胡古月

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

面對(duì)集約化、信息化、自動(dòng)化程度都較低的現(xiàn)狀，中國(guó)動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)正在向科技含量更高的動(dòng)物福利養(yǎng)殖方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型。加之人們對(duì)食品安全問(wèn)題的關(guān)注度日益上升，動(dòng)物養(yǎng)殖信息的追溯和管理成為養(yǎng)殖過(guò)程中必須包含的內(nèi)容。對(duì)于養(yǎng)豬業(yè)而言，仔豬的體重監(jiān)測(cè)是飼養(yǎng)過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。通過(guò)這一數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖者可以準(zhǔn)確了解到仔豬的健康和生長(zhǎng)狀況，從而對(duì)應(yīng)地進(jìn)行增加或減少飼料等一系列的措施。同時(shí)，豬仔體重的數(shù)據(jù)變化能夠反映出該養(yǎng)殖廠的飼養(yǎng)水平。另外，對(duì)于大規(guī)模的飼養(yǎng)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，人工稱量費(fèi)時(shí)費(fèi)工。通過(guò)機(jī)器實(shí)時(shí)得到該數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖者可以得到第一手準(zhǔn)確的體重?cái)?shù)據(jù)。

本論文詳細(xì)敘述了豬仔體重監(jiān)測(cè)的原理、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及部分功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)基本完成測(cè)量和顯示數(shù)據(jù)的功能，但仍有可拓展和升級(jí)的地方。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 ARM上位機(jī)開(kāi)發(fā)

ARM從串口接收數(shù)據(jù)，即豬仔的重力大小，把它放到數(shù)據(jù)庫(kù)。為了直觀顯示和便于研究，圖形界面上顯示最近五個(gè)數(shù)據(jù)，并且可以查詢?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)某一范圍大小的豬仔重力。具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)ARM板選擇：采用三星具有工業(yè)級(jí)溫度的微處理器S3C2440A-40，主頻400MHZ;采用2片4Banks×4M ×16bits SDRAM，PC100/PC133 兼容，共 64MB，64M ×8bits Nandflash;采用高精度6層板工藝，其中3層電源層的設(shè)計(jì)，使其具有最佳的電氣性能和抗干擾性能，具有低功耗特性。

(2)QT庫(kù)移植：首先，安裝arm920t-eabi編譯器，將它解壓到指定目錄下，并設(shè)置編譯器路徑;然后利用此編譯器編譯QT。

(3)制作QT文件系統(tǒng)：在此，我們利用現(xiàn)成的QT文件系統(tǒng)，將它直接燒制到Arm板上。

(4)Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)移植：Sqlite簡(jiǎn)介：Sqlite是嵌入式SQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎SQLite(SQLite Embeddable SQL Database Engine)的一個(gè)擴(kuò)展。SQLite是一個(gè)實(shí)現(xiàn)嵌入式SQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎小型C語(yǔ)言庫(kù)(C library)，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的，可嵌入的，零配置的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。特性包括：事務(wù)操作是原子，一致，孤立，并且持久的，即使在系統(tǒng)崩潰和電源故障之后。零配置——不需要安裝和管理。實(shí)現(xiàn)了絕大多數(shù)SQL92標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)在一個(gè)單一的文件中。數(shù)據(jù)庫(kù)文件可以在不同字節(jié)序的機(jī)器之間自由地共享。支持最大可達(dá)2T的數(shù)據(jù)庫(kù)。字符串和BLOB類型的大小只受限于可用內(nèi)存。完整配置的少于250KB，忽略一些可選特性的少于150KB。在大多數(shù)常見(jiàn)操作上比流行的客戶/服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)引擎更快。用SQLite連接的程序可以使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，但不需要運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)程(separate RDBMS process)。SQLite不是一個(gè)用于連接到大型數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器(big database server)的客戶端庫(kù)(client library)，而是非常適合桌面程序和小型網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。這些特性使得Sqlite非常適合在ARM平臺(tái)上使用。

(5)Sqlite交叉編譯：利用Arm-linux-gcc編譯器編譯Sqlite源代碼，生成可在ARM上運(yùn)行的可執(zhí)行文件以及鏈接庫(kù)。首先，修改configure文件#./configure—host=arm-linux—disable-tcl—prefix=/home/sqlite-3.6.18/sqlite-armlinux/;修改Makefile文件，BBC=gcc-g-O2;然后，編譯并安裝，#make＆＆make install;用strip處理，去掉其中的調(diào)試信息，#arm-linux-stripsqlite3;最后，進(jìn)行移植，對(duì)庫(kù)的拷貝時(shí)要加上 -arf選項(xiàng)，因?yàn)?libsqlite3.so，libsqlite3.so.0是鏈接到libsqlite3.so.0.8.6的;在開(kāi)發(fā)板終端中將三個(gè)庫(kù)文件拷貝到其庫(kù)中，而后即可使用sqlite了。

(6)QT界面設(shè)計(jì)：Qt開(kāi)放源代碼，并且提供自由軟件的用戶協(xié)議。使得它可以被廣泛地應(yīng)用在各平臺(tái)上的開(kāi)放源代碼軟件開(kāi)發(fā)中。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，Qt不但擁有了完善的C++圖形庫(kù)，還整合了數(shù)據(jù)庫(kù)，OpenGL庫(kù)，多媒體庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)腳本庫(kù)，XML庫(kù)，WebKit庫(kù)等，其核心庫(kù)也加入了進(jìn)程間通信，多線程等模塊極大的豐富了Qt開(kāi)發(fā)大規(guī)模復(fù)雜跨平臺(tái)應(yīng)用程序的能力。設(shè)計(jì)思路：在顯示屏的主窗口上有兩個(gè)頁(yè)面可自由切換，第一個(gè)頁(yè)面功能是接收串口數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)顯示最新五個(gè)紀(jì)錄，第二個(gè)頁(yè)面功能是查詢當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，查詢的條件是時(shí)間與豬仔的體重。

圖2 QT圖形界面設(shè)計(jì)

3 測(cè)量原理介紹

多只仔豬共同被飼養(yǎng)在一個(gè)保育箱中(面積：1.0m*0.5m)，利用安裝在保育箱底部的壓力傳感器可將仔豬的重力大小(測(cè)量行為發(fā)生在豬仔熟睡之時(shí)以減少豬仔活動(dòng)帶來(lái)的壓力誤差)線性地轉(zhuǎn)換成信號(hào)輸出端的電壓變化。主控單片機(jī)C8051F020利用片內(nèi)12位AD轉(zhuǎn)換器將電壓數(shù)據(jù)得到，并進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理。根據(jù)返回電壓值與重力大小的線性關(guān)系，主控單片機(jī)將處理好的體重量通過(guò)串口傳送給基于ARM的QT編寫(xiě)的軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中。QT程序調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，查詢，按時(shí)間軸等的排序。

圖3 壓力和輸出電壓曲線關(guān)系

4 主控單片機(jī)選擇

C8051F020/1/2/3器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳。

針對(duì)本項(xiàng)目，C8051F020的優(yōu)勢(shì)：(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25MIPS)。(2)真正12位、100 ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開(kāi)關(guān)。(3)擁有4352(4096+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM。(4)5個(gè)通用的16位定時(shí)器。(5)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))。(6)片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

從上面列出的特性可以看出，選擇C8051F020最重要的因素在于其擁有片內(nèi)12位AD轉(zhuǎn)換器。項(xiàng)目的精度要求小于0.02KG。在已知滿量程重量為80KG時(shí)可推知，使用10位AD時(shí)的精度約為0.078KG，使用12位 AD時(shí)的精度約為0.019KG。使用12位AD時(shí)才能滿足項(xiàng)目要求，并且測(cè)量精度大大提高。這是選擇這款單片機(jī)的主要原因。

5 數(shù)據(jù)處理方式

數(shù)據(jù)采集的時(shí)間是在夜間豬仔熟睡期間，這樣減少豬仔的活動(dòng)對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響。采集數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)通過(guò)AD讀回30次傳感器輸出電壓值后，我們對(duì)30次電壓值進(jìn)行排序，然后去掉其中最大及最小的5個(gè)電壓值。將剩余的20個(gè)電壓值進(jìn)行取平均值，然后再將此電壓值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的體重值，將此值作為這一小段時(shí)間內(nèi)測(cè)量值送至串口進(jìn)行發(fā)送。這樣做的好處是降低了突發(fā)事件對(duì)數(shù)據(jù)的影響，降低了隨機(jī)誤差。

6 傳感器的選擇

項(xiàng)目所針對(duì)的豬仔保育箱總重量約為60KG左右，精度要求0.02KG。對(duì)于傳感器的選擇，我們從下面幾個(gè)要求進(jìn)行了考察：(1)量程是否能夠滿足要求。(2)精度是否能夠達(dá)到要求。(3)溫度漂移程度要盡量小。(4)非線性度要盡量小。(5)尺寸大小、安裝方法、材質(zhì)是否適合現(xiàn)場(chǎng)條件。(6)工作溫度范圍是否滿足條件。(7)信號(hào)輸出形式是否便于處理器處理。

根據(jù)上述考察條件，我們選擇了型號(hào)為YZC-18，量程為40KG的壓力傳感器。下面是該傳感器的參數(shù)特性和尺寸圖。

圖4 壓力傳感器參數(shù)特性圖

圖5 壓力傳感器尺寸圖

7 軟件流程圖

圖6 單片機(jī)軟件流程圖

圖7 ARM上位機(jī)軟件流程圖

8 結(jié)語(yǔ)

本論文及系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本完成豬仔體重監(jiān)測(cè)的相關(guān)功能，但仍有很多值得改進(jìn)和增加的功能部分，并且只是停留在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段沒(méi)有經(jīng)過(guò)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用檢驗(yàn)。但我相信，動(dòng)物福利養(yǎng)殖一定是未來(lái)中國(guó)養(yǎng)殖業(yè)的重要發(fā)展方向，中國(guó)將在農(nóng)業(yè)信息化、智能化、自動(dòng)化的道路上越走越遠(yuǎn)。

［1］付為森，滕光輝，楊艷.種豬體重三維預(yù)估模型的研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006-12.

［2］楊艷，滕光輝，李保明.種豬體重測(cè)量新方法初探.畜禽業(yè)，2005-10.

［3］覃樹(shù)華.育肥豬的體重估測(cè)式.廣西畜牧獸醫(yī)，1988-2.

［4］李劍秋.應(yīng)用逐步回歸法估測(cè)豬體重的研究.浙江畜牧獸醫(yī)，2002(3).

［5］梁之軍，張志明，黃哲英，陳仁超.乳牛體重估測(cè)方法的驗(yàn)證和探討.福建農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1983，12(4).