孫凱，連京華，李惠敏，殷若新

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所，山東濟(jì)南250023）

基于分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能變頻風(fēng)機(jī)的研究應(yīng)用

孫凱，連京華*，李惠敏，殷若新

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院家禽研究所，山東濟(jì)南250023）

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，家禽養(yǎng)殖規(guī)模化和現(xiàn)代化發(fā)展已成為必然，越來越多的養(yǎng)殖企業(yè)開始利用環(huán)境自動(dòng)化控制技術(shù)對禽舍進(jìn)行有效管理，取得了顯著的生產(chǎn)效益。標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；某潭仍诩仪蒺B(yǎng)殖業(yè)的占比越高，環(huán)境因素所起的作用越大。

通風(fēng)對于環(huán)境控制的重要性不言而喻。良好的通風(fēng)可以排出舍內(nèi)水蒸氣、各種有害氣體、粉塵以及多余的熱量，從而保證雞體健康。風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能而提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，是目前家禽養(yǎng)殖中主要的通風(fēng)設(shè)備。實(shí)際生產(chǎn)中禽舍環(huán)控風(fēng)機(jī)主要包括變頻和定頻兩種。定頻風(fēng)機(jī)價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛，設(shè)備簡單，故障率低，但缺點(diǎn)同樣突出，每次啟動(dòng)消耗能源多，舍內(nèi)環(huán)境變化波動(dòng)強(qiáng)烈，易使家禽產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。變頻風(fēng)機(jī)很好卻能解決了以上問題，開機(jī)初期，高頻運(yùn)轉(zhuǎn)，可以快速改善舍內(nèi)環(huán)境；達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，降頻運(yùn)轉(zhuǎn)不停機(jī)，室溫變動(dòng)?。环€(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，低頻低功率運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)能省電。因此變頻風(fēng)機(jī)成為本次研究應(yīng)用的首選。

1 系統(tǒng)組成

市場上銷售的變頻風(fēng)機(jī)對溫度的實(shí)時(shí)感知是通過一個(gè)溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)的，由于禽舍空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，高處和低處的空氣質(zhì)量、風(fēng)機(jī)旁邊和遠(yuǎn)處的空氣質(zhì)量、禽舍中部和靠墻的空氣質(zhì)量差別都較大，一個(gè)傳感器難以獲取科學(xué)、客觀的數(shù)據(jù)。分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)置在多個(gè)重要代表位置的溫度傳感器獲取數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)程序校對后獲得最接近客觀事實(shí)的舍內(nèi)溫度信息，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。該系統(tǒng)主要由無線溫度傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)（控制器和數(shù)據(jù)通訊部件）、基站、監(jiān)控終端組成。變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 智能變頻通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

無線溫度傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)測定要求布置在禽舍內(nèi)，通過自組織方式組成分布式無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器把各自采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)經(jīng)多跳路由發(fā)往基站，控制電路實(shí)時(shí)獲取的風(fēng)機(jī)設(shè)備的狀態(tài)信息通過多跳方式由控制節(jié)點(diǎn)發(fā)往基站，基站通過串口把匯總數(shù)據(jù)發(fā)向監(jiān)控終端（服務(wù)器），監(jiān)控終端內(nèi)安裝專業(yè)軟件的控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，得出風(fēng)機(jī)設(shè)備最優(yōu)運(yùn)行方案，以多跳方式將控制命令通過基站發(fā)往控制節(jié)點(diǎn)，控制風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及到多個(gè)無線溫度傳感節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的可靠運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)的基本要求，本系統(tǒng)實(shí)用的傳感節(jié)點(diǎn)包括傳感器、無線通信模塊、處理器、存儲器。無線溫度傳感節(jié)點(diǎn)架構(gòu)見圖2。

圖2 無線溫度傳感節(jié)點(diǎn)架構(gòu)圖

處理器電路是傳感器、通信模塊、儲存電路及控制器的核心，還負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)電路流程和總線通訊協(xié)議邏輯。因此處理器采用低成本、高速率的STC15W204S芯片。無線通訊模塊主芯片采用TI的CC2530，2.4G載頻，棒狀天線，使用電池供電。

2.1 系統(tǒng)基站系統(tǒng)基站由基帶板、主控傳輸板以及電源模塊組成。主控傳輸板接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)后發(fā)往基帶板轉(zhuǎn)換處理，基帶板先把數(shù)據(jù)處理為物理量數(shù)據(jù)，變換之后通過串口發(fā)往監(jiān)控終端,監(jiān)控終端的用戶程序接收到傳感器數(shù)據(jù)和被控設(shè)備狀態(tài)信息。計(jì)算出優(yōu)化方案后數(shù)據(jù)反向傳回控制模塊，控制風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行。

2.2 操作系統(tǒng)本系統(tǒng)選擇的SOS是一種從設(shè)計(jì)上著重考慮動(dòng)態(tài)性的更適合多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)。它由一個(gè)公共的內(nèi)核和模塊組成，它有自己的消息機(jī)制，動(dòng)態(tài)內(nèi)存機(jī)制可以動(dòng)態(tài)加載和動(dòng)態(tài)卸載模塊，以及其他的一些服務(wù)。它有豐富的模塊供調(diào)用，模塊會同時(shí)負(fù)責(zé)很多部分的功能，包括底層驅(qū)動(dòng)、路由協(xié)議、數(shù)據(jù)采集、無線通信、多跳網(wǎng)絡(luò)等。

2.3 監(jiān)控終端應(yīng)用程序?yàn)楸Ｕ舷到y(tǒng)的可靠性和有效性，特別編寫了監(jiān)控終端應(yīng)用程序。測試結(jié)果顯示該應(yīng)用程序的穩(wěn)定性良好，算法科學(xué)、高效，bug得到了最大程度的修正。應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

3 應(yīng)用測試和功能實(shí)現(xiàn)

該畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在濟(jì)南某蛋雞舍進(jìn)行現(xiàn)場安裝與運(yùn)行，養(yǎng)殖場蛋雞舍都裝有風(fēng)機(jī)設(shè)備、小窗和濕簾等來控制禽舍的通風(fēng)、降溫。禽舍長101.2m、寬為16.4m。存欄40000只蛋雞，配置包括自動(dòng)化飲水、喂料系統(tǒng)和自動(dòng)清糞系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)配備了8個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)、1個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)、8臺變頻風(fēng)機(jī)、1個(gè)小型基站及1臺作為監(jiān)控終端的商用服務(wù)器組成。

智能變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運(yùn)行，良好實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、介質(zhì)訪問、基站與監(jiān)控終端的即時(shí)通信、算法科學(xué)等設(shè)計(jì)目的；系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對禽舍溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理、存儲、顯示及無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)、組網(wǎng)靈活、增減方便；系統(tǒng)后期可根據(jù)用戶要求，通過更新監(jiān)控終端應(yīng)用程序和修改硬件設(shè)置后在傳感器節(jié)點(diǎn)添加光照、氨氣、粉塵等多種傳感器，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級。該系統(tǒng)采用的分布式無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)的有線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)因布線繁雜帶來安全性問題和數(shù)據(jù)有效性問題，變頻風(fēng)機(jī)設(shè)備的應(yīng)用也解決了定頻風(fēng)機(jī)使用過程中帶來的溫差過大的問題。因而，該系統(tǒng)的研究應(yīng)用具有良好的發(fā)展前景。

S818.5

A

1673-1085（2017）06-0019-02

2017-05-15

*通訊作者。