養雞場嵌入式遠程監測系統的設計

摘要：引入嵌入式Ｗｅｂ服務器（ＥＷＳ）技術，采用ＤＳＰ＋ＡＲＭ雙ＣＰＵ結構，設計并實現了基于嵌入式Ｗｅｂ服務器的養雞場遠程監測系統。通過對Bｏａ服務器的設置與改進，實現了動態交互和歷史數據保存等功能，客戶端通過瀏覽器即可對養雞場中的各項環境參數進行實時遠程監控及保存。經現場和遠程測試，該系統達到了設計要求。

關鍵詞：嵌入式Ｗｅｂ服務器；養雞場；Bｏａ服務器；遠程監測；數據采集

中圖分類號：Ｓ８１８．９ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）23－4949-04

The Design of Chicken Farm Embedded Remote Monitoring System

ＷＡＮＧ Ｙａｎｇ，ＰＡＮ Ｔｉａｎ－ｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｈｉｃｋｅｎ ｆａｒｍ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ（ＥＷＳ） ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ＥＷＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ＤＳＰ＋ＡＲＭ ｄｏｕｂｌｅ ＣＰＵ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｄａｔａ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Bｏａ ｓｅｒｖｅｒ’s ｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅment． Ｔｈｅ ｃｌｉｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄａｔａ ｓａｖｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｃｈｉｃｋｅｎ ｆａｒｍｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂｒｏｗｓｅｒ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｕｌｌｙ ｍｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｔｅｓｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｍｂｅｄｄｅｄ Wｅｂ ｓｅｒｖｅｒ； ｃｈｉｃｋｅｎ ｆａｒｍ； Bｏａ ｓｅｖｅｒ； ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

我國養雞業規模化、機械化的程度越來越高，傳統手工管理已不能滿足大、中型雞場信息處理的需求［１，２］。計算機技術和自動控制技術與傳統家禽養殖業逐步結合，利用現代傳感技術、計算機技術、通訊技術以及因特網技術等使養殖生產中的信息能夠及時獲取和流通，進而實現了雞的生產方式從傳統的以物流管理為核心到以信息流管理為核心的轉變［３］。在雞的養殖過程中，對養雞場環境有嚴格的要求，必須對養雞場的溫度、相對濕度及通風條件等進行精確的測控以保障雞群健康，提高養雞場的生產效率［４］。現代計算機技術和因特網應用為養雞場的信息實時傳播提供了新的途徑，其高速實時性、良好的互動性以及開放性為養雞場的監測提供了保障［５，６］。基于嵌入式Ｗｅｂ服務器（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ，ＥＷＳ）的思想，設計了養雞場的遠程監測系統，通過監測養雞場的環境參數，如溫度、相對濕度、通風口的風向、風速等；利用嵌入式Ｗｅｂ服務器技術，與養雞場監測設備集成在一起，結合開放的ＴＣＰ／ＩＰ網絡通信協議，用戶利用Ｗｅｂ瀏覽器遠程監測養雞場的運行參數，對養雞場實現遠程實時監控，提高養雞場現場測試和監控水平，實現養雞場的有效管理和雞只養殖過程的全自動監控。

１ 系統的總體設計

采用基于嵌入式Ｗｅｂ服務器養雞場的遠程監測系統［７］，系統的總體結構如圖１所示。系統主要由養雞場數據采集系統、嵌入式Ｗｅｂ服務器以及遠程監控客戶端等構成。養雞場遠程監測系統采用ＤＳＰ＋ＡＲＭ雙ＣＰＵ結構，由于需要采集和保存大量參數，通過ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２構建實時數據采樣平臺，主要對養雞場運行中的關鍵參數，包括溫度、相對濕度、通風口的風向、風速等進行采集、處理和存儲。ＡＲＭ平臺則采用３２位ＡＲＭ７微處理器Ｓ３Ｃ４５１０，網絡接口以ＲＴＬ８０１９ＡＳ芯片為核心，以μＣＬｉｎｕｘ為操作系統，移植Ｂｏａ作為Ｗｅｂ服務器，它支持ＣＧＩ接口，便于引入ＴＣＰ／ＩＰ協議棧實現網絡接入，并作為Ｗｅｂ服務器將采集的數據通過以太網傳送給遠程客戶端。雙ＣＰＵ結構可有效發揮ＤＳＰ采樣、運算和邏輯判斷的優勢，又能充分利用ＡＲＭ平臺實現人機交互和通訊的特長，避免單一ＡＲＭ平臺執行采樣及運算等多種功能后，人機交互和通訊周期變長，影響系統響應速度。

遠程監控客戶端通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ實現服務器端和客戶端之間的通信，遠程用戶在瀏覽器上輸入ＥＷＳ的ＵＲＬ地址，便可進入ＥＷＳ網頁，同時進入養雞場遠程監測操作界面。用戶通過監測操作界面設置控制參數，運行客戶端應用程序將它們傳遞到服務器端；服務器端程序則通過動態鏈接庫將控制信息發送至數據采集系統，控制采集系統進行實時參數采集，采集完畢將結果反饋至服務器后，由ＥＷＳ端通信程序將其返回到用戶端界面，實時監測養雞場各項參數，從而實現遠程實時監測養雞場的運行狀況。

２ 養雞場數據采集系統設計

運用ＤＳＰ高速運算和多種片上外設的特點完成對養雞場監測信號的捕捉、采樣、轉換、計算以及與ＡＲＭ的通信等工作。ＴＩ公司的３２位定點芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２主頻達到１５０ ＭＨｚ，具有１２位的Ａ／Ｄ轉換器，片內含１２８ Ｋ×１６位片內ＦＬＡＳＨ，１８ Ｋ×１６位ＳＲＡＭ，片上資源豐富。ＤＳＰ完成溫度、濕度、風向、風速等環境參數的采樣，結果由ＤＳＰ進行分析處理并進行保存，并將結果送到雙口ＲＡＭ中，以供ＡＲＭ系統調用。ＡＲＭ系統完成統計、存儲、通訊以及人機交互等功能。養雞場數據采集系統的功能框圖見圖２。養雞場環境控制是一個完整的系統，包括溫度、濕度、通風條件、光照、有害氣體、灰塵等綜合環境因素，必須及時了解各類參數，對養雞場進行實時監控［８］。

２．１ 溫度參數的采集

溫度對雞只養殖性能影響最大，有關研究表明，溫度是導致家禽出現冷熱應激，影響雞群健康的首要環境因素。在雞的不同生長階段中，對溫度的要求非常嚴格而且是不斷變化的，所以養雞場的溫度實時監控要求非常高。但養雞場現場環境非常惡劣，干擾信號較強，在溫度測量系統中，采用抗干擾能力強的新型數字溫度傳感器，可有效減小模擬信號受干擾而產生的測量誤差，確保測量精度。本文實時溫度測量采用ＤＳ１８Ｂ２０智能溫度傳感器，它是單總線式數字溫度傳感器，在測量點已把被測信號數字化，且在單總線上傳送數字信號，具備較強的抗干擾能力，且能長距離傳輸數據，從而提高了系統的可靠性，適合惡劣環境的現場溫度測量。ＤＳ１８Ｂ２０還具有體積小、精度高、寬電壓適用范圍等優點，非常適合多點溫度檢測系統，在工農業生產制造、氣象觀測以及科學研究中被廣泛應用。

２．２ 濕度參數的采集

在養雞場日常管理中，濕度控制是一項重要內容，但往往不被人們重視。空氣濕度對雞只蒸發散熱和非蒸發散熱都有影響，無論溫度高低，高濕度對雞的熱調節都是不利的，而低溫則可減輕高濕和低濕的不良作用。養雞場過于干燥或過分潮濕，都會為雞群的管理帶來很大的負面影響，造成雞只不適，引發雞只多種疾病，造成不可挽回的損失。養雞生產中常用的是相對濕度，對雞只而言，適宜的相對濕度為６０％～７０％，低于４０％為低濕，高于８０％為高濕。本系統選用ＨＵＭＩＲＥＬ公司的變容式相對濕度傳感器ＨＳ１１０１完成對空氣濕度的測量。ＨＳ１１０１采用獨特的電容式單元設計，無需校準的互換性，高可靠性和長期穩定性，具有響應速度快、體積小、線性度好、較穩定等優點。將ＨＳ１１０１置于５５５振蕩電路中，就將電容值的變化轉為電壓頻率信號，可以直接被計算機所采集，無需經Ａ/Ｄ轉換就可直接與目標相連，輸出的信號為頻率型，靈敏度高，分辨率好、抗干擾能力強。

２．３ 通風參數的采集

養雞場通風的主要目的是排出雞舍內有害氣體、改善養雞場空氣質量，同時排出養雞場內多余的熱量和降低養雞場內濕度，并提供足夠的氧氣。保持養雞場的適度通風，對保證雞群的生產性能和健康狀況十分有益。測量養雞場內外的風速和風向，及時了解內外通風情況是養雞場的基本環境要求。系統在采集風速及風向信號時所用到的風速傳感器為Ｒ.Ｍ. Ｙｏｕｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ公司生產的ＭＯＤＥＬ ０５１０３ Ｗｉｎｄ Ｍｉｏｎｉｔｏｒ。其風速傳感器是通過風測儀來測量水平風的速度和方向的。來流風驅動風測儀的螺旋槳使之旋轉，通過安裝在螺旋槳軸上的六對磁極，在旋轉的過程中，在線圈中產生與風速大小相對應的一定頻率的正弦信號，采用頻壓轉換的方式直接將頻率大小轉化為電壓的大小，送往ＤＳＰ的Ａ/Ｄ轉換器，轉換為數字量表示的風速大小。風測儀中來流風方向信號的產生通過一個高精度電位器來實現。由外部給電位器提供一個穩定的電壓，風測儀輸出了一個與當前風向角度相對應的模擬電壓。系統直接采用５Ｖ參考電壓作為風測儀的輸入電壓，將風測儀測量得到的風向模擬信號經濾波處理后，得到一個幅值與風向成線性關系的模擬信號，再利用ＤＳＰ的Ａ/Ｄ轉換模塊轉換為數字信號。

３ 嵌入式Ｗｅｂ服務器的設計與實現

３．１ 嵌入式Ｗｅｂ服務器軟硬件平臺

將嵌入式Ｗｅｂ服務器技術引入養雞場實時遠程監測和控制中，硬件平臺核心為Ｓａｍｓｕｎｇ公司的３２位網絡微處理器Ｓ３Ｃ４５１０，它集成了ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核，是一款適用于中端應用的微控制器，系統擴展器件為：存儲器（８ ＭＢ ＳＤＲＡＭ、 ２ ＭＢ ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ），網絡控制芯片為ＲＴＬ８０１９ＡＳ，ＬＣＤ顯示模塊以及應用按鍵等硬件資源，實現數字信號的采集、存儲和網絡傳遞的硬件支持，同時嵌入式Ｗｅｂ服務器還負責將養雞場數據采集系統采集的養雞場各項參數數據轉換為ＴＣＰ／ＩＰ協議格式，通過以太網將其發送到遠端的監控瀏覽器客戶端上［９］。

系統的軟件平臺核心為μＣＬｉｎｕｘ，它是一個源碼公開的操作系統內核，從Ｌｉｎｕｘ２．０／２．４內核派生而來，其核心代碼短小精悍、簡單易學［１０］。為了滿足嵌入式系統需求，μＣＬｉｎｕｘ在標準Ｌｉｎｕｘ基礎上進行了適當的裁減和優化，形成了一個高度優化的、代碼緊湊的嵌入式操作系統。μＣＬｉｎｕｘ體積很小，但仍保留了Ｌｉｎｕｘ系統幾乎所有的優秀特性，包括穩定、良好的移植性、強大的網絡功能、出色的文件系統支持。μＣＬｉｎｕｘ作為本系統的軟件操作平臺，需要根據本文的應用特點對其進行功能擴展，包括底層的硬件驅動、文件系統、用戶圖形Ｉ／Ｏ（ＧＵＩ）等，才能建立實用的實時操作系統，以適用于養雞場監測的應用系統。

３．２ 嵌入式Ｗｅｂ服務器系統軟件設計

設計的嵌入式Ｗｅｂ服務器處于用戶監控客戶端和養雞場的中間，嵌入式Ｗｅｂ服務器必須提供若干機制實現對養雞場數據參數的監視和控制，為瀏覽器提供和發送Ｗｅｂ頁并處理瀏覽器提交的數據，并且能實現用戶安全登陸認證等功能［１１］。其內部體系結構如圖３所示，主要包括ＨＴＴＰ引擎、虛擬文件系統、配置模塊、安全模塊以及應用程序接口模塊等［１２］。嵌入式Ｗｅｂ服務器作為一個數據載體，可以將本地的數據和信息通過互聯網傳遞給遠端發出請求的客戶，它能監聽客戶請求的服務，根據客戶請求的類型提供相應的服務。客戶端使用普通的瀏覽器接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ就可以和Ｗｅｂ服務器進行通信。

３．２．１ Ｂｏａ服務器及其配置 養雞場設備的監控在響應遠端客戶的請求時，不僅需要根據客戶請求的類型提供一些靜態頁面，而且需要與客戶端進行交互，例如實時溫度數據查詢、通風口風速風向實時狀態查詢等，所以必須使用動態Ｗｅｂ技術。該設計選擇了一個支持ＣＧＩ、適用于嵌入式系統、支持動態Ｗｅｂ技術Ｂｏａ服務器來實現。嵌入式Ｗｅｂ服務器Ｂｏａ和普通的服務器一樣，能夠完成接收客戶請求、分析請求、響應請求、向客戶端返回請求結構等任務。其工作流程如圖４所示。

由于μＣＬｉｎｕｘ的代碼中己經包含了Ｂｏａ服務器的源代碼，故可以通過重新編譯μＣＬｉｎｕｘ內核來添加Ｂｏａ服務器。為使Ｂｏａ能夠正常運行，需要對其參數進行配置。表１描述了對其主要參數進行修改和配置的過程。

３．２．２ 嵌入式Ｗｅｂ服務器端數據（歷史數據）保存的實現 本系統是用于遠程客戶端通過瀏覽器對養雞場設備的運行狀況進行監控，為保證系統查詢或者決策參考，必須考慮嵌入式服務器端的數據保存問題，這對一段時期內考察各種環境因素對雞只生長和疾病影響具有十分重要的意義。對Ｓ３Ｃ４５１０進行了芯片外部存儲空間的擴展，通過在Ｓ３Ｃ４５１０微處理器的外圍地址空間擴展一片１６ ＭB的ＮＡＮＤ－Ｆｌａｓｈ芯片來存儲采集的各項數據。嵌入式文件系統在ＮＡＮＤ－ＦＬＡＳＨ存儲芯片中保存了兩個網頁文件ｔｅｍｐ．ｈｔｍ和ｈｉｓ．ｈｔｍ，分別用來顯示當前電網的運行參數以及保存歷史數據。由于文件系統中每個文件設置了內存緩沖區，因此，當ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２處理計算完一個周期的溫度濕度等采樣參數后，送到雙口ＲＡＭ中由Ｓ３Ｃ４５１０調用，并且對內存緩沖區中的ｔｅｍｐ．ｈｔｍ文件中的參數信息進行實時更新。本系統中以文件格式對歷史數據進行保存，在嵌入式Ｗｅｂ服務器端實現歷史數據庫，用以保存兩個月中整點時刻的環境參數值，供查詢、決策參考及影響分析。針對需要保存的數據量不是很大的特點，系統中通過一個嵌入式文件ｈｉｓ．ｈｔｍ來實現歷史數據的保存。在整點時刻到來時，在ｈｉｓ．ｈｔｍ文件中增加當前時間信息以及養雞場各項運行參數值信息，同時回寫到ＮＡＮＤ－ＦＬＡＳＨ芯片中進行保存。系統中，對整點時刻的判定是通過Ｓ３Ｃ４５１０微處理器的實時時鐘（ＲＴＣ）來實現的。

４ 小結

利用互聯網為途徑，引入嵌入式Ｗｅｂ服務器技術，在基于嵌入式操作系統μＣＬｉｎｕｘ和Ｓ３Ｃ４５１０微處理器的平臺上，設計了經濟小巧的嵌入式Ｗｅｂ服務器，并將它與養雞場數據采集系統結合在一起，采用ＤＳＰ＋ＡＲＭ雙ＣＰＵ結構，構造并實現了養雞場遠程監測系統。客戶端通過普通Ｗｅｂ瀏覽器即可進行遠程實時監測養雞場的各項參數數據，移植和改進了Ｂｏａ服務器，實現了客戶端與Ｗｅｂ服務器的動態交互，并且針對養雞場實時監測的數據保存問題，實現了文件格式對歷史數據保存功能。整個系統與傳統的監控方式相比，簡化了系統結構，將信息采集和信息發布都集成到現場的測控設備中，具備使用方便靈活，功能強大，擴展性強等特點。經某養雞場現場和遠程測試，完全達到設計要求，大大降低了養雞場監控和通信系統的運行、維護的工作量和費用，養雞場管理人員可以遠程地管理、監視和檢測養雞場內的情況，提高了養雞場現場測試和控制設備的管理水平，實現了有效管理養雞場。在該系統的基礎上還可添加視頻監控、報警及自動控制等功能，實現對舍內環境、喂飼飲水、孵化育雛和衛生防疫等生產過程的全自動監控。

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