基于ARM的豬仔體重監測系統

胡古月

(南京農業大學工學院，江蘇 南京 210031)

面對集約化、信息化、自動化程度都較低的現狀，中國動物養殖業正在向科技含量更高的動物福利養殖方向進行轉型。加之人們對食品安全問題的關注度日益上升，動物養殖信息的追溯和管理成為養殖過程中必須包含的內容。對于養豬業而言，仔豬的體重監測是飼養過程中的關鍵數據之一。通過這一數據，養殖者可以準確了解到仔豬的健康和生長狀況，從而對應地進行增加或減少飼料等一系列的措施。同時，豬仔體重的數據變化能夠反映出該養殖廠的飼養水平。另外，對于大規模的飼養場來說，人工稱量費時費工。通過機器實時得到該數據，養殖者可以得到第一手準確的體重數據。

本論文詳細敘述了豬仔體重監測的原理、系統的結構及部分功能的實現。系統基本完成測量和顯示數據的功能，但仍有可拓展和升級的地方。

1 系統結構框圖

圖1 系統結構框圖

2 ARM上位機開發

ARM從串口接收數據，即豬仔的重力大小，把它放到數據庫。為了直觀顯示和便于研究，圖形界面上顯示最近五個數據，并且可以查詢在一段時間內某一范圍大小的豬仔重力。具體實現如下：

(1)ARM板選擇：采用三星具有工業級溫度的微處理器S3C2440A-40，主頻400MHZ;采用2片4Banks×4M ×16bits SDRAM，PC100/PC133 兼容，共 64MB，64M ×8bits Nandflash;采用高精度6層板工藝，其中3層電源層的設計，使其具有最佳的電氣性能和抗干擾性能，具有低功耗特性。

(2)QT庫移植：首先，安裝arm920t-eabi編譯器，將它解壓到指定目錄下，并設置編譯器路徑;然后利用此編譯器編譯QT。

(3)制作QT文件系統：在此，我們利用現成的QT文件系統，將它直接燒制到Arm板上。

(4)Sqlite數據庫移植：Sqlite簡介：Sqlite是嵌入式SQL數據庫引擎SQLite(SQLite Embeddable SQL Database Engine)的一個擴展。SQLite是一個實現嵌入式SQL數據庫引擎小型C語言庫(C library)，實現了獨立的，可嵌入的，零配置的SQL數據庫引擎。特性包括：事務操作是原子，一致，孤立，并且持久的，即使在系統崩潰和電源故障之后。零配置——不需要安裝和管理。實現了絕大多數SQL92標準。整個數據庫存儲在一個單一的文件中。數據庫文件可以在不同字節序的機器之間自由地共享。支持最大可達2T的數據庫。字符串和BLOB類型的大小只受限于可用內存。完整配置的少于250KB，忽略一些可選特性的少于150KB。在大多數常見操作上比流行的客戶/服務器數據庫引擎更快。用SQLite連接的程序可以使用SQL數據庫，但不需要運行一個單獨的關系型數據庫管理系統進程(separate RDBMS process)。SQLite不是一個用于連接到大型數據庫服務器(big database server)的客戶端庫(client library)，而是非常適合桌面程序和小型網站的數據庫服務器。這些特性使得Sqlite非常適合在ARM平臺上使用。

(5)Sqlite交叉編譯：利用Arm-linux-gcc編譯器編譯Sqlite源代碼，生成可在ARM上運行的可執行文件以及鏈接庫。首先，修改configure文件#./configure—host=arm-linux—disable-tcl—prefix=/home/sqlite-3.6.18/sqlite-armlinux/;修改Makefile文件，BBC=gcc-g-O2;然后，編譯并安裝，#make＆＆make install;用strip處理，去掉其中的調試信息，#arm-linux-stripsqlite3;最后，進行移植，對庫的拷貝時要加上 -arf選項，因為 libsqlite3.so，libsqlite3.so.0是鏈接到libsqlite3.so.0.8.6的;在開發板終端中將三個庫文件拷貝到其庫中，而后即可使用sqlite了。

(6)QT界面設計：Qt開放源代碼，并且提供自由軟件的用戶協議。使得它可以被廣泛地應用在各平臺上的開放源代碼軟件開發中。經過多年發展，Qt不但擁有了完善的C++圖形庫，還整合了數據庫，OpenGL庫，多媒體庫，網絡腳本庫，XML庫，WebKit庫等，其核心庫也加入了進程間通信，多線程等模塊極大的豐富了Qt開發大規模復雜跨平臺應用程序的能力。設計思路：在顯示屏的主窗口上有兩個頁面可自由切換，第一個頁面功能是接收串口數據并動態顯示最新五個紀錄，第二個頁面功能是查詢當前數據庫記錄，查詢的條件是時間與豬仔的體重。

圖2 QT圖形界面設計

3 測量原理介紹

多只仔豬共同被飼養在一個保育箱中(面積：1.0m*0.5m)，利用安裝在保育箱底部的壓力傳感器可將仔豬的重力大小(測量行為發生在豬仔熟睡之時以減少豬仔活動帶來的壓力誤差)線性地轉換成信號輸出端的電壓變化。主控單片機C8051F020利用片內12位AD轉換器將電壓數據得到，并進行一系列數據處理。根據返回電壓值與重力大小的線性關系，主控單片機將處理好的體重量通過串口傳送給基于ARM的QT編寫的軟件的數據庫中。QT程序調用數據進行數據的顯示，查詢，按時間軸等的排序。

圖3 壓力和輸出電壓曲線關系

4 主控單片機選擇

C8051F020/1/2/3器件是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64個數字I/O引腳。

針對本項目，C8051F020的優勢：(1)高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25MIPS)。(2)真正12位、100 ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關。(3)擁有4352(4096+256)字節的片內RAM。(4)5個通用的16位定時器。(5)全速、非侵入式的在系統調試接口(片內)。(6)片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。

從上面列出的特性可以看出，選擇C8051F020最重要的因素在于其擁有片內12位AD轉換器。項目的精度要求小于0.02KG。在已知滿量程重量為80KG時可推知，使用10位AD時的精度約為0.078KG，使用12位 AD時的精度約為0.019KG。使用12位AD時才能滿足項目要求，并且測量精度大大提高。這是選擇這款單片機的主要原因。

5 數據處理方式

數據采集的時間是在夜間豬仔熟睡期間，這樣減少豬仔的活動對測量帶來的影響。采集數據時，當通過AD讀回30次傳感器輸出電壓值后，我們對30次電壓值進行排序，然后去掉其中最大及最小的5個電壓值。將剩余的20個電壓值進行取平均值，然后再將此電壓值轉換為對應的體重值，將此值作為這一小段時間內測量值送至串口進行發送。這樣做的好處是降低了突發事件對數據的影響，降低了隨機誤差。

6 傳感器的選擇

項目所針對的豬仔保育箱總重量約為60KG左右，精度要求0.02KG。對于傳感器的選擇，我們從下面幾個要求進行了考察：(1)量程是否能夠滿足要求。(2)精度是否能夠達到要求。(3)溫度漂移程度要盡量小。(4)非線性度要盡量小。(5)尺寸大小、安裝方法、材質是否適合現場條件。(6)工作溫度范圍是否滿足條件。(7)信號輸出形式是否便于處理器處理。

根據上述考察條件，我們選擇了型號為YZC-18，量程為40KG的壓力傳感器。下面是該傳感器的參數特性和尺寸圖。

圖4 壓力傳感器參數特性圖

圖5 壓力傳感器尺寸圖

7 軟件流程圖

圖6 單片機軟件流程圖

圖7 ARM上位機軟件流程圖

8 結語

本論文及系統設計基本完成豬仔體重監測的相關功能，但仍有很多值得改進和增加的功能部分，并且只是停留在實驗室測試階段沒有經過養殖現場的實際使用檢驗。但我相信，動物福利養殖一定是未來中國養殖業的重要發展方向，中國將在農業信息化、智能化、自動化的道路上越走越遠。

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