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作者：洛阳理工学院 张志辉 陈新生 王娟
指导教师：李京秀 高翔

　　作品简介　　

　　系统结构包括GPS定位、LCD液晶显示、RFID射频识别、环境监测预处理和赶牛喂牛装置。
　　各模块功能：
　　(1) Zigbee传感网络
　　通过Zigbee协调器建立网络，然后各个传感子节点申请加入网络。同时向协调器传输环境信息。
　　(2) MCU自动控制模块
　　通过STC15 通过时钟芯片显示时钟信息，然后通过时钟控制智能小车的运行以及驱赶奶牛的设备运行。STC强大的功能使其同时控制温度传感器以及12864液晶模块。
　　(3) 环境监测预处理部分
　　在休息室通过用温湿度传感器等一系列传感器来实时监测牧场的环境情况,并设有排气扇等装置，并通过目前最先进的短距离、低功耗、低成本、网络容量大、高可靠性和支持自动组网技术的Zigbee技术实现无线传感网和监测系统来控制牧场的管理一体化。
　　(4)GPS模块：GPS由太空卫星、地面控制系统、用户设备三个部分组成。GPS系统的基本定位原理是：每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集至少4颗卫星的数据时，就可以算出三维坐标、速度和时间。
　　(5)智能牧场控制模块：主要通过传感网接收到的信息，通过自动的进行反馈，从而更好改善牧场环境。

　　3. 功能
　　(1)定时自动喂料
　　当牧场一天的开始，时钟控制模块到达早上8点时，运输草料的小车会自动沿着固定的行迹把草料倾倒到牧场食槽里，这时牛就可以进食。当早上九点，进食完毕。当中午时牛儿进入牛棚，小车再次把草料运送过来。
　　(2)自动放牧
　　MCU自动控制电机把牛驱赶到牧场外进行运动。
　　(3)具有牲畜健康档案
　　为了实现对牧场的精细管理，系统在上位机建立了牲畜健康档案，当牲畜生病时，牧场管理员可把它的病例记录在其档案中，饲养员可根据每头牛的身体状况进行精饲料分配。
　　(4)可预防奶牛丢失
　　如果有奶牛走出牛场，它铃铛里面集成的GPS模块会及时的把位置信息传输过来同时报警，便于饲养员寻找。

　　4.使用说明
　　依次把Zigbee协调器，传感器节点上电。把串口插入电脑，打开上位机界面，把自动控制模块上电，环境信息会显示在显示模块上。进入上位机界面，打开串口，就可以查询环境信息。同时上位机界面可以把奶牛的信息存档，把它们的生长信息存入数据库。

　　平台选型说明

　　为了建立廉价稳定的无线传感网络，需选用能支持Zigbee协议栈的cc2530单片机。选用大赛组委会提供的STC152K系列的单片机开发板，该开发板强大的功能够实现对显示模块，智能循迹小车，以及温度传感器，电机等装置的控制。

　　设计说明

　　1. 原理图
　　系统原理图如图所示。　　

　　2. 设计原理及方案
　　2.1 温湿度传感系统
　　温湿度传感器模块如图3所示。
　　温湿度传感系统采用SHT10温湿度传感器来检测牧场的环境信息，然后通过Zigbee无线网络与PC机进行通讯。当温湿度传感模块接收不同的指令后，会采取相应的上传数据方式。上位机可以选取查询温湿度模式和自动上传温湿度模式。温湿度模块有两种数据传输方式，一种是当上位机选取查询模式时会给温湿度传感器一个指令，此时温湿度传感接收到指令时就发送一组当前的温湿度信息，另一种当上位机选取自动上传模式时则温湿度传感接收到另一个指令连续上传当前的温湿度变化信息。而PC机把接收到的数据绘制成曲线，这样就可以形象直观的观察牧场里的环境的变化信息。　　

　　2.2 光照传感系统
　　光照传感器模块如图4所示。　　

　　光照传感系统采用DPW34S光照传感器来检测生产车间的光照信息，然后通过Zigbee无线网络与PC机进行通信。光照传感模块有两种数据传输方式，当上位机选取查询光照信息时，光照传感模块会接收指令，上传一次当前的光照信息，另一种是当上位机选取自动上传模式，此时光照传感器会接收到不同的命令就会连续上传当前的光照变化信息。而PC机把接收到的数据绘制成曲线图可以直观方便的观察光照变化趋势和实时的光照情况。
　　2.3 RFID 无线射频识别系统
　　RFID无线射频识别模块如图5所示。
　　本系统用到的RFID 无线射频识别模块是由北京博创兴盛科技有限公司提供的RFID读卡器及标签套件。其详细介绍如下：
　　特点：高频近距离;
　　工作频率：13.56 MHz;
　　支持协议：ISO18000-3、EPC;
　　读卡距离：3~8厘米;
　　读卡方式：自动读卡;　　

　　2.4 无线传感网
　　Zigbee控制器部分电路如图6所示。
　　Zigbee通过对不同模块的地址对各个不同的模块进行通讯。Zigbee网络的各个节点的地址各不相同，通过PC机向各个模块发送指令，路由节点则负责分别与不同的系统进行通信。本系统共包括三个子节点，分别为温湿度采集节点、光照采集节点、标签采集节点。通过组网分别于上位机进行通信，而协调器组网后相当于一个简单的路由器。起到中间桥梁的作用，架起了上位机与节电通信的桥梁。　　

　　2.5 自动调节温湿度系统
　　牛棚要经常保持通风，防止二氧化碳等有害气体滞留。通风不仅能排除有害气体，同时排出热量和水气，因此在生产中要注意处理好通风与保温之间的关系，否则，气温过低，造成牛体自身热量增加，导致能量浪费。
　　当传感器监测到温湿度超标的时候，将信息传到处理模块(抽风机，风扇，电暖)，处理模块启动，将自动调节室内的温湿度。
　　降温措施：
　　(1)喷淋
　　喷淋为自动模式，于牛头部上方约0.5m处横向安装一供水管，每隔2m设置一个喷头，当牛舍内温度达到34℃以上时自动启动，每次喷淋凉水持续时间为20s，可以将奶牛头部和部分牛体喷湿，以达到降温的目的。
　　(2)风扇
　　风扇设有壁式风扇(0.45kw)和轴流式风扇(0.37kw)，前者每4m设置一台，后者每8m设置一台，风扇的持续使用，一方面有助于增强牛舍空气流动，另一方面，在使用喷淋后能加速牛体表水分蒸发，带走牛体热量，两方面都能使得奶牛体温下降。
　　(3)无动力风机
　　无动力风机采用了空气“热胀冷缩”的原理，棚内热空气往上升，冷空气往下降，棚内的热气或污烟会聚集于屋顶附近，棚内气温高、压力大，配合屋顶上转动的涡轮，将棚内的热气或污烟由叶片的空隙旋出棚外，进而达到调节气温、去除污烟的效果，让棚内的空气变得清净凉爽。
　　2.6 自动赶牛系统
　　将牛舍的门做成一根档杆，档杆的高度设计成不让牛从牛棚里出来为益，档杆下面有一支撑支架，档杆的起降采用杠杆原理，支点处有一齿轮，齿轮跟电机相连。支杆处装有有红外接收装置的51单片机用来控制电动杆的降落，当报警装置或自动赶牛装置启动时，自动向自动升降杆发出信号，当自动升降杆接收到信号的时候通过指令做出相应的升降动作。
　　在牛棚的两侧安装传动杆，在休息室最里面安装赶牛器，赶牛器通过步进电机传动动力，通过软件控制转速，赶牛，以及回位。赶牛器传动方式采用减速电动机、链条传动。马达转速33r/min，可以通过调节电流大小，改变减速电动机转速，使赶牛器前进和后退的行走速度有所变化。
　　2.7 GPS定位系统
　　GPS模块如图7所示。　　

　　在牛耳朵的标签上做一个GPS接收机，在另一个芯片上可监控显示接收机所在的经度，纬度，并且目标物体(牛)设定为一定范围内，如果超出这个范围，则在监控系统上显示异常信号，同时确定目标位置进行调整。
　　该GPS接收机基于51单片机、和1602液晶显示屏等硬件 , 并根据GPS模块数据输出基本原理，应用C语言编写控制程序实现了 GPS 信号的提取、显示及基本的键盘控制操作等。主要用于当牛在室外活动时确定牛的位置。
　　2.8 上位机软件设计
　　上位机软件使用C#来书写，其主要功能是通过串口通信连接中间节点，通过中间节点来感知子节点的传感信息。上位机软件的设计主要在，串口通信;PC机与中间节点的通信协议要定好。然后就是上位机软件的设计与优化了。上位机用户登录界面、主界面和串口设置界面如图8—10所示。　　

　　作品特色

　　1. 先进性
　　(1)采用先进的Zigbee组网技术，实现了信息的无线传输。
　　(2)实现了先进的牧场智能化管理。
　　2.实用性
　　(1)应用范围广。
　　系统不仅适用于养殖业，在自然保护区，动物园等地方都能应用。而且，
　　(2)成本低，便于操作。
　　(3)节省了人力资源，提高了经济效益。
　　(4)功能扩展方便。
　　增加二氧化碳、硫化氢、氨气传感器和臭氧消毒器等就可以扩展更多的功能。
　　3.创新性
　　将Zigbee无线传感网络，RFID无线射频，GPS，智能小车，各种传感技术融合于一体，实现对代化牧场的智能化管理、自动化控制。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2566