郭文會

（蘭州理工大學技術(shù)工程學院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

當今在我國大多數(shù)地方對蛋雞飼養(yǎng)室溫度、濕度、光照強度等的檢測和控制還是依靠人工管理，存在一些問題，例如喂養(yǎng)環(huán)境控制的精度低，蛋的產(chǎn)量和質(zhì)量低[1]。在大規(guī)模和密集的繁殖過程中，最令人擔憂的是動物流行病。由于管理者和育種者的頻繁訪問，即使改善防疫措施，也會出現(xiàn)問題。大、中型雞禽養(yǎng)殖企業(yè)開始引入自動監(jiān)控技術(shù)，在一定程度上提升了雞舍環(huán)境的控制質(zhì)量[2]。但此類自動監(jiān)控設(shè)備主要運用模擬電路技術(shù)設(shè)計完成，采集數(shù)據(jù)速度慢，控制精度低，無法完成對溫度、濕度等被控制量的實時監(jiān)控。并且其布線復(fù)雜成本較高，智能化程度和科學化管理都有待提高。

設(shè)計一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蛋雞飼養(yǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，克服人工管理和現(xiàn)有蛋雞飼養(yǎng)模擬監(jiān)控設(shè)備的缺陷，完成對蛋雞飼養(yǎng)環(huán)境和個體體征數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

1 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)通過ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)將傳感器、網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、Web服務(wù)器、連接移動電話終端和其他設(shè)備，以實現(xiàn)蛋雞飼養(yǎng)室環(huán)境信息收集的自動化和智能在線控制。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 功能特點

本系統(tǒng)能實現(xiàn)對蛋雞飼養(yǎng)室環(huán)境和蛋雞個體生命特征的自動監(jiān)測與調(diào)控。具有以下功能：

1）傳感器節(jié)點用于收集多種環(huán)境信息，例如蛋雞飼養(yǎng)室的溫度，濕度，氧氣含量和光照水平以及蛋雞的個體生活特征[3]。

2）無線傳感器節(jié)點能夠與網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)連接，每個傳感器節(jié)點內(nèi)部芯片都刻有全球唯一的IP地址，它可以采用點對點通信網(wǎng)絡(luò)，管理人員通過在Internet的IP地址可以查

詢傳感器控制節(jié)點的工作情況。路由器可以發(fā)送信令和控制命令來控制傳感器的關(guān)鍵節(jié)點，從而驅(qū)動所使用的設(shè)備，從而保持各種環(huán)境參數(shù)長時間處于適當?shù)姆€(wěn)定狀態(tài)。

3）各種控制終端參與蛋雞飼養(yǎng)的監(jiān)控工作。通過上位機網(wǎng)絡(luò)管理終端和手機應(yīng)用程序，它可以實時查看蛋雞飼養(yǎng)室的環(huán)境信息和實時監(jiān)控圖像，并發(fā)送相關(guān)命令來控制蛋雞飼養(yǎng)室的環(huán)境控制設(shè)備的正常運行，Web管理終端與手機應(yīng)用程序之間的界面友好，增強了人機對話功能，有效地保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的直觀性。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點

各傳感器節(jié)點由溫度、濕度等傳感器、氧氣量紅外傳感器、各種光電傳感器、重力加速度傳感器等以及無線傳感器等通信模塊組成。它們收集雞舍和環(huán)境數(shù)據(jù)。溫度傳感器使用TC77，請參如圖2所示，光電傳感器請參如圖3所示。Zigbee模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 溫度傳感器

圖2 光敏傳感器

Zigbee模塊采用TI最新一代ZigBee芯片CC2530。它支持wxl標準的命令集，基于IEEE802.15.4的zigbee2007/Pro協(xié)議，采用wxl標準的20核心雙行串聯(lián)模式訪問網(wǎng)關(guān)主板和傳感節(jié)點，最大傳輸距離超過100m。CC2530具有內(nèi)置微控制器，具有卓越的性能，低功耗和代碼預(yù)取功能。它使用8051微控制器內(nèi)核，系統(tǒng)編程閃存為128KB[4]。

傳感器節(jié)點還具有數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備的作用，具有以下功能：

1）數(shù)據(jù)采集功能：自動收集蛋雞飼養(yǎng)室的溫度，濕度，氧氣含量，照度等環(huán)境數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送到射頻無線收發(fā)模塊，再通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)上。

2）控制設(shè)備功能：當傳感器節(jié)點檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)超過規(guī)定值時，相應(yīng)的控制命令信號通過RF收發(fā)器模塊發(fā)送到相應(yīng)的環(huán)境控制設(shè)備。例如自動關(guān)閉或關(guān)閉打開設(shè)備，升高或降低空調(diào)溫度等。智能交換機利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)信號獲取服務(wù)器的控制命令，并進行控制。通過繼電器打開和關(guān)閉照明電源。

2.2 網(wǎng)關(guān)及Web管理端

網(wǎng)關(guān)作為一種邊界設(shè)備，位于zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)之間，在整個系統(tǒng)中起著橋梁的作用。網(wǎng)關(guān)由協(xié)調(diào)器，核心處理器等組成。無線傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)將自動建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。核心處理器通過串行端口監(jiān)視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。如果系統(tǒng)傳輸了全部數(shù)據(jù)，它將自動觸發(fā)相應(yīng)的串行端口以終止相關(guān)事件，以便主動響應(yīng)數(shù)據(jù)情況。執(zhí)行由數(shù)據(jù)鏈接直接發(fā)送到圖片和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，然后以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端端口以多種方式將集成綜合數(shù)據(jù)發(fā)送到主Web服務(wù)器，該服務(wù)器主要負責傳輸最終數(shù)據(jù)，比較設(shè)置的多個閾值，并根據(jù)實際情況控制發(fā)送信息的順序。

在網(wǎng)關(guān)接收到信息并發(fā)送命令數(shù)據(jù)后，將最終數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路將控制命令發(fā)送到相關(guān)的多個傳感器關(guān)鍵節(jié)點，以控制每個節(jié)點。

2.3 手機App

通過Java軟件，開發(fā)了具有與Web服務(wù)器相同的基本功能的移動應(yīng)用專業(yè)軟件。它可以隨時隨地查詢產(chǎn)蛋室的實時環(huán)境信息，并控制飼養(yǎng)室內(nèi)環(huán)境控制裝置的工作狀態(tài)。其移動性的特點極大地方便了蛋雞產(chǎn)房的環(huán)境，并智能監(jiān)控蛋雞的各個生命體征[5]。

3 服務(wù)器管理軟件

利用目前最流行的Windows平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境visual studio，采用visual C++進行蛋雞飼養(yǎng)室環(huán)境和蛋雞個體生命體征智能監(jiān)測系統(tǒng)的研制。安裝在飼養(yǎng)室中的傳感器可以實時獲取繁殖室每個關(guān)鍵節(jié)點的溫度，空氣濕度和空氣中的氧氣含量，清晰地監(jiān)視蛋雞的數(shù)據(jù)，陽光直射的信息以及蛋雞個體的生命體征。每30min由每個傳感器節(jié)點收集每份數(shù)據(jù)都是實時的、全面的。根據(jù)環(huán)境參數(shù)的特殊需求，還可以在管理主界面上手動調(diào)整用于生活環(huán)境綜合控制的設(shè)備，如空調(diào)，照明設(shè)備等，以微調(diào)環(huán)境參數(shù)的動態(tài)信息。該閾值是根據(jù)不同的季節(jié)和生長周期的不同初始階段設(shè)置的。當綜合數(shù)據(jù)達到閾值時，軟件系統(tǒng)發(fā)送警報信號，該信號是由環(huán)境生成的，控制其他設(shè)備進行調(diào)整以使飼養(yǎng)室的環(huán)境能夠達到預(yù)期的目標。

4 結(jié)論

可以推斷，該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中采用了先進的各種無線傳感器，具有體積小、成本低、圖像直觀等特點。解決了人工育種過程中數(shù)據(jù)采集實時性和準確性不足的問題。與現(xiàn)有育種設(shè)備相比，減少布線和同類設(shè)備的重復(fù)投入，降低經(jīng)濟成本。并且系統(tǒng)修改，升級方便，適用于中小型蛋雞飼養(yǎng)[5]。環(huán)境數(shù)據(jù)的準確性和實時測量有了更好的保證，及時的控制可以迅速改善蛋雞的生長環(huán)境，更重要的是，提高雞蛋的產(chǎn)量和質(zhì)量。