智能养殖无线监控系统设计与实现
引 言 随着我国养殖业的迅速发展，养殖方式正由粗放式经营向集约化、标准化、规模化方向发展，现代养殖业管理也在向精准化、自动化、智能化、网络化方向发展。但传统养殖技术和低效率的生产水平等一系列问题都成为影响、制约养殖业信息现代化的主要障碍。因养殖场内环境恶化而导致畜禽大量死亡，不仅造成较大的经济损失，还容易引发各种传染疾病，威胁人类健康。故养殖信息化可实现养殖户生产、管理、营销的信息化，大幅提升养殖业的生产效率、管理和经营决策水平。 1 系统设计方案 系统包括无线传感网络模块、主控器模块和远程监控模块[1]。无线传感器网络模块采集养殖场内的环境参数，并由协调器节点通过RS 232传输给主控器，主控器将接收的数据进行处理转发，远程监控中心主要进行数据显示、保存及分析。 通过对环境（温度、湿度、氨气、光照等）数据的采集、分析、比对集成现有的控制设备，进行通风、投喂、疾病诊断等，实现自动远程控制。系统结构如图1所示。 2 无线传感器模块设计 无线传感器模块由协调器和终端节点组成。该模块选用CC2530作为数据采集和处理中心，CC2530芯片是TI公司研制的一种片上系统，内置协议栈，支持ZigBee和IEEE802.15.4等多种标准。芯片集成了2.4 GHz标准射频收发器，具有出色的灵敏度和抗干扰性，集成了增强型8051微控制器内核，具有强大的外设：8通道12位ADC，2个USART接口、五通道DMA、21个通用IO引脚、电池监测等[2]。 2.1 协调器节点设计 协调节点主要负责网络的建立与维护，与终端节点绑定，接收终端节点无线发送的数据并存储汇总，通过RS 232将数据传送至主控器，以便数据进一步分析和处理[3]。协调器节点由无线通信模块、微控制器模块、串口通信模块和电源模块组成。协调节点的硬件结构如图2所示。 系统上电后，首先将硬件和协议栈初始化，然后建立无线网络，接着扫描通道中是否有终端节点加入，有则读取并保存其地址。然后根据地址接收数据，并传送给主控器进行处理和存储[4]。协调器程序流程如图3所示。 2.2 终端节点设计 终端节点硬件结构基本与协调器类似，故不再阐述。终端节点上电后，初始化硬件和协议栈，搜索通道上的网络，发出加入申请，本文由收集整理加入成功后，得到16位地址，并通过SCMA—CA机制取得通道使用权，进行数据传输。终端节点程序流程如图4所示。 3 主控器模块 ARM主控器选用周立功单片机有限公司生产的iMX287，EasyARM—iMX287主板配备了一颗Freescale ARM9 iMX28系列多媒体应用处理器，集成DDR2和NAND Flash， 及UART、I2C、SPI、ADC、SDIO、USB Host、USB Device、10/100 M以太网等常用通信接口，支持16位TFT液晶屏和电阻式触摸屏，搭载了Linux 2.6内核和必要的驱动程序，并移植了Qt 5.8.0。 3.1 主控器模块功能 主控器由不同的模块组成，模块之间通过Posix消息队列通信。针对不同的功能，主要划分为初始化模块、远程交互模块、智能控制模块、命令分发处理模块、LCD显示模块和日志模块。其组成如图5所示。 （1）初始化模块主要对控制器进行初始化，并创建其他模块； （2）远程交互模块主要用于与中心服务器进行消息命令的交互以及对智能控制模块和LCD显示模块进行控制； （3）智能控制模块主要通过脚本文件实现控制器的自动控制功能； （4）命令分发处理模块将远程交互模块、LCD模块、智能控制模块的消息通过消息队列发送到指定设备上； （5）LCD显示模块发送命令到命令分发处理模块，获取并显示当前传感器数据和工作模式（智能或手动）； （6）日志模块记录系统的运行信息和操作日志。 3.2 主控器远程通信流程 主控器远程通信流程如图6所示。主控器与远程服务器之间采取异步通信方式，控制器收到远程网络发送过来的命令请求后将命令放入接收消息队列，命令处理线程获取消息队列中的命令后进行分发处理，并将命令执行的结果放入另一发送消息队列。发送线程处理发送消息队列中的消息并发送给远程服务器。 3.3 主程序设计 主程序在系统上电初始化之后，创建和功能模块相关的消息队列和线程函数。系统各线程之间通过消息交互数据，使用Posix消息队列实现。为实现不同消息类型的通信，采用统一的消息结构：MsgType（1 B）|Command/Response（4 B）|MsgID（2 B）|Len（1 B）|PDU（N B）。MsgType（1 B）为消息类型，0x00为发往命令分发处理模块的消息，Command/Response（4 B）为命令或回复队列，MsgID（2 B）为消息号，由消息发送者产生、维护，全局唯一，Len（1B）为PDU的长度，PDU（N B）根据消息的不同类型来定义。主程序流程如图7所示。 4 远程监控模块 监控中心包括中心服务器及其应用软件、数据库系统和移动终端。数据库系统主要用于存储数据，便于日后查询，进行数据统计、汇总、报表输出。移动终端便于不在现场的人员及时准确的掌握现场的环境与设备运转状况，实现养殖生产的全程无人操作和闭环控制。 5 系统测试 测试时无线传感器网絡采用星型拓扑结构，主要由1个协调器和8个接终端节点组成。终端节点1～7分布于养殖场内的不同角落，终端节点8放置在养殖场室外。每个养殖场安装一个主控器及附带设备。主控器人机界面如图8所示。 6 结 语 文中运用自动化及信息化技术设计了一套畜禽自动监控系统和信息化管理系统，对养殖户增加产量、扩大生产规模、减少养殖风险、降低资源消耗和人力成本，提高养殖和防疫水平具有实际效用。