基于Ruff套件的智能養殖系統設計

全國平 龐朝俞 王平 楊厚林

摘? ?要：傳統智能養殖系統大多存在智能化不足、無法實現遠程養殖監測和系統體系結構不明確等問題。文章基于Ruff開發套件，將智能控制與遠程養殖監測相結合，設計清晰的智能養殖系統結構，在實現終端底層對溫濕度的監測、語音控制燈光以及紅外線感應活動情況等功能的同時，將云IoT平臺引入智能養殖系統并實現移動端的遠程養殖監測。實踐表明：該智能養殖系統能夠實時掌握養殖場環境信息，有助于提高養殖效率。

關鍵詞：智能養殖;物聯網平臺;Ruff;消息隊列遙測傳輸協議;語音識別

隨著社會的不斷發展，肉類的市場需求量越來越大，針對肉類品質方面的要求也更高了，保證肉類質量的關鍵在于養殖過程[1]。

1? ? 智能養殖系統設計的整體架構

本套系統主要通過收集、處理、分析數據尋找最佳的養殖條件，具備了以下功能：識別養殖人員語音命令的智能電燈;采集養殖場的溫濕度，并根據數據智能開啟對應設備調節溫濕度[2];可以紅外感應所養殖的動物是否逃跑或有其他天敵物種接近的蜂鳴器報警;光照傳感器和繼電器智能開啟或關閉補光燈以調節養殖場內的光照強度;火焰報警器在突發火災時自動報警。此外，將所有數據實時發送到物聯網（Internet of Things，IoT）云平臺上的表格中，存儲、記錄、分析養殖的最佳條件，并可通過該云平臺隨時對本系統發送控制命令，實現對各個設備的控制。養殖系統總體設計如圖1所示。

2? ? 系統相關技術

2.1? Ruff物聯網感知層相關技術

傳感器是整個物聯網系統接觸物理世界各個模擬量最直接的工具，是一種監測的裝置，能夠感知被測量的模擬信息，并通過一些手段將這些模擬信息按照一定規律轉化成可以進一步處理的電信號或其他可處理的形式，傳感器后端的模塊再通過模數轉換，將物理信息進一步升級為數字信息，方便后續的處理。

2.2? 云端涉及的相關技術

2.2.1? MQTT實現原理

實現消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議需要客戶端和服務器端通信完成，在通信過程中，MQTT協議中有3種身份：發布者（Publish）、代理（Broker或服務器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，代理是服務器，發布者同時可以是訂閱者[3]。

2.2.2? 傳感器技術

一個傳感器模塊主要由4部分組成：敏感元件、轉換元件、轉換電路、輔助電源，如圖2所示。工作流程大致是：首先，由敏感元件去探測物理量。其次，將物理量的變換傳遞給轉換元件，轉換元件通常將這種變化以一定的方式在其輸出端產生電勢差或電流變化。再次，將這種微弱的電信號輸入進轉換電路，在輔助電源的幫助下進行放大濾波等處理。最后，輸出一個可用的電信號或其他形式的信號[4]。

3? ? 智能養殖系統實現

總體結構需要用到的外設有溫濕度傳感器（DHT11模塊）、火焰傳感器、紅外傳感器（HC-SR501模塊）、繼電器模塊、蜂鳴器，把這些外設加到Ruff物聯網操作系統，讓Ruff操作系統對外設進行底層的控制與數據的讀取。

設備終端直連外設模塊，對其進行直接控制，并直接讀數據采集層的數據，將得到的數據上報給IoT云進行處理保存，方便前端的使用。當用戶想控制操作系統時，通過前端控制，發送控制命令給IoT云，由IoT云下發命令給終端，終端控制設備層的設備，進行相應的操作。此外，當采集到數據異常時，終端會直接控制設備層，做出警報動作。

3.1? 溫濕度系統設計

溫濕度系統設計總體方案的數據采集用的是DHT11溫濕度傳感器，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此，該產品具有卓越品質、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。

3.2? 紅外感應設計

紅外線感應系統主要是通過紅外線傳感器來實現，紅外線傳感器是利用物體產生紅外輻射的特性，實現自動檢測的傳感器。在物理學中，可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波長（或頻率）的不同。將紅外感應傳感器部署到開發套件上，當有動物進入其感應范圍，傳感器就會輸出高電平，觸發蜂鳴器。

3.3? 語音控制燈光系統

語音控制開關燈的整體思想就是通過語音識別成文字，上傳到IoT平臺上，經過處理下發到設備控制電燈的開關。

本系統用Python實現一個能識別語音的腳本，語音識別需用上百度在線語音識別云服務，通過AI語音設備成文字，然后IoT云會下發控制命令給終端，進行燈光控制。

4? ? 系統運行效果

4.1? 環境數據的采集調試

將設備插上電源，等待硬件初始化完成，然后控制Ruff開發板連接熱點，讓套件連接上網絡，可以讓硬件和阿里云IoT進行數據傳輸，如果采集環境數據正常，采集到的數據會發到遠程的手機釘釘端。

4.2? 語音控制燈光開關功能調試

語音控制開關燈的操作，完成以上的數據接收后，說明設備和PC端是可以實現通信，PC開始運行Python的腳本，對著麥克風說：“打開”或者“open”，Python腳本會向設備發送開燈的指令，然后繼續說：“關閉”或者“close”，腳本也會發一個關燈的指令，即可實現燈光的控制。對于語音識別的正確率能夠達到80%左右。

5? ? 結語

本系統采用Ruff操作系統實現智能養殖，開發難度下降許多，畢竟這是Ruff的優勢，它將底層硬件的工作都封裝起來，打破原有軟硬件溝通的難題，輕松地結合響應傳感器實現響應功能，再利用IoT云打破很多養殖系統的局限—無法遠程監控的缺陷，也完成了響應的部分功能。但仍然存在許多不足之處，如對于環境監測參數，只能監測，不能實現自動控制;當監測發現環境參數出現異常時，還需要人工進行校對，大大降低了養殖場養殖效率。

[參考文獻]

[1]張晨.農業物聯網技術發展淺析[J].特區經濟，2013（5）：211-213.

[2]秦永和.濕度傳感器測試系統[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2002.

[3]林滸，張家銘，楊海波.基于MQTT協議的即時消息業務設計與實現[J].計算機系統應用，2017（3）：55-56.

[4]黃繼昌，徐巧魚，張海貴，等.傳感器工作原理及應用實例[M].北京：人民郵電出版社，1998.