嵌入式無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

■李 紅 王 艷 宋曉燕

（平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南平頂山 467000）

畜牧養(yǎng)殖自動(dòng)化將是養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)。隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，近年來，飼養(yǎng)方式向集約化、自動(dòng)化與信息化發(fā)展。畜牧種類和品種對(duì)飼養(yǎng)環(huán)境的要求各不相同，但大都受溫度的影響，特別是封閉式的養(yǎng)殖環(huán)境，不僅光照有限，并且溫濕度波動(dòng)較大。在這樣的環(huán)境下，禽畜牧的生長繁殖將受較大的影響,無線網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)勢(shì)就是無需布線，并且監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置靈活、架構(gòu)分明、單點(diǎn)維護(hù)方便[1]。針對(duì)于此，對(duì)養(yǎng)殖場的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行無線監(jiān)測，實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)信息。

本文設(shè)計(jì)的無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)采用S3C6410作為核心處理器，底層采用Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集并發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)利用WiFi傳輸?shù)讓訑?shù)據(jù)。該系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場的視頻信息和環(huán)境信息進(jìn)行采集和顯示，通過上位機(jī)軟件控制監(jiān)控設(shè)備，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖場。

1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：底層數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸器和上位監(jiān)控模塊。底層無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由CC2430芯片、USB攝像頭、參數(shù)采集模塊組成，USB攝像頭可在實(shí)時(shí)采集養(yǎng)殖場的視頻信息，參數(shù)采集模塊主要是對(duì)養(yǎng)殖場中的環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)傳輸器對(duì)環(huán)境信息和視頻信息進(jìn)行打包，通過無線WiFi傳輸給上位控制機(jī)。上位監(jiān)控模塊對(duì)數(shù)據(jù)包中的信息進(jìn)行解碼，將視頻信息和環(huán)境信息實(shí)時(shí)地反映在屏幕上。無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架

2 多數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)于解決冗余數(shù)據(jù)提高數(shù)據(jù)的精確性提供了技術(shù)支持，并進(jìn)一步降低誤差數(shù)據(jù)對(duì)整體檢測數(shù)據(jù)的干擾。

2.1 多數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理

無線養(yǎng)殖場中的檢測數(shù)據(jù)集取決于場所布置的無線采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，節(jié)點(diǎn)越多需要融合的數(shù)據(jù)量就越多，但是無線節(jié)點(diǎn)由于受到各種因素的干擾和本身精度的影響，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的可能有一定的誤差，為了剔除誤差較大的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行前期預(yù)處理。文章采用模糊集理論根據(jù)容許函數(shù)的閾值剔除誤差較大的傳感器數(shù)據(jù)。

定義兩個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)間的容許函數(shù)為二元模糊關(guān)系：R：X×X→ [0,1],滿足以下條件[2]：

①R(x,x)=1；②R(x,y)=R(y,x)；③當(dāng)D(x,y)≤D(x,y')時(shí)，R(x,y)≥R(x,y')

其中，X是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)的論域；D(x,y)表示x與y之間的距離。根據(jù)容許函數(shù)的定義，數(shù)據(jù)容許度類似于數(shù)據(jù)的可信度，當(dāng)某一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)與均值的差越小表示數(shù)據(jù)的可信度越高。

某一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻得到的測量數(shù)據(jù)為 x1,x2…,xn，其中，xi=(xix,xiy)，xj=(xjx,xjy)。設(shè)，dij表示節(jié)點(diǎn)采集值xi和xj間的距離。文章將容許函數(shù)定義為：

定義閥值函數(shù)A(xi,xj)，

其中ε為xi,yi允許的最大距離,ε與節(jié)點(diǎn)的測量精度有關(guān)，通過前期數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的多次校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，可以得出節(jié)點(diǎn)的誤差容許值。A(xi,xj)為1時(shí)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器所采集的數(shù)據(jù)在容許的范圍內(nèi)，若為0表示兩個(gè)數(shù)據(jù)之間沒有容許的意義，應(yīng)剔除掉。

2.2 采集結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分批估計(jì)

無線養(yǎng)殖場中需要布置較多類型的無線傳感器，這里以溫度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行算法的改進(jìn)和說明,假設(shè)在無線養(yǎng)殖場的一個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布置n個(gè)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)將將某一時(shí)刻單個(gè)溫度傳感器采集的n個(gè)數(shù)據(jù)均分為4組,其中第j組為Tj1,Tj2,Tj3,......Tjnj,nj≥2,j=1,2,3,4 并且，則4組平均值為：

對(duì)應(yīng)的方差為：

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究可知，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中分批估計(jì)理論可以求解單傳感器4組數(shù)據(jù)融合的最優(yōu)估計(jì)值T：

單溫度傳感器4組數(shù)據(jù)融合之后的可得該溫度傳感器采集數(shù)據(jù)的最優(yōu)方差σ2：

3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)

高效穩(wěn)定的傳輸協(xié)議是信息傳輸質(zhì)量的保證，該無線監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包大小、傳輸數(shù)據(jù)的類型等各方面的特點(diǎn)[4]，設(shè)計(jì)了兩套數(shù)據(jù)包格式。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸器與環(huán)境參數(shù)采集模塊的通信

數(shù)據(jù)傳輸器與底層數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間的通信內(nèi)容主要為檢測數(shù)據(jù)。采用串口通信，通信時(shí)采用半雙工方式，數(shù)據(jù)傳輸器為主設(shè)備，底層數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)為從設(shè)備。該協(xié)議的數(shù)據(jù)包主要分為以下幾種類型。

表1 詢問底層數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

A表示傳感器節(jié)點(diǎn)的類型，B表示傳感器節(jié)點(diǎn)的高位值，C表示傳感器節(jié)點(diǎn)的低位值。

主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)幀以4040H為幀起始符，從設(shè)備回復(fù)主設(shè)備數(shù)據(jù)幀以5050H為幀起始符。

表2 底層數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)回復(fù)

3.2 上位機(jī)與數(shù)據(jù)傳輸器的通信

上位機(jī)與數(shù)據(jù)傳輸器之間的通信包含了視頻數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此傳輸協(xié)議在保證視頻信息實(shí)時(shí)性的同時(shí)還需要兼顧環(huán)境信息傳輸?shù)目煽啃?。由于視頻信息數(shù)據(jù)量較大，為主要的傳輸內(nèi)容，所以傳輸方式主要考慮視頻信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。目前較為流行的是采用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。但UDP在進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小不能超過2048字節(jié)，而且UDP協(xié)議是不面向連接的傳輸協(xié)議，在傳輸?shù)倪^程中會(huì)導(dǎo)致丟包等情況[5]。TCP協(xié)議提供面向連接，可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、無重復(fù)地進(jìn)行發(fā)送，本系統(tǒng)采用可靠性更高的TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程

數(shù)據(jù)傳輸模塊以S3C6410作為核心控制器，采用Linux系統(tǒng)作為運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)通電后，Linux系統(tǒng)初始化，隨后向上位機(jī)發(fā)送連接請(qǐng)求指令。具體的數(shù)據(jù)通信流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信流程

數(shù)據(jù)傳輸器的程序流程主要有以下步驟：

①系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，然后運(yùn)行腳本建立WiFi連接并運(yùn)行主程序；

②數(shù)據(jù)傳輸器與上位機(jī)建立TCP連接，并發(fā)送連接請(qǐng)求，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸器進(jìn)行信息注冊(cè)；

③周期性采集視頻信息，并向上位機(jī)發(fā)送視頻信息，在得到上位機(jī)確認(rèn)指令后斷開TCP連接；

④讀取底層無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息，建立TCP連接并向上位機(jī)發(fā)送環(huán)境信息，在得到上位機(jī)確認(rèn)指令后斷開TCP連接。

4 上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)部分采用VS2012進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，用戶手動(dòng)輸入本機(jī)的IP地址和需要監(jiān)聽的端口號(hào)。當(dāng)計(jì)算機(jī)通過路由器接收到連接指令后，將注冊(cè)信息顯示在主界面。監(jiān)控界面如圖3所示。

圖4顯示了養(yǎng)殖場環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示界面，界面不僅數(shù)字式顯示當(dāng)前養(yǎng)殖場環(huán)境的情況，并以波形的形式顯示采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)變化情況，這便于工作人員精確形象的分析養(yǎng)殖場環(huán)境狀況。

圖3 無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的登陸界面

圖4 無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的無線養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)采用S3C6410作為核心處理器，底層采用Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集并發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)利用WiFi傳輸?shù)讓訑?shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境信息檢測和實(shí)時(shí)視頻傳輸。為解決養(yǎng)殖場中多傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合精度低的問題，還提出了一種改進(jìn)型的分批估計(jì)融合算法，同時(shí)根據(jù)無線監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的大小和數(shù)據(jù)類型，設(shè)計(jì)了兩套數(shù)據(jù)包格式。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)基本滿足養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)測需求，有較廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。