劉玉潔

摘 要：針對傳統(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)險力差等問題，文中設(shè)計了一套基于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)，實時在線采集養(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、PC、平板等終端，實時掌握養(yǎng)殖場環(huán)境信息，并可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，自動或遠程控制相應(yīng)設(shè)備，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖場的智能生產(chǎn)與科學(xué)管理，最終達到健康養(yǎng)殖的目標(biāo)，具有較高的實際應(yīng)用價值。

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

中圖分類號：TP29 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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)?；较虬l(fā)展，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)管理也在向精準(zhǔn)化、自動化、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)計方案

系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、主控器模塊和遠程監(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)點通過RS 232傳輸給主控器，主控器將接收的數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)發(fā)，遠程監(jiān)控中心主要進行數(shù)據(jù)顯示、保存及分析。

通過對環(huán)境（溫度、濕度、氨氣、光照等）數(shù)據(jù)的采集、分析、比對集成現(xiàn)有的控制設(shè)備，進行通風(fēng)、投喂、疾病診斷等，實現(xiàn)自動遠程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 無線傳感器模塊設(shè)計

無線傳感器模塊由協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點組成。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，集成了增強型8051微控制器內(nèi)核，具有強大的外設(shè)：8通道12位ADC，2個USART接口、五通道DMA、21個通用IO引腳、電池監(jiān)測等[2]。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)節(jié)點主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，與終端節(jié)點綁定，接收終端節(jié)點無線發(fā)送的數(shù)據(jù)并存儲匯總，通過RS 232將數(shù)據(jù)傳送至主控器，以便數(shù)據(jù)進一步分析和處理[3]。協(xié)調(diào)器節(jié)點由無線通信模塊、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)，并傳送給主控器進行處理和存儲[4]。協(xié)調(diào)器程序流程如圖3所示。

2.2 終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點硬件結(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，加入成功后，得到16位地址，并通過SCMA-CA機制取得通道使用權(quán)，進行數(shù)據(jù)傳輸。終端節(jié)點程序流程如圖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消息隊列通信。針對不同的功能，主要劃分為初始化模塊、遠程交互模塊、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）初始化模塊主要對控制器進行初始化，并創(chuàng)建其他模塊；

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

（3）智能控制模塊主要通過腳本文件實現(xiàn)控制器的自動控制功能；

（4）命令分發(fā)處理模塊將遠程交互模塊、LCD模塊、智能控制模塊的消息通過消息隊列發(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）；

（6）日志模塊記錄系統(tǒng)的運行信息和操作日志。

3.2 主控器遠程通信流程

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

3.3 主程序設(shè)計

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消息隊列實現(xiàn)。為實現(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)隊列，MsgID（2 B）為消息號，由消息發(fā)送者產(chǎn)生、維護，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)和移動終端。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要用于存儲數(shù)據(jù)，便于日后查詢，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總、報表輸出。移動終端便于不在現(xiàn)場的人員及時準(zhǔn)確的掌握現(xiàn)場的環(huán)境與設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況，實現(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

測試時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，主要由1個協(xié)調(diào)器和8個接終端節(jié)點組成。終端節(jié)點1～7分布于養(yǎng)殖場內(nèi)的不同角落，終端節(jié)點8放置在養(yǎng)殖場室外。每個養(yǎng)殖場安裝一個主控器及附帶設(shè)備。主控器人機界面如圖8所示。

6 結(jié) 語

文中運用自動化及信息化技術(shù)設(shè)計了一套畜禽自動監(jiān)控系統(tǒng)和信息化管理系統(tǒng)，對養(yǎng)殖戶增加產(chǎn)量、擴大生產(chǎn)規(guī)模、減少養(yǎng)殖風(fēng)險、降低資源消耗和人力成本，提高養(yǎng)殖和防疫水平具有實際效用。

參考文獻

[1]紀晴，段培永，李連防，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)[J].計算機工程與設(shè)計，2008，29（12）：3064-3067.

[2]史兵，趙德安，劉星橋，等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（9）：136-140.

[3]沙國榮，趙不賄，景亮，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（1）：60-62.

[4]彭巍.基于ZigBee的無線產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2014.

[5]昂志敏，金海紅，范之國，等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與通信實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（10）：47-49.

[6]朱洪波，王儒敬，宋良過，等.智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖管理系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2013（7）：22-24.

[7]林元乖.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的休閑農(nóng)業(yè)智能檢測與培育系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（5）：78-79.

[8]胡欣宇，郭凱星，郭軍君，等.基于ZigBee的智能養(yǎng)殖生態(tài)控制系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（1）：67-70.endprint