劉玉潔

摘 要：針對傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)粗放生產，資源轉化率低，現(xiàn)代化程度低，抵御市場風險力差等問題，文中設計了一套基于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，圍繞畜禽養(yǎng)殖場生產和管理環(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)測結果，自動或遠程控制相應設備，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖場的智能生產與科學管理，最終達到健康養(yǎng)殖的目標，具有較高的實際應用價值。

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

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：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、標準化、規(guī)?；较虬l(fā)展，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)管理也在向精準化、自動化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。但傳統(tǒng)養(yǎng)殖技術和低效率的生產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)殖場內環(huán)境惡化而導致畜禽大量死亡，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、管理、營銷的信息化，大幅提升養(yǎng)殖業(yè)的生產效率、管理和經(jīng)營決策水平。

1 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡模塊、主控器模塊和遠程監(jiān)控模塊[1]。無線傳感器網(wǎng)絡模塊采集養(yǎng)殖場內的環(huán)境參數(shù)，并由協(xié)調器節(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)有的控制設備，進行通風、投喂、疾病診斷等，實現(xiàn)自動遠程控制。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 無線傳感器模塊設計

無線傳感器模塊由協(xié)調器和終端節(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)，內置協(xié)議棧，支持ZigBee和IEEE802.15.4等多種標準。芯片集成了2.4 GHz標準射頻收發(fā)器，具有出色的靈敏度和抗干擾性，集成了增強型8051微控制器內核，具有強大的外設：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)調器節(jié)點設計

協(xié)調節(jié)點主要負責網(wǎng)絡的建立與維護，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)調節(jié)點的硬件結構如圖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，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)調器程序流程如圖3所示。

2.2 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點硬件結構基本與協(xié)調器類似，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，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，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的iMX287，EasyARM-iMX287主板配備了一顆Freescale ARM9 iMX28系列多媒體應用處理器，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內核和必要的驅動程序，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。主控器與遠程服務器之間采取異步通信方式，控制器收到遠程網(wǎng)絡發(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)送給遠程服務器。

3.3 主程序設計

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)一的消息結構：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）為命令或回復隊列，MsgID（2 B）為消息號，由消息發(fā)送者產生、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器及其應用軟件、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)場的人員及時準確的掌握現(xiàn)場的環(huán)境與設備運轉狀況，實現(xiàn)養(yǎng)殖生產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)絡采用星型拓撲結構，主要由1個協(xié)調器和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備。主控器人機界面如圖8所示。

6 結 語

文中運用自動化及信息化技術設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)殖戶增加產量、擴大生產規(guī)模、減少養(yǎng)殖風險、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)絡的智能家居系統(tǒng)[J].計算機工程與設計，2008，29（12）：3064-3067.

[2]史兵，趙德安，劉星橋，等.基于無線傳感網(wǎng)絡的規(guī)?；a養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農業(yè)工程學報，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)絡的溫室大棚環(huán)境測控系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2012（1）：60-62.

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

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

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

[7]林元乖.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的休閑農業(yè)智能檢測與培育系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，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，2017，7（1）：67-70.endprint