基于無線傳感器網絡的豬只飲水測量系統

高云等

摘 要：針對目前豬場不能對豬飲水量精確測量等不利因素，設計了基于無線傳感器網絡和TinyOS的豬只飲水測量系統。該系統能夠實現精細化養豬，實時監測豬只的飲水情況，并能將數據通過無線傳感網絡傳輸至PC機，科學分析豬只的生長狀況，并對疾病進行有效的防控，進而可以在豬場自動化設計、環境檢測、疾病預防等方面做出改進。這對中國現代化養豬，規范化養豬，提高生產率，推動養豬技術發展有著重要意義。

關鍵詞：無線傳感器網絡；TinyOS；實時監測；飲水

我國有著非常悠久的養豬歷史，養豬業發展前景巨大，但是在養豬技術方面仍然比較落后，而且許多豬場面臨一系列生產管理問題。目前市面上的豬飲水設備中，測量豬飲水的稱重系統可以對豬飲水量稱重，但是結構復雜，數據分析不足，未能定量分析豬的生長健康狀況[1]。本項目涉及基于無線傳感網絡的豬場飲水測量系統，實時監測豬的飲水情況，進行科學分析豬的健康狀況，并對疾病進行有效的防控。本裝置避免了人們過大的勞動強度，改善了豬場的設備環境，提高了生產效率，能科學地分析觀察豬的健康狀況，從而有效地預防疾病，對于我國智能化養豬的發展有著重要的意義。

1 系統結構

本項目是提供一種監測豬只的飲水測量系統。包括飲水機械裝置和在裝置周圍布置的微型傳感器節點。在保證不影響豬只的正常飲水的情況下，通過傳感器檢測豬只的飲水信息，傳感器節點與網關節點建立通信模式，并通過串口與電腦連接，實時監測豬只的飲水健康狀況，實現對豬只疾病的預測。本系統能夠精確計量豬只的飲水量，并通過無線傳感器網絡識別豬只的ID號，進行數據網絡化統一管理。系統總體結構如圖1所示。

機械裝置：機械裝置部分由鴨嘴式豬飲水器、水槽、水流量傳感器和不銹鋼水管等組成。鴨嘴式豬只飲水器由閥體、閥芯、密封圈、回味彈簧、塞蓋、濾網等組成。整體結構簡單，耐腐蝕，工作可靠，不漏水，壽命長，豬飲水時，嘴含飲水器，咬壓下閥桿，水從閥芯和密封圈的間隙流出，進入豬的口腔，當豬嘴松開后，靠回位彈簧張力，閥桿復位，出水間隙被封閉，水停止流出，鴨嘴式豬只飲水設備密封性能好，水流出時壓力降低，流速較低，符合豬只飲水要求。水槽的作用是防止多余濺射出來的水浪費，同時也可作為儲水裝置供豬只飲用。飲水槽底部的漏水槽外表面設有電容式傳感器且漏水槽內部放有浮球，若豬飲水時有水濺落到飲水槽中時，水會流到漏水槽中，漏水槽底部的浮球會慢慢浮起來，利用電容式傳感器檢測，通過單片機控制電路模塊控制水泵將漏水槽中多余的水抽走并利用出水流量計節點計量；搭建無線傳感器網絡，將進水流量計節點和出水流量計節點的數據相減，最后得出豬只精確的飲水量，機械結構如圖2所示。

如圖2所示，該裝置包括：PC機12、USB轉串口線11、基站10、無線節點9、進水流量計8、飲水管7、豬飲水器6、飲水槽5、控制電路模塊4、水泵3、無線節點2、出水流量計1。

具體實施原理分析如下：當豬飲水時，碰觸豬飲水器，水流通過進水流量計和飲水管。若豬飲水時有水濺落到飲水槽中時，飲水槽中的水流到漏水槽中，此時漏水槽中的浮球會從底部慢慢浮起來，這個過程改變了電容式傳感器的介電常數，從而改變了電容值。設置浮球在漏水槽底部時的電容值為初始值，若電容值不等于初始電容值時，利用控制電路模塊控制水泵將漏水槽中多余的水抽走并通過出水流量計。進水流量計和出水流量機與分別與無線節點和無線節點相連，通過無線傳感器網絡將數據傳給基站，基站再通過USB轉串口線與PC機進行通信。

2 無線傳感網絡設計

TinyOS本身提供了一系列的組件，可以很簡單方便地編制程序，用來獲取和處理傳感器的數據并通過無線電來傳輸信息。TinyOS在構建無線傳感器網絡時，它會有一個基地控制臺，主要是用來控制各個傳感器子節點，并聚集和處理它們所采集到的信息[2-8]。TinyOS只要在控制臺發出管理信息，然后由各個節點通過無線網絡互相傳遞[9]，最后達到協同一致的目的，方便快捷。（圖3）

節點監測部分：該部分需要在飲水槽附近中布置傳感器節點，傳感器節點接入無線傳感器網絡。基站啟動后，進行系統初始化。初始化之后建立網絡，如果建網不成功則重復至成功。建網成功后，進入循環，依次判別是否有節點加入、串口請求采集命令或傳感器節點響應，如果判定需要執行，則分別執行存儲傳感器地址，向傳感器發送采集命令，向串口傳輸收到的監測數據。傳感器節點啟動后，進行系統初始化，初始化之后尋找并加入網絡，如果加入不成功則重復至成功。加入網絡后，每隔5分鐘循環執行數據采集，完成后發送到基站[10-11]。具體流程如圖4所示。

3 機械電子裝置設計

3.1 渦輪流量計

水流量傳感器主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。正常工作時，渦輪流量計裝在熱水器進水端，用于檢測進水流量，當水通過水流轉子組件時，磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小進行調控[12]。

其脈沖頻率與流量關系如圖5所示。

3.2 微型水泵的選擇

選擇潛水泵12v揚程3米迷你微型直流無刷水泵，其技術參數如表1所示。

4 上位機部分設計

客戶端程序使用C#語言進行編寫，C#是微軟推出的基于.NET框架的、面向對象的高級編程語言。C#由C語言和C++派生而來，繼承了其強大的性能，同時又以.NET框架類庫為基礎，擁有極高的快速開發能力。C#“簡單、現代、通用”的設計原則，以及強類型檢查、自動垃圾收集等功能使得C#非常容易上手且具有很強的編程生產力。

數據庫使用微軟公司推出的關系數據庫解決方案Microsoft SQL Server 2008 R2。該平臺不僅支持圖形化界面操作，同時支持SQL直接對數據庫進行增刪改查，大大降低了開發以及管理數據設施的時間和成本。此外該平臺還具有極高的安全性、可靠性、可擴展性，使得用戶只需要關心應用程序的實現。使用數據庫可以方便快捷地對傳感器數據信息進行存儲、分析、管理以及共享。

5 結束語

基于對傳統養豬業的不利因素和將來智能化養豬檢測系統的綜合考慮，設計了基于無線傳感器網絡和TinyOS的豬只飲水測量系統。本系統具有成本低、易于操作等優點，并且具有很好的移植性，可用于大范圍的畜牧業養殖監測。該系統不僅避免了人們過大的勞動強度，改善了豬場的設備環境，而且提高了生產效率，能科學地分析觀察豬的健康狀況，從而有效地預防疾病，對于我國智能化養豬的發展有著重要的意義，為豬場現代化監控系統提供新的選擇。

參考文獻

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[3]齊楠，韓波，李平.基于 ZigBee 技術的智能家庭無線傳感器網絡的設計[J].機電工程，2007，24（2）：20-22.

[4]尹航，張奇松，程志林.基于 ZigBee 無線網絡的溫濕度監測系統[J].機電工程，2008，25（11）：20-23.

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[9]潘浩.無線傳感器網絡操作系統TinyOS[M].

[10]朱 ，楊占勇.基于CC2530的無線振動監測傳感器節點設計[J].儀表技術與傳感器，2012（8）：56-58.

[11]李外云.CC2530與無線傳感器網絡操作系統TinyOS應用實踐[M].

[12]肖素琴，韓厚義.流量及應用指南[M].北京：中國石化出版社，1999.

作者簡介：高云（1974-），女，博士，主要研究方向：無線傳感器網絡、信號處理。

王帥（1993-），男，湖北武漢人，本科，主要研究方向：自動控制、無線傳感器網絡。

黎煊（1980-），男，博士，主要研究方向：農業智能檢測與控制。