无线传感网规模养禽自动控制系统硬件子系统(附件)
近年来，禽畜各类流行性疾病不断爆发和传播，专家认为禽畜疾病的爆发和传播其养殖环境不断恶化关系密切。本文通过研究分析影响禽畜疾病环境因素，发现主要是禽畜舍内温湿度等环境指标超标，二氧化碳、氨气、硫化氢等有害气体含量超标，都对动物生长不利。本系统基于无线传感网技术的基础上，开发了以CC2530为硬件核心的无线通信节点，节点驱动传感器DHT11、光敏电阻、氨气传感器等采集禽畜舍内环境参数，传感器节点再将采集到的生态参数发送给主节点。主节点一方面可以将接收到的数据发送给PC机，并控制外部执行设备运作，调节禽畜舍内环境；一方面可以通过键盘设置并改变阀值，还可以通过显示屏显示出参数以便于用户监测，以达到实时监测的效果。
测试表明本系统开发设计简单可靠，组网灵活方便，能有效准确的监测禽舍内环境参数，提高了禽畜环境监测的智能化程度。
关键词 禽畜环境，无线传感网络，节点，CC2530
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 ?课题研究意义 3
2 系统总体设计方案 3
2.1 规模养禽环境自动控制系统的总体构成 3
2.2 规模养禽环境自动控制系统的功能 7
3 主节点模块硬件电路设计 7
3.1 主控电路CC2530模块 7
3.2 电源模块电路设计 9
3.3 液晶显示屏JM12864模块电路设计 10
3.4 晶振电路模块电路设计 12
3.5 复位电路模块设计 12
3.6 LED电路设计 13
3.7 键盘模块电路设计 13
3.8 报警电路设计 14
3.9 主节点实物图 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
5
4 节点模块硬件电路设计 15
4.1 温湿度传感器DHT11模块电路设计 16
4.2 光照采集模块电路设计 17
4.3 有害气体检测模块硬件电路 18
4.4 电源模块电路设计 21
4.5 节点实物图 22
5 硬件调试 23
5.1 主节点调试 23
5.2 节点调试 25
5.3 主节点与节点功能调试 26
6 系统整体调试 27
结论 29
致 谢 31
参 考 文 献 32
附 录 34
1 绪论
1.1课题研究背景
随着我国经济的迅猛发展，人民生活水平和质量的不断提高，人们对各种畜禽肉的需求越来越大，这就对当前我国的规模化畜禽养殖场的生产提出了更加严格的要求[1]。我国属于典型的大陆性季风气候，不管是北方地区冬季的严寒而难耐，还是南方地区酷热而潮湿的夏季，都不适合家禽的生长发育，严重影响家禽的生产性能发挥，严重干扰了养禽业未来的发展方向[2]。我国是养禽大国，家禽养殖产量位居世界前列，然而我国目前的家禽产品的食品安全和卫生质量方面所显露出的问题不容乐观。随着禽流感、猪流感等疾病的发生率不断提高，尤其是HSN1型高致病性禽流感疫情的爆发，给家禽养殖的环境提出了更高的要求。我国家禽养殖主要以鸡、牛、羊等为主，所以本文将以此为研究对象，探询禽舍养殖的各类环境因素，全面推动我国家禽养殖自动化的发展[3]。
养禽环境自动控制是利用一系列的自动化设施，来实现家禽生长繁育环境的合理性、安全性，也是禽业现代化和集约化必备条件，但由于禽舍环境成分复杂、系统构成庞大，存在高度的时变性和多变量藕合等特征，使得许多常规的监测手段和控制方法不能满足养禽的发展要求[4]。因此，研究一套具有自动检测、自动控制功能的禽舍监控系统具有重要的理论价值和实际意义。
值得庆幸的是，近年来，我国养禽业得到迅速发展，养禽业占农业经济总值的比重日趋突出，并且其现代化、集约化程度越来越高。但是在家禽养殖的生产过程中，生产环境的不断污染给家禽的健康和生存带来了严重的危害[5]。禽舍环境中的温度、湿度、粪便及有害气体等都会对养禽环境造成很大的影响，因此，积极改善家禽生存环境，成为了实现养禽生产由传统粗犷发展方式向现代化可持续发展生产方式转变的重要方向，本文将对家禽生存环境监测和控制做出概述，以有利于规模化养禽的可持续健康发展，从而促进养禽业的不断发展，更大的提高经济效益，进一步促进畜牧业发展[6]。
随着无线传感技术的快速发展和日渐成熟，无线传感器网络是通过无线通信方式将大量传感器节点连接起来构成自组织网络，以实现对数据的采集、传输和处理。无线传感器网络是现代信息技术中一个全新的发展方向，被称为21世纪最具影响力的科学技术之一[7]。与此同时，ZigBee技术也在日益成熟，由于其短距离、低功耗、低成本和简便高效的显著特点，得到越来越广泛的青睐。将 ZigBee 技术应用到无线数据采集及控制系统中，不但省去了复杂繁琐的布线，而且可应用于众多特殊场合。作为无线传感器网络的直接载体，如何实现种类繁多的传感器节点智能化接入成为重要问题之一，以实现传感器网络接口规范为目的的IEEE1451标准为此提供了支持与参考[8]。本文的旨在对各个传感器节点进行设计，并实现基于ZigBee协议的无线通信网络以及用户服务端的数据管理。
1.2 国内外的研究现状
在上世纪50年代,美国最初建设、应用了规模化、机械化、工厂化和集约化的当代养禽新理念。针对各地区的有差别气候和自然条件的特点,逐步变成了各种不同类型的禽舍方案，以及相关的禽舍环境监测控制技术[9]。上世纪80年代初时，美国已经形成了较为成熟的养殖技术标准，并撰写和发表了畜禽建筑设计手册，与主要设备的设计手册。这大大促进了发展畜禽养殖业向规范化、专业化的。2上世纪70年代末，中国开始发展大型化、专业化养鸡业，并以在北京养鸡场的建设和生产作为标志。经过40年的不断发展，已形成了适合南北方不同气候条件下的养鸡模式，并且生产出支持养鸡的配套的禽舍环境监测技术及自动控制设备。同时，国内研究还表明，影响家禽产能的因素很多，除饲料营养外，生存环境也有很大的影响，如温湿度、光照、饲养密度等[10]。因此，要降低养禽的生产成本，增加效益，使家禽的产能实现利益最大化，就必须控制好家禽养殖的环境。
1、国内研究现状
2002年，王思珍等专家研究分析了禽舍内NH3、CO2等有害气体的理化特性以及对家禽的生长发育及产能的影响。提出了实行机械化通风，用控氨仪等设备将禽畜舍内NH3的最高浓度限定在15mg/m3，同时将控氨仪与控温仪连接在一起，使禽舍内NH3的浓度不超过15mg/m3，并保持舍内适宜的温度和湿度[11]。
2、国外研究现状
2002年，美国普渡大学农业生物工程学院的科学家们做了在机械通风条件下，猪舍内有害气体的浓度特性研究，并且通过监测H2S气体浓度的时间、空间变化以及用长期监测和重复取样的方法精确的得到了H2S气体浓度变化的规律。
图2-1 系统结构框图
以下为系统结构图如图2-2:
图2-2 系统结构图
3、系统节点模块结构图如图2-3所示。
图2-3 节点结构图
本设计节点主要是由传感器模块（温湿度传感器、光照传感器、氨气传感器）、CC2530模块、电源模块，以及报警电路组成。其中CC2530模块主要包括数据处理模块（微处理器和存储器）、A/D转换器和通信模块。
3.1.2 CC2530模块主要特性
强大无线前端 2.4GHzIEEE 802.15.4标准射频收发器。
低功耗 宽电源电压范围（2 V－3.6V）。
1 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 ?课题研究意义 3
2 系统总体设计方案 3
2.1 规模养禽环境自动控制系统的总体构成 3
2.2 规模养禽环境自动控制系统的功能 7
3 主节点模块硬件电路设计 7
3.1 主控电路CC2530模块 7
3.2 电源模块电路设计 9
3.3 液晶显示屏JM12864模块电路设计 10
3.4 晶振电路模块电路设计 12
3.5 复位电路模块设计 12
3.6 LED电路设计 13
3.7 键盘模块电路设计 13
3.8 报警电路设计 14
3.9 主节点实物图 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
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4 节点模块硬件电路设计 15
4.1 温湿度传感器DHT11模块电路设计 16
4.2 光照采集模块电路设计 17
4.3 有害气体检测模块硬件电路 18
4.4 电源模块电路设计 21
4.5 节点实物图 22
5 硬件调试 23
5.1 主节点调试 23
5.2 节点调试 25
5.3 主节点与节点功能调试 26
6 系统整体调试 27
结论 29
致 谢 31
参 考 文 献 32
附 录 34
1 绪论
1.1课题研究背景
随着我国经济的迅猛发展，人民生活水平和质量的不断提高，人们对各种畜禽肉的需求越来越大，这就对当前我国的规模化畜禽养殖场的生产提出了更加严格的要求[1]。我国属于典型的大陆性季风气候，不管是北方地区冬季的严寒而难耐，还是南方地区酷热而潮湿的夏季，都不适合家禽的生长发育，严重影响家禽的生产性能发挥，严重干扰了养禽业未来的发展方向[2]。我国是养禽大国，家禽养殖产量位居世界前列，然而我国目前的家禽产品的食品安全和卫生质量方面所显露出的问题不容乐观。随着禽流感、猪流感等疾病的发生率不断提高，尤其是HSN1型高致病性禽流感疫情的爆发，给家禽养殖的环境提出了更高的要求。我国家禽养殖主要以鸡、牛、羊等为主，所以本文将以此为研究对象，探询禽舍养殖的各类环境因素，全面推动我国家禽养殖自动化的发展[3]。
养禽环境自动控制是利用一系列的自动化设施，来实现家禽生长繁育环境的合理性、安全性，也是禽业现代化和集约化必备条件，但由于禽舍环境成分复杂、系统构成庞大，存在高度的时变性和多变量藕合等特征，使得许多常规的监测手段和控制方法不能满足养禽的发展要求[4]。因此，研究一套具有自动检测、自动控制功能的禽舍监控系统具有重要的理论价值和实际意义。
值得庆幸的是，近年来，我国养禽业得到迅速发展，养禽业占农业经济总值的比重日趋突出，并且其现代化、集约化程度越来越高。但是在家禽养殖的生产过程中，生产环境的不断污染给家禽的健康和生存带来了严重的危害[5]。禽舍环境中的温度、湿度、粪便及有害气体等都会对养禽环境造成很大的影响，因此，积极改善家禽生存环境，成为了实现养禽生产由传统粗犷发展方式向现代化可持续发展生产方式转变的重要方向，本文将对家禽生存环境监测和控制做出概述，以有利于规模化养禽的可持续健康发展，从而促进养禽业的不断发展，更大的提高经济效益，进一步促进畜牧业发展[6]。
随着无线传感技术的快速发展和日渐成熟，无线传感器网络是通过无线通信方式将大量传感器节点连接起来构成自组织网络，以实现对数据的采集、传输和处理。无线传感器网络是现代信息技术中一个全新的发展方向，被称为21世纪最具影响力的科学技术之一[7]。与此同时，ZigBee技术也在日益成熟，由于其短距离、低功耗、低成本和简便高效的显著特点，得到越来越广泛的青睐。将 ZigBee 技术应用到无线数据采集及控制系统中，不但省去了复杂繁琐的布线，而且可应用于众多特殊场合。作为无线传感器网络的直接载体，如何实现种类繁多的传感器节点智能化接入成为重要问题之一，以实现传感器网络接口规范为目的的IEEE1451标准为此提供了支持与参考[8]。本文的旨在对各个传感器节点进行设计，并实现基于ZigBee协议的无线通信网络以及用户服务端的数据管理。
1.2 国内外的研究现状
在上世纪50年代,美国最初建设、应用了规模化、机械化、工厂化和集约化的当代养禽新理念。针对各地区的有差别气候和自然条件的特点,逐步变成了各种不同类型的禽舍方案，以及相关的禽舍环境监测控制技术[9]。上世纪80年代初时，美国已经形成了较为成熟的养殖技术标准，并撰写和发表了畜禽建筑设计手册，与主要设备的设计手册。这大大促进了发展畜禽养殖业向规范化、专业化的。2上世纪70年代末，中国开始发展大型化、专业化养鸡业，并以在北京养鸡场的建设和生产作为标志。经过40年的不断发展，已形成了适合南北方不同气候条件下的养鸡模式，并且生产出支持养鸡的配套的禽舍环境监测技术及自动控制设备。同时，国内研究还表明，影响家禽产能的因素很多，除饲料营养外，生存环境也有很大的影响，如温湿度、光照、饲养密度等[10]。因此，要降低养禽的生产成本，增加效益，使家禽的产能实现利益最大化，就必须控制好家禽养殖的环境。
1、国内研究现状
2002年，王思珍等专家研究分析了禽舍内NH3、CO2等有害气体的理化特性以及对家禽的生长发育及产能的影响。提出了实行机械化通风，用控氨仪等设备将禽畜舍内NH3的最高浓度限定在15mg/m3，同时将控氨仪与控温仪连接在一起，使禽舍内NH3的浓度不超过15mg/m3，并保持舍内适宜的温度和湿度[11]。
2、国外研究现状
2002年，美国普渡大学农业生物工程学院的科学家们做了在机械通风条件下，猪舍内有害气体的浓度特性研究，并且通过监测H2S气体浓度的时间、空间变化以及用长期监测和重复取样的方法精确的得到了H2S气体浓度变化的规律。
图2-1 系统结构框图
以下为系统结构图如图2-2:
图2-2 系统结构图
3、系统节点模块结构图如图2-3所示。
图2-3 节点结构图
本设计节点主要是由传感器模块（温湿度传感器、光照传感器、氨气传感器）、CC2530模块、电源模块，以及报警电路组成。其中CC2530模块主要包括数据处理模块（微处理器和存储器）、A/D转换器和通信模块。
3.1.2 CC2530模块主要特性
强大无线前端 2.4GHzIEEE 802.15.4标准射频收发器。
低功耗 宽电源电压范围（2 V－3.6V）。
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