境参数值，主要有温湿度数据、光照强度数据、有害气体浓度数据。
然后移动平台将接收的数据进行显示，用户可通过相关手机客户端连入WiFi网络中来随时随地的查看养殖场的情况。
（2）控制模块主要用于控制相关节点，控制通风设备、照明设备、加热设备等。
用户可以根据手机客户端所显示的数据对相关设备进行控制，使养殖场的各种环境参数达到动物生长的最佳值，减少损失，增加利润。
客户端可直观的了解养殖场ZigBee节点实时传来的数据，若不合理，可手动调节装备进行调节。
（3）通信模块主要是接受WiFi网络传送过来的养殖场内环境参数值和发送控制设备命令给节点终端。
整体结构图如图所示：
（五）Android移动终端的开发步骤
Android移动终端使用Eclipse进行开发，开发步骤如下:
（1）安装Eclipse软件；
（2）安装并更新AndroidSDK；
（3）为Eclipse安装ADT插件；
Android客户端软件部分的客户端，采用的是C/S架构,连入ESP8266芯片组成的WiFi无线网络中进行通信，上传和收发各种数据，实现系统功能。
用户需要先在手机或者平板电脑上安装Android客户端监控软件，然后打开软件进行注册登录。
用户登陆成功后，需要输入配置WiFi网络的IP地址，然后用户输入服务器的IP地址,请求连接到网络，连接网络成功后，手机或平板界面会显示“连接成功”的提示，这时监控界面就会显示出养殖场各个终端节点所采集的相关数据。
四、系统架构与测试
根据前面内容的详细叙述和设计实现，系统功能已基本完成。
接下来将进行养殖场监控系统功能测试,系统功能测试包括硬件测试：
ZigBee无线网络的测试和软件测试：
上位机监测软件的测试和Android移动平台客户端的测试。
在系统调试过程中，将ZigBee无线传感网络组建并进行工作，并将协调器节点与上位机连接，通过上位机检测界面实时显示数据，Android客户端连入ESP8266构成的WiFi模块，无线通信实时的接收和上传数据,最终来测试整个系统的性能。
（一）硬件测试
ZigBee无线网络终端节点和协调器节点之间采用星形拓扑结构，本作品硬件组成包括一个协调器节点和四个数据采集节点，汇聚数据十分方便。
如图所示，左边的是四个终端节点，终端节点负责采集数据和控制设备，在采集到温湿度、光照、气体等数据之后，对数据进行相关处理，然后处理好的有效数据通过ZigBee无线传感网络传输至协调器节点，也可以接受命令控来制设备相关设备以调节养殖场环境；右边的节点是协调器节点，主要负责组建网络、接收数据/命令、发送数据/命令，将所有数据通过串口通信传输至上位机监控软件。
测试目的：
①ZigBee协调器和ZigBee节点组建无线通信网络是否成功；
②ZigBee节点数据是否传给ZigBee协调器；
③通过串口通信技术，ZigBee协调器是否能成功的把数据上传给上位机，并且接受来自上位机的调控命令；
测试步骤：
①搭建好系统测试环境；
②用USB线将协调器节点和PC上位机所连接起来；
③打开协调器节点，给协调器节点先上电，电脑会自动识别串口号；
④将温湿度传感器、气体传感器、光敏传感器、继电器等嵌入终端节点上，并给终端节点上电，预热数秒，使其正常工作；
⑤安装串口助手，打开协调器串口，设置波特率为38400，进行通信；
期望结果：
当协调器节点上电后，LED3常亮，并与串口助手进行通信；当终端节点上电后，LEDI灯有规律的闪烁，当节点连入ZigBee网络成功之后，LED3灯常亮，LEDI灯熄灭；
测试结果：
经过有效的测试，终端节点成功连入网络，且可采集各种相关数据，并发送给协调器节点，协调器节点之间互相组建网络成功，并可与终端节点进行通信，硬件系统可运行正常。
2.软件测试
（1）上位机软件测试
上位机监测软件主要利用串口通信与协调器进行数据接收和发送，即通过串口与协调器节点进行通信。
上位机软件可以显示协调器上传过来的数据，也可以通过调节设备来调节环境达到动物生长所需要的最佳环境，当温室内有可燃气体、光照不匹配时，上位机界面会曲线显示数据，用户可通过控制上位机相关界面按钮来手动调节节点设备来改变养殖场环境参数，使其达到最优化。
测试目的：
①测试上位机与协调器节点之间的串口通信是否成功；
②测试上位机监控软件是否可正确显示数据以及自动控制设备功能；
测试步骤：
①搭建系统软件测试环境；
②在上位机监测软件界面，打开串口按钮，点击自动刷新；
预期结果：
①上位机监测软件安装的成功；
②上位机监控软件可显示数据，正确显示；
③当温室内有可燃气体、光照不匹配时，上位机界面会曲线显示数据，用户可通过控制上位机手动调节节点设备；
测试结果：
得到上位机数据、温湿度显示曲线。
（2）Android移动平台软件测试
测试目的：
①测试用户登录；
②测试客户端是否能成功连接到WiFi网络之中；
③测试客户端是否能正确显示数据并且能发出命令控制终端节点；
④测试当气体、光照异常时，客户端监控界面是否有提示功能；
测试步骤：
①搭建好系统软件测试环境；
②将Android客户端软件安装到手机上，登录进入系统主界面；
③手机连接到网络，实时查看各个节点所上传的数据，并自动控制相关节点设备；
期望结果：
①用户登录成功；
②在监控界面，输入IP，用户成功连入网络，提示显示“连接成功”，并可实时查看数据，系统自动控制设备；
测试结果：
手机输入IP地址，手机用户成功连入WiFi网络之中，数据上传成功，界面成功显示，用户可以实时查看相关数据。
（三）测试数据展示和分析
当系统搭建完成，并调试成功时，将节点分布在不同的检测地点，温度空间均衡在25°C，湿度46%，终端节点1、2设置气体安全，光照强度不合适；终端节点3设置为气体不安全，光照合适；终端节点4设置为气体，光照都安全，通过上位机监测软件界面和Android移动平台监测软件记录数据。
当四个节点放置在四个不同的空间里时：
空间1放置终端节点1，且温度设置38°C，湿度设置为32%，光照正常，气体不正常；空间2放置终端节点2，且温度设置43°C，湿度设置为68%，光照不正常，气体正常；空间3放置终端节点3，且温度设置52°C，湿度设置为72%，光照正常，气体正常；空间4放置终端节点4，且温度设置38°C，湿度设置为32%，光照不正常，气体不正常；上通过位机监测软件界面和Android移动平台监测软件记录数据。
综上所述，该系统实现了预期的成功，设计成功。
作品实现了如下功能：
①上位机和协调器通过USB线串口连接，并将数据发送给上位机监控软件，上位机进行相关数据的显示，用户可以根据显示数据进行有效的监控和调节；
②ESP8266构成Wi-Fi通信模块，构成网络实现正常的联网与数据转发，Android平台的客户端连入局域网，手机远程实时接收并显示各养殖环境参数；
③整个系统实现了无线化，并且可以随时的加入各样的传感器，使它们与之前的传感器相互兼容，以适应各种不同的养殖环境用户的监测需求。
五、总结
智能养殖发展被各国政府看成是未来农业生产力提高的关键所在，物联网产业与现代农业的结合，促进了这一产业的迅猛提速，尤其是国家物联网产业规划刚要的提出，更加明确了现代农业、养殖业的发展方向。
虽然智能农业远程监控系统在国内外的技术中都有所突破，但让其真正符合现代智慧农业、养殖业的发展要求还相差一定的距离。
本设计的基于ZigBee的远程养殖场的实现，采用了专业的物联网开放平台，并结合当前市场上最流行的物联网芯片，极大的简化了物联网农业方案的复杂度。
一定程度上大大的缩短了开发周期，降低了开发成本。
采用了智能硬件终端+ZigBee网络+远程移动监控的精简模式，是未来物联网农业解决方案的重要选择。
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