无线传感器的牛舍环境监控系统
我国是一个农业大国，牛的养殖的规模也随着社会发展的需求变得越来越大，完全依靠人工的传统牛养殖方法已经不能再满足社会需求，也为社会带来了牛肉价格不稳定和食物不安全等不必要的麻烦。所以面对我国牛规模化养殖业现在面临的问题，本文设计了一种基于无线传感器的的牛舍环境监控系统。本系统的组成部分包括前端和后端两部分，前端部分由STC89C51单片机、各传感器模块和ZigBee DL-20模块组成，后端由单片机STC89C51、ZigBee DL-20模块和系统显示器LCD12864组成。其中STC89C51在整个系统中作为主控单片机，控制传感器和LCD12864液晶显示屏；各传感器负责牛舍内环境参数的采集；DL-20模块主要负责数据的无线传输和接收。同时当牛舍内温度过高时，系统能自动打开降温设备；二氧化碳浓度过高时系统能自动打开通风设备；相对湿度过高时系统能自动打开除湿设备,以达到对我国牛规模化养殖业的牛舍环境的改善。关键词 牛舍环境，监控系统，ZigBee，STC89C51
目 录
1引言 1
1.1研究的背景和意义 1
1.2国内外研究概况 1
1.3课题研究的主要内容 3
2 ZigBee无线传感器网络技术 3
2.1常用的无线通信技术 4
2.2 ZigBee技术 6
2.3 ZigBee的协议规范 7
2.4 ZigBee的网络结构 9
2.5本章小结 13
3 牛舍环境监控系统的总体方案设计 13
3.1牛舍环境监测参数体系的设定 14
3.2牛舍环境监测原理 15
3.3系统的硬件结构 16
3.4本章小结 20
4牛舍环境监控系统的软件设计 20
4.1系统的软件结构设计 21
4.2监控终端的软件设计 21
4.3网络协调器节点软件设计 22
4.4传感器节点的软件设计 23
4.5主控单片机的软件设计 25
4.6数据采集模块的软件设计 26
4.7本章小结 28
5系统的测试与运行 28
5 .1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
系统的软件调试 28
5 .2 ZigBee模块的通信测试 29
5 .3系统的数据测试 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
附录1 37
附录2 38
1 引言
1.1 研究的背景和意义
随着社会的不断进步，人们的生活状况得到不断的改善，人们对食物健康的要求也随之提高。所以人们对牛肉，牛奶及与牛相关制品的需求不断增加，带动了牛养殖业迅速发展，可是传统的牛养殖技术的生产低下，导致了牛奶、牛肉及相关牛制品的供不应求。中国农业研究协会通过研究发现，在牛的养殖过程中，良好的牛舍环境会对牛的生殖发育、疾病控制、性技能调节等方面具有很重要的作用。
在我国，虽然早期在一部在分城市也展开了大规模的集成化养殖建设，先后建造了许多的集成化牛舍，但是对牛舍的环境监控方面还是没有进步成果，现实中绝大部分的牛养殖场还是通过人工观察的方式对牛舍小环境的数据进行采集，采集到的数据的准确性，全面性，数据量方面都达不能满足现代化智能养殖的要求。在这种模式下，运用人工调控的方式是很难改善牛舍环境，并且这样管理的成本较高。
本课题查阅了我国许多地区智能化牛养殖场的相关资料，发现这些智能化的牛养殖场所在使用环境调控系统设备基本上是相同的，其区别主要表现在智能化养殖引用了计算机技术，让牛舍的监控变得更加的智能化[1]。但是在对现有的牛养殖的环境进行智能化监控系统改造过程中，是不可避免地要进行布线操作，并且集成化的养殖场都是占地面积比较大，这导致了对集成化的智能化牛养殖场的布线成本非常高。因此为了减少牛养殖业业主们过多的成本投入和降低系统复杂的布线难度，本系统设计了利用ZigBee无线传感器网络技术对牛舍的环境参数进行监控。
1.2 国内外研究概况
解决集成化牛养殖产业的生产量和肉质提高是现代化牛养殖业面临的一个重要的问题。牛舍内小环境的环境因子除了受到自然的气候的影响之外，还要受到以下几种因素的影响：牛舍的结构、牛的品种、牛的年龄层次、牛舍的生产条件以及牛的饲养密度等。但是根据研究表明牛舍内的温度、湿度以及有害气体浓度等环境因素对牛的生产力可以造成10%~30%的波动。此外，这些因素对牛的生理机能、健康情况和育肥都有着密切的影响。
从二十世纪七十年代开始，为了达到集成化牛养殖的大规模化生产发展的需求，以及为了满足牛舍环境监测控制设备的大量需求，荷兰、美国和日本等国家首先开始了对牛舍环境监控系统的自主研究。到了二十世纪七十年代末的时候，科学家们研发了利用微型计算来对温室环境进行控制的温室综合环境控制系统，该系统是由日本东京大学自主研发的，他们把微型计算机的领先技术作为核心处理器，可以达到对温室环境内的多个环境参数进行检测控制[2]。另外，以色列环境控制仪也是一个具有时代代表性并且具有较强的实用性的典型产品，该产品的系统是分别选用了不同的控制器和硬件设备对各不相同的待检测因子进行数据监测和数据管理[2]；再如，美国的在以牛舍环境监测控制为研究对象的专家对牛舍内的空气质量的参数就行对比和研究发现，牛舍内二氧化碳浓度对牛的生产、繁育、健康等方面都有着显著的影响，经过专家们对影响其浓度的各个因素的研究，最终提出了使用数学建模的方式来搭建其排量的数学模型[3]。随着科学技术不断向前的发展，欧洲等发达国家对牛舍内的环境也进行了更深入的研究，同时伴随传感器技术和通信技术的迅速发展，国外对牛舍环境的监测研究可分为三种不同的模式：第一种模式，污染严重的监测模式，这个阶段主要是运用化学和物理的方法去治理典型污染源；第二种模式，污染源监测模式，这个阶段为一种长久性的监测模式，例如牛舍内的硫化氢是一种最为普遍的有害气体，美国的某机构采用了高频检测系统对牛舍内的硫化氢气体和牛的生长发育情况做了长时间的检测，从而得出两者之间的关系，并且在这个过程中，还利用了网络技术进行远程监控和对牛舍内的环境参数因子进行数据采集[4]；第三种模式，环境参数因子的应急监测模式，随着自动化技术的不断革新发展，该技术也被运用在了牛舍环境监测系统中，而且获得了非常良好的效果，同时该技术还为牛舍环境监测便携式检测仪发明创造提供了良好到的技术支持，到目前，欧洲大多先进国家已经开始采用便携式仪器对牛舍内影响牛生长、发育、繁殖的有害气体进行全面的监测，例如氨气、硫化氢、一氧化碳等有害气体已经成为了便携式检测仪的主要监测对象[4]。
当今，我国对牛的养殖环境的监测还滞留在传统的方法中，还是在利用物理和化学方法对牛舍内的环境采取人工判断的方式，这其中最最主要的原因还是因为于资金的匮乏、监测的方式还是依赖人工操作，这导致生产效率的大大较低，并且还不利于系统的调控和管理，这导致了牛养殖的产量与质量十分低下，导致了现代生活对牛肉、牛奶及牛的相关制品的严重短缺。因此，优化牛舍的管理方法、提高牛舍环境监测的准确性和智能性，是使牛养殖 关系研究课题受到了许多科研人员的关注，例如张宇针对纵向负压通风鸡舍安装湿帘的研究，当畜禽舍内温度过高时，系统可以自动打开湿帘，从而达到降温的作用[5]；再如刘平等研究了一种局部环境射流控制喷雾蒸发降温系统，该系统采用送风管将畜禽舍外新鲜空气向畜禽舍定位输送，利用安装在送风管的气流喷孔将空气喷射到控制区域[5]。上述两种研究对畜禽舍环境监控方面都做出了杰出的贡献，为畜禽舍内的环境做到智能的调控，大大地提高了畜禽的生产率。然而，以上两项研究都不曾考虑到畜禽舍内各个环境参数之间互相的间接影响。现今，无线传感器网络技术的应用领域已经从我国的军事领域发展到了民用领域诸如航海、医学、现代制造业等行业。综上所述，整体考虑以上背景之后，本文设计了基于无线传感器的牛舍环境监测系统。
目 录
1引言 1
1.1研究的背景和意义 1
1.2国内外研究概况 1
1.3课题研究的主要内容 3
2 ZigBee无线传感器网络技术 3
2.1常用的无线通信技术 4
2.2 ZigBee技术 6
2.3 ZigBee的协议规范 7
2.4 ZigBee的网络结构 9
2.5本章小结 13
3 牛舍环境监控系统的总体方案设计 13
3.1牛舍环境监测参数体系的设定 14
3.2牛舍环境监测原理 15
3.3系统的硬件结构 16
3.4本章小结 20
4牛舍环境监控系统的软件设计 20
4.1系统的软件结构设计 21
4.2监控终端的软件设计 21
4.3网络协调器节点软件设计 22
4.4传感器节点的软件设计 23
4.5主控单片机的软件设计 25
4.6数据采集模块的软件设计 26
4.7本章小结 28
5系统的测试与运行 28
5 .1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
系统的软件调试 28
5 .2 ZigBee模块的通信测试 29
5 .3系统的数据测试 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
附录1 37
附录2 38
1 引言
1.1 研究的背景和意义
随着社会的不断进步，人们的生活状况得到不断的改善，人们对食物健康的要求也随之提高。所以人们对牛肉，牛奶及与牛相关制品的需求不断增加，带动了牛养殖业迅速发展，可是传统的牛养殖技术的生产低下，导致了牛奶、牛肉及相关牛制品的供不应求。中国农业研究协会通过研究发现，在牛的养殖过程中，良好的牛舍环境会对牛的生殖发育、疾病控制、性技能调节等方面具有很重要的作用。
在我国，虽然早期在一部在分城市也展开了大规模的集成化养殖建设，先后建造了许多的集成化牛舍，但是对牛舍的环境监控方面还是没有进步成果，现实中绝大部分的牛养殖场还是通过人工观察的方式对牛舍小环境的数据进行采集，采集到的数据的准确性，全面性，数据量方面都达不能满足现代化智能养殖的要求。在这种模式下，运用人工调控的方式是很难改善牛舍环境，并且这样管理的成本较高。
本课题查阅了我国许多地区智能化牛养殖场的相关资料，发现这些智能化的牛养殖场所在使用环境调控系统设备基本上是相同的，其区别主要表现在智能化养殖引用了计算机技术，让牛舍的监控变得更加的智能化[1]。但是在对现有的牛养殖的环境进行智能化监控系统改造过程中，是不可避免地要进行布线操作，并且集成化的养殖场都是占地面积比较大，这导致了对集成化的智能化牛养殖场的布线成本非常高。因此为了减少牛养殖业业主们过多的成本投入和降低系统复杂的布线难度，本系统设计了利用ZigBee无线传感器网络技术对牛舍的环境参数进行监控。
1.2 国内外研究概况
解决集成化牛养殖产业的生产量和肉质提高是现代化牛养殖业面临的一个重要的问题。牛舍内小环境的环境因子除了受到自然的气候的影响之外，还要受到以下几种因素的影响：牛舍的结构、牛的品种、牛的年龄层次、牛舍的生产条件以及牛的饲养密度等。但是根据研究表明牛舍内的温度、湿度以及有害气体浓度等环境因素对牛的生产力可以造成10%~30%的波动。此外，这些因素对牛的生理机能、健康情况和育肥都有着密切的影响。
从二十世纪七十年代开始，为了达到集成化牛养殖的大规模化生产发展的需求，以及为了满足牛舍环境监测控制设备的大量需求，荷兰、美国和日本等国家首先开始了对牛舍环境监控系统的自主研究。到了二十世纪七十年代末的时候，科学家们研发了利用微型计算来对温室环境进行控制的温室综合环境控制系统，该系统是由日本东京大学自主研发的，他们把微型计算机的领先技术作为核心处理器，可以达到对温室环境内的多个环境参数进行检测控制[2]。另外，以色列环境控制仪也是一个具有时代代表性并且具有较强的实用性的典型产品，该产品的系统是分别选用了不同的控制器和硬件设备对各不相同的待检测因子进行数据监测和数据管理[2]；再如，美国的在以牛舍环境监测控制为研究对象的专家对牛舍内的空气质量的参数就行对比和研究发现，牛舍内二氧化碳浓度对牛的生产、繁育、健康等方面都有着显著的影响，经过专家们对影响其浓度的各个因素的研究，最终提出了使用数学建模的方式来搭建其排量的数学模型[3]。随着科学技术不断向前的发展，欧洲等发达国家对牛舍内的环境也进行了更深入的研究，同时伴随传感器技术和通信技术的迅速发展，国外对牛舍环境的监测研究可分为三种不同的模式：第一种模式，污染严重的监测模式，这个阶段主要是运用化学和物理的方法去治理典型污染源；第二种模式，污染源监测模式，这个阶段为一种长久性的监测模式，例如牛舍内的硫化氢是一种最为普遍的有害气体，美国的某机构采用了高频检测系统对牛舍内的硫化氢气体和牛的生长发育情况做了长时间的检测，从而得出两者之间的关系，并且在这个过程中，还利用了网络技术进行远程监控和对牛舍内的环境参数因子进行数据采集[4]；第三种模式，环境参数因子的应急监测模式，随着自动化技术的不断革新发展，该技术也被运用在了牛舍环境监测系统中，而且获得了非常良好的效果，同时该技术还为牛舍环境监测便携式检测仪发明创造提供了良好到的技术支持，到目前，欧洲大多先进国家已经开始采用便携式仪器对牛舍内影响牛生长、发育、繁殖的有害气体进行全面的监测，例如氨气、硫化氢、一氧化碳等有害气体已经成为了便携式检测仪的主要监测对象[4]。
当今，我国对牛的养殖环境的监测还滞留在传统的方法中，还是在利用物理和化学方法对牛舍内的环境采取人工判断的方式，这其中最最主要的原因还是因为于资金的匮乏、监测的方式还是依赖人工操作，这导致生产效率的大大较低，并且还不利于系统的调控和管理，这导致了牛养殖的产量与质量十分低下，导致了现代生活对牛肉、牛奶及牛的相关制品的严重短缺。因此，优化牛舍的管理方法、提高牛舍环境监测的准确性和智能性，是使牛养殖 关系研究课题受到了许多科研人员的关注，例如张宇针对纵向负压通风鸡舍安装湿帘的研究，当畜禽舍内温度过高时，系统可以自动打开湿帘，从而达到降温的作用[5]；再如刘平等研究了一种局部环境射流控制喷雾蒸发降温系统，该系统采用送风管将畜禽舍外新鲜空气向畜禽舍定位输送，利用安装在送风管的气流喷孔将空气喷射到控制区域[5]。上述两种研究对畜禽舍环境监控方面都做出了杰出的贡献，为畜禽舍内的环境做到智能的调控，大大地提高了畜禽的生产率。然而，以上两项研究都不曾考虑到畜禽舍内各个环境参数之间互相的间接影响。现今，无线传感器网络技术的应用领域已经从我国的军事领域发展到了民用领域诸如航海、医学、现代制造业等行业。综上所述，整体考虑以上背景之后，本文设计了基于无线传感器的牛舍环境监测系统。
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