高云等

摘 要：針對(duì)目前豬場(chǎng)不能對(duì)豬飲水量精確測(cè)量等不利因素，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和TinyOS的豬只飲水測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化養(yǎng)豬，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豬只的飲水情況，并能將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC機(jī)，科學(xué)分析豬只的生長(zhǎng)狀況，并對(duì)疾病進(jìn)行有效的防控，進(jìn)而可以在豬場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)、環(huán)境檢測(cè)、疾病預(yù)防等方面做出改進(jìn)。這對(duì)中國(guó)現(xiàn)代化養(yǎng)豬，規(guī)范化養(yǎng)豬，提高生產(chǎn)率，推動(dòng)養(yǎng)豬技術(shù)發(fā)展有著重要意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TinyOS；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；飲水

我國(guó)有著非常悠久的養(yǎng)豬歷史，養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展前景巨大，但是在養(yǎng)豬技術(shù)方面仍然比較落后，而且許多豬場(chǎng)面臨一系列生產(chǎn)管理問(wèn)題。目前市面上的豬飲水設(shè)備中，測(cè)量豬飲水的稱重系統(tǒng)可以對(duì)豬飲水量稱重，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)分析不足，未能定量分析豬的生長(zhǎng)健康狀況[1]。本項(xiàng)目涉及基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的豬場(chǎng)飲水測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豬的飲水情況，進(jìn)行科學(xué)分析豬的健康狀況，并對(duì)疾病進(jìn)行有效的防控。本裝置避免了人們過(guò)大的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了豬場(chǎng)的設(shè)備環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率，能科學(xué)地分析觀察豬的健康狀況，從而有效地預(yù)防疾病，對(duì)于我國(guó)智能化養(yǎng)豬的發(fā)展有著重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目是提供一種監(jiān)測(cè)豬只的飲水測(cè)量系統(tǒng)。包括飲水機(jī)械裝置和在裝置周圍布置的微型傳感器節(jié)點(diǎn)。在保證不影響豬只的正常飲水的情況下，通過(guò)傳感器檢測(cè)豬只的飲水信息，傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立通信模式，并通過(guò)串口與電腦連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豬只的飲水健康狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)豬只疾病的預(yù)測(cè)。本系統(tǒng)能夠精確計(jì)量豬只的飲水量，并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)識(shí)別豬只的ID號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)械裝置：機(jī)械裝置部分由鴨嘴式豬飲水器、水槽、水流量傳感器和不銹鋼水管等組成。鴨嘴式豬只飲水器由閥體、閥芯、密封圈、回味彈簧、塞蓋、濾網(wǎng)等組成。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐腐蝕，工作可靠，不漏水，壽命長(zhǎng)，豬飲水時(shí)，嘴含飲水器，咬壓下閥桿，水從閥芯和密封圈的間隙流出，進(jìn)入豬的口腔，當(dāng)豬嘴松開后，靠回位彈簧張力，閥桿復(fù)位，出水間隙被封閉，水停止流出，鴨嘴式豬只飲水設(shè)備密封性能好，水流出時(shí)壓力降低，流速較低，符合豬只飲水要求。水槽的作用是防止多余濺射出來(lái)的水浪費(fèi)，同時(shí)也可作為儲(chǔ)水裝置供豬只飲用。飲水槽底部的漏水槽外表面設(shè)有電容式傳感器且漏水槽內(nèi)部放有浮球，若豬飲水時(shí)有水濺落到飲水槽中時(shí)，水會(huì)流到漏水槽中，漏水槽底部的浮球會(huì)慢慢浮起來(lái)，利用電容式傳感器檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)控制電路模塊控制水泵將漏水槽中多余的水抽走并利用出水流量計(jì)節(jié)點(diǎn)計(jì)量；搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將進(jìn)水流量計(jì)節(jié)點(diǎn)和出水流量計(jì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相減，最后得出豬只精確的飲水量，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，該裝置包括：PC機(jī)12、USB轉(zhuǎn)串口線11、基站10、無(wú)線節(jié)點(diǎn)9、進(jìn)水流量計(jì)8、飲水管7、豬飲水器6、飲水槽5、控制電路模塊4、水泵3、無(wú)線節(jié)點(diǎn)2、出水流量計(jì)1。

具體實(shí)施原理分析如下：當(dāng)豬飲水時(shí)，碰觸豬飲水器，水流通過(guò)進(jìn)水流量計(jì)和飲水管。若豬飲水時(shí)有水濺落到飲水槽中時(shí)，飲水槽中的水流到漏水槽中，此時(shí)漏水槽中的浮球會(huì)從底部慢慢浮起來(lái)，這個(gè)過(guò)程改變了電容式傳感器的介電常數(shù)，從而改變了電容值。設(shè)置浮球在漏水槽底部時(shí)的電容值為初始值，若電容值不等于初始電容值時(shí)，利用控制電路模塊控制水泵將漏水槽中多余的水抽走并通過(guò)出水流量計(jì)。進(jìn)水流量計(jì)和出水流量機(jī)與分別與無(wú)線節(jié)點(diǎn)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)相連，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給基站，基站再通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線與PC機(jī)進(jìn)行通信。

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

TinyOS本身提供了一系列的組件，可以很簡(jiǎn)單方便地編制程序，用來(lái)獲取和處理傳感器的數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線電來(lái)傳輸信息。TinyOS在構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)有一個(gè)基地控制臺(tái)，主要是用來(lái)控制各個(gè)傳感器子節(jié)點(diǎn)，并聚集和處理它們所采集到的信息[2-8]。TinyOS只要在控制臺(tái)發(fā)出管理信息，然后由各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互相傳遞[9]，最后達(dá)到協(xié)同一致的目的，方便快捷。（圖3）

節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)部分：該部分需要在飲水槽附近中布置傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)?；締?dòng)后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化。初始化之后建立網(wǎng)絡(luò)，如果建網(wǎng)不成功則重復(fù)至成功。建網(wǎng)成功后，進(jìn)入循環(huán)，依次判別是否有節(jié)點(diǎn)加入、串口請(qǐng)求采集命令或傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，如果判定需要執(zhí)行，則分別執(zhí)行存儲(chǔ)傳感器地址，向傳感器發(fā)送采集命令，向串口傳輸收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化之后尋找并加入網(wǎng)絡(luò)，如果加入不成功則重復(fù)至成功。加入網(wǎng)絡(luò)后，每隔5分鐘循環(huán)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，完成后發(fā)送到基站[10-11]。具體流程如圖4所示。

3 機(jī)械電子裝置設(shè)計(jì)

3.1 渦輪流量計(jì)

水流量傳感器主要由塑料閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。正常工作時(shí)，渦輪流量計(jì)裝在熱水器進(jìn)水端，用于檢測(cè)進(jìn)水流量，當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小進(jìn)行調(diào)控[12]。

其脈沖頻率與流量關(guān)系如圖5所示。

3.2 微型水泵的選擇

選擇潛水泵12v揚(yáng)程3米迷你微型直流無(wú)刷水泵，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 上位機(jī)部分設(shè)計(jì)

客戶端程序使用C#語(yǔ)言進(jìn)行編寫，C#是微軟推出的基于.NET框架的、面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程語(yǔ)言。C#由C語(yǔ)言和C++派生而來(lái)，繼承了其強(qiáng)大的性能，同時(shí)又以.NET框架類庫(kù)為基礎(chǔ)，擁有極高的快速開發(fā)能力。C#“簡(jiǎn)單、現(xiàn)代、通用”的設(shè)計(jì)原則，以及強(qiáng)類型檢查、自動(dòng)垃圾收集等功能使得C#非常容易上手且具有很強(qiáng)的編程生產(chǎn)力。

數(shù)據(jù)庫(kù)使用微軟公司推出的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案Microsoft SQL Server 2008 R2。該平臺(tái)不僅支持圖形化界面操作，同時(shí)支持SQL直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增刪改查，大大降低了開發(fā)以及管理數(shù)據(jù)設(shè)施的時(shí)間和成本。此外該平臺(tái)還具有極高的安全性、可靠性、可擴(kuò)展性，使得用戶只需要關(guān)心應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。使用數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便快捷地對(duì)傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、管理以及共享。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)傳統(tǒng)養(yǎng)豬業(yè)的不利因素和將來(lái)智能化養(yǎng)豬檢測(cè)系統(tǒng)的綜合考慮，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和TinyOS的豬只飲水測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有成本低、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，并且具有很好的移植性，可用于大范圍的畜牧業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)不僅避免了人們過(guò)大的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了豬場(chǎng)的設(shè)備環(huán)境，而且提高了生產(chǎn)效率，能科學(xué)地分析觀察豬的健康狀況，從而有效地預(yù)防疾病，對(duì)于我國(guó)智能化養(yǎng)豬的發(fā)展有著重要的意義，為豬場(chǎng)現(xiàn)代化監(jiān)控系統(tǒng)提供新的選擇。

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作者簡(jiǎn)介：高云（1974-），女，博士，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理。

王帥（1993-），男，湖北武漢人，本科，主要研究方向：自動(dòng)控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

黎煊（1980-），男，博士，主要研究方向：農(nóng)業(yè)智能檢測(cè)與控制。