智能養(yǎng)殖無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉玉潔

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)粗放生產(chǎn)，資源轉(zhuǎn)化率低，現(xiàn)代化程度低，抵御市場風(fēng)險(xiǎn)力差等問題，文中設(shè)計(jì)了一套基于iMX287和CC2530的智能養(yǎng)殖無線環(huán)境系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，圍繞畜禽養(yǎng)殖場生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)在線采集養(yǎng)殖場的溫度、濕度、氨氣、光照信息，養(yǎng)殖管理者可通過手機(jī)、PC、平板等終端，實(shí)時(shí)掌握養(yǎng)殖場環(huán)境信息，并可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制相應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖場的智能生產(chǎn)與科學(xué)管理，最終達(dá)到健康養(yǎng)殖的目標(biāo)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：iMX287；CC2530；無線環(huán)境監(jiān)控；智能化

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）09-00-03

0 引 言

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖方式正由粗放式經(jīng)營向集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化方向發(fā)展，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)管理也在向精準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。但傳統(tǒng)養(yǎng)殖技術(shù)和低效率的生產(chǎn)水平等一系列問題都成為影響、制約養(yǎng)殖業(yè)信息現(xiàn)代化的主要障礙。因養(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境惡化而導(dǎo)致畜禽大量死亡，不僅造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，還容易引發(fā)各種傳染疾病，威脅人類健康。故養(yǎng)殖信息化可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖戶生產(chǎn)、管理、營銷的信息化，大幅提升養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)效率、管理和經(jīng)營決策水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、主控器模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊采集養(yǎng)殖場內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS 232傳輸給主控器，主控器將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、保存及分析。

通過對(duì)環(huán)境（溫度、濕度、氨氣、光照等）數(shù)據(jù)的采集、分析、比對(duì)集成現(xiàn)有的控制設(shè)備，進(jìn)行通風(fēng)、投喂、疾病診斷等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 無線傳感器模塊設(shè)計(jì)

無線傳感器模塊由協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)組成。該模塊選用CC2530作為數(shù)據(jù)采集和處理中心，CC2530芯片是TI公司研制的一種片上系統(tǒng)，內(nèi)置協(xié)議棧，支持ZigBee和IEEE802.15.4等多種標(biāo)準(zhǔn)。芯片集成了2.4 GHz標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，具有出色的靈敏度和抗干擾性，集成了增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核，具有強(qiáng)大的外設(shè)：8通道12位ADC，2個(gè)USART接口、五通道DMA、21個(gè)通用IO引腳、電池監(jiān)測等[2]。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，與終端節(jié)點(diǎn)綁定，接收終端節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)匯總，通過RS 232將數(shù)據(jù)傳送至主控器，以便數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析和處理[3]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由無線通信模塊、微控制器模塊、串口通信模塊和電源模塊組成。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)上電后，首先將硬件和協(xié)議棧初始化，然后建立無線網(wǎng)絡(luò)，接著掃描通道中是否有終端節(jié)點(diǎn)加入，有則讀取并保存其地址。然后根據(jù)地址接收數(shù)據(jù)，并傳送給主控器進(jìn)行處理和存儲(chǔ)[4]。協(xié)調(diào)器程序流程如圖3所示。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)基本與協(xié)調(diào)器類似，故不再闡述。終端節(jié)點(diǎn)上電后，初始化硬件和協(xié)議棧，搜索通道上的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)出加入申請(qǐng)，加入成功后，得到16位地址，并通過SCMA-CA機(jī)制取得通道使用權(quán)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。終端節(jié)點(diǎn)程序流程如圖4所示。

3 主控器模塊

ARM主控器選用周立功單片機(jī)有限公司生產(chǎn)的iMX287，EasyARM-iMX287主板配備了一顆Freescale ARM9 iMX28系列多媒體應(yīng)用處理器，集成DDR2和NAND Flash， 及UART、I2C、SPI、ADC、SDIO、USB Host、USB Device、10/100 M以太網(wǎng)等常用通信接口，支持16位TFT液晶屏和電阻式觸摸屏，搭載了Linux 2.6內(nèi)核和必要的驅(qū)動(dòng)程序，并移植了Qt 5.8.0。

3.1 主控器模塊功能

主控器由不同的模塊組成，模塊之間通過Posix消息隊(duì)列通信。針對(duì)不同的功能，主要?jiǎng)澐譃槌跏蓟K、遠(yuǎn)程交互模塊、智能控制模塊、命令分發(fā)處理模塊、LCD顯示模塊和日志模塊。其組成如圖5所示。

（1）初始化模塊主要對(duì)控制器進(jìn)行初始化，并創(chuàng)建其他模塊；

（2）遠(yuǎn)程交互模塊主要用于與中心服務(wù)器進(jìn)行消息命令的交互以及對(duì)智能控制模塊和LCD顯示模塊進(jìn)行控制；

（3）智能控制模塊主要通過腳本文件實(shí)現(xiàn)控制器的自動(dòng)控制功能；

（4）命令分發(fā)處理模塊將遠(yuǎn)程交互模塊、LCD模塊、智能控制模塊的消息通過消息隊(duì)列發(fā)送到指定設(shè)備上；

（5）LCD顯示模塊發(fā)送命令到命令分發(fā)處理模塊，獲取并顯示當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)和工作模式（智能或手動(dòng)）；

（6）日志模塊記錄系統(tǒng)的運(yùn)行信息和操作日志。

3.2 主控器遠(yuǎn)程通信流程

主控器遠(yuǎn)程通信流程如圖6所示。主控器與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間采取異步通信方式，控制器收到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的命令請(qǐng)求后將命令放入接收消息隊(duì)列，命令處理線程獲取消息隊(duì)列中的命令后進(jìn)行分發(fā)處理，并將命令執(zhí)行的結(jié)果放入另一發(fā)送消息隊(duì)列。發(fā)送線程處理發(fā)送消息隊(duì)列中的消息并發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3.3 主程序設(shè)計(jì)

主程序在系統(tǒng)上電初始化之后，創(chuàng)建和功能模塊相關(guān)的消息隊(duì)列和線程函數(shù)。系統(tǒng)各線程之間通過消息交互數(shù)據(jù)，使用Posix消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)不同消息類型的通信，采用統(tǒng)一的消息結(jié)構(gòu)：MsgType（1 B）|Command/Response（4 B）|MsgID（2 B）|Len（1 B）|PDU（N B）。MsgType（1 B）為消息類型，0x00為發(fā)往命令分發(fā)處理模塊的消息，Command/Response（4 B）為命令或回復(fù)隊(duì)列，MsgID（2 B）為消息號(hào)，由消息發(fā)送者產(chǎn)生、維護(hù)，全局唯一，Len（1B）為PDU的長度，PDU（N B）根據(jù)消息的不同類型來定義。主程序流程如圖7所示。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

監(jiān)控中心包括中心服務(wù)器及其應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和移動(dòng)終端。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，便于日后查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、匯總、報(bào)表輸出。移動(dòng)終端便于不在現(xiàn)場的人員及時(shí)準(zhǔn)確的掌握現(xiàn)場的環(huán)境與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的全程無人操作和閉環(huán)控制。

5 系統(tǒng)測試

測試時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由1個(gè)協(xié)調(diào)器和8個(gè)接終端節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)1～7分布于養(yǎng)殖場內(nèi)的不同角落，終端節(jié)點(diǎn)8放置在養(yǎng)殖場室外。每個(gè)養(yǎng)殖場安裝一個(gè)主控器及附帶設(shè)備。主控器人機(jī)界面如圖8所示。

6 結(jié) 語

文中運(yùn)用自動(dòng)化及信息化技術(shù)設(shè)計(jì)了一套畜禽自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和信息化管理系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)殖戶增加產(chǎn)量、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、減少養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)、降低資源消耗和人力成本，提高養(yǎng)殖和防疫水平具有實(shí)際效用。

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